新型模块化多电平固态变压器及在柔性微网中应用基础研究

In order to enable the conventional transformer to be more applicable for the requirement of the future Smart Grid and Micro Grid, making it more suitable for not only the combined AC and DC distribution grid, but also the high density of distributed energy interface, a more universal solid state transformer (SST) is proposed to substitute the traditional transformer. Key technologies that will be explored are as follow: (1) propose an optimal topology for the SST based on modular multilevel converter (MMC), in which four general ports, say, high AC and DC, low AC and DC, are applicable, enabling the direct connection of high voltage DC (HVDC) and satisfying the role of intelligent interface between the distribution grid and microgrid. (2) propose a novel power flow control method with any flow direction among four ports, realizing the basic function of a smart interface between the Grid and the Micro Grid. (3) propose an optimal modulation and control method regarding theory, simulation and experiment in terms of circling current, voltage balance and power equilibrium. (4) study the MMC based SST with storage function for taking over short voltage interrupt and enhancing the stability of microgrid. (5) establish a small scale industrial prototype for the purpose of further comprehensive utilization in industry.

本项目拟研究通用性更强的模块化多电平（MMC）型固态变压器（SST）替代传统电力变压器，更好地满足未来交直流混合柔性微网的发展要求，并重点研究如下关键技术：（1）提出MMC型SST主电路拓扑结构最优选择方案，使其具有高压交流、高压直流、低压交流、低压直流四类通用接口，适用于高压直流电的直接接入，符合未来交直流混合配电网的发展要求，适用性更强；（2）揭示MMC型SST通用四端口任意功率流向的实现原理，使其符合配电网与微电网的智能接口角色定义；（3）优化MMC型SST的环流抑制、电压平衡、功率均衡等控制策略以及与其相互制约的调制策略，通过理论、仿真及实验对比提出最优方案；（4）研究带储能功能的MMC型SST实现方式，使装置能够应对短时电压中断，提高微网运行稳定性；（5）研制实验用原理型样机及其通用控制器，为MMC型SST的产业化应用奠定坚实的基础。

与传统变压器相比，固态变压器（Solid state transformer，SST）具有网侧和负载侧电压、电流和功率灵活可调的特点，因此非常适用于微网智能接口。目前研究较为广泛的是基于级联H桥拓扑为前级的SST。与之相比，近年来逐渐兴起的模块化多电平变换器（Modular multilevel converter，MMC）具有公共高压直流母线，允许高压直流形式的直接接入。使用基于MMC的SST，就有了高压交流接口、高压直流接口、低压直流接口和低压交流接口四个常用接入端，使得SST适用于各种形式的电压接入，因此研究基于MMC的SST具有十分重要的意义，也为微电网接口的智能化、通用化、多功能化、实用化提供了切实可行的解决方案。本项目研究了MMC型SST，并重点研究如下关键技术：（1）提出了MMC型SST主电路拓扑结构最优选择方案，使其具有高压交流、高压直流、低压交流、低压直流四类通用接口。这种拓扑结构适用性更强，符合未来交直流混合配电网的发展要求。特别是，对拓扑结构进行了改进，使其具有了直流故障穿越能力；（2）在分析现有调制策略后，提出了一种集中式调制下MMC的紧凑状态机型通用脉冲分配器，无需额外电压排序等主动平衡算法和子模块直流电压传感器，降低了系统控制复杂度和硬件成本；（3）在分析了现有控制策略后，提出了适用于MMC型SST的控制策略。特别是，提出了一种针对PSC-PWM型分布式调制下，具有控制目标范围广、无需调节参数、动态响应速度快等优点的宽频带低频环流抑制方法（4）为了降低MMC的子模块电压测量硬件成本和复杂度，提出了一种具有较高精度的基于主从结构传感器配置的电压测量技术。（5）对MMC型SST在柔性智能微网和交直流混合配电网中的应用进行了较为系统的分析和仿真研究。（6）研制实验用原理型样机及其通用控制器，为MMC型SST的产业化应用奠定坚实的基础。