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  • ISBN：9787030675958
  • 装帧：一般胶版纸
  • 册数：暂无
  • 重量：暂无
  • 开本：24cm
  • 页数：355页
  • 出版时间：2021-06-01
  • 条形码：9787030675958 ; 978-7-03-067595-8

内容简介

《模块化多电平换流器原理及应用》全面系统地阐述了模块化多电平换流器的原理及应用。《模块化多电平换流器原理及应用》共分14章，其中前6章详细介绍模块化多电平换流器的运行机理与常规控制方法，包括应用背景、拓扑原理与特点、调制与子模块均压、环流抑制、运行控制与启动充电控制；第7、8章给出故障状态下的运行控制方法；第9、10章围绕仿真技术与建模方法展开讨论；第11～13章针对模块化多电平换流器在柔性直流输电、高压变频器以及其他领域的应用进行详细介绍；第14章给出模块化多电平换流器实验样机的设计搭建过程，以进一步加深读者的理解。

目录

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 可再生能源的发展需求 1
1.2 柔性直流输电技术 3
1.3 高压大容量VSC 4
1.3.1 两电平换流器 5
1.3.2 三电平换流器 5
1.3.3 级联H桥型换流器 7
1.4 模块化多电平换流器 8
参考文献 11
第2章 MMC的原理与特点 15
2.1 MMC的基本工作原理 15
2.1.1 电路结构分析 15
2.1.2 子模块工作原理 16
2.1.3 MMC电压增益分析 17
2.2 MMC电路分析 20
2.2.1 基本电压电流关系分析 20
2.2.2 电容电压分析 21
2.3 主要元器件参数设计 22
2.3.1 子模块功率器件选型 22
2.3.2 子模块电容器设计 24
2.3.3 桥臂电感设计 25
2.4 MMC辅助电路介绍 26
2.4.1 启动充电电路 26
2.4.2 子模块辅助供电电源 27
2.4.3 功率泄放电路 28
2.4.4 控制与保护系统 28
2.4.5 MMC样机示例 28
参考文献 32
第3章 MMC调制与子模块电容电压平衡技术 33
3.1 MMC调制技术概述 33
3.1.1 低开关频率调制策略 33
3.1.2 混合开关频率调制策略 34
3.1.3 高开关频率调制策略 34
3.1.4 子模块电容电压平衡 35
3.2 *近电平调制技术 36
3.2.1 *近电平调制的基本原理 36
3.2.2 基于排序的子模块电容电压平衡方法 37
3.2.3 降低开关次数的子模块电容电压平衡方法 39
3.2.4 基于排序的子模块电容电压平衡方法拓展 42
3.3 载波移相调制技术 43
3.3.1 MMC中PSC-PWM的谐波特性分析 43
3.3.2 MMC输出电压谐波*小化的载波移相角设计 50
3.3.3 MMC环流谐波消除的载波移相角设计 50
3.3.4 全桥子模块MMC的PSC-PWM 55
3.3.5 基于PSC-PWM的子模块电容电压平衡方法 61
参考文献 64
第4章 MMC环流抑制技术 67
4.1 环流现象与成因 67
4.2 环流的有源抑制方法 70
4.2.1 二倍频负序坐标系PI控制器 70
4.2.2 谐振控制器 71
4.2.3 重复控制器 72
4.2.4 结合电容电压前馈的有源环流抑制方法 76
4.3 有源环流抑制与调制策略的耦合现象及解耦方法 77
4.4 环流的无源抑制方法 86
4.4.1 有源环流抑制方法的输出容量损失问题 86
4.4.2 无源环流抑制方法的滤波器参数设计 89
4.5 降低电容电压波动的环流注入方法 96
参考文献 100
第5章 MMC运行控制技术 102
5.1 MMC控制目标及等效模型 102
5.2 MMC内部能量平衡控制 103
5.2.1 总体能量平衡控制 104
5.2.2 相间能量平衡控制 105
5.2.3 桥臂间能量平衡控制 106
5.3 MMC外层整体控制 115
5.3.1 MMC逆变运行控制 115
5.3.2 MMC整流运行控制 117
参考文献 120
