面向交流传动的模块化多电平变换器优化运行关键技术研究

In order to satisfy the important requirements of ship electrical propulsion with medium voltage DC integrated power system for the high-voltage high-power high-reliable frequency inverters, this proposal is focused on the key technology of modular multilevel converters (MMC) applied in electric drive applications, including the enhancement of safety margin and output torque during the whole frequency range and fault tolerance operations of sub-modules multiple level faults. Study the multi-objective optimization strategy of MMC on high speed range and capacitor voltage fluctuation suppression method on low speed range. Then propose an integrated optimization strategy to enhance the safety operation margin and output torque ability. Further study the characteristics of bridge circulating currents and capacitor voltage ripples on different fault situations and propose a multiple level fault tolerance operation method to ensure MMC continuous reliable operating. The ultimate goal is to enhance the safety operation margin and flexibility of MMC, break through the core technology of safe, reliable and optimal operation of modular multilevel converters.

本项目瞄准舰船中压直流电力推进等场合对于高压大容量高可靠性的变频调速装置的重大需求，针对模块化多电平变换器MMC在交流传动领域应用的关键问题展开深入研究，探索并研究基于MMC的变频调速装置全频率范围内的安全裕度与输出转矩提升方法以及子模块故障情况下的多级容错运行方法等关键科学问题。研究MMC变频调速装置运行在高速区的桥臂电压、电流应力以及损耗等多个目标综合优化控制策略和低速区的电容电压波动抑制策略，进而提出全频率范围内的综合优化控制策略，提高变流器的安全裕度和最大输出转矩能力；进一步分析不同故障深度的桥臂环流与电容电压波动特性，提出一种多级故障容错运行方法，最大程度地实现MMC变频调速装置的不停机可靠运行。最终目标是提升MMC变频调速装置的安全运行裕度和韧性，突破并掌握MMC变频调速系统安全、可靠、优化运行的关键核心技术。

本项目主要针对模块化多电平变换器在交流传动领域应用的关键问题展开深入研究，探索并研究基于MMC的变频调速装置全频率范围内的安全裕度与输出转矩提升方法以及故障情况下的多级容错运行方法等关键科学问题。首先提出了一种基于准两电平的MMC低速运行控制策略以及相应的电容电压平衡控制方法，大幅减小低速区的电容电压波动；针对MMC单桥臂故障，提出了一种基于零序电压注入和重新配置环流的故障容错方法，实现了MMC单个桥臂故障切除后不停机降额运行，只需将最大调制比降至58%，最大负载电流降至50%；针对MMC在舰船中压直流综合电力推进中的应用，提出了一种集成混合储能的MMC逆变器拓扑，将MMC的每个子模块与电池或超级电容储能单元集成在一起，将储能系统与推进变频器合二为一，不仅能够缓解脉冲功率负载对舰船电网的冲击、提供或吸收电推系统快速起动、加速和制动回馈的能量，抑制直流电网电压波动提高稳定性、还能够抑制MMC低频运行的电容电压波动，大幅减小系统体积；最后还将所提出的故障容错方法扩展到模块化多电平矩阵变换器M3C中，提出了一种自适应最优共模电压注入方法实现了M3C的非冗余子模块故障容错控制；分别研制了一套MMC实验样机以及一套M3C实验样机，对上述研究内容进行了实验验证。本项目研究成果在中压变频调速、高速电机驱动、梯次电池储能、变速抽水蓄能以及低频输电等领域具有很好的应用前景。