模块化多电平换流器功率密度提升方法的研究

It has been a big issue that the technical and economic problems caused by the large volume and weight of the Modular Multilevel Converter (MMC) in MMC HVDC system, which becomes one of the limitations and restrict the development of MMC-HVDC. Therefore, this applicant proposes methods to effectively reduce the required capacitance of sub-module, and improve the power density of MMC. As the different frequency components of MMC are comprehensive and highly coupled, it is necessary to make a deep research on the power transfer process of MMC inside. Based on the exploration of the power density and power transmission mechanism of the capacitive energy storage element of the converter, the method of increasing the power density of the MMC is proposed based on changing the main topology or improving the control strategies. Meanwhile, the dynamic stability of MMC inside is also studied. With the regular procedure of theoretical investigation, scheme design, simulation analysis and prototype experimental tests, systematic methods of calculating and improving the power density of the converter are proposed. A unified methodology to evaluate and improve the power density is formed. This issue will provide a theoretical basis for the research of MMC with large-capacity, small-volume and low-weight, which will make MMC-HVDC more competitive in high-voltage large-power transmission system.

基于模块化多电平换流器的高压直流输电(Modular Multilevel Converter based HVDC, MMC-HVDC)系统急需解决体积和重量过大引起的技术和经济问题，从而向更高电压等级和更广泛工程应用范围发展。为此，申请人提出在现有半导体开关器件耐压水平下，寻求有效的降低所需子模块电容容值、提升MMC功率密度的方法：针对模块化多电平换流器内部多频率、强耦合的特点，对换流器内部功率动态交换过程进行详尽的研究，通过对换流器容性储能元件功率密度与功率传输机理的研究，从主电路拓扑和控制器两方面提出提高MMC功率密度的方法，并对换流器的内部动态稳定性进行研究。通过理论研究、方案设计、仿真和实验验证的思路，提出换流器功率密度计算方法与系统化的功率密度提升手段，形成统一的提升功率密度的方法体系和评价体系。本课题的研究将为开展大容量、小体积、低重量模块化多电平换流器的研究提供理论基础。

柔性直流输电在远距离大容量高电压输电上具有很大的优势，而模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)又是柔性直流输电中最具潜力的换流器拓扑。然而，随着输送容量与电压等级的需求增加，MMC的体积、重量以及成本引发的问题亟需解决。所以对MMC进行子模块电容容值降低、功率密度提升的研究是十分必要的，这直接推动了该项目的研究。项目研究内容包括换流器功率密度评估方法，通过改进主电路拓扑及控制器结构提升换流器功率密度的方法，对高功率密度换流器的稳定性分析及相关参数优化方法。项目的主要研究成果包括：1)确定MMC中电容储能的需求，深入分析MMC中电容电压波动的机理及其带来的影响；2)提出基于电容电压前馈的环流抑制策略，在不同的工况下，均具有良好的环流抑制效果，且动态响应速度快，具有桥臂电压自平衡能力，实现简单，可以用于单相、三相、多相以及不平衡的系统；3)对目前各种降容策略进行分析、分类和总结；4)对MMC进行阻抗频率特性建模，深入分析影响稳定性的因素，提出将MMC内部动态与交流端口进行解耦的控制方法，提高了系统稳定性，并为控制器参数提供设计指导。5) 分析MMC在虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator, VSG)控制，运行在电网支持型(Grid Forming)换流器时的暂态稳定性问题，并进行了实验验证。项目开展以来，研究内容基本完成，后续将继续深入研究。本项目的成果使得MMC未来在柔性直流输电应用领域具有更加广阔的发展前景。