[論文レビュー] Harmonic State Space Modeling of a Three-Phase Modular Multilevel Converter

Jing Lyu, Marta Molinas+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2017

HVDC Systems and Fault Protection参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、三相モジュラー・マルチレベルコンバータ（MMC）の多周波数ダイナミクス、特にアーム電流、コンデンサ電圧、制御信号における高調波を正確に捉えるために、ハーモニック状態空間（HSS）モデルを提案する。従来の基本周波数モデルを高調波成分および周波数結合を含める形に拡張することで、HSSモデルは定常状態および小信号ダイナミクスの両方を正確に表現可能であることが示され、シミュリンクによるシミュレーションおよび1アームあたり12個のサブモジュールを有する実験用プロトタイプによる検証が行われた。

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.

研究の動機と目的

• MMCの多周波数ダイナミクスを捉えるために、従来の基本周波数モデリングの限界を克服すること。
• 状態変数、入力、出力における高調波を考慮する包括的なハーモニック状態空間（HSS）モデルの構築。
• 周波数結合効果を含めることで、MMCの正確な小信号および定常状態解析を可能にすること。
• HSSモデルを非線形時領域シミュレーションおよび実験用プロトタイプからの実測結果と比較して検証すること。

提案手法

• 状態変数、入力、出力の高調波を別々の成分として表現する、ハーモニック状態空間フレームワークにおいてMMCのダイナミクスを定式化する。
• 異なる周波数成分間の高調波相互作用および結合を明示的に含む周波数領域表現を用いてコンバータをモデル化する。
• 平衡グリッド条件下でのMMCの周期的定常状態挙動を分析することにより、定常状態HSSモデルを導出する。
• 定常状態動作点の周囲で線形化することで小信号HSSモデルを構築し、高調波および周波数結合効果を保持する。
• 詳細な非線形モデルとの時間領域比較による検証を目的として、MATLAB/SimulinkにHSSモデルを実装する。
• 1アームあたり12個のサブモジュールを有する実験用プロトタイプを構築・試験し、実環境条件下でのHSSモデルの検証を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三相MMCの高調波ダイナミクスは、どのように状態空間フレームワーク内で正確に捉えることができるか？
• RQ2 高調波間の周波数結合が、MMCの小信号安定性およびダイナミックパフォーマンスに与える影響は何か？
• RQ3 HSSモデルは、従来の基本周波数モデルと比較して、MMCの定常状態および小信号ダイナミクスをより高い精度で再現できるか？
• RQ4 HSSモデルは、詳細な非線形シミュレーションおよび実験結果と比較して、ダイナミック応答および高調波含有量の点でどの程度の性能を示すか？

主な発見

• HSSモデルは、アーム電流、コンデンサ電圧、制御信号における顕著な高調波を含め、MMCの多周波数ダイナミクスを効果的に捉えている。
• HSSモデルに周波数結合を組み込むことで、従来の基本周波数モデルと比較して、MMCのダイナミック挙動をより正確に表現できるようになった。
• 非線形シミュリンクモデルとの比較において、定常状態の高調波プロファイルおよび小信号応答の両方で良好な一致が得られた。
• 1アームあたり12個のサブモジュールを有する実験用プロトタイプからの実測結果は、HSSモデルが高調波含有量およびダイナミック挙動を予測する上で正確であることを確認した。