模块化多电平矩阵变换器统一分析与控制方法研究

Modular multilevel matrix converter (M3C) is a kind of promising topology in the medium-high voltage high power equipment field, possessing such excellent characteristics as high output quality, easy scalability and fault tolerance. To address the problems in current researches of M3C: analysis and control scheme are not unitary and the fault-tolerant control strategies need to be improved, this project intends to study the working mechanism of the M3C, establish a unified mathematical model and develop a universal control framework with bridge arms as the core; give the analytic formulation of capacitor voltage fluctuation with common-mode voltage and arm currents, propose a capacitor voltage fluctuation suppression strategy based on the optimal combination of common-mode voltage and arm currents, improve the power-volume ratio and enlarge system's operating regions; investigate the fast fault diagnosis method and fault tolerant control strategy to strengthen the system’s adaptability and reliability in abnormal or fault conditions. The implementation of this project would provide a unified method for analysis and control of M3C, and lay the foundation for the industrialization of M3C.

模块化多电平矩阵变换器具有无需笨重的工频变压器、输出波形质量好、易扩展、可容错等优良特性，在中高压大功率电力装备领域具有广阔应用前景。针对模块化多电平矩阵变换器工作机理复杂，分析与控制方法缺乏统一性，异常或故障工况下系统分析与故障应对策略欠缺等问题，本项目拟研究模块化多电平矩阵变换器拓扑族的工作机理，建立其统一的数学模型，并提出以桥臂单元为核心的通用控制框架；构建模块电容电压脉动与共模电压、桥臂电流解析表达式，提出基于共模电压和桥臂电流最优组合的电容电压脉动抑制策略，提高系统功率体积比、扩大系统运行范围；针对异常或故障工况，提出快速故障诊断方法和故障容错控制方法，提高系统的适应性和可靠性。本项目的实施可为模块化多电平矩阵变换器拓扑族的控制与分析提供统一的解决办法，为推进模块化多电平矩阵变换器的工业化进程奠定基础。

本项目以模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter, M3C)为研究对象，从其工作机理、控制策略和故障诊断及容错控制策略三个方面展开研究。针对现有M3C系统的建模引入环流概念导致模型复杂度高的问题，本项目摒弃了环流的概念，建立了以M3C桥臂为中心的统一数学模型，为统一控制策略的提出奠定了数学基础。由于现有M3C系统控制器设计大都面向特定拓扑，存在适用范围窄、可移植性差的问题，因此本项目提出以桥臂单元为核心的统一m×n M3C系统控制框架，通用性强，灵活度高。此外，基于虚拟动力学的控制器设计思路，设计了一种面向MMC拓扑的少电压传感器的模块功率自平衡控制策略，降低了系统成本。针对不同故障类型，结合M3C拓扑结构特点和负荷或系统的运行需求，提出了基于统一控制框架的容错控制策略，提高了系统的鲁棒性和可靠性。总的来说，本项目针对M3C系统，揭示了其物理机理，建立了以桥臂为中心的数学模型及统一控制框架，形成了一套相对完善的M3C系统控制理论，推进M3C的工业化进程。.理论成果：发表相关学术论文12篇（其中SCI期刊论文9篇，EI论文3篇）；授权发明专利2件，申请发明专利1件；培养研究生3名。