高频隔离型模块化多电平级联变换器及其在新能源中压交直流并网中应用基础研究

For medium-voltage grid integration, renewable energy systems (RESs) based on modular multilevel cascade converters (MMCC) and medium/high-frequency technology can solve the problems of high capital and installation costs induced by the heavy weight and large size of traditional step-up line-frequency transformer, which have achieved extensive attention and a broad application. This project focuses on medium-voltage AC and DC grid integration system of RESs, to break through the existing medium/high-frequency isolated system architecture, single-stage I-M2C2 topology theory is proposed combining MMCC’s topology characteristics and formation rulethanks wih thigh-frequency link concept. High-efficiency modulation and multi-objective optimization design method are analyzed and given. Medium-voltage AC and DC grid control and protection scheme is proposed based on multi-ports’ energy characteristics. Then the typical collection system structure of medium-voltage AC and DC grid integration of PV and wind based on I-M2C2 is explored. Finally, a verification platform for the I-M2C2 RES is established to prove the proposed topology and control scheme. This project will provide new solutions for the flexible medium-voltage AC and DC grid integration of RESs.

基于模块化多电平级联变换器与中高频隔离技术的新能源中压并网发电系统能够解决传统升压工频变压器质量重与体积大带来的安装维护成本高问题， 受到世界各国学者广泛关注，具有广阔的应用前景。本项目以新能源中压交直流混合并网发电系统为研究对象，突破现有中高频隔离型系统的体系结构，借鉴传统模块化多电平级联变换器拓扑特点和形成规律，结合高频链概念，提出单级式隔离型模块化多电平变换器(I-M2C2)拓扑构造理论，然后探讨分析I-M2C2高效调制原理及其多目标优化设计方法，研究I-M2C2各端口能量特性及其中压交直流并网控制与保护策略，探索基于I-M2C2的光伏、风力中压交直流并网典型汇集系统结构及其协调控制策略，最后搭建I-M2C2型新能源中压交直流混合发电系统实验平台对所提出的拓扑结构及控制策略进行验证，本项目的研究将为新能源柔性中压交直流并网运行提供新的解决思路和解决方案。

传统模块化多电平级联型电力电子装备在中高压大功率变换场合存在电容器体积占比高、系统均压均流控制复杂以及功率变换环节多等问题，如何创新变流器拓扑结构、提高设备功率密度、实现功能高度集成、高可靠高效率运行是极其重要和迫切的前沿课题，也是电力电子领域的重大技术和学术难题。.首先本项目结合高频链技术与传统MMC变换思想，原创性地提出了多端口大功率隔离型模块化多电平变换器（I-MMC）拓扑构造理论，实现三相波动功率自平衡紧凑型电力电子变压器主电路拓扑，换流单元波动功率通过高频变压器耦合相互抵消。然后，分析变换器端口功率传递特性，提出子模块钳位电路、高频变压器容量以及载波移相调制策略等优化设计方法。同时，搭建了一台1kV/20kW三相I-MMC样机，对三相I-MMC拓扑结构进行了多工况稳暂态测试，实验结果验证所提拓扑结构及其调制策略的有效性。此外，针对多场景中压交直流并/离网运行模式，设计了系统协调控制策略，实现I-MMC变换器多端口功率解耦控制，并通过MATLAB/Simulink平台搭建10kV/1MW三相仿真系统验证了控制有效性，搭建了基于I-MMC的中压直流柔性互联配电系统，通过MVDC馈线实现跨区域配电台区电能柔性互济，建立了I-MMC各端口阻抗模型，分析了电路参数和控制器参数对系统稳定性影响。最后，构建高频隔离型家族系列拓扑结构，提出其在中压直流互联、新能源中压并网、低频交流互联等典型场景下协调控制策略以及优化运行方法。项目团队初步实现了其产品化方案，对未来中压交、直流混合变换典型应用场景具有积极的示范推广作用。.本项目研究成果有力支撑了2019年第五届直流输电与电力电子创新杯大赛一等奖（仅一名）和2021年吉林省技术发明一等奖“交直流柔性配电系统关键技术与装备及应用”(本人为第一完成人)。.本项目共计培养博士3名、硕士6名，在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上发表论文10篇，被SCI收录4篇、其中在电力电子国际权威期刊IEEE Trans. TPEL、IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics等发表4篇，EI收录6篇，授权国家发明专利6项。