[发明专利]一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器及其控制方法，属于电力电子应用的技术领域。

背景技术

随着经济的快速发展、社会生产规模的逐步扩大，各种形式的电力需求不断增长，对电力电子设备的要求也越来越高，电力电子技术随之飞速发展，其中多电平变换器因具有输出电压高、谐波含量低、电压变化率小、功率开关器件电压应力小、开关频率低等优点正逐渐成为高压大功率电力应用领域的研究热点。

传统电力变压器作为电力系统的基本设备，具有结构简单、可靠性高等特点。但是传统电力变压器也存在着设备体积大、易产生谐波、无法控制电能质量等问题。近年来，由于电力电子技术尤其是电力电子器件技术的高速发展，电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)作为一种新型的电力变压器受到越来越多国内外学者的关注和重视。电力电子变压器不仅兼具传统变压器隔离、变换电压、传递能量等功能，还可实现电能质量的治理以及新能源的接入，其应用领域将十分广阔。但相对于传统电力变压器，目前电力电子变压器的设备成本较高。因此，将传统电力变压器与电力电子变压器进行结合，可以同时利用两者的优点，实现设备效果与成本之间的平衡，因而成为目前的研究热点。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器及其控制方法，在传统工频电力变压器的基础上，与电力电子器件相结合组成混合型电力电子变压器，实现有功控制、无功控制、电压控制等调节算法。

本发明提出的一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器，包括多绕组变压器、混合型MMC变换器、LC滤波器和直流输出端口，所述的多绕组变压器包括初级绕组、次级绕组a和次级绕组b；初级绕组与电网相连，次级绕组a每一相中的绕组直接与负载相连，次级绕组b与混合型MMC变换器相连，并经LC滤波器后接入绕组a。

所述的多绕组变压器为三相变压器。

所述的混合型MMC变换器为三相背靠背结构，混合型MMC变换器包括AC/DC变换器和DC/AC变换器。

所述的AC/DC变换器和DC/AC变换器为混合型MMC结构，AC/DC变换器和DC/AC变换器中MMC结构的上下每个桥臂至少包括1个模块a、2个模块b和1个电感串联构成，上下两个桥臂构成1组。

所述的模块a由两个带有反并联二极管的IGBT组成的半桥结构和直流电容组成。

所述的模块b由四个带有反并联二极管的IGBT组成的全桥结构和直流电容组成。

所述的AC/DC变换器和DC/AC变换器通过直流侧相连，将直流侧引出可作为直流输入/输出端口；AC/DC变换器通过LC滤波器与绕组b连接，DC/AC变换器则通过LC滤波器与绕组a相连。

其控制方法包括MMC的电压平衡和环流抑制控制、无功功率补偿控制和动态

电压恢复控制；

所述的MMC的电压平衡和环流抑制控制包括能量均衡控制和电压均衡控制，通过控制有功功率，维持直流侧电压稳定，保证变换器能够正常工作，能量均衡控制控制输入到变换器有功功率的分配，同时实现对环流的抑制；电压均衡控制通过控制子模块中电容电压跟踪其参考值，调整子模块的有功功率，以实现每一组上、下桥臂中子模块的电容电压均衡控制；

所述无功功率补偿控制通过混合型MMC结构AC/DC变换器实现，包括补偿电流计算及电流闭环控制，基于拓扑的独立性，采用分相补偿控制，先采集相电压、相电流并将其进行合成后进行abc/dq0变换，再根据瞬时功率理论计算有功功率P^ref及无功功率Q^ref,即：

式中，u_d、u_q，i_d、i_q分别为相电压、相电流在dq坐标系的分量；

随后，根据预先设定的无功补偿系数，计算无功补偿电流，作为输出补偿电流的参考值，通过电流闭环控制得到控制信号，最后经过PWM调制生成功率器件的开关信号；

所述动态电压恢复控制通过混合型MMC结构DC/AC变换器实现，包括电压检测及补偿电压计算和电压电流双环控制，再通过电压电流双环控制得到控制信号，最后通过PWM调制生成功率器件的开关信号，其中

所述电压环控制方程为：