第6章 MMC启动充电技术 122
6.1 外接启动电源的充电方法 122
6.2 直流侧启动充电方法 124
6.2.1 MMC直流侧不控充电过程分析 124
6.2.2 MMC直流侧启动充电控制策略 125
6.2.3 MMC直流侧启动充电实验分析 126
6.3 交流侧启动充电方法 129
6.3.1 MMC交流侧不控充电过程分析 129
6.3.2 MMC交流侧启动充电控制策略 130
6.3.3 MMC交流侧启动充电实验分析 132
参考文献 135
第7章 MMC子模块冗余与故障容错技术 136
7.1 MMC子模块冗余机制 136
7.2 子模块冷备用及其容错控制 137
7.2.1 含冷备用子模块MMC的电路分析 137
7.2.2 含冷备用子模块MMC的平稳过渡控制方法 138
7.3 子模块热备用及其故障容错控制 143
7.3.1 含热备用子模块MMC的电路分析 143
7.3.2 子模块IGBT开路故障诊断与容错方法 145
7.3.3 子模块热备用机制的进一步优化 156
7.4 子模块热插拔技术 158
参考文献 162
第8章 MMC交流侧不对称运行技术 163
8.1 不对称故障下MMC电路分析 163
8.1.1 不对称故障下MMC并网点的电压特征 163
8.1.2 不对称故障下MMC的交流电流与功率波动 166
8.2 不对称故障下MMC的控制策略 168
8.2.1 基于DDSRF的正、负序信号检测方法 168
8.2.2 不对称故障下MMC交流侧负序电流与功率波动抑制 170
8.2.3 不对称故障下MMC的直流侧功率波动抑制 173
8.3 不对称故障下背靠背系统的功率传输问题 175
参考文献 178
第9章 MMC电磁暂态模型及其仿真技术 180
9.1 MMC的详细模型 180
9.1.1 MMC器件级模型 180
9.1.2 基于分解算法的MMC详细模型 181
9.1.3 基于开关电阻等效的MMC详细模型 181
9.1.4 MMC的戴维南等效详细模型 182
9.2 MMC桥臂平均模型 183
9.2.1 MMC桥臂平均模型的基本原理 183
9.2.2 MMC桥臂平均模型仿真实例 184
9.3 MMC的换流器平均模型 188
9.4 实时仿真与半实物仿真技术 190
参考文献 193
第10章 MMC谐波线性化建模方法 195
10.1 MMC的谐波耦合特性及其线性化建模方法 195
10.2 基于HSS的MMC稳态模型 197
10.2.1 HSS基本原理 197
10.2.2 HSS下的MMC稳态模型 201
10.3 基于HSS的MMC小信号线性模型及其应用 205
10.3.1 MMC模型的线性化 205
10.3.2 MMC小信号线性模型的应用 207
参考文献 210
第11章 MMC在柔性直流输电中的应用 212
11.1 柔性直流输电的主接线方式 212
11.1.1 单极结构 212
11.1.2 双极结构 214
11.2 柔性直流输电的功率控制范围分析 215
11.3 多端柔性直流输电系统的功率协调控制 218
11.3.1 主从控制 218
11.3.2 电压裕度控制 219
11.3.3 下垂控制 220
11.4 混合直流输电技术 221
11.4.1 MMC与LCC混合直流输电 222
11.4.2 MMC与二极管整流器混合直流输电 224
11.4.3 MMC与DC/DC的混合直流输电 226
11.5 柔性直流输电直流短路故障保护 226
11.5.1 MMC柔性直流输电直流短路故障特征 226
11.5.2 基于交流断路器的直流短路故障电流阻断方法 229
11.5.3 具备直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑 231
11.5.4 基于直流断路器的故障保护方法 235
参考文献 238
第12章 MMC在高压变频器中的应用 241
12.1 MMC高压变频器概述 241
12.1.1 MMC变频器的主电路结构 242
12.1.2 MMC变频器的输入整流器电路 243
12.2 MMC变频器低频运行的电容电压波动问题 245
12.3 MMC变频器的高频注入方法 250
