主动利用环流和电容电压波动的MMC控制方式研究

Modular multilevel converter (MMC) has emerged as the most competitive solution for high-voltage direct current (HVDC) systems that use voltage sourced converters (VSCs). Based on the existing analysis and design theory for MMCs, the research and applications of MMCs have reached a certain level. However, due to the complexities of the converter topology and operation principle, the analysis and design theory for MMCs are still needed to be further explored. There is still substantial room for improvements on the converter performances and parameters. Instead of simply suppressing the circulating currents and capacitor ripple voltages, a theory that seems the circulating currents and capacitor ripple voltages as control freedoms is proposed be studied in this research project. The stead-analysis method considering the effects of circulating current control and capacitor ripple voltage are to be explored in this project. The relationship between the converter characteristics and the circulating current control and capacitor ripple voltage are to be analytically revealed based on the established steady-state analysis methods. The optimal control strategies using the control freedoms are to be proposed. The research of this proposal will break through the limitation of the existing analysis and design theory. Using the researched results, the performances and parameters can be substantially improved. Especially, the required submodule capacitance can be dramatically decreased. The research of this proposal will provide a theory to substantially reduce the size and cost of MMC based VSC-HVDC. This improvement is necessary for implementation of MMCs with higher rated voltage and capacity.

模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）已成为柔性直流输电领域最主流拓扑结构。现有的分析和设计理论虽然已经使MMC达到一定工程应用水平，但是MMC拓扑结构和运行原理复杂，运行性能和系统参数仍有很大的优化空间，分析和优化设计理论也仍有待更深入研究。本项目改变单纯抑制环流和子模块电容电压波动的常规方式，提出将其作为可主动利用的控制自由度，达到更深度优化MMC运行性能和参数的目的。项目研究将建立引入环流控制和电容电压波动影响的解析分析方法，准确揭示控制自由度与各方面运行特性的关系，提出针对不同优化目标的运行方式和控制方式。项目的研究将突破现有MMC分析和设计方法的限制，深度优化MMC运行性能和主回路参数，尤其是大幅降低所需的电容量，为大幅优化MMC装置成本和占地问题提供基础，对实现更高电压和容量等级的柔性直流输电系统具有重要意义。

模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）拓扑结构和运行原理复杂，运行性能和系统参数仍有很大的优化空间，分析和优化设计理论也仍有待更深入研究。项目研究围绕将环流和电容电压波动作为控制自由度的主要思路，建立了包括运行控制方式、解析分析方法、优化控制策略和桥臂电流控制方法的理论和方法体系，达到利用环流和电容电压波动作为控制自由度深度优化MMC运行性能和主回路参数的目的。项目研究的主要成果包括：1）改变简单抑制电容电压波动的传统方式，提出了高电容纹波电压的MMC运行方式，可以将MMC电容用量降低约50%，实现MMC体积和成本的大幅降低；2）建立了可以主动利用电容电压波动提高输出电压能力的间接调制控制策略，并提出了考虑电容电压波动影响的MMC运行特性解析分析方法，可以实现电容纹波电压的主动利用；3）建立了考虑二倍频环流影响的MMC解析分析方法，以解析方式揭示了二倍频环流对MMC各方面运行特性的影响，提出了将环流作为控制自由度的MMC运行特性综合优化方法；4）提出了基于内电势解耦的换流器动态电流控制策略，能够实现MMC的交流端口、直流端口、内部环流和电容电压的解耦控制，使得各部分的控制器相互独立，动态过程互不影响，为实现主动利用环流和电容电压波动提供了动态控制策略基础。项目研究成果改变了常规的对电容电压波动和二倍频环流进行简单抑制的方式，使二倍频环流和电容电压波动可以作为控制自由度，用于深度优化换流器运行性能和主回路参数，尤其是大幅降低所需的电容量，为大幅优化基于MMC的柔性直流输电装置的成本和体积等提供了理论和方法基础。