第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
矿井提升机是矿山生产的关键设备之一，是地面与井下的主要运输工具。它的主要用途是提升矿石等原料，升降人员、设备，下放材料等。其运行性能的优劣既关乎设备与人员安全，又直接影响到矿山的生产效益。矿井提升机在运行时具有周期性，通常在数分钟内完成一个周期，周期为 T；要求变流器在极低频率下输出满转矩的恒转矩调速特性；电动机有两种运行状态，在一个运行周期内既有电动状态又有发电状态；加速度、减速度有限制。提升机电力拖动的突出特点为重载启动，频繁正反转，要求变流器必须具备四象限运行能力[1]。一般的提升机调速范围 20:1 左右，大型提升机调速范围接近 50:1。提升机典型速度图与力图如图 1.1 所示。上世纪 90 年代，大规模展开应用的矿井提升机电气传动方案主要有三种[2]：采用晶闸管变流装置的直流电动机调速系统；绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速系统；采用晶闸管交-交变频器的低速直联同步电机调速系统。随着电力电子与电力传动技术的逐渐发展，前两种传动方案已被列为限制类技术，仅允许在小型矿山使用，并逐步淘汰。交-交变频器由三组可逆变流器组成，运行效率高、易实现四象限运行、节能效果好、调速性能优良[3]。其输出频率最高为电源频率的1/3左右，适合驱动大容量低速直联同步电机，在大容量矿井提升机传动系统中得到了良好的应用。但是交-交变频器系统结构较复杂，至少需要 36 只晶闸管，且输入电流谐波含量大[4]，并对供电电网带来较大的无功冲击[5]，影响了供电网的电能质量。在应用时需配置滤波器和无功补偿装置，增加了系统体积和成本。在进入 21 世纪后，随着 IGCT、高压 IGBT 等电力电子器件的成熟和新型拓扑结构的不断提出，交交变频调速方案逐渐被电路相对简单、网侧谐波低、功率因数高的交-直-交变频调速方案替代。大功率矿井提升机中使用的交-直-交变频器主要采用多电平拓扑结构。目前，在大功率矿井提升机中实现商业化运行的多电平变流器主要有三种结构：中点钳位（Neutral -Point-Clamped, NPC）三电平结构[6-9]、级联 H 桥（CascadedH-Bridge，CHB）多电平结构[10-15]和有源中点钳位（Active Neutral-Point-Clamped，ANPC）五电平结构[16]。大容量矿井提升机主要使用 3.3KV、6KV 和 10KV 中压交流电机。三电平 NPC 变流器结构紧凑、成本较低、控制方法比较成熟，主要用于 3.3KV 电压等级的提升机。CHB 多电平变流器采用级联的模块化功率单元，使用低压开关器件即可输出高压多电平，目前能够实现 10KV 电压等级产品化。五电平 ANPC 结构能够使用现有电压等级的 IGBT 实现 6KV 五电平输出，通过背靠背连接可实现四象限运行，满足提升机应用需求。MMC 具有与 CHB 相似的高度模块化结构，可以通过增加串联的子模块数量来提升输出电压等级和电平数。同时 MMC 每个桥臂共用直流母线，不需要使用多绕组移相变压器[17]。两个结构相同的 MMC 背靠背连接时可四象限运行，实现能量回馈。通过配置冗余子模块，MMC 可极大地提高系统可靠性[18]，能够很好地应用到环境苛刻的工业现场，是矿井提升机下一代电力传动较理想的大功率变流器，具有极大的发展前景和经济效益。
.........
1.2 矿井提升机中应用的多电平变流器概况
1980 年，日本学者提出了中点钳位式三电平变流器拓扑结构[19]，其三相电路如图 1.2 所示，输出电压波形如图 1.3 所示。该结构每相需要开关器件 4 个，一共需要 12 个；2 组直流分压电容；钳位二极管每相 2 个，共 6 个；续流二极管每相 4 个共 12 个。通过背靠背连接组成双三电平变流器，可以实现能量双向流动和电机四象限运行。变流器中间存在直流环节，对电网电压波动不敏感，保证控制精度。前端三电平 PWM 整流器可使对电网功率因数等于 1。NPC 三电平变流器结构简单，所需功率器件少，输出波形近似正弦，电机控制算法成熟[20]，非常适用于 3.3KV 大容量矿井提升机传动系统。三电平 NPC 变流器主要用于大型提升机低速直联同步电动机传动。西门子公司和 ABB 公司分别推出了基于 NPC 拓扑结构的 SM150 系列和 ACS6000SD 系列双三电平 3.3KV 矿井提升机专用变频器[8,9]。两种系列产品均采用大功率 IGCT 与水冷散热结构，容量 3-40MW。近年来，国内部分厂家也研发推出了同种结构的变流器。
..........
