[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种用于三相模块化多电平换流器（MMC）的谐波状态空间（HSS）模型，以精确捕捉其多频率动态特性，包括支路电流、直流支撑电容电压和控制信号中的谐波。通过将传统的基频建模方法扩展至包含谐波分量和频率耦合，HSS模型能够精确表示稳态和小信号动态特性，其有效性通过Simulink仿真和每相12个子模块的实验室样机得到验证。

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.

研究动机与目标

• 为解决传统基频建模在捕捉MMC多频率动态特性方面的局限性。
• 开发一种全面的谐波状态空间（HSS）模型，以考虑状态变量、输入和输出中的谐波分量。
• 通过引入频率耦合效应，实现对MMC精确的小信号和稳态分析。
• 通过与非线性时域仿真和实验室样机的实验结果对比，验证HSS模型的有效性。

提出的方法

• 在谐波状态空间框架下建立MMC动态模型，将状态变量、输入和输出的谐波分量分别表示为独立分量。
• 采用频域表示方法对换流器建模，显式包含不同频率分量之间的谐波相互作用与耦合。
• 通过分析在平衡电网条件下MMC的周期性稳态行为，推导出稳态HSS模型。
• 通过在稳态工作点对系统进行线性化，建立小信号HSS模型，同时保留谐波与频率耦合效应。
• 在MATLAB/Simulink中实现HSS模型，以与详细非线性模型进行时域对比验证。
• 构建并测试每相12个子模块的实验室样机，以在真实条件下验证HSS模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在状态空间框架下精确捕捉三相MMC的谐波动态？
• RQ2 谐波之间的频率耦合对MMC的小信号稳定性和动态性能有何影响？
• RQ3 HSS模型能否比传统基频模型更准确地再现MMC的稳态和小信号动态特性？
• RQ4 在动态响应和谐波含量方面，HSS模型与详细非线性仿真及实验结果相比表现如何？

主要发现

• HSS模型成功捕捉了MMC的多频率动态特性，包括支路电流、直流支撑电容电压和控制信号中的显著谐波分量。
• 在HSS模型中引入频率耦合后，相比传统基频模型，其对MMC动态行为的表征更加精确。
• 与非线性Simulink模型对比验证表明，HSS模型在稳态谐波特性与小信号响应方面均表现出高度一致性。
• 基于每相12个子模块的实验室样机实验结果，证实了HSS模型在预测谐波含量和动态行为方面的准确性。