模块化h桥级联多电平电力电子变压器控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电力电子变换器系统。
【背景技术】
[0002] 电力电子变压器又称为固态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。目前的电力电子 变压器有多种拓扑结构，一般包含高压级、隔离级和低压级三个部分，其中高压级一般采用 级联多电平的结构，隔离级一般采用多个DC/DC模块并联的结构。然而，目前这些电力电子 变压器其控制器结构复杂，不具备各级三相电能自动互平衡的能力，而且动态响应性能不 理想，同时不能满足在并网电压不对称跌落的情况下的故障穿越控制。
【发明内容】
[0003] 为解决上述问题，本发明提出一种模块化Η桥级联多电平电力电子变压器控制系 统，该系统简化了控制器设计，提高了变压器系统的稳定性和可靠性。
[0004] 本发明解决上述技术问题的方案如下：
[0005] 模块化Η桥级联多电平电力电子变压器控制系统，包括:连接至输入网侧的多个单 相Η桥整流器级联组成的高压级整流电路单元、与单相Η桥整流器数量对应连接的多个高频 DC/DC隔离变换器并联组成的隔离级变换电路单元、连接于隔离级变换电路单元输出端的 低压逆变电路单元，以及分别用于控制高压级整流电路单元、隔离级变换电路单元和低压 逆变电路单元的高压侧控制器、隔离级控制器和低压级逆变控制器，其特征在于，高压侧控 制器采用高压级整流控制模块控制高压级整流电路单元;隔离级控制器采用隔离级双环控 制模块控制各个高频DC/DC隔离变换器的输出和功率平衡;低压级逆变控制器采用双环逆 变控制模块控制低压逆变电路单元输出低压工频交流电压。
[0006] 其中，所述的高压级整流控制模块控制高压级整流电路单元的方法为一种双环控 制方法，控制步骤如下：
[0007] 2.1)电压外环控制，由高压侧控制器分别采集各相输入网侧中各级联单相Η桥整 流器的整流电压值，并求和，得到各相直流电压，以各相直流电压为反馈值，与各相参考电 压值比较后，经比例积分计算得到三相并网功率参考值，输入至电流内环；
[0008] 2.2)电流内环控制，由高压侧控制器分别采集三相输入网侧的并网电压和并网电 流，然后通过双旋转坐标系锁相环进行坐标变换和正负序分离后，得到电网相位和并网电 压的正负序分量，再根据电网相位对并网电流进行坐标变换和正负序分离后，得到并网电 流的正负序分量，根据并网功率参考值和并网电压的正负序分量计算得到并网电流的正负 序参考值，然后将并网电流的正负序参考值与并网电流的正负序分量比较和比例积分后， 算得旋转坐标系下的调制电压参考信号，再将其进行反变换、相加得到静止坐标系下的三 相电压调制信号；
[0009] 2.3)高压侧控制器中的调制模块根据静止坐标系下的三相电压调制信号生成整 流脉冲。
[0010] 其中，所述的隔离级控制器采用隔离级双环控制模块控制各个高频DC/DC隔离变 换器的步骤如下：
[0011] 3.1)外环控制，隔离级控制器采集高频DC/DC隔离变换器输出端的母线电压和母 线电流，根据母线电压和母线电流计算得到各高频DC/DC隔离变换器的变换功率，同时，将 母线电压与参考母线电压比较后，经比例积分计算得到隔离变换功率，然后根据高频DC/DC 隔离变换器的个数算得各高频DC/DC隔离变换器的变换功率平均参考值；
[0012] 3.2)内环功率移相控制，将各高频0(：/1)(：隔离变换器的变换功率和各高频0(：/1)(：隔 离变换器的变换功率平均参考值进行比较，然后经比例积分得到控制各高频DC/DC隔离变 换器的移相角，隔离级控制器中的移相调制模块根据得到的移相角生成移相脉冲。
[0013] 其中，所述的双环逆变控制模块控制低压逆变电路单元的步骤如下：
[0014] 4.1)滤波电压外环控制，低压级逆变控制器采集逆变输出端电容端电压并将其进 行坐标变换，得到旋转坐标系下的电容端电压，并将其作为反馈值，与逆变输出电压参考值 比较，然后经比例积分计算，得到电感电流参考值，输入至电感电流内环；
[0015] 4.2)电感电流内环控制，低压级逆变控制器采集低压逆变电路单元的电感电流， 并将其与电感电流参考值相比较，将比较值经比例积分计算，然后将计算结果与电感电流 解耦值及电容端电压相加后得到逆变调制电压；
