模块化多电平DC-DC变换器优化运行与控制方法研究

Modular multilevel DC-DC converters have broad application prospects in the deep-sea remote DC power supply, the new energy DC collection, Shipboard medium voltage DC systems and other high-power DC converter applications. This research will focus on the optimal operation and control method of the modular multilevel DC-DC converters, and further study the scientific contents of three aspects: 1) Topology optimization of large step-ratio modular multilevel DC-DC converters; 2) Stable and optimized operation control method of module multilevel DC-DC converters; 3) Fault tolerance and current limit control method of modular multilevel DC-DC converters. It is hoped that the optimal topology of the low-voltage high-current rectifier and large step-ratio multi-winding transformer can be constructed and the innovative results such as stability enhancing control method, power losses optimal control and modulation method, hierarchical fault tolerance control method and multi-path fault current limiting control method are obtained , in order to achieve the research goals of high power, high stability, high efficiency and high reliability for modular multilevel DC power conversion. This research will promote the basic theory and application research progress of modular multilevel DC-DC power conversion. The achievements will directly provide theoretical guidance for further exploration, popularization and application of high power DC transformers in special power supply and DC distribution network.

模块化多电平DC-DC变换器在深海远程直流供电、新能源直流汇集、船舶中压直流系统等大功率直流变换应用场合具有广阔的应用前景。本课题围绕模块化多电平DC-DC变换器优化运行与控制，深入研究三个方面的科学内容：1) 模块化多电平DC-DC变换器的高变压比拓扑优化；2) 模块化多电平DC-DC变换器的稳定与优化运行控制方法；3）模块化多电平DC-DC变换器的故障容错与限流控制方法。期望构建低压大电流整流优化拓扑和高变压比多绕组变压器结构，取得稳定性增强控制方法、热损耗优化控制与调制方法、多层次故障容错控制方法、多途径故障限流控制方法等创新性成果，实现高功率、高稳定、高效率、高可靠模块化多电平直流功率变换的研究目标。本课题将促进模块化多电平DC-DC功率变换基础理论和应用研究的进步，取得的成果将直接为大功率直流变压器在特种供电电源、直流配电网中的进一步探索和推广应用提供理论指导。

本项目针对大功率、高变压比、高效率、高可靠直流变换器的需求，提炼出模块化多电平DC-DC变换器优化运行与控制方法的科学问题，从高变压比拓扑优化、稳态运行优化控制、故障容错与限流控制等方面开展了深入研究，取得了集成多绕组变换器的MMC型中频直流变换器拓扑及容错控制方法、基于混合势函数的MMC大信号稳定性分析与增强控制方法、基于混合环流注入的MMC损耗优化运行与结温调控方法等创新研究成果。项目成果揭示了多绕组变压器与桥臂电感的结构集成可行性，研究了系统故障前后直流变换系统拓扑重构方法，提出了子模块级故障、单相桥臂故障和直流母线故障的分层容错控制策略。分析了MMC平均值模型的大信号模型属性，从过调制与功率不平衡两个方面揭示了MMC大信号不稳定现象的物理机制，提出了应用混合式函数进行MMC大信号稳定性，通过构建渐近稳定域对MMC电路与控制参数进行了优化以提升系统大扰动下的稳定性。分析了MMC功率损耗与桥臂电流绝对平均值成正比的特性，提出了损耗优化的混合环流注入控制方法，设计了优化注入的二倍频环流幅值与相位指令，可提高MMC系统效率1%以上。相关成果发表SCI收录论文7篇、EI收录论文2篇，申请中国发明专利2项，授权中国发明专利2项，获得软件著作权1项。以本项目技术为核心转化成果的“海岛/岸基高过载大功率电源系统关键技术与装备及应用”，获2020年度国家科技进步二等奖。本项目的研究成果为发展MMC型直流变换器拓扑构建和稳定性理论分析方法，突破其损耗降低、故障穿越、可靠性调控等关键技术提供重要支撑，具有重要的理论价值和战略意义。项目所提出的优化拓扑和控制方法在深海直流变换、直流电网互联、新能源直流汇集、船舶中压直流系统、大规模储能等高变压比、高效率、高可靠直流变换应用场合具有广阔的应用前景。