[发明专利]基于MMC高频变换的模块化直流变换系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于MMC高频变换的模块化直流变换系统，其输入端采用变换模块输入串联承受高压，当输出端采用变换模块输出串联时适用于高压到高压双向变换的应用场合，当输出端采用变换模块输出并联时适用于高压到低压的双向变换应用场合。

背景技术

由于新能源的大力开发利用与电力电子技术的发展及能源互联网的推动，直流电网技术发展迅速。现有研究表明，直流电网技术是解决跨区域、大范围电力传输及分配、大规模广域分布式新能源开发和利用等问题的有效途径，可极大缓解大电网与分布式能源之间的矛盾，充分发挥分布式能源的效益。发展直流电网已得到世界各国专家及学者的广泛关注与认可。

目前，国内外在高压直流电网方面的研究集中于柔性直流输电技术的开发及其在大规模可再生能源接入、非同步电网互联、多端直流电网的应用研究，当前，国内外也有多个柔性直流输电的实际工程投入运行。在低压直流电网方面，世界范围内也有多种应用于不同场景的小型直流电网实验或示范项目建成。随着直流电网的快速发展，作为高压直流电网和低压直流电网的联接枢纽、配电环节和过渡网络，中压直流电网的研究与应用也吸引了国内外专家、学者广泛的关注。高压、中压、低压直流电网的互联是直流电网发展的必然趋势。而作为柔性直流电网互联的关键运行设备—直流变换系统应具备：大功率、全隔离、高低压输入输出等功能。传统的低压小容量DC/DC变换器已经研究的比较成熟，可以应用在低压直流微网中直流负荷，分布式电源等的接入。大功率直流变换器作为柔性直流配网中的关键环节，不仅实现不同交流、直流电压等级的变换，还实现高低压直流配电网的隔离和功率的灵活控制。进一步的，由于直流变换器普遍采用高速电力电子器件、高频变压器和模块化的结构，使得直流变换器具有动态响应快、功率密度高、易于冗余设计的优点。

目前主流的模块化直流变换拓扑有两种，一种是基于双主动全桥(dual-active-bridge，DAB)的输入串联输出并联(ISOP)型DC/DC变换器的结构。由于该结构高压侧的H桥为电容直接串联，当某一个DC/DC变换器出现故障时，不能直接通过机械开关将此部分电路旁路，因为这会将该DC/DC变换器高压侧的直流电容短路，当故障解除后，需要对该电容重新充电，这就增加了故障的恢复时间，降低了系统的可靠性。但是，直流变换系统需要很高的可靠性，即当内部部分模块出现故障时应该具备自动旁路的功能，而不应该使得整个直流变换系统停止工作，故该类拓扑不能直接用于直流变换系统。

另外一种主流的拓扑是模块化多电平结构的直流变换系统。因为模块化多电平结构可以通过子模块的级联提高工作电压，使得其适合在高压DC/AC场合下的应用。为了使得该结构能够应用在DC/DC场合，有学者提出了使用两个MMC实现DC/AC-AC/DC变换的结构，该结构中间AC环节使用一个高频变压器进行隔离。一般来说，中间的高频环节可以使用采用正弦波调制，由于交流环节工作在高频下，载波移相后的开关频率通常要高于交流侧的输出频率，因此可以使用基于基波的最近电平调制策略，与其他调制策略相比，该调制方法可以略微提高功率因数，降低大功率高频变压器的制作难度。但是与正弦波调制相比，方波具有更高的直流电压利用率和更高的功率传输能力，因此，具有更小的电流应力，这种特性使得方波调制在DC/DC的高频环节上更有吸引力。但是，方波在上升和下降沿处会有很高的电压变化率，这就意味着交流环节端口的高频变压器需要承受很高的dv/dt。为了解决这个问题，有学者提出了准两电平的调制策略，该策略可以降低变压器的dv/dt，使得MMC应用在超高压的DC/DC成为可能。但是由于该方法提高电压了电压高低电平变化的过渡时间，所以与直接采用方波调制相比，会带来一定的功率损失。同时，以目前的高频变压器生产工艺，很难开发出上百千伏的绝缘等级，但是有兆瓦级别的容量的高频变压器，通常只能通过降低工作频率来获得较高绝缘等级，这就限制了该拓扑在高压直流(HVDC)输电中的应用。为了解决这个问题，有学者提出了将多个小容量高频变压器串联来替代单个高频变压器的结构，但是该结构使用了多个变压器直接串联，受变压器参数影响容易造成每个高频变压器的输入电压不均。因此研究一个可靠且可行的直流变压器拓扑结构具有十分重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于MMC高频变换的模块化直流变换系统及其控制方法。