一种基于mmc的固态变压器以及控制方法

文档序号:9729702阅读:702来源:国知局
一种基于mmc的固态变压器以及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子技术领域,具体设及一种基于MMC的固态变压器W及控制方 法。
【背景技术】
[0002] 固态变压器又称为电力电子变压器或柔性变压器,它是W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W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Η桥级联型(如图1)、中点巧位型多电平换流器的 固态变压器,运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】

[0003] 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W及控制 方法,基于MMC结构的互平衡固态变压器可W通过控制高压级公共直流母线电压的恒定,实 现抑制Ξ相不平衡负荷对电网的影响,W及电网出现Ξ相不对称对交流负荷的影响。
[0004] 为了实现上述发明目的,本发明采取如下技术方案:
[0005] 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。
[0006] 所述高压级AC/DC变换器采用MMC,W提高固态变压器输入级的电压等级;
[0007] 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。
[000引所述隔离级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;
[0009] 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/D对莫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。
[0010] 所述低压级DC/AC变换器由低压级直流母线并联模块和Ξ个独立控制的单相全桥 逆变器W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。
[0011] 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W下步 骤:
[0012] 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;
[0013] 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W及电压等级变换控制;
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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W及电压等级变换控制。
[0017] 所述步骤2包括W下步骤:
[001引步骤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 块调制成局频义流方波;
[0019] 步骤2-2:高频交流方波经隔离级高频变压器同步禪合至隔离级低压侧AC/DC变换 模块;
[0020] 步骤2-3:禪合至隔离级低压侧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。
[0021] 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 审IJ,并实现波形正弦化。
[0022] 所述步骤3包括W下步骤:
[0023] 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;
[0024] 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Ξ角载波信号比较,形成脉冲触发信号W触发功率开关 器件正确动作。
[0025] 与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
[0026] 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W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;
[0027] 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;
[0028] 3)低压级直流侧通过采用直流母线交错并联运种拓扑结构,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'
[0029] 4)基于MMC结构的互平衡固态变压器可W通过控制高压级公共直流母线电压的恒 定,实现抑制Ξ相不平衡负荷对电网的影响,W及电网出现Ξ相不对称对交流负荷的影响。
【附图说明】
[0030] 图1是现有技术中基于Η桥级联型固态变压器主电路拓扑结构图;
[0031] 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;
[0032] 图3是本发明实施例中低压级直流母线接线图;
[0033] 图4是本发明实施例中MMC主电路拓扑结构图;
[0034] 图5是本发明实施例中MMC中子模块拓扑结构图;
[0035] 图6是本发明实施例中高压级AC/DC变换器控制策略图;
[0036] 图7是本发明实施例中电容电压均衡控制框图;
[0037] 图8是本发明实施例中隔离级DC/DC变换器控制框图;
[003引图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】
[0039] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0040] 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,W及不能抑制电网出 现Ξ相交流不对称与Ξ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W通过调节MMC变换器高压公共直流母线电压的恒定,来抑 制Ξ相不平衡负荷对电网的影响,W及电网出现Ξ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W满足不同功 率和不同电压等级场合的需求。W及可W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运种拓扑结构,从
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