[发明专利]基于MMC的多端口电力电子变压器拓扑及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于MMC的多端口电力电子变压器拓扑及其控制方法，属于电力系统的技术领域。

背景技术

随着可再生能源发电的迅速发展、直流类负荷的增多，传统的工频变压器由于缺少智能控制环节以及直流变换端口，已经不足以应对现代电力系统的要求与挑战。并且工频变压器体积庞大，重量较大，要求了较大的占地面积。而随着半导体器件的迅速发展，提出了一种基于大功率电力电子变流技术的新型智能变压器，不仅可以减小变压器的重量体积，并且可以提供多种交直流端口，具有灵活多变的可控性，方便了各种分布式能源、储能和负荷的灵活接入，为高效地解决当今电网面临的诸多难题提供了可能。

目前已有很多学者提出了多种电力电子变压器拓扑结构，但一般都是利用模块化多电平变流器或者级联全桥的拓扑结构，将高压交流电整流变换成高压直流电，再使用多个DC-DC变换器串并联的结构对高压直流电降压为低压直流电。这些电力电子变压器拓扑电能转换级数较多，使用了较多的功率器件，导致损耗较大，并且多个直流变换器串并联存在环流问题需要抑制，直流转换级的控制复杂。成本较高，控制复杂，可靠性不高，功率密度不高，很难实现大规模的使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于MMC的多端口电力电子变压器拓扑及其控制方法，解决电力电子变压器拓扑电能转换级数较多，使用了较多的功率器件，导致损耗较大，并且多个直流变换器串并联存在环流问题需要抑制的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

基于MMC的多端口电力电子变压器拓扑,包括由输入级和两个输出级组成，其中所述输入级为高压交流级，用于由高压工频交流到高压直流与低压高频交流的电能变换；所述两个输出级分别为高压直流级与低压直流级，用于分别将高压交流级变换后的高压直流与低压高频交流电能转换成高压直流电压与低压直流电压并输出；其中，所述高压交流级由采用三相桥臂的模块化多电平变流器组成，所述每相桥臂由上下两个半桥臂组成，且每个半桥臂由N个半桥子模块或全桥子模块与一个桥臂电感串联构成；所述每相桥臂的上下桥臂的中间点分别经滤波电感连接至中高压交流电网，且将并联三相桥臂后的两个端口作为高压交流级输出端口。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述高压直流级包括陷波器与高压直流储能电容，所述陷波器的一个端口与高压交流级的其中一个输出端口串联，且在高压交流级另一输出端口与陷波器的另一端口间作为高压直流级输出端口，以及在高压直流级输出端口间并联高压直流储能电容。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述陷波器由滤波电感与滤波电容并联组成。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述低压直流级包括隔直电容、高频隔离变压器、H桥电路与低压直流储能电容，其中所述两个高压交流级输出端口串联隔直电容后连接至高频隔离变压器的一次侧端口，且高频隔离变压器的二次侧端口连接H桥电路的第一、二桥臂中间点；所述H桥电路输出端口并联低压直流储能电容后为低压直流级输出端口。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述两个输出级还包括低压交流级，该低压交流级包括带通滤波电路和低压交流级电路；所述高频隔离变压器的二次侧端口串联带通滤波电路，及在H桥电路的第一与第二桥臂中间点处并联低压交流级电路；所述低压交流级电路由低压交流滤波电感与低压交流滤波电容串联构成，且将低压交流滤波电容的两端作为低压交流输出端口。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述H桥电路由两对串联的开关管并联组成。

一种基于MMC的多端口电力电子变压器拓扑的控制方法，包括以下步骤：

对所述高压交流级以低压直流级输出电压或子模块电容平均电压为电压外环反馈量，以高压交流级电流为内环反馈量进行双闭环控制得到三相桥臂基本调制信号，并在高压交流级的输出调制波中叠加高频方波信号分量，以获得高压交流级输出高压直流电压与低压高频直流电压；分别将高压交流级输出的高压直流与低压高频交流电能转换成高压直流电压与低压直流电压并输出；

并且，当功率在高压交流级与低压直流级之间传输时，控制所述低压直流级产生与所叠加高频方波信号分量同频同相位的电压波形。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中进行双闭环控制，具体为：

根据采样的高压交流级的三相交流电压与三相交流电流进行PLL锁相得到相位角，并分别对三相交流电压与三相交流电流变换得到各自在d轴与q轴分量；