复杂MMC分布式控制系统优化及其性能分析

More and more submodules (SMs) are employed in Modular Multilevel Converters (MMCs) for flexible High-Voltage DC (HVDC) transmission applications with increasing electrical power capacity and voltage level, which results in challenges, e.g. complex and coupled controls coordination, considerable data exchange, limited communication bandwidth, and difficulty in fast-response and synchronization, to MMC control system design. This project aims at an advanced MMC distributed control strategy that the complexity of control task coordination and real-time control data exchange is independent of the number of SMs in the system, with the consideration of possible impacts on control performance. The main research contents are listed as follows: 1) exploring an MMC distributed control strategy that achieves all real-time control objectives with fixed and significantly reduced data exchange, by MMC control objectives decoupling and distribution, and advanced control loops; 2) explicating the mechanism and impacts of cross-regulation, system delay, and controller asynchrony, by the means of multi-agent system distributed control theory, Padé approximation, and probability distribution, for the sake of developing advanced controllers, proper delay compensation methods, and controller synchronization strategies in order to tackle those issues. It is expected to improve the MMC distributed control strategy and provide a theoretical basis for advanced MMC control and operation strategies according to the modeling and analysis of some special phenomena in distributed control systems. This research has great significance in facilitating MMC control system design and the adoption of MMCs in HVDC transmission applications at higher voltage levels.

随着柔性直流输电电压等级不断提升，模块化多电平变流器（MMC）所需子模块数量增多，其控制系统设计面临着多目标协调控制复杂，信息交互量大，通信带宽受限制，系统实时性及同步性难以满足等挑战。本项目针对MMC控制系统进行优化，提出协调控制复杂度及实时控制信息交互量与子模块数量解耦的分布式控制策略，并研究其对MMC控制性能所产生的影响。主要研究内容有：1）基于复杂控制系统解耦与控制环优化的思路，探索以固定且少量信息交互满足MMC所有控制目标的分布式控制策略；2）基于多智能体系统分布式控制理论、Padé逼近法及概率分布的思路，揭示控制交叉影响、系统延迟及控制器不同步对MMC控制性能的影响规律，并探索相应的控制、补偿方法及同步方案。此研究旨在优化MMC分布式控制系统，通过建模分析为系统运行及控制方案的设计与改进提供理论依据，对促进MMC高效稳定地应用于更高电压的直流输电工程具有重要的理论与实际意义。

本项目针对高压柔性直流输电工程中具有大量子模块的模块化多电平变流器（MMC）中所存在的多目标协调控制复杂，信息交互量大，通信带宽受限制，系统实时性及同步性难以满足等挑战，设计了协调控制复杂度与实时控制信息交互独立于子模块数量的分布式控制系统，并分别研究了单向自上而下以及局部信息反馈的实时控制信息交互策略；建立了分布式控制系统中控制交叉影响、系统延迟、控制器不同步及通信故障下的运行特性的数学模型，对所提出的MMC 分布式控制性能进行理论分析，并基于分析结果提出相应解决方案；进行了对称半桥子模块并联减小MMC电容策略、基于MMC虚拟惯性的中压微电网系统频率支撑方法等研究；搭建三相MMC实验平台，对MMC 分布式控制策略的可行性与控制性能进行了实验验证。.基于本项目的支持，项目组在MMC分布式控制领域取得一定的理论成果，在行业顶级国际期刊《IEEE Transactions on Power Electronics》（SCI一区）发表论文6篇、《IEEE Transactions on Industrial Electronics》（SCI一区）发表论文3篇；在行业顶级会议ECCE及APEC发表论文4篇，申请中国发明专利8项（授权7项）；受邀在2020 IEEE Conference on Energy Internet and Energy System Integration国际会议作题为“Distributed Control for Modular Multilevel Converters”汇报；受邀在第六届高校电力电子学科青年学者论坛作题为“模块化多电平变换器分布式控制研究与探索”汇报。.通过本项目的研究，对MMC分布式控制系统进行了构建与数学模型建立，基于模型分析为系统运行及控制方案的设计与改进提供理论依据，并针对分布式控制系统中的共性问题提出科学的解决方案，对于MMC分布式控制理论的建立与应用，促进MMC高效稳定地应用于更高电压的直流输电工程具有重要的理论与实际意义。