一种基于MMC的固态变压器以及控制方法

摘要

本发明提供一种基于MMC的固态变压器以及控制方法，固态变压器包括高压级AC/DC变换器、隔离级DC/DC变换器和低压级DC/AC变换器；高压级AC/DC变换器通过高压直流母线连接隔离级DC/DC变换器，隔离级DC/DC变换器通过低压级直流母线并联模块连接低压级DC/AC变换器。本发明始中低压级直流侧通过采用直流母线交错并联这种拓扑结构，从而在结构上解决了固态变压器高、低压侧系统不平衡的相互影响，自动提高了供电可靠性‘；基于MMC结构的互平衡固态变压器可以通过控制高压级公共直流母线电压的恒定，实现抑制三相不平衡负荷对电网的影响，以及电网出现三相不对称对交流负荷的影响。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于MMC的固态变压器以及控制方法。

背景技术

固态变压器又称为电力电子变压器或柔性变压器，它是以电力电子变流技术和电磁感应技术为基础的新型变压器，它彻底的改变了传统变压器的系统结构，在实现常规电力变压器电压等级变换、电气隔离和能量传递等基本功能的基础上，还可以实现双向潮流控制、电能质量控制等许多额外功能，是下一代智能电网建设的关键装备。受电力电子元器件发展水平的限制，适应于电网需求的高压、大功率、大电流的满足四象限运行的固态变压器必须采用全控型电力电子器件串、并联或多电平的方式。目前常用的适合于高压大功率场合的固态变压器主电路拓扑主要是基于H桥级联型(如图1)、中点箝位型多电平换流器的固态变压器，这些拓扑结构具有诸多优点，但是也存在着不易模块化构建、控制复杂、所需器件过多等缺点，此类拓扑结构的固态变压器不具备自动抑制电网与负荷间的相互电能质量干扰功能。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于MMC的固态变压器以及控制方法，基于MMC结构的互平衡固态变压器可以通过控制高压级公共直流母线电压的恒定，实现抑制三相不平衡负荷对电网的影响，以及电网出现三相不对称对交流负荷的影响。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于MMC的固态变压器，所述固态变压器包括高压级AC/DC变换器、隔离级DC/DC变换器和低压级DC/AC变换器；所述高压级AC/DC变换器通过高压直流母线连接隔离级DC/DC变换器，所述隔离级DC/DC变换器通过低压级直流母线并联模块连接低压级DC/AC变换器。

所述高压级AC/DC变换器采用MMC，以提高固态变压器输入级的电压等级；

所述高压级AC/DC换流器每个相单元投入的子模块数为2M，上桥臂和下桥臂串联子模块数均为M，且每个子模块均与隔离级高压侧DC/AC变换模块的单相全桥DC/AC变换器通过共用直流电容的方式连接，完成高压直流电压到高频交流方波的变换。

所述隔离级DC/DC变换器包括隔离级高压侧DC/AC变换模块、隔离级高频变压器和隔离级低压侧AC/DC变换模块；

所述隔离级高频变压器的原边绕组与副边绕组之间变比为2M：3，隔离级低压输出侧AC/DC变换模块的单相全桥AC/DC模块连接低压级直流母线并联模块，完成高频交流方波到低压直流电压的变换。

所述低压级DC/AC变换器由低压级直流母线并联模块和三个独立控制的单相全桥逆变器以及对应LC滤波器组成，输出所需要的交流电能，实现固态变压器的电压变换、电能传输和电能质量控制。

本发明还提供一种基于MMC的固态变压器的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：高压级AC/DC变换器进行电压和电流的双闭环控制、环流抑制控制和子模块电容电压均衡控制；

步骤2：隔离级DC/DC变换器进行高压级AC/DC变换器与低压级DC/AC变换器之间的电气隔离以及电压等级变换控制；

步骤3：低压级DC/AC变换器进行相电压有效值恒定控制并实现波形正弦化。

所述步骤1中，高压级AC/DC变换器采用定有功功率矢量控制方法在dq坐标系下进行电压和电流的双闭环控制、环流抑制控制和子模块电容电压均衡控制。

所述步骤2中，隔离级DC/DC变换器采用开环控制策略进行高压级AC/DC变换器与低压级DC/AC变换器之间的电气隔离以及电压等级变换控制。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：高压级AC/DC变换器输出的高压直流电压经隔离级高压侧DC/AC变换模块调制成高频交流方波；

