基于改进正弦-方波调制的MMC-H固态变压器宽电压增益建模与储能应用分析

本文深入探讨了MMC-H型固态变压器(SST)在改进正弦-方波调制(SQM)下的功率传输特性，建立了精确的传输模型（误差≤2%），提出了可实现宽输出电压范围的综合控制策略。研究表明SQM能显著降低电流应力（低功率条件下降低近40%）和谐波失真，为DC-SST在储能系统(ESS)和直流配网中的高效可靠运行提供了重要理论支撑和实践指导。

　　

Highlight

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  • 建立的功率传输模型可精确表征基于SQM方法的MMC-H SST功率/电流特性（误差<2%），为模型预测控制等优化策略提供理论基础

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  • 首次开发并应用于MMC-H基储能系统的SQM综合控制方法能有效抑制dv/dt，显著降低电流应力并改善SST电能质量，尤其在低功率条件下可降低近40%电流应力。双向充放电控制对电池工作稳定精确

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  • 首次对QQM和SQM下宽电压增益对MMC-H SST传输性能的影响进行对比分析，明确了在宽电压范围储能系统中应用SQM的最佳增益范围

Circuit topology and basic modelling of MMC-H SST

本节介绍了采用传统方波-方波调制(QQM)的MMC-H SST拓扑结构及基本模型。图2展示了MMC-H SST拓扑，其集成了MMC换流器、H桥换流器、移相电感器及高频变压器。MMC换流器通过移相电感L_r连接变压器原边，H桥换流器连接高频变压器副边。高压侧直流母线电压V_HV由n个子模块(SM)电容均分，低压侧直流母线电压为V_LV。

Proposed modelling and control method of MMC-H SST

为全面理解系统在SQM下的运行特性，本节首先建立了基于所提调制的MMC-H SST功率传输模型，随后设计了基于SQM的综合控制方法。

Impact analysis of wide voltage gain on transmission characteristics

对于SST的储能应用，输出电压并非固定且需要宽范围电压等级以适应不同负载条件。然而，独特MMC-H结构在电压增益影响下的性能尚不明确，特别是在SQM下。因此，本节进一步广泛研究了不同电压增益对传输特性的影响，并确定了最佳运行区域。

本文中，电压增益定义为G。它代表了低压侧直流母线电压V_LV与反映到变压器原边的等效电压之间的比例关系，是影响功率传输效率和设备应力的关键参数。

Simulation analysis

在MATLAB/Simulink中搭建了一个10 kV/1 MVA MMC-H SST仿真模型。表1展示了仿真模型的详细参数。

为验证所提理论的有效性，检验了不同电压增益（G=0.4/0.8）和不同输出功率（P=0.3/0.7 [标幺值]）的条件，如图13、图14所示。其中，v₁表示高压侧输出电压，v₂表示变压器副边电压。流经移相电感的电流i_r是评估系统性能的重要指标。

HIL experimental verification

为验证所提方法的有效性，针对一个10 kV/1 MW 7电平MMC-H SST系统构建了硬件在环(HIL)实验平台。使用HIL测试结果验证所提方法是常见的，例如[31,32]。MMC-H SST主电路由PLEXIM的RT_box仿真。采用DSP控制板(TI TMS320F28379D)调节输出电压、相移角和传输频率，而FPGA控制板(ALTERA Cyclone IV EP4CE115)用于生成驱动脉冲。

Conclusion

本文提出了用于储能的MMC-H SST在非对称SQM下的功率传输建模。开发了一种实现宽输出电压的综合控制方法。比较并分析了两种不同调制方案下宽电压增益对SST性能的影响。结果表明：1) 所建立的数学模型能准确表征非对称调制下的独特传输特性，误差小于2%；2) 所提出的SQM方法能显著降低dv/dt和电流应力，特别是在低功率区域降低近40%，并有效改善电能质量；3) 确定了SQM方法在宽电压范围储能应用中的最佳增益范围(G=0.4-0.8)。这项工作为MMC-H SST在直流电网互联和储能应用中的控制提供了指导。