真双极隔离式模块化多电平直流变压器及控制方法

本发明属于电力系统领域，更具体地，涉及一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器及控制方法。

背景技术：

1、在中高压直流配网领域，直流变压器需要实现直流电压的等级变换、电气隔离和电能双向可控的功能，为了使能量双向流动，双有源桥（dab）结构的直流变压器已经在广泛应用于此领域。然而开关管的耐压能力有限，为减轻开关管的电压应力，进一步提出了输入串联输出并联结构（isop），将多个dab结构的支流变压器的输入端串联、输出端并联来提高高压侧的耐压水平和低压侧的功率输出水平，但此结构由多个dab变换器组成，电能分配和绝缘设计都很复杂而且装置的体积较大。

2、因此，隔离性模块化多电平dc/dc变换器（isolated modular multilevel dcconverter，immdc）应运而生。此拓扑结合了模块化多电平变流器和dab结构的优势，原边采用mmc结构，副边仍然为h桥结构，取消了直流侧的集中电容，具有功率双向传输、模块化设计、电压拓展容易、冗余设计简单等优点。

3、但是现在应用的immdc多为伪双极拓扑，伪双极结构可以提供正负极性的低压直流母线，但无法实现正负两极带不对称负荷运行；并且现在应用的immdc需要的高频变压器制造成本高，控制结构复杂，桥臂参数不对称，严重影响了immdc的正常运行。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器及控制方法。

2、本发明第一方面提供一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器，包括原边拓扑、四个两绕组中频变压器、副边拓扑；

3、所述原边拓扑包括两个单相模块化多电平变流器，所述单相模块化多电平变流器包括两个并联连接的单相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，其中，每相的上桥臂和下桥臂通过两个桥臂电感或一个耦合电感串联连接；所述两个单相模块化多电平变流器串联组成正负真双极结构，其中，一个单相模块化多电平变流器的正极作为所述原边拓扑的正极，两个单相模块化多电平变流器的连接处接地，另一个单相模块化多电平变流器的负极作为所述原边拓扑的负极；

4、所述副边拓扑包括四个交错连接的h桥结构；

5、第一h桥结构的第一直流输出端与第三h桥结构的第一直流输出端连接后作为所述副边拓扑的第一低压直流输出端；

6、第一h桥结构的第二直流输出端、第二h桥结构的第一直流输出端、第三h桥结构的第二直流输出端和第四h桥结构的第一直流输出端连接后接地，作为所述副边拓扑的第二低压直流输出端；

7、第二h桥结构的第二直流输出端和第四h桥结构的第二直流输出端连接；

8、所述真双极模块化多电平直流变压器，电容串联两个反并联igbt开关管分别并联在低压侧正极端口和负极端口。

9、每两个两绕组中频变压器的原边同名端端口并联后连接至所述单相模块化多电平变流器的一个单相桥臂的两个桥臂电感的连接点或耦合电感的中间端子，每两个两绕组中频变压器的原边异名端串联后连接至所述单相模块化多电平变流器的另一个单相桥臂的两个桥臂电感的连接点或耦合电感的中间端子；

10、每个两绕组中频变压器原边和副边绕组的变比为n：1；每个两绕组中频变压器的副边同名端口通过一传输电感连接每个h桥结构的交流出线端，四个传输电感的大小分别为四个两绕组中频变压器的漏感和外接电感之和。

11、本发明第二方面提供一种所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的控制方法，包括：

12、包括低压侧正负双极电压控制环、桥臂内子模块电容电压平衡控制环、高压侧电网对地短路故障穿越控制环和低压侧电网短路故障穿越控制环；

13、所述低压侧正负双极电压控制环用于调节低压侧正负双极电压的大小，所述桥臂内子模块电容电压平衡控制环用于平衡控制桥臂内子模块电容电压，所述高压侧电网对地短路故障穿越控制环用于在高压侧单极对地短路故障时维持低压侧电压恒定；所述低压侧电网单极短路故障穿越控制环用于在低压侧lvdc电网单极短路故障时维持低压侧非故障极电压恒定。

