高可靠性模块化多变换器串并联系统控制策略研究

The study of series-parallel conversion systems consisting of multiple converter modules is very important for the high-voltage power electronics systems. For the facts that the controllers of the series-parallel conversion systems are vulnerable to the electromagnetic interference which commonly exists in its applications and there is an increasingly requirement for its high reliability, this project will propose and study the control strategies of the series-parallel conversion systems based on positive gradient method and decentralized autonomous control to improve the system modularity, reliability and fault tolerance. The project will explore the inherent relationship between the positive gradient method and droop method, reveal the law of influence of amplitude, frequency, and phase on the voltage/power balance, propose wireless input voltage sharing control strategies suitable for the AC/DC and DC/AC series-parallel conversion systems, such as a frequency positive gradient and magnitude droop characteristics method. This project will also build the model of communication architecture among the modules, analyze its stability and reliability, and propose a multi-objective optimization rule of the communication architecture and high-reliability decentralized autonomous control strategies. Based on the research results mentioned above, the project will extract the feature of kinds of faults, study the fault-tolerant control strategies and operation technology of module’s active removal and insertion. Finally, this project will hold the key techniques about the analysis, design, control strategy and implementation for the high-reliability series-parallel conversion systems. With the study of this project, the stable, safe and reliable operation of the series-parallel conversion systems can be ensured.

多变换器串并联技术是高压大功率电力电子变换系统中一项重要研究内容。针对其应用场景电磁环境恶劣、控制系统易受干扰，同时对其可靠性要求越来越高等形势，以提高系统模块化、可靠性和容错能力为目标，提出并研究分别基于上翘特性与分散自治控制技术的多变换器串并联系统。探索上翘特性与下垂特性的内在联系，揭示幅值、频率、相位对电压/功率均衡的影响规律，提出AC/DC和DC/AC型串并联系统的无通信串联均压控制策略(如拟提出频率上翘幅值下垂法)；建立变换器模块通信架构模型，分析不同架构的系统稳定性、可靠性，提炼出一套通信架构的多目标优化准则，进而提出具有高可靠性的分散自治控制策略；在此基础上，提取故障特征，研究模块容错控制策略以及主动切除/投入运行技术；最终全面掌握高可靠性多变换器串并联系统的分析、设计、控制策略和实现方法等关键技术。通过上述研究，实现多变换器串并联系统的稳定、安全、可靠运行。

多变换器串并联技术是高压大功率电力电子变换系统中一项重要研究内容，将（已）在交直流混合配电系统、新能源中高压直流汇集、机车牵引供电系统、特种工业电源等领域得到广泛应用。本项目主要研究内容为基于上翘特性的串联均压控制技术、基于分散自治的串联均压控制技术和故障容错运行技术。为提高输入串联输出并联（Input-Series Output-Parallel, ISOP）逆变器系统的模块化，项目提出了一种ISOP逆变器系统输出电压幅值上翘控制策略，由于各个逆变器模块只需采样反馈本模块的输入输出信号，并且模块间不需要通讯线互联，因此实现了完全模块化控制，同时提高了系统可靠性。在此基础上，项目又提出了ISOP逆变器系统有功功率上翘特性控制策略，在不失模块化和高可靠性的前提下，该控制策略不需要采样各个模块的输入电压，消除了输入电压高压隔离传感器，提高了系统的功率密度并降低了成本。传统的输入串联型组合系统中各模块输入侧一般采用的是输入电容直接串联的方式，发生短路故障时，输入侧电容会迅速放电从而产生较大的暂态电流使得短路故障难以处理,且故障恢复较慢。为此，项目首次提出输入间接串联型组合系统架构，消除了传统输入电容直接串联而引起的上述问题，并以全桥变换器子模块为例，提出了非对称控制策略，同时指出了输入间接串联型组合系统的均压均流特性与传统输入直接串联型组合系统的异同。针对具体应用的直流变压器场合，提出了由多个谐振变换器模块和单个双有源桥变换器模块组成的混合型ISOP系统架构，利用多个谐振变换器模块ISOP组合时自动均压的特性以及双有源桥变换器方便调节功率与电压的特性，同时实现了直流变压器的高效率与高可靠性。项目同时撰写了一篇多变换器串并联控制技术的综述论文，指出了串并联均衡控制技术的发展方向和未来研究重点。本项目提出的多变换器串并联系统控制技术充分考虑了高压大功率场合的特殊性，可显著提高系统模块化程度和可靠性，直接面向国家新能源发展需求，应用前景广阔。