[发明专利]基于MMC的电力电子配电变压器及其控制方法

权利要求书

1.基于MMC的电力电子配电变压器的控制方法，所述基于MMC的电力电子配电变压器包括依次连接的MMC整流器模块(1)、DC-DC隔离器(2)和DC-AC逆变器(3)，所述MMC整流器模块(1)的输入端与高压交流电网(4)连接，所述DC-AC逆变器(3)的输出端与低压交流电网(5)连接；所述DC-DC隔离器(2)包括多个DC-DC隔离子单元，多个所述DC-DC隔离子单元的电压输入端依次串联连接在MMC整流器模块(1)的直流输出端之间，多个所述DC-DC隔离子单元的输出端并联连接在DC-AC逆变器(3)的直流输入端之间；所述DC-DC隔离子单元包括依次连接的子逆变器(2-1)、子中频变压器(2-2)和子整流器(2-3)，所述子逆变器(2-1)包括由上桥臂电容、上桥臂IGBT、下桥臂电容和下桥臂IGBT组成的单相全桥逆变电路，所述单相全桥逆变电路的输入端并联接有分压电容，所述子整流器(2-3)为二极管不控桥式整流器，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

步骤一、高压交流电的整流，过程如下：

步骤101、实时测量高压交流电网(4)的A相电流瞬时值i_A、A相电压瞬时值u_SA、B相电流瞬时值i_B、B相电压瞬时值u_SB、C相电流瞬时值i_C和C相电压瞬时值u_SC；

步骤102、根据公式计算高压交流电网(4)的A相瞬时电流的正序分量i_A⁺、B相瞬时电流的正序分量i_B⁺和C相瞬时电流的正序分量i_C⁺；

根据公式计算高压交流电网(4)的A相电流负序分量i_A^-、B相电流的负序分量i_B^-和C相电流的负序分量i_C^-；

根据公式计算高压交流电网(4)的A相瞬时电压的正序分量u_SA⁺、B相瞬时电压的正序分量u_SB⁺和C相瞬时电压的正序分量u_SC⁺；其中,ω为高压交流电网(4)电压的角频率；

根据公式计算高压交流电网(4)的A相瞬时电压的负序分量u_SA^-、B相瞬时电压的负序分量u_SB^-和C相瞬时电压的负序分量u_SC^-；

步骤103、对i_A⁺、i_B⁺和i_C⁺进行dq变换可得q轴正序电流i_q⁺和d轴正序电流i_d⁺，对i_A^-、i_B^-和i_C^-进行dq变换可得q轴负序电流i_q^-和d轴负序电流i_d^-；

对u_SA⁺、u_SB⁺和u_SC⁺进行dq变换可得q轴正序高压交流电网瞬时电压u_Sq⁺和d轴正序高压交流电网瞬时电压u_Sd⁺，对u_SA^-、u_SB^-和u_SC^-进行dq变换可得q轴负序高压交流电网瞬时电压u_Sq^-和d轴负序高压交流电网瞬时电压u_Sd^-；

步骤104、采用第一PI调节器对MMC整流器模块输出高压直流电压进行调节，获取d轴正序电流参考值i^*_d⁺，其中，u_DC^*为MMC整流器模块输出高压直流电压设定值，u_DC为MMC整流器模块输出高压直流电压实时测量值，K_p¹为所述第一PI调节器的比例系数，K_i¹为所述第一PI调节器的积分系数；

所述MMC整流器模块(1)为三相六桥臂电路，所述三相六桥臂电路中每相均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂均包括一个限流电抗器和M个串联连接的MMC子模块，所述M个串联连接的子模块的一端与限流电抗器的一端相接，所述限流电抗器的另一端与所述高压交流电网相接，所述串联连接的子模块的另一端与所述子逆变器(2-1)相接，所述子模块包括半桥电路(1-1)和子模块电容(1-2)，所述子模块电容(1-2)与所述半桥电路(1-1)信号输出端并联；