12.3.1 正弦波高频注入方法 250
12.3.2 方波高频注入方法 252
12.3.3 方波高频注入方法的进一步优化 253
12.4 混合型MMC变频器拓扑 263
12.4.1 拓扑结构与工作原理 264
12.4.2 混合型MMC电路特性分析 266
12.4.3 混合型MMC控制策略 270
12.5 混合型MMC降电容电压运行方式 278
12.6 混合型MMC四象限变频器 285
12.6.1 混合型MMC四象限变频器的工作原理 286
12.6.2 混合型MMC四象限变频器的控制方法 289
参考文献 296
第13章 MMC的其他新应用概述 299
13.1 MMC高压大容量DC/DC变换器 299
13.1.1 MMC面对面型DC/DC变换器 299
13.1.2 MMC自耦型DC/DC变换器 305
13.1.3 基于容性能量转移原理的模块化DC/DC变换器 306
13.2 MMC线间直流潮流控制器 307
13.2.1 MMC线间直流潮流控制器电路结构 308
13.2.2 MMC线间直流潮流控制器控制策略 309
13.2.3 MMC线间直流潮流控制器仿真分析 310
13.3 MMC直流输电分接装置 312
13.3.1 MMC串联型直流输电分接装置电路结构 312
13.3.2 MMC串联型直流输电分接装置控制策略 314
13.3.3 MMC串联型直流输电分接装置仿真分析 315
13.3.4 MMC DC/DC型直流输电分接装置 318
13.4 MMC直流融冰装置 320
13.4.1 MMC直流融冰装置电路结构与电压增益分析 321
13.4.2 M2D2控制策略 324
13.4.3 功率半导体器件应力分析 326
13.4.4 M2D2实验验证 327
13.5 MMC在其他领域中的应用展望 331
13.5.1 MMC新能源发电装备 331
13.5.2 MMC电池储能系统 334
13.5.3 MMC统一潮流控制器 335
13.5.4 MMC配电柔性开关 336
13.5.5 MMC电力电子变压器 337
13.5.6 MMC技术展望 338
参考文献 339
第14章 MMC实验样机设计 343
14.1 MMC实验样机主电路设计 343
14.1.1 子模块电容器选型 344
14.1.2 子模块开关器件选型 344
14.1.3 驱动电路设计 345
14.1.4 检测电路设计 346
14.1.5 桥臂阀组设计 346
14.2 MMC实验样机控制电路设计 347
14.2.1 采样板设计 348
14.2.2 控制板设计 349
14.2.3 光纤板设计 351
14.3 MMC实验样机控制程序设计 352
14.3.1 DSP程序框架 352
14.3.2 FPGA程序框架 353
14.3.3 MMC实验样机运行结果 354
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节选

第1章 绪论 　　1.1 可再生能源的发展需求 　　能源短缺和环境污染一直是世界各国关注的焦点问题。近年来全球能源消费增长速度正在逐步提升[1]。2018年世界一次能源消费增长2.9%，几乎是过去十年平均增速(1.5%)的两倍，其中化石能源(包括石油、煤炭、天然气)仍是*主要的能源消耗。随着人类数百年来的过度开采与巨大消耗，化石能源正在不可逆转地走向枯竭，而与之相伴的环境问题也日益引起国际社会的极大忧虑。 　　空气污染是化石燃料焚烧带来的问题。据世界卫生组织(World Health Organization，WHO)估计，空气污染每年会造成大约700万人过早死亡，成为继高血压、饮食风险和吸烟之后的人类第四大健康威胁[2]。目前大气中几乎全部的硫氧化物、氮氧化物以及85%的PM2.5(PM2.5又称为细颗粒物，指大气中直径小于或等于2.5μm、大于0.1μm的颗粒物)都是人类对能源的生产消耗造成的。尤其在我国诸多高速发展的城市中，空气污染将会继续作为一种重大的公共健康危害，而且我国人口老龄化导致人体健康更易受到空气污染的影响。根据我国生态环境部2019年5月公布的《2018年中国生态环境状况公报》，2018年我国338个地级及以上城市中共有217个城市环境空气质量超标，超标比例高达64.2%[3]。