[0016] 4.3)低压级逆变控制器中的逆变脉冲调制模块根据逆变调制电压生成逆变脉冲。
[0017] 相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
[0018] A)由于本发明采用三个独立的控制器：高压侧控制器、隔离级控制器和低压级逆 变控制器分别对高压级整流电路单元、隔离级变换电路单元和低压逆变电路单元进行独立 控制，大大降低了各控制器设计的复杂度；
[0019] B)由于各独立控制器均使用双环控制方式，动态响应性能好，调节时间和超调量 均大大减少；
[0020] C)高压级整流控制模块采用的双环控制方法在双旋转坐标系下对高压级整流电 路单元进行控制，能够在电网电压不对称跌落的情况下对并网功率进行控制，有利于在电 网故障时进行故障穿越控制；
[0021] D)隔离级双环控制模块采用母线电压外环、功率内环的双环控制策略对各高频 DC/DC隔离变换器进行控制，在同步各模块输出电压的同时实现了各模块之间的功率均衡。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明实施例中模块化Η桥级联多电平电力电子变压器控制系统的系统结 构框图；
[0023] 图2为单个高压级整流电路和隔离级变换电路的硬件拓扑结构图；
[0024]图3为低压逆变电路单元的硬件拓扑结构图；
[0025]图4为高压级整流控制系统框图；
[0026]图5为隔尚级双环控制系统框图；
[0027]图6为低压级逆变控制系统框图；
[0028]图7~图8分别为C相电网电压发生50%跌落时，A相参考电压值波形、各单相!1桥整 流器实际输出电容电压波形
[0029] 图9为高频DC/DC隔离变换器输出端的母线电压波形；
[0030] 图10为低压逆变电路负载电压、电流波形图。
【具体实施方式】
[0031] 例1
[0032] 下面结合附图对本发明进行具体的介绍：
[0033] 如图1所示，本例提供的模块化Η桥级联多电平电力电子变压器控制系统，其系统 结构包括:连接至三相输入电网的多个单相Η桥整流器级联组成的高压级整流电路单元、与 单相Η桥整流器数量对应连接的多个高频DC/DC隔离变换器并联组成的隔离级变换电路单 元，其中单个高压级整流电路和隔离级变换电路的硬件拓扑结构图如图2所示、连接于隔离 级变换电路单元输出端的低压逆变电路单元，其硬件拓扑结构图如图3所示，以及分别用于 控制高压级整流电路单元、隔离级变换电路单元和低压逆变电路单元的高压侧控制器、隔 离级控制器和低压级逆变控制器。其中，高压侧控制器采用高压级整流控制模块控制高压 级整流电路单元；隔离级控制器采用隔离级双环控制模块控制各个高频DC/DC隔离变换器 的输出和功率平衡;低压级逆变控制器采用双环逆变控制模块控制低压逆变电路单元输出 低压工频交流电压。本例中，级联的单相Η桥整流器和高频DC/DC隔离变换器的数量为15个。
[0034] 参见图4,所述的高压级整流控制模块控制高压级整流电路单元的方法为一种双 环控制方法，控制步骤如下：
[0035] 2.1)电压外环控制，由高压侧控制器分别采集各相输入网侧中各级联单相Η桥整 流器的整流输出电压值，并求和，得到各相直流电压uch，以各相直流电压uch为反馈值，与各 相参考电压值4,比较后，经比例积分计算得到三相并网功率参考值P'输入至电流内环； [0036] 2.2)电流内环控制，由高压侧控制器分别采集三相输入网侧的并网电压uabc和并 网电流Iab。，然后通过双旋转坐标系锁相环进行坐标变换和正负序分离后，得到电网相位和 并网电压的正负序分量<、< 和再根据电网相位对并网电流Iab。进行坐标变换 和正负序分离后，得到并网电流的正负序分量匕、《和4、$，根据并网功率参考值产和 并网电压的正负序分量4、<计算得到并网电流的正负序参考值和C，然 后按下式I)将并网电流的正负序参考值与并网电流的正负序分量比较和比例积分后，算得 旋转坐标系下的调制电压参考信号〃<1，uh抑么uUt,
[0039] 式I)中Kip和Κπ分别为比例系数和积分系数，匕为输入滤波电感值，〃L/和〃&/1是正 序电流环输出的调制参考信号，和是负