海上风电场直流汇聚用混合型模块化多电平DC/DC变换器基础问题研究

High power DC/DC converter is a key component in offshore DC grid for power transmission and collection. Considering the special advantage of modular multi-level converter and H bridge cascade multi-level converter, this project presents a novel hybrid MMC-DC/DC converter. Some basic issues are focused on.Firstly,the operation princle of hybrid MMC-DC/DC converter is studied. The quantities of SM modules and FB modules are selected. Parameters calculation and optimization will be carried out. Secondly, PWM modulation is needed to make sure an efficient time for module charge or discharge. Power loss model and mathmatic model of hybrid MMC-DC/DC converter would be deduced, also the transfer function. Meanwhile, the control scheme and voltage balancing algorithm will be designed for hybrid MMC-DC/DCconverter. At the end, a prototype will be developed, and experiments will be done.

大容量DC/DC变换器是海上风电场直流汇聚与传输的关键部件。结合MMC变换器和H桥级联型多电平变换器两者优点，提出一种海上直流汇聚用混合型MMC全桥DC/DC变换器。项目针对混合型MMC全桥DC/DC变换器电路拓扑、模型建立、控制策略等基础问题开展研究。首先，深入分析混合型MMC全桥DC/DC变换器运行机理，在此基础上，确定变换器输出电压电平总数，完成主电路不同单元子模块构成以及功率回路主要元件参数计算与优化。其次，研究混合型MMC全桥DC/DC变换器的脉冲调制方式，确保不同模块单元的充放电时间与工作模态需求，实现H桥单元和SM单元的输出匹配；同时，详细推导变换器功率损耗模型，采用状态空间平均法分区间建立变换器等效数学模型，并求出传递函数。最后，研究混合型MMC全桥DC/DC变换器的子模块电压均衡方法与系统控制策略。为检验研究是否有效，项目将研制小型样机并搭建模拟平台，开展相关试验研究。

通过3年的研究与探索，项目提出一种适用于海上直流汇聚用的半桥与全桥相混合的MMC全桥DC/DC变换器，针对混合型MMC全桥DC/DC变换器电路拓扑、模型建立、故障评估、中频变压器设计优化、控制策略等基础问题开展研究。在变换器拓扑方面，基于直流故障抑制能力的考虑，将全桥模块引入MMC变换器，探讨了全桥模块和半桥的配置方法，基于马尔可夫链开展了考虑模块冗余的MMC变换器故障概率分析与评估研究，并基于遗传算法开展了中频变压器的参数优化设计研究。在脉冲调制与系统建模研究，研究了混合型模块化多电平 DC/DC 变换器的CSPWM调制技术和改进方法，建立了混合型MMC的数学模型，并详细推导了变换器的功率损耗模型表达式。在控制策略方面，研究了混合型MMC全桥DC/DC变换器的功率外环和电流内环的双闭环控制策略设计，其中电流内环采用比例谐振（PR）控制器，实现了电流的无静差跟踪。同时，研究了基于HMMC-DC/DC的风机并联型海上直流汇聚系统控制策略。在算法仿真验证和实验平台搭建方面，在MATLAB/SIMULINK中构建了仿真模型，完成了仿真实验研究；同时，整理规划了平台资源需求，试制了基于DSP+FPGA的数字控制系统、半桥模块以及全桥功率模块；在此基础上，搭建了小型实验模拟平台。考虑项目的应用和推广，在执行期间，还特别注意理论探索与工业实际需求的结合。项目累计申请国家发明专利6项、其中已授权3项，在国内外期刊和会议上共发表论文3篇，其中SCI论文2篇、EI论文1篇，参加各类学术交流活动不少于5次，培养青年教师1名，课题组多名硕士研究生得到锻炼。