基于新型均压子模块的MMC-STATCOM拓扑及其控制策略的研究

In this proposal, focusing on the problem of arm capacitor voltage balance, a novel topology is proposed. With the embedded diode clamped circuits with current limiting inductors, the voltage balance problem for arm capacitor will be explored. Furthermore, focusing on the dynamic operation of MMC-STATCOM, the discrete model of arm-current is derived and the corresponding analysis of state estimators, communication delay and dead-band compensation are conducted, along with repetitive and deadbeat control. For the mitigation of voltage ripples in each submodule, the power models of upper and lower bridges are derived to identify the DC components in arm power oscillations, and optimize the relationship among the amplitude of second-order circulating current, initial voltage angle of grid voltage and sum of power oscillations with different orders. To mitigate the impacts of faults at each submodule, zero-sequence voltage injection is proposed to adjust the reference voltage in modulation reconstruction. Hence, the phase modulation signals can be derived in both fault and normal operation modes. The deliverables of this project can effectively ensure grid security, reliability and economic operation, and also provide technical support for energy saving and environmental protection.

本课题针对MMC-STATCOM桥臂电容电压的均衡问题，构建一种新型拓扑，拟通过串入优化限流电感的双向二极管钳位电路，对桥臂电容电压的均衡问题开展研究；针对MMC-STATCOM的动态性能问题，拟通过离散化方法获取上桥臂电流的离散数学模型，结合重复-无差拍控制，对状态观测器、通讯延迟以及死区等环节进行研究；针对MMC-STATCOM子模块电容电压波动的抑制问题，拟通过建立上、下桥臂的功率模型，推导流经桥臂的功率中的直流波动，优化二倍频环流的幅度比、电网电压初相角和功率波动中不同阶数的功率振幅之和三个参数之间的关系，实现波动抑制；针对MMC-STATCOM子模块故障问题，拟通过零序电压注入方法修正调制重构中的参考电压，计算故障与非故障相调制信号的区间表达式，实现系统的故障容错控制。本项目的研究成果将有效的提高电网的安全性、可靠性和经济性，为实现节能环保提供技术支持。

本项目就解决MMC-STATCOM中子模块电容电压均衡问题、子模块故障问题、系统直流故障穿越问题及系统并网稳定性问题提供了有效的解决办法。主要研究成果如下：（1）提出了一种基于双向二极管钳位电路的混合型MMC拓扑结构。所提出的拓扑结构可通过二极管钳位电路实现电容电压自均衡。与传统的电容电压均衡策略相比，此拓扑结构不依赖于额外附加的控制手段，单纯通过硬件拓扑结构便可解决子模块电容电压均衡的问题，减少了电压传感器数量，降低了系统硬件成本；（2）提出了一种通过调整故障相投入使用子模块数量的混合型MMC子模块容错策略，同时在分析子模块电容电压波动的基础上，设计了一种与容错策略相匹配的控制器，该策略可以显著提高混合型MMC的容错能力；（3）提出了一种基于MMC-STATCOM的附加阻尼控制策略来抑制由于风电场中串联补偿导致的次同步振荡(SSCI)。该策略采用陷波滤波器(NF)，仅对电流中的基频分量进行滤波，得到相应的次同步分量，从而产生阻尼控制信号。附加的阻尼控制信号跟踪次同步分量的变化，校正相应的输出电压，使MMC-STATCOM在次同步频率呈现正电阻，提高了系统抑制SSCI的速度；（4）提出了一种限流和低成本的混合直流断路器。当故障发生时，由于换向模块的切断，断路器中的并联电感被转换为串联连接，有效地限制了故障电流的增加速度，然后级联的IGBT承担瞬时中断电压。能量耗散电路在通过金属氧化物避雷器的能量耗散过程中，通过旁路限流电感来减少故障隔离时间。因此，所提断路器可以限制故障电流的增加速度，减少故障隔离时间和成本；（5）提出了一种基于机械直流断路器和混合型MMC的协调直流故障穿越策略，可以降低混合型MMC中全桥子模块的比例，从而显著降低系统硬件成本。本项目共发表国际一流SCI期刊论文6篇，国际会议论文1篇，国内会议论文3篇，申请国家发明专利8项。