步骤2-2：高频交流方波经隔离级高频变压器同步耦合至隔离级低压侧AC/DC变换模块；

步骤2-3：耦合至隔离级低压侧AC/DC变换模块的高频交流方波经隔离级低压侧AC/DC变换模块同步整流为低压直流电压，输出给低压级DC/AC变换器。

所述步骤3中，低压级DC/AC变换器采用双环控制策略进行相电压有效值恒定控制，并实现波形正弦化。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：在外环控制策略中，先通过相电压瞬时值得到实际相电压有效值，然后将相电压有效值与相电压指令值进行比较，得到的偏差经过PI控制器后与标准正弦信号相乘，作为内环控制策略中相电压瞬时值的指令值；

步骤3-2：在内环控制策略中，先将外环控制策略中输出的相电压瞬时值的指令值与反馈的实际相电压瞬时值相比较，然后将其误差量经比例控制器后作为调制波指令信号，最后并将该调制波指令信号与三角载波信号比较，形成脉冲触发信号以触发功率开关器件正确动作。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)MMC电路具有高度模块化，灵活调整投入换流器的子模块个数就可以满足不同功率和不同电压等级的要求，相比其他多电平换流器，在硬件拓扑上具有明显的优势；

2)与传统VSC的拓扑不同，MMC每个桥臂中都串有桥臂电抗器，桥臂电抗器能够抑制由各并联相单元的直流电压瞬时值不完全相同而造成的相间环流，同时还能够有效减小直流母线发生故障时故障电流的上升率，抑制冲击电流，提高系统的可靠性；

3)低压级直流侧通过采用直流母线交错并联这种拓扑结构，从而在结构上解决了固态变压器高、低压侧系统不平衡的相互影响，自动提高了供电可靠性‘

4)基于MMC结构的互平衡固态变压器可以通过控制高压级公共直流母线电压的恒定，实现抑制三相不平衡负荷对电网的影响，以及电网出现三相不对称对交流负荷的影响。

附图说明

图1是现有技术中基于H桥级联型固态变压器主电路拓扑结构图；

图2是本发明实施例中基于MMC的固态变压器主电路拓扑结构图；

图3是本发明实施例中低压级直流母线接线图；

图4是本发明实施例中MMC主电路拓扑结构图；

图5是本发明实施例中MMC中子模块拓扑结构图；

图6是本发明实施例中高压级AC/DC变换器控制策略图；

图7是本发明实施例中电容电压均衡控制框图；

图8是本发明实施例中隔离级DC/DC变换器控制框图；

图9是本发明实施例中低压级DC/AC变换器控制策图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明针对目前固态变压器无法适应高压大功率配电系统，以及不能抑制电网出现三相交流不对称与三相负载不平衡时输入和输出端间的相互影响等问题，提出了一种基于MMC变换器的固态变压器，可以通过调节MMC变换器高压公共直流母线电压的恒定，来抑制三相不平衡负荷对电网的影响，以及电网出现三相不对称对交流负荷的影响，并且，MMC换流器拓扑结构具有高度模块化，通过灵活调整投入的串联子模块个数就可以满足不同功率和不同电压等级场合的需求。以及可以通过调节高压公共直流母线电压的恒定和低压级直流侧采用直流母线交错并联这种拓扑结构，从而使固态变压器即使在电网出现三相交流不对称或是三相不平衡负荷情况下也能实现稳定运行。

本发明提供的一种基于模块化多电平换流器(MMC)的固态变压器以及控制方法，该固态变压器的高压级AC/DC变换器采用MMC换流器来提高固态变压器输入级的电压等级，低压级直流侧通过直流母线并联模块来实现固态变压器的自动互平衡功能。本专利设计的基于MMC换流器的固态变压器可以通过调节高压公共直流母线电压的恒定，来实现抑制三相不平衡负荷对电网的影响，以及电网出现三相不对称对交流负荷的影响，并且，MMC换流器拓扑结构具有高度模块化，通过灵活调整投入的串联子模块个数就可以满足不同功率和不同电压等级场合的需求，相比与其他多电平换流器，在硬件拓扑上具有明显的优势。另外，低压级直流侧采用直流母线交错并联这种拓扑结构，从而在结构上解决了固态变压器高、低压侧系统不平衡的相互影响，自动提高了供电可靠性，只要一个子模块运行正常就能保证基本用电，而且其结构简单、控制方便，这也是本发明设计的固态变压器能够实现自动互平衡功能的关键所在。固态变压器是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能交换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电力设备。在结构上，它包含两个基本要素：电力电子变换器和高频变压器，其中电力电子变换器包含主电路部分和控制电路部分；高频变压器实现两侧电力电子变换器的链接，其主要功能是实现电气隔离和电压等级变换，频率通常工作在千赫兹(kHz)级别，高频化的目的主要是大幅缩小变压器的体积、减轻重量、减少散热以及提高变压器容量与效率等。