生产和利用能源的方式若不改变，空气污染给人类健康带来的危害则必将增加。 　　全球气候变暖是化石燃料焚烧带来的另一种环境问题。气候变暖导致地球温度上升，使全球降水重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升，严重危害自然生态系统的平衡，威胁人类的生存环境。为了减缓全球变暖的趋势，2015年12月在巴黎气候变化大会上，《联合国气候变化框架公约》195个缔约方一致通过了《巴黎协定》，为2020年后应对全球气候变化做出安排，旨在将全球平均温度升幅与前工业化时期相比控制在2℃以内[4]。 　　面对严峻的能源压力和环境压力，迫切需要加速开发利用更清洁、更环保、更经济的替代性能源。近年来，以水力发电、风力发电、光伏发电为代表的可再生能源发电获得了各国的重视，得到快速发展。其中2018年世界新增可再生能源装机容量为182GW，再创历史新高，使世界累计可再生能源装机总量达到2378GW。尤其是风力发电与光伏发电的增幅*大，分别增长51GW和100GW，合计占2018年新增可再生能源装机容量的83%[5]。图1.1与图1.2分别为2018年世界主要国家风力发电和光伏发电的装机容量，其中我国在2018年分别新增风力发电21.1GW、光伏发电44.3GW，已成为全球这两项可再生能源利用规模*大的国家：风力发电累计装机容量209.5GW、光伏发电累计装机容量174GW。我国公布的《中国2050高比例可再生能源发展情景暨途径研究》调研报告中指出[6]，到2050年，为了再现碧水蓝天的美丽中国，除了实行有效的污染治理外，可再生能源应满足我国一次能源需求的60%及电力需求的85%以上。其中，风力发电、太阳能发电将成为实现高比例可再生能源情景的支柱性技术，届时风力发电装机容量预计要增长到2400GW，太阳能发电装机容量要达到2700GW。 　　图1.1 2018年世界部分主要国家风力发电装机容量[5] 　　图1.2 2018年世界部分主要国家光伏发电装机容量[5] 　　1.2 柔性直流输电技术 　　在我国可再生能源发电工程大规模建设的同时，如何有效接纳这些可再生能源成为迫切需要解决的课题[7，8]。据国家能源局统计，2018年全国“弃风”电量高达277亿kWh、平均弃风率为7%[9]，全国“弃光”电量54.9亿kWh，平均弃光率为3%，其中新疆弃光率为16%、甘肃为10%。可再生能源的消纳与送出是可再生能源发展的瓶颈之一。由于我国风光资源多地处偏远、远离用电负荷中心，为了将可再生能源发电送出，必须采取跨区域远距离电能输送方案[10]。在这种长距离输电的场合下，高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电技术相比交流输电技术在成本和效率将更具优势[11-13]。 　　HVDC输电技术的发展依赖于电力电子技术的进步，其发展过程可划分为三代技术。**代是基于汞弧阀的HVDC输电技术，该技术自1954年起共建设了十余个直流输电工程。随着半控型电力电子器件的成功研制，自1972年起，基于晶闸管型电网换相换流器(line commutated converter，LCC)的第二代HVDC输电技术开始了大规模发展，迄今已建设上百个工程，并成为超大容量远距离电力输送的主要手段，其电压和电流等级已提升至±1100kV/5500A[14]。第三代HVDC输电技术则是基于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)全控型电力电子器件的电压源型换流器(voltage sourced converter，VSC)[15]。表1.1为LCC-HVDC与VSC-HVDC输电技术特点对比。虽然LCC-HVDC在容量和电压等级上占据绝对优势，但VSC-HVDC在可控性和灵活性上展现出一系列优点：交流侧可连接弱电网甚至无源网络、不存在换相失败问题、可独立快速地控制有功和无功功率、波形质量好、滤波器体积小、潮流反转容易等。基于这些灵活性特点，VSC-HVDC输电系统在我国又称为柔性直流输电系统[16-18]。 　　