模块化多电平变换器子模块重构及运行控制技术研究

Modular multi-level converter (MMC) is considered as one of the mainstream topologies in the future high power conversion due to its highly modular structure, high scalability and transformerless configuration. The proper design of the control system is crucial to exert the advantages of the MMC topology as well as its stable operation. This proposal will focus on the modular control system of MMC, and propose a new research idea of MMC system based on sub-module (SM) reconfigurations. Firstly, the SM reconstruction schemes are investigated and presented. Based on this, the optimal implementation of the MMC control system based on the SM reconfigurations is carried out, which mainly includes: the generalized realization of the space vector pulse-width modulation (SVPWM) for MMC considering the harmonic characteristics, switching frequency etc., the modular integrated optimization control of the SM capacitor voltage balancing and low-frequency ripple suppression, as well as the fault-tolerant operation of MMC. The research results of this proposal will improve the theoretical system of MMC and provide theoretical foundation and practical basis for the further development and application of MMC.

模块化多电平变换器（MMC）因其高度模块化结构，可扩展性强，无变压器配置等优势，被认为是未来高功率变换场合的主流拓扑之一。控制系统的合理设计对于发挥MMC拓扑优势以及稳定运行是至关重要的。本项目将着眼于MMC的模块化控制体系研究，提出一种基于子模块重构思想的MMC系统研究新思路。首先研究并提出MMC子模块重构方案，在此基础上将开展基于子模块重构的MMC控制系统的优化方案，主要包括：考虑系统谐波特性、开关频率等MMC空间矢量调制策略的通用和优化实现方法，子模块电容均压及低频脉动抑制的模块化控制集成优化技术，子模块发生故障时MMC的容错运行实现技术等。通过本项目的研究，MMC的理论体系将得到进一步完善，研究成果将为MMC的进一步发展和应用提供理论基础和实践依据。

模块化多电平变换器（MMC）因其高度模块化结构，可扩展性强，无变压器配置等优势， 被认为是未来高功率变换场合的主流拓扑之一。控制系统的合理设计对于发挥MMC拓扑优势以及稳定运行是至关重要的。该项目着眼于MMC的模块化控制体系研究，围绕MMC的调制和控制策略，开展了较深入的研究，取得的主要研究成果包括：1）提出了一种基于子模块重构组合的MMC研究新思路，不仅提升了MMC模块化控制设计还增加了系统性能优化的自由度，通过数学建模分析了子模块组合重构对MMC控制实现的潜在影响。2）提出了一种应用于MMC的通用空间矢量调制（SVM）策略的简化实现方法。采用所提方案，MMC的SVM调制复杂度不会随着子模块数量增加而增加。3）提出了两种上、下桥臂对应子单元的采样配合方案，降低了MMC输出电压每个电平跳变幅值和输出电压THD，改善MMC运行性能。4）针对所提出的基于子模块组合的通用空间矢量调制策略，提出了基于子单元开关信号内外轮换的电容电压平衡策略研究。5）提出了一种应用于MMC的具有较高次环流谐波抑制功能的改进载波移相调制策略，避免了桥臂电感较大感应脉冲电压、较高频率的环流谐波以及元器件电压和电流应力的增加等一系列负面影响。6）提出了一种基于滑动平均算法的电容电压解耦控制策略，不仅子模块电容电压可以达到较好的平衡效果，而且还能消除子模块电容电压纹波对输出电压的影响。7）提出了一种基于改进桥臂电流预测方法的MMC低频运行策略，不仅实现了系统多个目标的控制，还有效抑制了电容电压的低频波动。8）基于所提通用空间矢量调制策略，提出了一种适用于MMC单个或多个子模块发生故障后的通用容错运行策略，使MMC输出线电压的幅值和谐波畸变率与正常运行情况相比基本不变，其运行可靠性得以提高。9）提出了一种基于双重滑模观测器的MMC开关管开路故障诊断与定位策略，解决了现有方法计算量大、检测时间长、无法精确定位等不足。10）提出了一种基于一维卷积神经网络的MMC开关管开路故障诊断与定位策略，优化了卷积神经网络的输入过程，降低了卷积神经网络的计算量，提高了故障诊断与定位的准确度。通过本项目的研究，MMC的理论体系得到进一步完善，研究成果为MMC的进一步发展和应用提供理论基础和实践依据。