本发明提供一种基于MMC的固态变压器，如图2，所述固态变压器包括高压级AC/DC变换器、隔离级DC/DC变换器和低压级DC/AC变换器；所述高压级AC/DC变换器通过高压直流母线连接隔离级DC/DC变换器，所述隔离级DC/DC变换器通过低压级直流母线并联模块连接低压级DC/AC变换器。

所述高压级AC/DC变换器采用MMC，以提高固态变压器输入级的电压等级；

所述高压级AC/DC换流器每个相单元投入的子模块数为2M，上桥臂和下桥臂串联子模块数均为M，且每个子模块均与隔离级高压侧DC/AC变换模块的单相全桥DC/AC变换器通过共用直流电容的方式连接，完成高压直流电压到高频交流方波的变换。

低压级直流母线并联模块接线图如附图3所示，隔离级低压侧3个单相全桥变流器模块的直流输出DC_Ai、DC_Bi、DC_Ci(i＝1，2，3)对应地并联在一起，组成固态变压器低压级3个单相全桥逆变模块的直流母线DC_a、DC_b、DC_c。这种低压侧直流母线交错并联的最大优点是从结构上解决了固态变压器高、低压侧系统不平衡的相互影响，而且自动提高了供电可靠性，只要一个子模块运行正常就能保证基本用电，而且其结构简单、控制方便，这也是本专利设计的固态变压器能够实现自动互平衡功能的关键所在。

模块化多电平换流器(MMC)的主电路拓扑结构如附图4所示，其中，图4为三相MMC换流器的主电路拓扑，主要由A、B、C三个相单元并联组成，每个相单元包含上下两个桥臂单元，上下桥臂单元均由M个相同的子模块和一个桥臂电抗器串联组成。其中，桥臂电抗器的作用是抑制由各并联相单元的直流电压瞬时值不完全相同而造成的相间环流，同时还能够有效减小直流母线发生故障时故障电流的上升率，抑制冲击电流，从而提高系统的可靠性。图5为子模块的主电路拓扑结构，其中，j＝p，n；k＝1，2...M；z＝a，b，c。主要由两个可控开关器件及反并联二极管和一个直流储能电容组成，其中K1为高速旁路开关，主要有两方面作用：一是当子模块内部出现故障时，如IGBT的损坏，K1闭合旁路故障子模块，使得MMC不必为单个子模块的故障而停机中断；二是为MMC提供冗余子模块，当有故障的子模块被旁路时，冗余子模块投入工作，提高了系统的可靠性。K2为压接式封装晶闸管，其特点是允许通过较大的电流，当MMC直流侧发生短路故障时，首先封锁开关器件，其次导通K2，使三相

的故障电流更多的流过K2，保护反并联的二极管，增强系统的抗故障能力。

所述隔离级DC/DC变换器包括隔离级高压侧DC/AC变换模块、隔离级高频变压器和隔离级低压侧AC/DC变换模块；

所述隔离级高频变压器的原边绕组与副边绕组之间变比为2M：3，隔离级低压输出侧AC/DC变换模块的单相全桥AC/DC模块连接低压级直流母线并联模块，完成高频交流方波到低压直流电压的变换。

所述低压级DC/AC变换器由低压级直流母线并联模块和三个独立控制的单相全桥逆变器以及对应LC滤波器组成，输出所需要的交流电能，实现固态变压器的电压变换、电能传输和电能质量控制。

本发明还提供一种基于MMC的固态变压器的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：高压级AC/DC变换器进行电压和电流的双闭环控制、环流抑制控制和子模块电容电压均衡控制；

所述步骤1中，高压级AC/DC变换器采用定有功功率矢量控制方法在dq坐标系下进行电压和电流的双闭环控制、环流抑制控制和子模块电容电压均衡控制，如图6和图7所示。

其中，同步旋转坐标系下的电压和电流双闭环控制策略是为了实现交流输入电流正弦化和单位功率因数控制；子模块电容电压均衡控制是为了实现维持高压侧直流母线电压恒定和MMC电路各子模块直流电容电压均衡；环流抑制控制的作用是按照电压外环输出的有功电流指令值进行输入电流控制。

电网电流控制环的作用是按照电压外环输出的有功电流指令值进行输入电流控制，如图6所示，采用电网电压前馈解耦控制使三相AC/DC换流器电流内环(i_Gd、i_Gq)实现解耦，并且可消除电网电压扰动。输入电网电流环的输出经等功率坐标变换矩阵后得到abc坐标系下MMC换流器三相交流输出电压给定值emf_z。其中，u_dc为MMC型固态变压器高压侧直流母线电压值；为高压侧直流母线电压参考值；L_g为桥臂电感和电网侧滤波电感之后；u_Gd和u_Gq为电网电压的d轴和q轴分量；i_Gd和i_Gq为电网电流的d轴和q轴分量；电压外环和电流内环均采用比例积分(PI)控制。

