一種基于MMC的多端口混合型電力電子變壓器及其控制方法與流程

本發(fā)明涉及一種基于MMC的多端口混合型電力電子變壓器及其控制方法，屬于電力電子應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、社會(huì)生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，各種形式的電力需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)電力電子設(shè)備的要求也越來越高，電力電子技術(shù)隨之飛速發(fā)展，其中多電平變換器因具有輸出電壓高、諧波含量低、電壓變化率小、功率開關(guān)器件電壓應(yīng)力小、開關(guān)頻率低等優(yōu)點(diǎn)正逐漸成為高壓大功率電力應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)電力變壓器作為電力系統(tǒng)的基本設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。但是傳統(tǒng)電力變壓器也存在著設(shè)備體積大、易產(chǎn)生諧波、無法控制電能質(zhì)量等問題。近年來，由于電力電子技術(shù)尤其是電力電子器件技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子變壓器(Power Electronic Transformer，PET)作為一種新型的電力變壓器受到越來越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和重視。電力電子變壓器不僅兼具傳統(tǒng)變壓器隔離、變換電壓、傳遞能量等功能，還可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的治理以及新能源的接入，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹謴V闊。但相對(duì)于傳統(tǒng)電力變壓器，目前電力電子變壓器的設(shè)備成本較高。因此，將傳統(tǒng)電力變壓器與電力電子變壓器進(jìn)行結(jié)合，可以同時(shí)利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備效果與成本之間的平衡，因而成為目前的研究熱點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種基于MMC的多端口混合型電力電子變壓器及其控制方法，在傳統(tǒng)工頻電力變壓器的基礎(chǔ)上，與電力電子器件相結(jié)合組成混合型電力電子變壓器，實(shí)現(xiàn)有功控制、無功控制、電壓控制等調(diào)節(jié)算法。

本發(fā)明提出的一種基于MMC的多端口混合型電力電子變壓器，包括多繞組變壓器、混合型MMC變換器、LC濾波器和直流輸出端口，所述的多繞組變壓器包括初級(jí)繞組、次級(jí)繞組a和次級(jí)繞組b；初級(jí)繞組與電網(wǎng)相連，次級(jí)繞組a每一相中的繞組直接與負(fù)載相連，次級(jí)繞組b與混合型MMC變換器相連，并經(jīng)LC濾波器后接入繞組a。

所述的多繞組變壓器為三相變壓器。

所述的混合型MMC變換器為三相背靠背結(jié)構(gòu)，混合型MMC變換器包括AC/DC變換器和DC/AC變換器。

所述的AC/DC變換器和DC/AC變換器為混合型MMC結(jié)構(gòu)，AC/DC變換器和DC/AC變換器中MMC結(jié)構(gòu)的上下每個(gè)橋臂至少包括1個(gè)模塊a、2個(gè)模塊b和1個(gè)電感串聯(lián)構(gòu)成，上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成1組。

所述的模塊a由兩個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的IGBT組成的半橋結(jié)構(gòu)和直流電容組成。

所述的模塊b由四個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的IGBT組成的全橋結(jié)構(gòu)和直流電容組成。

所述的AC/DC變換器和DC/AC變換器通過直流側(cè)相連，將直流側(cè)引出可作為直流輸入/輸出端口；AC/DC變換器通過LC濾波器與繞組b連接，DC/AC變換器則通過LC濾波器與繞組a相連。

其控制方法包括MMC的電壓平衡和環(huán)流抑制控制、無功功率補(bǔ)償控制和動(dòng)態(tài)

電壓恢復(fù)控制；

所述的MMC的電壓平衡和環(huán)流抑制控制包括能量均衡控制和電壓均衡控制，通過控制有功功率，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，保證變換器能夠正常工作，能量均衡控制控制輸入到變換器有功功率的分配，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)流的抑制；電壓均衡控制通過控制子模塊中電容電壓跟蹤其參考值，調(diào)整子模塊的有功功率，以實(shí)現(xiàn)每一組上、下橋臂中子模塊的電容電壓均衡控制；