表1.1 LCC-HVDC与VSC-HVDC的对比(数据截至2018年) 　　柔性直流输电技术大力推动了海上风力发电的发展，这主要得益于其换流站体积小、重量轻、容易安装在海上平台上，能够向风电场提供交流电源和无功支撑，潮流反转容易，并能实现风电场的黑启动[19]。基于VSC的海上风电柔性直流输电系统结构如图1.3所示。截至2018年底，世界范围内已投运三十余条VSC-HVDC输电工程，在建的工程也多达十余条。同时，柔性直流输电技术正逐渐向着多端化与网络化方向发展[20-22]。通过将一系列直流输电线路互联，可实现广域内能源资源的优化配置，大范围平抑可再生能源发电的波动性与随机性，有效应对未来风能和太阳能等清洁能源的大规模接入[23]。世界各国已陆续推出直流电网的建设规划，包括欧洲的北海Super Grid计划，美国的Gird 2030计划以及我国的全球能源互联网计划等，均旨在以直流电网为骨干网架建立跨国、跨区域的电力传输网络[24-26]。我国在柔性直流电网方面的研究和工程探索已经走在国际前列，建设了世界上输送容量*大的张北柔性直流电网试验示范工程，包含四座±500kV VSC换流站，换流容量总计9000MW，工程动态投资126.4亿元，在全世界范围内首次实现风力发电经直流电网向特大城市供电[27]。 　　图1.3 基于VSC的海上风电柔性直流输电系统示意图 　　1.3 高压大容量VSC 　　VSC是指直流侧呈现电压源特性而交流侧电压可通过脉宽调制(pulse width modulation，PWM)快速调节的一类电力电子拓扑结构[28]。目前工业中得到广泛应用的VSC拓扑主要包括两电平换流器、三电平换流器、级联H桥型换流器及MMC。 　　1.3.1 两电平换流器 　　两电平换流器拓扑结构如图1.4所示，包含三相六个开关，是*基础的VSC结构，其工作原理简单，在低压领域中获得了普遍使用。但两电平换流器在VSC-HVDC等高压大容量应用中，为了承受数百千伏的电压，必须采用功率器件串联技术，往往需要数百个IGBT进行串联，而且必须使用压接式IGBT封装，并采用复杂快速(纳秒级)的门极驱动均压技术。为保证输出电压波形质量，两电平换流器的开关频率较高(1～2kHz)、损耗大(1.5%)；输出的两电平电压波形造成电压变化率(du/dt)和电流变化率(di/dt)高、IGBT开关应力大；电磁噪声强烈；输出电压谐波含量高，需要安装笨重的滤波器；直流母线侧需安装昂贵的高压电容器组，当直流侧发生短路故障时电容放电还将加剧短路电流[29]。这些问题都限制了两电平换流器在高压大容量场合下的应用。 　　图1.4 两电平换流器拓扑结构 　　1.3.2 三电平换流器 　　三电平换流器是指输出相电压中包含三个电平的电路拓扑[30，31]，其中应用*为广泛的主要是中点钳位型(neutral-point-clamped，NPC)三电平换流器，如图1.5所示。相比两电平换流器，三电平换流器输出相电压波形由两电平增加为三电平，电平幅值由原来的整个直流电压降低为直流电压的一半，降低了输出电压谐波，du/dt因此减半，并可减小换流器损耗[32]。然而，中点钳位型三电平换流器在VSC-HVDC等高压应用中仍需要采用IGBT串联。虽然其串联器件的数目相比两电平有所减少，但要额外增加一系列的串联二极管作为钳位元件。该拓扑的另一个缺陷是桥臂内各功率器件的损耗分布不平均，导致器件结温不一致，限制了换流器的功率容量。针对这一问题，可将钳位二极管替换为IGBT，构成有源NPC(active NPC，ANPC)[33]，如图1.6所示。通过控制该钳位开关改变输出零电平状态下的电流路径，能够有效平衡各功率器件的损耗。但增加钳位开关后，拓扑的控制逻辑更加复杂。 　　图1.5 中点钳位型三电平换流器拓扑结构 　　图1.6 ANPC三电平换流器拓扑结构 　　另一种经典的三电平换流器为飞跨电容型(flying capacitor，FC)三电平换流器，如图1.7所示，利用飞跨电容作为电压钳位元件[34]。飞跨电容型三电平换流器开关状态的自由度更高，但需要采用较高的开关频率来保持飞跨电容器的充放电平衡，并且存在启动充电问题，限制了其在大容量场合中的应用。 　　图1.7 飞跨电容型三电平换流器拓扑结构

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