一种高压大容量直流变压器调控方法及系统与流程

本发明涉及直流变压器的控制，具体地说是一种高压大容量直流变压器调控方法及系统。

背景技术：

1、模块化多电平直流变压器（modular multilevel direct current transformer，mmdct）结合了模块化多电平变换器（modular multilevel converter，mmc）和buck型双向dc-dc变换器的优点，能承受高电压，且功率器件避免了复杂的串联技术，又可实现软开关。其中典型的非隔离型mmdct有buck-mmdct。当buck-mmdct运行于额定负载工况下，上、下桥臂采用移相互补的阶梯波准两电平调制方法时，桥臂内子模块电容在一个开关周期内吸收的电荷量呈现出单调性，因此可以采用子模块电容电压排序来实现子模块能量平衡。

2、然而桥臂电流受工况的影响，在buck-mmdct运行于轻载工况时，桥臂电流发生变化，从而桥臂内子模块电容在一个开关周期内吸收的电荷量不再满足单调性，从而子模块电容电压排序策略不再适用。为了解决以上问题，有必要提出轻载工况下buck-mmdct的子模块电容电压均衡控制策略。

3、当采用阶梯波准两电平调制时，子模块的脉冲序列通过载波移相调制获得，此时每个子模块占空比一致，子模块电容吸收的电荷量由桥臂电流决定。单相buck-mmdct以及基于阶梯波准两电平调制的基本波形分别如图1和图2所示。图1中sm（submodule）为子模块，该拓扑采用半桥子模块，即hbsm为半桥子模块， csm为子模块电容，图2中 ds是移相比， d1是上桥臂占空比， t是开关周期。

4、其中的一种子模块电容电压均压策略采用电流检测和电容电压排序相结合。在桥臂阶梯波电压上升和下降的过程中，直流变压器根据桥臂子模块串电流的方向和子模块电容电压排序结果确定投入和切除的子模块电容，从而实现子模块电容均压。为了防止子模块电容反复投切，每个子模块电容在电压转换过程中只投入或切除一次。稳态时电压上升及下降过程中子模块投入和切除顺序如图3和4所示，其中投入和切除时相邻两个子模块触发的间隔定义为阶梯波跳变时间 td。该方法在一个开关周期内需要对子模块电容电压排序两次，并且采用电流检测需要使用电流传感器，既增加了算法的难度，又增大了直流系统的体积和成本。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种高压大容量直流变压器调控方法及系统，以实现桥臂子模块的均压控制，在一个开关周期内只需要对子模块电容电压排序一次，且无需使用电流传感器进行桥臂电流方向检测。

2、为此，本发明采用如下的技术方案：一种高压大容量直流变压器调控方法，其基于轻载时阶梯波准两电平调制的基础上，通过调整直流变压器桥臂子模块占空比的方法改变桥臂电流波形，实现桥臂子模块的均压控制，使轻载时子模块在一个开关周期吸收的电荷量重新恢复单调性；根据直流变压器一个开关周期内四个模态的桥臂电感电压方程和低压侧滤波电感电压方程，得到轻载时桥臂电感电流变化率；根据桥臂电感电流变化率，最终得出基于轻载时阶梯波准两电平调制的直流变压器基本电流波形图。

3、本发明在一个开关周期内只需要对子模块电容电压排序一次，且无需使用电流传感器进行桥臂电流方向检测。

4、进一步地，轻载时阶梯波准两电平调制的内容如下：

5、直流变压器重载时上、下桥臂输出电压占空比分别为 d1和 d2，轻载时调整上、下桥臂输出电压的占空比，分别为 d1’和 d2’，满足关系式：

6、，

7、式中，表示上、下桥臂输出占空比在重载时与在轻载时的比例；

8、从而当上、下桥臂输出电压均处于高电平时，有：

9、，

10、式中，、分别表示轻载时上、下桥臂输出的最高电压，表示高压侧直流母线电压；

11、结合直流变压器的拓扑结构，根据基尔霍夫电压定律，直流变压器有四种工作模态：

12、1）第一模态[0, d1’ t)

13、该模态下，上桥臂输出电压处于高电平，而下桥臂处于低电平0，得到桥臂电感和滤波电感的电压值：

14、，

15、，

16、式中，、分别表示桥臂电感电压值和滤波电感电压值；、分别表示上、下桥臂输出电压值；表示低压侧直流母线电压；

17、2）第二模态[ d1’ t, ds t)

18、该模态上、下桥臂的输出电压均处于低电平，所有子模块电容均处于切除状态，求得：

19、，

20、，

21、 ds表示上、下桥臂输出电压之间的移相比；

22、3）第三模态[ ds t, ( d2’ +ds) t)

23、该模态与第一模态相反，下桥臂输出电压处于高电平，而上桥臂处于低电平，求得：

24、，

25、，

26、4）第四模态[ ( d2’ +ds) t, t]

27、该模态与第二模态相同，上、下桥臂的输出电压均处于低电平，求得：

28、，

29、。

30、更进一步地，由于下桥臂输出电压的交流分量施加在低压侧滤波电感上形成一个交流电流分量，因此下桥臂的电流 i3波动稍大于上桥臂电流 i1。

31、更进一步地，第一模态时，桥臂电感电流变化率为，滤波电感电流变化率为。

32、更进一步地，第二模态时，桥臂电感电流变化率为，滤波电感电流变化率为。

33、更进一步地，第三模态时，桥臂电感电流变化率为，滤波电感电流变化率为。

34、更进一步地，第四模态时，桥臂电感电流变化率为，滤波电感电流变化率为。

35、更进一步地，所述的直流变压器采用基于轻载时阶梯波准两电平调制时，对输出侧电压进行闭环控制，通过比较输出侧电压值和给定参考值，将差值经由pi控制器作为占空比 d1和 d2的给定值，移相比 ds的稳态值与占空比具有耦合关系，当对某一桥臂中所有子模块进行电容电压均衡控制时，还需要调节移相比 ds来保证桥臂能量平衡，保证所有子模块电容电压平均值维持恒定；为了对上、下桥臂进行能量平衡控制，选择上桥臂所有子模块电容电压平均值和下桥臂所有子模块电容电压平均值之差经由低通滤波器和pi调节器作为移相比 ds的给定值，而子模块能量平衡控制则采用电容电压排序来实现。

36、进一步地，所述直流变压器为buck型模块化多电平直流变压器。

37、本发明还提供一种高压大容量直流变压器调控系统，其用于实现上述高压大容量直流变压器调控方法。

38、本发明具有的有益效果如下：本发明通过调整直流变压器桥臂子模块占空比的方法改变桥臂电流波形，实现桥臂子模块的均压控制，在一个开关周期内只需要对子模块电容电压排序一次，且无需使用电流传感器进行桥臂电流方向检测。