步骤105、采用第二PI调节器对d轴正序电流参考值、q轴正序电流参考值、d轴负序电流参考值和q轴负序电流参考值进行调节，并根据公式计算MMC整流器模块d轴正序输入电压u_Md⁺和MMC整流器模块q轴正序输入电压u_Mq⁺，根据公式计算d轴负序MMC整流器模块输入电压u_Md^-和q轴负序MMC整流器模块输入电压u_Mq^-，其中，i_q^+*为q轴正序电流的参考值且i_q^+*＝0，i_d^-*为d轴负序电流的参考值且i_d^-*＝0，i_q^-*为q轴负序电流的参考值且i_q^-*＝0，K_p²为第二PI调节器的比例系数，K_i²为第二PI调节器的积分系数，L为所述限流电抗器的电感值；

步骤106、对u_Md⁺和u_Mq⁺进行dq反变换得到MMC整流器模块A相正序输入电压u_MA⁺、B相正序输入电压u_MB⁺和C相正序输入电压u_MC⁺；对u_Md^-和u_Mq^-进行dq反变换得到MMC整流器模块A相负序输入电压u_MA^-、B相负序电压输入u_MB^-和C相负序输入电压u_MC^-；根据公式计算MMC整流器模块A相输入电压u_MA、MMC整流器模块B相输入电压u_MB和MMC整流器模块C相输入电压u_MC；

步骤107、获取三相六桥臂电路各桥臂投入MMC子模块的数量：对三相六桥臂电路中每相的MMC子模块投入数量分别进行确定，且三相六桥臂电路中任意一相上的MMC子模块投入数量的确定方法均相同；

对三相六桥臂电路中每相的MMC子模块投入数量进行确定时，过程如下：

步骤I、根据公式计算三相六桥臂电路中每相下桥臂上的投入数目D₁，其中，ceil(·)为向上取整函数，u_M为MMC整流器模块三相电压中任意一相输入电压，u_mmc为子模块电容额定电压；

步骤II、根据公式D₂＝M-D₁，计算三相六桥臂电路中每相上桥臂上的投入数目D₂；

步骤108、MMC整流器模块(1)的输出高压直流电压实时测量值u_DC的稳压：通过MMC子模块电容电压排序法确定各桥臂被投入的子模块完成对MMC整流器模块(1)的输出高压直流电压u_DC的稳压；

步骤109、循环步骤101至步骤108，对MMC整流器模块(1)的输出高压直流电压实时测量值u_DC进行输出；

步骤二、MMC整流器模块的输出高压直流电压的降压，过程如下：

步骤201、分压：采用多个DC-DC隔离子单元对MMC整流器模块(1)的输出高压直流电压进行分压，利用子逆变器(2-1)中的所述分压电容和所述桥臂电容对MMC整流器模块(1)的输出高压直流电压进行两级分压，得到分压直流电压u_FC；

步骤202、逆变：利用子逆变器(2-1)中的两个IGBT分别导通50％对分压直流电压u_FC进行逆变，得到方波交流电压；

步骤203、降压：子中频变压器(2-2)对方波交流电压进行降压得到低压方波交流电压；

步骤204、整流及滤波：子整流器(2-3)对所述低压方波交流电压进行整流得到低压直流电压，并对低压直流电压进行滤波去噪；

步骤三、低压直流电压的逆变，过程如下：

步骤301、采用DC-AC逆变器(3)对低压直流电压进行逆变，同时测量DC-AC逆变器(3)输出侧A相瞬时电压u_va、B相瞬时电压u_vb和C相瞬时电压u_vc；

步骤302、对A相瞬时电压u_va、B相瞬时电压u_vb和C相瞬时电压u_vc进行dq变换得到DC-AC逆变器d轴输出电压u_vd和DC-AC逆变器q轴输出电压u_vq；

步骤303、采用第三PI调节器对DC-AC逆变器d轴输出电压u_vd和DC-AC逆变器q轴输出电压u_vq进行调节，得到DC-AC逆变器d轴输出电压调整值u_vd'和DC-AC逆变器q轴输出电压调整值u_vq'，其中，u_vd^*为DC-AC逆变器d轴输出电压设定参考值，u_vq*为DC-AC逆变器q轴输出电压设定参考值，K_p³为第三PI调节器的比例系数，K_i³为第三PI调节器的积分系数；

步骤304、对u_vd′和u_vq′进行dq逆变换，得到三相正弦调制波；

步骤305、对所述三相正弦调制波进行空间矢量控制，得到三相全桥逆变电路中的触发脉冲，根据所述触发脉冲控制三相全桥逆变器中IGBT，输出对称的三相正弦交流电压；

步骤306、循环步骤301至步骤305，实现低压直流电压的逆变。