[論文レビュー] Impedance Analysis of Modular Multilevel Converter Based on Harmonic State-Space Modeling Method

Jing Lyu, Qiang Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2017

HVDC Systems and Fault Protection参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、従来の手法が多周波数ダイナミクスを捉えきれないという限界を克服し、モジュラー・マルチレベルコンバータ（MMCs）の小信号インピーダンスモデルを正確に導出するため、ハーモニック状態空間（HSS）モデリング手法を提案する。ハーモニック線形化を組み込むことで、オープンループ、AC電圧フィードバック制御、循環電流フィードバック制御の各状況においても、正確なインピーダンス特性を評価可能となる。シミュレーションおよび実験により検証された。

ABSTRACT

The small-signal impedance modeling of modular multilevel converter (MMC) is the key for analyzing resonance and stability of MMC-based ac power electronics systems. MMC is a converter system with a typical multi-frequency response due to its significant steady-state harmonic components in the arm currents, capacitor voltages, and control signals. Therefore, traditional small-signal modeling methods for 2-level voltage-source converters (VSCs) cannot be directly applied to the MMC. In this paper, the harmonic state-space (HSS) modeling approach is introduced to characterize the harmonic coupling behavior of the MMC. On this basis, the small-signal impedance models of the MMC are developed according to the harmonic linearization principle, which can include all the steady-state harmonic effects of the state variables, leading to the accurate impedance models. Furthermore, in order to reveal the impact of the internal dynamics and closed-loop control on the small-signal impedance of the MMC, three cases are considered in this paper, i.e., open-loop control, ac voltage closed-loop control, and circulating current closed-loop control. Finally, the analytical impedance models are verified by both simulation and experimental results.

研究の動機と目的

• MMCに内在する多周波数高調波成分のため、小信号インピーダンスモデリングに生じる課題に対処すること。
• 2レベルVSCに用いられる従来の小信号モデリング技術ではMMCには不適切であるという限界を克服すること。
• アーム電流、コンデンサ電圧、制御信号における高調波結合効果を捉えた正確なインピーダンスモデルを開発すること。
• 内部ダイナミクスおよび異なる制御戦略（オープンループ、AC電圧フィードバック制御、循環電流抑制制御）がMMCインピーダンスに与える影響を調査すること。
• シミュレーションおよび実験的検証を通じて、解析的インピーダンスモデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• MMCの時間変動的かつ多周波数的挙動を表現するため、ハーモニック状態空間（HSS）モデリングフレームワークを採用する。
• ハーモニック線形化を適用し、状態変数のすべての定常状態高調波成分を含む小信号インピーダンスモデルを導出する。
• HSS表現に基づいてインピーダンスモデルを構築し、複数周波数成分間の高調波結合を分析可能にする。
• オープンループ、AC電圧制御、循環電流抑制の3つの異なる制御設定に対応する、3つの別個のインピーダンスモデルを構築する。
• HSSアプローチを用いて、制御ループがMMC全体のインピーダンス特性に与える影響を体系的に分析する。
• MMCプロトタイプを用いた電磁瞬時シミュレーションおよび実機試験を通じて、解析モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MMCにおける高調波結合効果は、どのように小信号インピーダンスモデリングに正確に組み込むことができるか？
• RQ2 オープンループ、AC電圧フィードバック制御、循環電流フィードバック制御の各戦略におけるMMCインピーダンス挙動にどのような差が生じるか？
• RQ3 HSSに基づくモデリング手法は、従来の手法に比べて、どの程度インピーダンスモデルの精度を向上させるか？
• RQ4 アーム電流、コンデンサ電圧、制御信号における定常状態高調波成分は、MMCベースのシステムの小信号安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 提案されたHSSに基づくインピーダンスモデルは、シミュレーションおよび実験的結果の両方で効果的に検証可能か？

主な発見

• HSSに基づくインピーダンスモデルは、MMCの多周波数ダイナミクス、ならびに定常状態成分に起因する高調波結合効果を的確に捉えている。
• AC電圧フィードバック制御下のインピーダンスモデルは、オープンループおよび循環電流制御の場合に比べ、安定性マージンが向上している。
• ハーモニック線形化の導入により、モデルの精度が顕著に向上し、特にMMCシステムにおける共振挙動の予測精度が向上した。
• 実験結果は、インピーダンスモデルの解析的予測と良好に一致しており、シミュレーションと測定値の間で良好な一致が確認された。
• モデルは、特に高調波周波数領域において、循環電流制御が正序インピーダンスに顕著な影響を及ぼしていることを明らかにした。
• 提案手法により、MMCベースのパwrエレクトロニクスシステムの信頼性の高い安定性評価が可能となり、設計および制御最適化を支援できる。