[논문 리뷰] Harmonic State Space Modeling of a Three-Phase Modular Multilevel Converter

Jing Lyu, Marta Molinas외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 29.

HVDC Systems and Fault Protection참고 문헌 20인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 삼상 모듈러형 다중단자 변환기(MMC)의 다주파수 동역학, 특히 아ーム 전류, 커패시터 전압 및 제어 신호의 고조파를 정확히 포착하기 위해 조화 상태공간(HSS) 모델을 제안한다. 기존의 기본주파수 모델링을 고조파 성분과 주파수 결합을 포함하도록 확장함으로써 HSS 모델은 정상상태 및 소신호 동역학을 정밀하게 표현할 수 있게 되었으며, 아ーム당 12개의 서브모듈을 갖는 Simulink 시뮬레이션과 실험용 랩 프로톼타입을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

This paper presents the harmonic state space (HSS) modeling of a three-phase modular multilevel converter (MMC). MMC is a converter system with a typical multi-frequency response due to its significant harmonics in the arm currents, capacitor voltages, and control signals. These internal harmonic dynamics can have a great influence on the operation characteristics of MMC. However, the conventional modeling methods commonly used in two-level voltage-source converters (VSCs), where only the fundamental-frequency dynamic is considered, will lead to an inaccurate model that cannot accurately reflect the real dynamic characteristics of MMC. Therefore, the HSS modeling method, in which harmonics of state variables, inputs, and outputs are posed separately in a state-space form, is introduced in this paper to model the MMC in order to capture all the harmonics and the frequency couplings. The steady-state and small-signal dynamic HSS models of a three-phase MMC are developed, respectively. The validity of the developed HSS model of a three-phase MMC has been verified by the results from both the nonlinear time domain simulation model in MATLAB/Simulink and the laboratory prototype with 12 submodules per arm.

연구 동기 및 목표

• MMC의 다주파수 동역학을 포착하는 데 있어 기존 기본주파수 모델링의 한계를 해결하기 위해.
• 상태변수, 입력 및 출력의 고조파를 고려한 종합적인 조화 상태공간(HSS) 모델을 개발하기 위해.
• 주파수 결합 효과를 포함시킴으로써 MMC의 정밀한 소신호 및 정상상태 분석을 가능하게 하기 위해.
• 비선형 시간영역 시뮬레이션 및 실험 결과를 기반으로 한 랩 프로토타입에서 HSS 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 상태변수, 입력 및 출력의 고조파를 별개의 구성요소로 표현하는 조화 상태공간 프레임워크 내에서 MMC의 동역학을 수립하기 위해.
• 다양한 주파수 성분 간의 상호작용과 결합을 명시적으로 포함하는 주파수 도메인 표현을 사용하여 변환기 모델링하기 위해.
• 균형 잡힌 격자 조건 하에서 MMC의 주기적 정상상태 행동을 분석함으로써 정상상태 HSS 모델 유도하기 위해.
• 정상상태 운영점 주변에서 시스템을 선형화함으로써 소신호 HSS 모델 개발하기 위해. 이 과정에서 고조파 및 주파수 결합 효과를 유지하기 위해.
• 세부적인 비선형 모델과의 시간영역 검증을 위해 MATLAB/Simulink에 HSS 모델 구현하기 위해.
• 실제 환경 조건에서 HSS 모델을 검증하기 위해 아ーム당 12개의 서브모듈을 갖는 실험용 랩 프로토타입 제작 및 테스트하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼상 MMC의 고조파 동역학은 어떻게 상태공간 프레임워크 내에서 정확히 포착할 수 있는가?
• RQ2 고조파 간의 주파수 결합은 MMC의 소신호 안정성 및 동적 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 HSS 모델은 기존 기본주파수 모델보다 MMC의 정상상태 및 소신호 동역학을 더 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ4 HSS 모델은 동적 응답과 고조파 성분 측면에서 세부적인 비선형 시뮬레이션 및 실험 결과와 비교해 볼 때 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• HSS 모델은 아ーム 전류, 커패시터 전압 및 제어 신호에 포함된 중요한 고조파를 포함하여 MMC의 다주파수 동역학을 성공적으로 포착하였다.
• HSS 모델에 주파수 결합을 포함시킴으로써 기존 기본주파수 모델 대비 MMC의 동적 거동을 더 정확하게 표현할 수 있었다.
• 비선형 Simulink 모델과의 검증 결과, 정상상태 고조파 프로파일과 소신호 응답 모두에서 높은 일치도를 보였다.
• 아ーム당 12개의 서브모듈을 갖는 실험용 랩 프로토타입에서의 실험 결과는 HSS 모델이 고조파 성분과 동적 거동을 예측하는 데 있어 정확성을 입증하였다.