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摘 要

16012303 魏晓婧

指导教师 赵剑锋

近年来，在建设智能电网的时代背景下，现代电力系统要求电气设备具有更高的兼容性和可控性,因此电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET）得到了越来越多的关注。PET采用电力电子技术以及中高频变压器来实现电能的传递与控制，具有诸多的优势，有可能在可再生能源接口、铁路牵引、储能系统等场合得到广泛应用。模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC)是近些年来针对中高压大功率系统应用而提出的新型多电平换流器，相比于二极管钳位以及飞跨电容型换流器具有更广阔的应用前景。将MMC技术应用于电力电子配电变压器，实现输入侧的交直流变换，能够提升PET的控制性能，使PET容易扩展到更高的电压和功率等级。

本文首先讨论了MMC的工作原理及其数学模型，结合子模块直流电容电压平衡控制以及相应的载波移相调制建立了MMC控制系统。其次，介绍了模块化多电平电力电子变压器的拓扑结构和基本工作原理，对其三个部分的控制策略分别进行设计，其中着重分析了MMC整流器部分的直接电流控制策略。最后借助PSCAD/EMTDC软件搭建MMC型电力电子变压器的仿真平台，凭借仿真波形验证其控制策略的有效性。

关键词：MMC；电力电子变压器；电容电压平衡控制；载波移相调制；直接电流控制

Abstract

In recent years, under the background of the construction of smart grid, the modern power system requires electrical equipment has high compatibility and controllability, so power electronic transformer (PET) has drawn more and more attention. PET using power electronic technology and high frequency transformer to realize power transmission and control, this transformer find it’s wide application in renewable energy interface, railway traction, energy storage systems, and other places with it’s unique advantages. Modular multilevel converter (MMC) as a new type of voltage source converter which is proposed in recent years, provides new ideas for applications in field of high voltage and large power. MMC has a wider application prospect compared to diode-clamped and flying-capacitor converter. Utilization of MMC technology in power electronic distribution transformer, as the input side of the AC/DC conversion, can improve the control performance of PET, so that PET is easy to extend to a higher voltage and power levels.

Firstly, this paper introduces the working principles and mathematical model of MMC, establish the control system of MMC by combining the capacitor voltage balancing control and the corresponding carrier phase-shifted sinusoidal pulse width modulation strategy. Secondly, it introduces the topology structure and working principles of power electronic transformer based on MMC, designs the control strategies of three parts respectively, which focuses on the analysis of the MMC rectifier direct current control strategy. Finally, the simulation model of power electronic transformer based on MMC is built by the PSCAD/EMTDC simulation software, and the effectiveness of the control strategy is verified by simulation results.

Key Words: Modular Multilevel Converter, Power Electronic Transformer, Capacitor Voltage Balancing Control, Carrier Phase Shifted Pulse Width Modulation Strategy, Direct Current Control Strategy

目录

第1章 绪论 1

1.1 电力电子变压器 1

1.2 MMC型电力电子变压器的研究现状 2

1.3 MMC型电力电子变压器的关键问题 3

1.4 本文主要研究内容 3

第2章 模块化多电平换流器的建模与控制 5

2.1 模块化多电平换流器建模 5

2.1.1 MMC的工作原理 5

2.1.2 MMC的数学模型 7

2.2 MMC控制系统设计 9

2.2.1 MMC的载波移相调制策略 9

2.2.2 MMC直流电容电压控制策略 10

2.3 本章小结 12

第3章 模块化多电平电力电子变压器控制策略研究 14

3.1 MMC型电力电子变压器的拓扑结构与工作原理 14

3.2 MMC型电力电子变压器的控制策略 14

3.2.1 MMC整流器的优化控制策略 15

3.2.2 DC/DC变换器的控制策略 16

3.2.3 低压侧逆变器的控制策略 17

3.3 本章小结 17

第4章 系统仿真验证 18

4.1 MMC仿真结果分析 18

4.2 DC/DC变换器仿真结果分析 23

4.3 逆变器仿真结果分析 26

4.4 本章小结 28

第5章 总结与展望 29

致谢 30

参考文献 31

绪论

电力电子变压器

在配电系统中，传统变压器是实现电压变换、电气隔离和能量传递的基础电气设备，因此获得了广泛应用。但是它存在明显的不足，如体积庞大、设备笨重；使用绝缘油会污染环境；电源侧的电能质量问题会影响负载侧^[1]。

电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET）是一种新型配电变压设备，其特点是采用电力电子技术完成电能的转换与控制。PET与传统配电变压器相比，前者不仅能够实现能量转换的基本功能，还具有体积小、重量轻、功率密度高、功率因数可控、能够实现无功补偿等优点^[2]。

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