大容量模块化多电平变流器电磁干扰机理分析与主动抑制

High power multi-level converter, with modular multi-level converter (MMC) as representative becomes a major intelligent equipment in next generation power transmission and transformation system. However, continuously fast switching of the multi-level converter brings complex electromagnetic interference (EMI) problem for the system. This project aims at the analysis and modeling, principle of impact and mitigation methods of high power modular multi-level converter’s EMI with systematic research with experimental verification in hardware testbed. First, analysis and modeling of modular multi-level converter’s EMI will be done through EMI noise source and conducting path, together with key parameter identification technologies. With power electronics devices’ gate driver circuit as representative, sensitive components’ interference principle and failure mode will be studied. Then, EMI active mitigation methods will be studied, including active gate driver technologies and optimization of pulse-width modulation. Research will be verified by both scale-down hardware testbed and high power testbed. This project will be carried out with theoretical analysis and modeling, simulation and hardware experiments, to systematically study the EMI and its mitigation methods of high power modular multi-level converters and solve two key scientific problems. Research plan, budget, expected results and research basis of the team are also introduced in the proposal.

以模块化多电平变换器为代表的大容量多电平变换器成为新一代输变电系统的主要智能装备。但是变换器由于持续快速高频的开关动作给装置带来了复杂的电磁干扰问题。本项目针对大容量模块化多电平变换器中电磁干扰的分析与建模、影响机理以及抑制方法进行系统的研究，并结合硬件实验平台进行分析验证。首先，从模块化多电平变换器的电磁干扰噪声源以及传导路径入手，结合关键参数提取技术，分析和建立电磁干扰的模型。以器件门极驱动为代表，研究电磁干扰对敏感部件的串扰机理和失效分析。在此基础上研究电磁干扰的主动抑制方法，包括有源门极驱动技术和优化脉宽调制技术。相关的研究通过搭建缩比硬件平台结合大容量平台进行实验验证。本项目将结合理论分析建模、仿真和硬件系统实验的方法对大容量模块化多电平变换器的电磁干扰及其抑制方法系统而深入的研究并解决两个个关键科学问题。相关研究计划、预算、预期成果和研究团队的基础也在申请书中详细介绍。

针对交直流变换中的大功率模块化多电平电力电子变流器（MMC）在复杂电磁环境下电磁干扰机理及电磁干扰主动抑制的关键问题，本项目由华中科技大学牵头，联合北京交通大学和国网智能电网研究院有限公司开展了四年系统的研究工作。通过四年的研究，本项目在MMC的电磁干扰精确建模和预测、关键部件电磁干扰耦合和失效机理以及电磁干扰的主动抑制方法三个方向取得重要的研究成果，并研发了缩比实验平台完成相关实验验证。通过MMC的电磁干扰建模研究，完成了系统及干扰源分析和包含关键部件参数抽取的路径建模，在建模中特别引入了混模电磁干扰的概念，实现了预测结果对实测电磁干扰的准确模拟。通过系统级和模块级电磁干扰对门极驱动和控制板卡的串扰的理论研究和实验验证，提出了优化的PCB和叠层母排设计方法。通过MMC的调制方式和有源抑制技术的研究，提出了针对MMC优化电磁干扰的新型扩频调制方法、基于最近电平逼近和载波层叠的共模对消方法，有源门极驱动以及有源EMI滤波器等方法，实现宽频域范围电磁干扰主动抑制。本项目研发了基于IGBT的30kW级MMC实验平台，大容量子模块平台以及全SiC MMC平台等，完成相关研究的实验室验证，并依托国网智能电网研究院有限公司大容量换流阀平台验证了相关内容在实际装置的现象。项目组克服疫情影响困难，组织多次线下和线上的进度汇报交流会。通过本项目的研究，团队多次在国内外学术组织进行大容量电力电子电磁兼容的培训讲座。本项目工作支持了2021年在Springer出版社出版学术专著一部。相关工作完成了项目计划书的全部要求内容，在复杂电磁环境下电力智能设备失效机理及电磁干扰抑制方法领域取得了创新成果。