基于子模块多种拓扑及变工况条件下的MMC系统电容电压平衡控制技术研究

This project takes the modular multilevel converter (MMC) system as the research object, and takes the inhibition limitation for the imbalance phenomenon of capacitor voltage in variable operation conditions as the research target, to study the research on the balance control of capacitor voltage for MMC system based on multi-structures and variable operation conditions of submodules. The main research contents contains the following: To pointedly improve the balance control method, the modeling approach capable of considering the imbalance causes are studied for regular expression of the relation between the imbalance causes and corresponding phenomenon. To eliminate the imbalance phenomenon and avoid the deterioration of the system operation working performance, a novel imbalance strategy with high reliability and high efficiency are studied which is based on the overall balance control idea. On the background that the system adopts the submodules possessing the DC-link fault ride-through capability, the single balance control method is developed into a series of the corresponding strategy via utilizing the submodule features of the structures and operating modal. On the background that the submodule fault occurs in the system, the balance control strategy and diagnosis and fault-tolerant control mechanism are studied in a unified analysis framework for improving the submodule fault ride-through capability. The research of this project will promote the organic integration between the MMC system and balance control technique, and accelerate the application of MMC system in the field of Long distance high voltage direct current transmission.

本项目以模块化多电平变换器MMC系统为研究对象，以抑制系统在多种条件下存在的电容电压不平衡现象为研究目标，研究基于子模块多种拓扑及变工况条件下的MMC系统电容电压平衡控制技术。主要研究内容有：为针对性地改进平衡控制方法，研究能够考虑不平衡原因的MMC系统建模方法，推导不平衡现象及其原因的规律性表述；为消除不平衡现象并避免系统工作特性的恶化，研究基于总体平衡控制思想的高可靠、高效率的新型平衡控制策略；以系统采用具有直流故障穿越能力的子模块为背景，利用这类子模块的拓扑特点及特殊的工作模态，把单一的平衡控制方法发展成一系列针对子模块特点的平衡控制策略；以系统发生子模块故障为背景，将子模块故障下的平衡控制策略和诊断及容错控制技术纳入统一的研究框架内，提升系统的子模块故障穿越能力。本项目的研究将有助于推动MMC系统和平衡控制技术的有机融合，加快MMC系统在远距离高压直流输电等领域中的实用化进程。

模块化多电平变换器(MMC)采用模块化设计，具有低开关频率、高输出电压等优点并成功应用于高压直流输电、电机驱动等领域。但是，子模块电容电压不平衡严重威胁到MMC系统的正常运行。针对电容电压不平衡的原因，现有研究缺乏系统、定量的理论分析，本项目对电容电压平衡控制技术进行了深入研究。1）研究了MMC子模块电容电压不平衡的原因并提出抑制方法：低载频比下，量化了桥臂电流波动与电容电压偏离速度关系，提出载频比优化配置方法；高载频比下，定量研究了PWM延时与调制波谐波分布关系及其谐波对电容电压平衡的影响，提出了高载频比下电容电压不平衡抑制方法；建立了系统延时下的线性模型，量化了延时与系统性能的关系，提出了延时下控制参数优化设计方法，从根源上抑制了子模块电容电压不平衡。2）研究了总体平衡控制方法与交流侧电流畸变及子模块开关频率提升的关系：低执行频率下，明确了子模块投入数频率混叠现象与交流侧电流畸变关系，提出平衡控制指令优化布局策略；针对排序算法对驱动的影响，量化了开关频率提高的幅度，提出了一种限制开关频率提高的优化方法。3）研究了多种子模块拓扑的MMC电容电压不平衡问题：分析了全桥子模块内部损耗对电容电压平衡的影响，提出二倍频环流注入方法；研究了高调制比工况下半桥和全桥子模块混合MMC的电容电压不平衡机制，提出改进型排序算法和注入谐波电压的平衡策略，有效抑制了不平衡现象。4）研究了子模块故障下电容电压平衡控制技术：针对电容电压平衡算法易导致故障定位失效问题，提出了一种故障诊断与定位一体化诊断方法；根据电容电流在故障前后差异变化，提出了基于状态观测器的故障诊断方法；分析了容错导致电流冲击的原因，提出了无冗余子模块的容错方案。本项目研究实现了MMC与平衡控制技术的有机融合，实现了电容电压平衡控制技术在多种子模块拓扑及正常/故障工况条件下的MMC系统中的应用，为MMC系统稳定工作奠定了基础。