第 2 章 适用于矿井提升机的 MMC 结构
在中高压大功率矿井提升机的控制上，由于具有电压等级高和输出谐波含量低等特点，多电平变流器取得了越来越广泛的应用。对于 3KV 的大功率矿井提升机，目前大规模取得应用的是二极管钳位结构变流器。在 6KV~10KV 的电压等级，取得应用最多的是级联 H 桥型结构变流器。它具有模块化结构，仅使用低压功率器件就能实现高压多电平输出，输入功率因数高，具有冗余设计，可靠性高，特别适用于矿井提升机的应用场合。但由于其在输入侧需要使用多绕组移相变压器，占据大量空间，成本很高。模块化多电平变流器具有与级联 H 桥变流器同样的模块化结构优点和可冗余配置，通过子模块串联实现高压多电平输出。此外，由于 MMC 具有公共直流母线，很容易通过背靠背结构实现四象限运行，且不需要多绕组移相变压器。将 MMC 应用于矿井提升机，具有显著地成本体积优势、高可靠性和优异控制效果，是新一代高压大功率提升机变流器的理想结构。本章主要针对矿井提升机的应用背景，介绍了 MMC 的拓扑结构，分析了 MMC 的工作原理，建立了 MMC 的数学模型并给出了适用于提升机控制的MMC 调制方式。对于控制矿井提升机所采用的背靠背结构 MMC，研究了前端基于MMC 的 PWM 整流器结构和控制方法。
2.1 模块化多电平变流器的拓扑结构
三相 MMC 的拓扑结构如图 2.1(a) 所示。MMC 的上下两个桥臂共同构成了其一相桥臂，三相桥臂具有公共直流母线，同时每个桥臂上串联 n 个子模块（Sub-Module，SM）单元。MMC 结构模块化程度高，各个子模块结构完全相同，便于设计和维护，配置灵活易于扩展。上、下两个桥臂分别串联一个桥臂电抗器，从两个桥臂电抗器的中点引出该相的交流输出端。桥臂电抗器主要有以下两点作用：其一防止脉宽调制时桥臂内部各单元接入时引起的尖峰电流，其二可抑制子模块电容电压波动时导致的相间环流[54]。通过增加子模块数量，MMC 可提升输出电压等级和电平数，使输出波形更加接近正弦波。MMC 的子模块有多种结构[53]，应用最广泛的为半桥结构，本文所研究的MMC 均采用该结构，如图 2.1(b)所示。每个半桥子模块包含 2 只开关管和 2 只反并联的二极管，以及一个储能电容。通过控制两个开关管 T1 和 T2 的导通与关断，可实现输出电压 0 或者CU 。在正常运行时，上下两只开关管互补导通，子模块投入或者旁路，需在调制时加入一定的死区时间避免开关管同时导通，引发故障。为适应矿井提升机运行过程中出现电动状态与发电状态的转换、要求变流器必须具备四象限运行能力的特性，本文采用背靠背连接的 MMC 结构，如图 2.2所示，实现控制矿井提升机四象限运行。
........
2.2 MMC 的工作原理
MMC 工作时，任意时刻每相投入的子模块总数为 n，变流器输出 n+1 电平阶梯波。每个子模块的 2 只功率器件共有 6 种组合工作模式，可实现子模块处于闭锁、旁路、投入三种工作状态，如表 2.1 所示。MMC 正常运行时子模块工作在模式①-④，投入或者旁路。MMC 启动时，子模块处于模式⑤，配合相应的控制算法进行闭锁预充电。当 MMC 发生故障或是开关器件进入死区保护时，子模块也工作在模式⑤和⑥。MMC 的 PWM 调制方法有阶梯波调制、载波层叠 PWM、载波移相 PWM 以及空间矢量 PWM 等[55-57]。阶梯波调制主要应用于 HVDC 系统级联子模块数量较多的场合，空间矢量 PWM 在电平数较高的场合由于冗余矢量急剧增加，如何选取冗余矢量和开关序列变得非常复杂，因此不易于扩展到太高的电平。载波移相PWM 在 H 桥级联多电平变换器中广泛采用，可以平衡各个功率单元的输出功率和等效开关频率，在传动领域应用时具有较大优势。采用载波层叠 PWM 调制方法，每相桥臂只需要一路独立的 PWM 信号即可，PWM 控制和电压平衡控制可以解耦分别实现，易于扩展到更多电平，具有很强的通用性。本文结合目前 MMC调制策略的研究现状，针对矿井提升机的应用场合，分别分析载波移相 PWM 和载波层叠 PWM 在 MMC 中的实现方法。
.........
第 3 章 矿井提升机运行时 MMC 子模块电容电压波动分析及抑制方法.........21
3.1 MMC 子模块电容电压波动分析......21
3.1.1 上下桥臂瞬时输出功率 .....21
3.1.2 电容电压的波动规律 .........23
3.2 子模块电容电压低频波动抑制方法.........24
3.2.1 零序分量和相间环流的选取方法 ..............24
3.2.2 注入高频环流的实现方法 .............26
3.3 仿真结果与分析 ...............27
3.4 本章小结 ..............32
第 4 章 适用于矿井提升机控制的 MMC 实验平台设计..........33
4.1 系统结构与组成 ...............33
4