14、在一个实施例中，所述低压侧正负双极电压控制环实时采集低压侧正极端口和负极端口的电压并与正极端口和负极端口的电压参考值比较；其中，低压侧正极端口的电压参考值与正极端口的电压实际值作差，通过第一pi调节器控制得到正极移相角，正极移相角将方波移相后驱动第一h桥结构和第三h桥结构的电力电子开关器件；低压侧负极端口的电压参考值与负极端口的电压实际值作差，通过第二pi调节器控制得到负极移相角，负极移相角将方波移相后驱动第二h桥结构和第四h桥结构的电力电子开关器件。

15、在一个实施例中，所述桥臂内子模块电容电压平衡控制环采用排序方法对桥臂内子模块电容电压进行平衡控制：

16、将每相桥臂中级联的各个子模块的电容电压进行排序，同时计算实时工作模态下移相角不同的触发信号对应的，根据，将较大的触发信号分配到电容电压较低的子模块上；其中，准方波调制下，所述子模块的电容接入的半个周期内电荷变换量的计算公式为，其中为桥臂电流，为交流电流分量，为直流电流分量。

17、在一个实施例中，所述高压侧电网对地短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的高压侧出现单极对地短路故障，如正极出现对地短路故障后，封锁正极的模块化多电平变流器和低压侧第一h桥和第二h桥的驱动脉冲，以终止正极的模块化多电平变流器内每个子模块的电容放电，屏蔽故障高压侧对非故障低压侧的影响，并清除故障电流。

18、同理，当高压侧负极出现对地短路故障后，则封锁负极的模块化多电平变流器和低压侧第三h桥和第四h桥的驱动脉冲，以终止负极的模块化多电平变流器内每个子模块的电容放电，屏蔽故障高压侧对非故障低压侧的影响，并清除故障电流。

19、在一个实施例中，所述低压侧电网短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的低压侧正极出现短路故障后，封锁低压侧第一h桥和第三h桥的驱动脉冲，以屏蔽故障低压侧对非故障侧高压侧的影响，并清除故障电流；

20、同理，当所述低压侧电网短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的低压侧负极出现短路故障后，封锁低压侧第二h桥和第四h桥的驱动脉冲，以屏蔽故障低压侧对非故障侧高压侧的影响，并清除故障电流。

21、本发明还提供一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器的控制设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的控制程序，所述控制程序被所述处理器执行时实现如前述的控制方法的步骤。

22、与现有技术相比，本发明具有如下特点：

23、（1）高压和低压直流端口都具备真双极结构。本发明提供的真双极隔离式模块化多电平直流变压器的高压侧采用两个模块化多电平变流器串联，从而在高压侧构造了正极和负极；低压侧采用四个h桥结构交错连接方式构造了低压直流正极和负极，拓展了新能源发电、直流负荷等接入的电压范围。

24、（2）抗干扰的能力变强。本发明高低压侧均为正负真双极结构，低压侧每个低压输出端口有自己独立的控制回路单独控制，即使其中一极故障也不影响另一极正常工作，可以保证对负载的不间断供电，大大提高了功率传输的可靠性和容错率。

25、（3）采用单极模块化变流器低压侧并联两个两绕组中频变压器和h桥的结构传输电感的放置位置和功率解耦方式，通过将传输电感放在两绕组中频变压器的副边，低压侧四个h桥的功率分别由四个两绕组中频变压器独自的漏感传输，实现了从高压侧传输到低压侧四个h桥的功率解耦。

26、（4）节省功率器件。本发明将同相的上、下桥臂子模块进行集成，节省了部分功率器件，同时上、下桥臂耦合还可以为子模块纹波功率提供流通通道，有利于降低子模块电容电压纹波，减少子模块容值需求。

27、（5）扩展了所接负载的电压范围。本发明根据实际需求扩容扩压，拓展了低压侧所接负载的电压范围，具有良好的普遍适用性。