[논문 리뷰] Impedance Analysis of Modular Multilevel Converter Based on Harmonic State-Space Modeling Method

Jing Lyu, Qiang Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 02.

HVDC Systems and Fault Protection참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 모듈러 다중레벨 변환기(MMC)의 소신호 임피던스 모델을 정확하게 유도하기 위해 조화 상태공간(HSS) 모델링 기법을 제안한다. 기존 방법들은 다주파수 동역학을 포착하지 못하는 한계가 있어 이를 해결하고자 하며, 조화 선형화를 통합함으로써 개방루프, 교류 전압 피드백 루프, 순환 전류 피드백 루프 제어 하에서 정밀한 임피던스 특성 분석이 가능하다. 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• MMC의 고유한 다주파수 조화성분으로 인해 발생하는 소신호 임피던스 모델링 과제를 해결하기 위해.
• 2레벨 VSC에 사용되는 전통적인 소신호 모델링 기법이 MMC에는 부적합하므로 이를 극복하기 위해.
• 암자 전류, 커패시터 전압 및 제어 신호의 조화성 상호작용 효과를 포착하는 정확한 임피던스 모델을 개발하기 위해.
• 내부 동역학 및 다양한 제어 전략—개방루프, 교류 전압 피드백 루프, 순환 전류 피드백 루프—이 MMC의 임피던스에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 시뮬레이션 및 실험적 검증을 통해 분석된 임피던스 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• MMC의 시간에 따라 변하는 다주파수 행동을 기술하기 위해 조화 상태공간(HSS) 모델링 프레임워크를 채택하기 위해.
• 모든 정 steady-state 조화성분을 포함한 소신호 임피던스 모델을 도출하기 위해 조화 선형화를 적용하기 위해.
• HSS 표현 기반으로 임피던스 모델을 구성하여 다수의 주파수 성분 간의 조화성 상호작용 분석이 가능하도록 하기 위해.
• 다른 제어 구성—개방루프, 교류 전압 제어, 순환 전류 억제—에 대응하는 세 가지 별개의 임피던스 모델을 구축하기 위해.
• HSS 접근법을 활용해 제어 루프가 MMC의 전체 임피던스 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하기 위해.
• 전자기적 잠금 시뮬레이션과 MMC 프로토타입의 실험적 하드웨어 테스트를 통해 분석 모델을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MMC의 소신호 임피던스 모델링에서 조화성 상호작용 효과를 어떻게 정확히 포착할 수 있는가?
• RQ2 MMC에서 개방루프, 교류 전압 피드백 루프, 순환 전류 피드백 루프 제어 전략 간의 임피던스 행동에는 어떤 차이가 있는가?
• RQ3 기존 방법에 비해 HSS 기반 모델링 기법이 임피던스 모델의 정확도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 암자 전류, 커패시터 전압 및 제어 신호의 정상 상태 조화성분이 MMC 기반 시스템의 소신호 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 HSS 기반 임피던스 모델이 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 효과적으로 검증될 수 있는가?

주요 결과

• HSS 기반 임피던스 모델은 MMC의 다주파수 동역학, 특히 정상 상태 성분에서 유래하는 조화성 상호작용 효과를 성공적으로 포착한다.
• 교류 전압 피드백 루프 제어 하에서의 임피던스 모델은 개방루프 및 순환 전류 제어 사례에 비해 안정성 마진이 향상됨을 보였다.
• 조화 선형화의 통합은 특히 MMC 시스템의 공진 행동 예측에서 모델 정확도를 크게 향상시켰다.
• 실험 결과는 임피던스 모델의 분석 예측을 확인하였으며, 시뮬레이션과 측정치 간 양호한 일치를 보였다.
• 모델은 순환 전류 제어가 특히 고조파 주파수에서 정상 주파수 성분 임피던스에 상당한 영향을 미친다는 것을 드러냈다.
• 제안된 방법은 MMC 기반 파wr 전자 시스템의 신뢰성 있는 안정성 평가를 가능하게 하여 설계 및 제어 최적화를 지원한다.