多端口模块化直流固态变压器集成优化及功率协调控制研究

Multi-port modular DC Solid State Transformer (DC-SST) is an attractive solution for high voltage and high power DC grid integration. Efficiency, stability and flexibility are the important factors of DC-SST for use in DC grid. To meet these requirements, the theory of integrated optimization and power coordinated control for multi-port DC-SST will be developed. (1) the optimum topology of multi-port DC-SST is designed. It can realize not only electrical isolation, voltage regulation, bidirectional power transmission, but also fast fault protection function in the multi-terminal HVDC grid. (2). A novel multilevel modulation method and optimal selection rules of switching sequence are proposed，which would be useful in achieving soft switching and low harmonic. Thus, the internal loss of DC-SST will be reduced. (3). Based on the dynamic model, optimal control of dynamic performance is proposed, so that the stability can be improved with faster DC voltage respond and eliminated DC current bias. (4). Multi-port network is established for revealing the relationship among multi-ports. The inner power optimization method and flexible operation strategy of the new multi-terminal DC grid are proposed.

多端口模块化直流固态变压器在高压大功率直流电网互联场合具有广阔的应用前景，有助于促进直流电网的一体化发展。为了满足其高效、稳定和灵活运行的需求，本项目拟建立多端口模块化直流固态变压器的集成优化和功率协调控制理论体系： (1)优化设计拓扑结构，在实现多端直流电网的电气隔离、电压调节、功率双向传输基础上，解决多端电网快速故障保护问题。(2)研究新型多电平移相控制方法，形成开关动作系列优化准则，以此实现软开关及谐波特性，减小内部损耗。(3)建立负载扰动下的动态数学模型，提出动态性能优化方法，加快电压响应速度并消除电流偏置，提升稳定性。(4)建立多端口网络模型，揭示端口间功率耦合关系，研究内部功率优化和直流电网灵活调控问题。

随着新能源及分布式电源的快速发展以及城市直流负荷需求逐渐增大，直流配电网已经成为当下研究的热点。在不同电压等级的直流母线互联系统中，模块化多电平直流固态变压器(Modular Multilevel Converter-Direct Current Solid State Transformer, MMC-DCSST)将起到了非常重要的作用。MMC-DCSST采用模块化设计易于拓展，适用于电压等级高，传输功率高的场合。本项目围绕MMC-DCSST展开研究，具体如下：.1. 研究MMC-DCSST的拓扑结构、工作原理、数学模型以及子模块的工作状态；介绍准方波调制以及最近电平逼近调制，并对两种方法的电气量进行了计算和对比分析，指出准两电平调制更加适用于直流固态变压器场合；对系统常用的脉冲循环均压法和子模块排序均压方法进行介绍和对比。通过仿真验证上述的调制方法以及均压策略的正确性。.2. 对MMC-DCSST偏磁问题进行研究。根据系统的偏磁产生机理，分析功率模式下前馈控制的偏磁抑制策略。针对电压模式下输出侧电压变化导致前馈控制效果不理想的情况，提出一种基于前馈控制的双闭环偏磁抑制策略。该方法通过动态的修正副边移相角和电压占空比，使得系统在负载变化情况下能够快速消除偏置电流。通过仿真对比该方法与单电压闭环控制、前馈控制以及双闭环控制方法的效果，验证提出方法的正确性与有效性。.3.对MMC-DCSST的软启动问题进行研究。为了降低系统启动期间充电过冲电流，提出相应的MMC-DCSST系统的软启动策略。原边充电策略分为不控充电阶段和闭环可控充电阶段；副边充电策略为定占空比增大策略，最后实现系统解锁运行。分析了不同的控制策略下电路的各种模态，推导了相应的功率传导公式。通过仿真验证提出的软启动策略的正确性和有效性。.4.实验平台搭建。平台采用DSP与FPGA双构架控制系统；对Q2L调制方式下的稳态运行，基于前馈控制的双闭环偏磁抑制策略和软启动策略进行了实验验证。