高压级AC/DC变换器采用的环流抑制控制策略框图如图6所示，求解三相桥臂电流i_pz和i_nz的平均值即得三相上、下桥臂环流i_diffz。经过负序二倍频旋转坐标变换矩阵T′_abc/dq后，得到上下桥臂环流的d、q轴分量i_cid和i_ciq，将它们与d、q轴环流的参考值和相比较后，经过PI调节器，并引入2ωL_r·i_cid2和2ωL_r·i_ciq2，以消除MMC环流模型中的dq轴耦合项，即可求得内部不平衡压降d、q轴分量的参考值u_diffd2ref和u_diffq2ref。为了减小环流的大小，取和均为零。经公式(1)、(2)分别求得上、下桥臂子模块电容电压参考值u_pz和u_nz。

$>u_{pz}=\frac{u_{d0}}{2}-{\mathrm{emf}}_z-u_{diffpz}---\left(1\right)$>

$>u_{nz}=\frac{u_{d0}}{2}-{\mathrm{emf}}_z-u_{diffnz}---\left(2\right)$>

其中，u_d0为高压侧直流母线电压初始值；

负序二倍频旋转坐标变换矩阵T′_abc/dq为：

$>T_{abc/dq}^{\prime }=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}\cos (-2\omega t)& \cos (-2\omega t-\frac{2}{3}\pi )& \cos (-2\omega t+\frac{2}{3}\pi )\\ -\sin (-2\omega t)& -\sin (-2\omega t-\frac{2}{3}\pi )& -\sin (-2\omega t+\frac{2}{3}\pi )\end{array}\right)---\left(3\right)$>

高压级AC/DC变换器各子模块直流电容电压的均衡控制策略采用叠加均衡分量法，其控制策略框图如图7所示。该方法是在电压参考信号中叠加均压分量后，除以各子模块各自电容电压值，重新生成每个子模块的调制波。其控制目的是使每个桥臂上所有子模块的电容电压跟踪其参考值。控制器采用单比例调节器，控制每个子模块电容电压跟踪电容电压给定值，其输出u_v-jkz为子模块电容电压均衡控制叠加量。根据子模块的工作原理可知，当桥臂电流为充电电流时，为保持各子模块电容电压均衡，应增加电压较低的子模块投入时间，让其充电，因此子模块电容电压均衡控制叠加量取为正。反之亦然。采用载波移相调制策略，每个子模块的调制波与各自的三角载波进行比较发波，产生触发脉冲。

所述步骤2中，隔离级DC/DC变换器采用开环控制策略进行高压级AC/DC变换器与低压级DC/AC变换器之间的电气隔离以及电压等级变换控制，如图8所示。步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：高压级AC/DC变换器输出的高压直流电压经隔离级高压侧DC/AC变换模块调制成高频交流方波；

步骤2-2：高频交流方波经隔离级高频变压器同步耦合至隔离级低压侧AC/DC变换模块；

步骤2-3：耦合至隔离级低压侧AC/DC变换模块的高频交流方波经隔离级低压侧AC/DC变换模块同步整流为低压直流电压，输出给低压级DC/AC变换器。

所述步骤3中，低压级DC/AC变换器采用双环控制策略进行相电压有效值恒定控制，并实现波形正弦化。

步骤3：低压级DC/AC变换器进行相电压有效值恒定控制并实现波形正弦化，如图9所示，外环为相电压有效值控制环，保持输出电压有效值不变，内环为相电压瞬时值控制环，使得相电压跟踪给定正弦波电压，维持输出波形的良好正弦性。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：在外环控制策略中，先通过相电压瞬时值得到实际相电压有效值，然后将相电压有效值与相电压指令值进行比较，得到的偏差经过PI控制器后与标准正弦信号相乘，作为内环控制策略中相电压瞬时值的指令值；

步骤3-2：在内环控制策略中，先将外环控制策略中输出的相电压瞬时值的指令值与反馈的实际相电压瞬时值相比较，然后将其误差量经比例控制器后作为调制波指令信号，最后并将该调制波指令信号与三角载波信号比较，形成脉冲触发信号以触发功率开关器件正确动作。

理论上，输出级通过相电压有效值外环控制，可以实现输出电压有效值稳态无差，从而保证当负载变化或系统受干扰时，输出电压有效值不变。而内环对输出电压瞬时值进行控制，使得相电压跟踪给定正弦波电压，维持输出波形的良好正弦性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。