所述無功功率補(bǔ)償控制通過混合型MMC結(jié)構(gòu)AC/DC變換器實(shí)現(xiàn)，包括補(bǔ)償電流計(jì)算及電流閉環(huán)控制，基于拓?fù)涞莫?dú)立性，采用分相補(bǔ)償控制，先采集相電壓、相電流并將其進(jìn)行合成后進(jìn)行abc/dq0變換，再根據(jù)瞬時(shí)功率理論計(jì)算有功功率P^ref及無功功率Q^ref,即：

式中，u_d、u_q，i_d、i_q分別為相電壓、相電流在dq坐標(biāo)系的分量；

隨后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的無功補(bǔ)償系數(shù)，計(jì)算無功補(bǔ)償電流，作為輸出補(bǔ)償電流的參考值，通過電流閉環(huán)控制得到控制信號(hào)，最后經(jīng)過PWM調(diào)制生成功率器件的開關(guān)信號(hào)；

所述動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)控制通過混合型MMC結(jié)構(gòu)DC/AC變換器實(shí)現(xiàn)，包括電壓檢測(cè)及補(bǔ)償電壓計(jì)算和電壓電流雙環(huán)控制，再通過電壓電流雙環(huán)控制得到控制信號(hào)，最后通過PWM調(diào)制生成功率器件的開關(guān)信號(hào)，其中

所述電壓環(huán)控制方程為：

式中，分別為電壓環(huán)輸出控制信號(hào)；ω為電網(wǎng)角頻率；C₁為L(zhǎng)C濾波器電容值；u_od、u_oq為電容電壓在dq軸下的分量；K_p1、K_i1分別為PI調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)；為變換器輸出補(bǔ)償電壓參考值；i_cd、i_cq為流過LC濾波器電容電流在dq軸下的分量；

所述電流環(huán)控制方程為：

式中，為電流環(huán)輸出控制信號(hào)；ω為電網(wǎng)角頻率；L₁為變換器輸出LC濾波器電感值；i_cd、i_cq為流過LC濾波器電容電流在dq軸下的分量；K_p2、K_i2分別為PI調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)；分別為電壓環(huán)輸出控制信號(hào)。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比，本發(fā)明的基于MMC的多端口混合型電力電子變壓器及其控制策略，除了具備傳統(tǒng)電力變壓器的功能和優(yōu)點(diǎn)外，相對(duì)于目前國(guó)內(nèi)外所提出的設(shè)計(jì)方案，還具有如下的功能和特點(diǎn)：

混合型電力電子變壓器設(shè)備包含傳統(tǒng)電力變壓器和電力電子變壓器，兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備效果與成本的平衡。

變換器基于MMC結(jié)構(gòu)，借助其模塊化特性使得電力電子變壓器能夠更適應(yīng)用于高電壓等級(jí)場(chǎng)合。

混合型MMC變換器中子模塊采用半橋和全橋混合結(jié)構(gòu)，通過引入負(fù)電壓，增加了MMC交流側(cè)的電壓幅值，提高了裝置的電壓補(bǔ)償容量。

變壓器除了交流端口之外還具有直流端口，可實(shí)現(xiàn)直流輸入/輸出功能，方便新能源、儲(chǔ)能單元等接入。

相較于傳統(tǒng)電力變壓器，裝置還可以實(shí)施電能質(zhì)量治理，如無功功率補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)。而將上述兩種治理措施同時(shí)運(yùn)用可以進(jìn)一步提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量，在控制策略方面采用分相控制，提高了控制策略的靈活性。

附圖說明

圖1表示基于MMC的多端口混合型電力電子變壓器整體結(jié)構(gòu)框圖；

圖2表示混合型電力電子變壓器中的混合型MMC結(jié)構(gòu)框圖；

圖3表示混合型電力電子變壓器中MMC的電壓平衡和環(huán)流抑制控制框圖；

圖4表示無功功率補(bǔ)償(SVG)控制框圖；

圖5表示動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)(DVR)控制框圖；

以上的圖中有：模塊a中的直流電容C1、模塊a中的半導(dǎo)體開關(guān)T1、模塊a中的半導(dǎo)體開關(guān)T2、模塊a中的正極端A、模塊a中的負(fù)極端B。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。

本發(fā)明基于MMC的多端口混合型電力電子變壓器由傳統(tǒng)電力變壓器和混合型的MMC構(gòu)成，其中混合型MMC中的模塊由半橋子模塊和全橋子模塊構(gòu)成。

如圖1-5所示，一種基于MMC的多端口混合型電力電子變壓器，包括多繞組變壓器、混合型MMC變換器、LC濾波器和直流輸出端口，多繞組變壓器包括初級(jí)繞組、次級(jí)繞組a和次級(jí)繞組b；初級(jí)繞組與電網(wǎng)相連，次級(jí)繞組a每一相中的繞組直接與負(fù)載相連，次級(jí)繞組b與混合型MMC變換器相連，并經(jīng)LC濾波器后接入繞組a。

如圖1所示，該圖為基于MMC的多端口混合型電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其主要包括多繞組變壓器、混合型MMC變換器、LC濾波器、直流輸出端口等。所述多繞組變壓器為三相變壓器，包含初級(jí)繞組和次級(jí)繞組a、b。初級(jí)繞組與電網(wǎng)相連，次級(jí)繞組每一相中的繞組a直接與負(fù)載相連，繞組b與混合型MMC變換器相連，經(jīng)LC濾波器接入繞組a。

圖2所示為混合型電力電子變壓器中的混合型MMC結(jié)構(gòu)框圖。混合型MMC變換器為三相背靠背結(jié)構(gòu)，包含混合型MMC結(jié)構(gòu)AC/DC變換器和混合型MMC結(jié)構(gòu)DC/AC變換器。每個(gè)變換器均基于三相MMC結(jié)構(gòu)，每個(gè)橋臂由X個(gè)模塊a和Y個(gè)模塊b以及電感L_xy(x＝a,b；y＝p,n)串聯(lián)構(gòu)成，每上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成1組。其中，模塊a由兩個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的IGBT組成的半橋結(jié)構(gòu)和直流電容組成。模塊b則由四個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的IGBT組成的全橋結(jié)構(gòu)和直流電容組成。AC/DC變換器和DC/AC變換器通過直流側(cè)相連，將直流側(cè)兩端P、N引出可作為直流輸入/輸出端口。AC/DC變換器與繞組b連接，可以提供補(bǔ)償電流實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償，DC/AC變換器則通過LC濾波器與繞組a相連，提供電壓補(bǔ)償。

圖3為混合型電力電子變壓器中MMC的電壓平衡和環(huán)流抑制控制框圖。整個(gè)控制包括能量均衡控制和電壓均衡控制。由于每組橋臂控制相對(duì)獨(dú)立，下面以a組橋臂為例進(jìn)行說明。首先，計(jì)算a組橋臂內(nèi)子模塊電容電壓的平均值u_cav，即：

式中，u_c1i、u_c2j分別為MMC模塊a、模塊b中電容電壓值。

將平均值與電壓參考值相比較之后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到環(huán)流參考值取上、下橋臂電流的平均值作為環(huán)流i_Za，經(jīng)過環(huán)流控制后得到能量均衡控制輸出控制信號(hào)其中環(huán)流控制方程為：

式中，K_p、K_i分別為PI調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)。

電壓均衡控制方面，將子模塊電容電壓分別與參考值作比較之后得到電壓誤差量Δu，經(jīng)過比例調(diào)節(jié)器之后再與子模塊所在橋臂的橋臂電流i_ax(x＝p,n)相乘，得到電壓均衡控制的輸出控制信號(hào)將能量均衡控制的輸出信號(hào)、電壓均衡控制的輸出信號(hào)以及子模塊電壓參考信號(hào)相加得到最終的控制信號(hào)，經(jīng)過PWM調(diào)制后得到控制開關(guān)器件的輸出脈沖信號(hào)。其中，子模塊電壓參考信號(hào)由下式得到：

式中，X、Y分別為MMC模塊a和模塊b的數(shù)量，U_d為直流端口電壓，u_ao為交流側(cè)相對(duì)于中心點(diǎn)輸出電壓參考值。

圖4所示為無功功率補(bǔ)償控制框圖。無功功率補(bǔ)償采用分相補(bǔ)償。采集流過次級(jí)繞組a繞組的相電壓u_x(x＝a,b,c)和相電流i_x(x＝a,b,c)。以u(píng)_x為基準(zhǔn)，分別對(duì)u_x的相角增加120°、240°，然后對(duì)其進(jìn)行Park變換，由三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的u_d、u_q。同理得到電流i_d、i_q，然后再根據(jù)瞬時(shí)功率理論計(jì)算有功功率P^ref及無功功率Q^ref,即：

根據(jù)計(jì)算獲得的無功功率Q^ref、預(yù)先設(shè)定的無功補(bǔ)償系數(shù)和并聯(lián)側(cè)變換器自身額定補(bǔ)償容量限制，計(jì)算無功補(bǔ)償電流Δi_q。令變換器無功電流參考值逆變器輸出電流采用電流閉環(huán)PI控制，輸出的結(jié)果經(jīng)過Park反變換，得到逆變器在三相靜止坐標(biāo)系下該相的控制信號(hào)最后經(jīng)過PWM調(diào)制得到開關(guān)器件的控制脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無功電流的補(bǔ)償。

圖5所示為動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)控制框圖。將次級(jí)繞組a上的電壓u_a,b,c經(jīng)過鎖相環(huán)得到相角ωt用于abc/dq0變換，電網(wǎng)電壓u_a,b,c通過abc/dq0變換得到dq軸下的分量u_d、u_q。分別對(duì)變換器并網(wǎng)側(cè)電壓u_oa,b,c、變換器輸出電流i_La,b,c、流過電容的電流i_ca,b,c經(jīng)abc/dq0變換得到其在dq軸下的分量u_od、u_oq、i_Ld、i_Lq、i_cd、i_cq。當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)碾妷害，以Δu作為參考電壓對(duì)變換器輸出進(jìn)行控制。電壓補(bǔ)償控制以d軸作為基準(zhǔn)軸，Δu作為變換器d軸參考電壓的輸入，同時(shí)令q軸電壓參考值為隨后經(jīng)過電壓環(huán)控制得到電流參考信號(hào)作為電流環(huán)的輸入。其中，所述電壓環(huán)控制方程為：

式中，分別為電壓環(huán)輸出控制信號(hào)；ω為電網(wǎng)角頻率；C₁為L(zhǎng)C濾波器電容值；u_od、u_oq為電容電壓在dq軸下的分量；K_p1、K_i1分別為PI調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)；為變換器輸出補(bǔ)償電壓參考值；i_cd、i_cq為流過LC濾波器電容電流在dq軸下的分量。

電壓控制環(huán)輸入結(jié)果經(jīng)過電流環(huán)控制，得到dq軸下的參考控制信號(hào)，其中，所述電流環(huán)控制方程為：

式中，為電流環(huán)輸出控制信號(hào)；ω為電網(wǎng)角頻率；L₁為變換器輸出LC濾波器電感值；i_cd、i_cq為流過LC濾波器電容電流在dq軸下的分量；K_p2、K_i2分別為PI調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)；分別為電壓環(huán)輸出控制信號(hào)。

最后經(jīng)過abc/dq0反變換得到三相參考控制信號(hào)，經(jīng)過PWM調(diào)制得到開關(guān)器件的控制脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。