[发明专利]具备中压直流及真双极低压直流端口的固态变压器

权利要求书

1.一种具备中压直流及真双极低压直流端口的固态变压器，其特征在于，包括：模块化多电平换流器以及多个隔离型双向DC-DC变换器；其中：

所述模块化多电平换流器的三相输出和正负直流母线分别形成稳定的中压交流和中压直流端口；

所述多个隔离型双向DC-DC变换器的输入侧和模块化多电平换流器子模块的直流侧互联；其中，与模块化多电平换流器上桥臂子模块互联的多个隔离型双向DC-DC变换器在输出侧并联，构成正极低压直流端口；与模块化多电平换流器下桥臂子模块互联的多个隔离型双向DC-DC变换器在输出侧并联，构成负极低压直流端口；

所述模块化多电平换流器的桥臂采用基频正序环流注入控制环路，所述基频正序环流注入控制环路用于调节桥臂间的电容电压平衡，实现低压直流端口为真双极型端口；

所述基频正序环流注入控制环路，是指：当低压直流侧带不对称负载时，模块化多电平换流器的上下桥臂电容电压将偏离额定值形成偏差，所述偏差通过PI控制，给定环流幅值参考值，并换算成环流压降的幅值参考值，通过给定相角，从而形成环流压降参考值，叠加在模块化多电平换流器的各桥臂的输出参考电压上，实现基频正序环流的注入，以平衡模块化多电平换流器的各桥臂间子模块电容电压，进而实现不对称负载下固态变压器的稳定运行。

2.根据权利要求1所述的具备中压直流及真双极低压直流端口的固态变压器，其特征在于，所述基频正序环流注入控制环路的参数优化方法，包括：

设，u_s为中压交流电网电压，i_s为中压交流电网电流，L为桥臂电感，e为模块化多电平换流器交流侧等效出口电压，i_p为上桥臂电流，i_n为下桥臂电流，u_x为上下桥臂电感上的总环流压降，u_p为上桥臂子模块总出口电压，u_n为下桥臂子模块总出口电压，i_c为环流，I_d为中压直流电流，U_d为中压直流总电压，u_du为中压直流正极电压，u_dl为中压直流负极电压，i_mp为上桥臂子模块直流侧电流，i_mn为下桥臂子模块直流侧电流，u_cp为上桥臂子模块电容电压，u_cn为下桥臂子模块电容电压，I_dp为上桥臂子模块流入隔离型双向DC-DC变换器的电流，I_dn为下桥臂子模块流入隔离型双向DC-DC变换器的电流，U_LV为低压侧正极和负极直流电压，I_LVP为低压侧正极直流电流，I_LVN为低压侧负极直流电流，MMC上下桥臂各有N个子模块；

则，中压交流侧的电网电压为：

式(1)中，U_m、I_m和E_m分别为中压交流电压、中压交流电流和模块化多电平换流器等效出口交流电压的幅值，和δ分别为功率因数角和功角；

基于式(1)，得模块化多电平换流器交流侧输入功率为：

中压直流和低压直流侧的输出功率为：

P_DC＝U_dI_d+U_LV(I_LVP+I_LVN) (3)

当无耗能元件时，中压交流、中压直流、低压直流端口功率平衡方程为：

规定调制系数为：

m＝2E_m/U_d (5)

设子模块电容电压平均值为U_c，该电容电压平均值和中压直流电压的关系为：

U_d＝NU_c (6)

此时，低压直流侧负载功率由子模块向隔离型双向DC-DC变换器传递的功率确定：

式(7)中，n为隔离型双向DC-DC变换器内部的高频变压器一二次侧变比；根据式(7)，低压直流侧双极不对称负载下，体现出双极不对称电流，该不对称电流将反应到隔离型双向DC-DC变换器的输入电流上，因此上下桥臂隔离型双向DC-DC变换器的输入电流分别为：

在模块化多电平换流器中，通过基频正序环流的注入，在不影响块模化多电平换流器电容电压平衡的前提下，实现上下桥臂不对称功率的传递；为注入该正序环流，需在模块化多电平换流器的调制电压中附加基频正序分量，即稳态时，模块化多电平换流器的上桥臂子模块和下桥臂子模块的开关函数分别如式(9)和式(10)所示：

式(9)和式(10)中，x为所注入的基频环流的幅值因数，β为所注入的基频环流的相角因数；

由于开关函数需要在[0,1]之间变化，因此幅值因数需远低于调制系数，即：

x＜＜m (11)

仅考虑电容电压的平均值时，上下桥臂电压分别为：

其中，环流压降将在桥臂电感上产生环流，该环流压降为：

U_x＝U_d-u_p-u_n＝-2xU_dsin(ωt+β) (14)

环流压降所引入的环流为：

则模块化多电平换流器的上下桥臂电流分别为：

此时，上桥臂子模块直流侧的输入电流为：

若要使注入的环流幅值最小，即幅值因数x取最小值，由式(18)可知，此时相角因数取为：

β＝π/2-δ (19)

考虑到x＜＜m，并考虑中压交流、中压直流、低压直流端口功率平衡方程，此时式(18)简化为：

同理，下桥臂的子模块直流侧输入电流为：

稳态时，上下桥臂子模块直流侧输入电流的直流分量将流入隔离型双向DC-DC变换器，并为双极不对称负载供电，因此，联立式(8)、式(20)和式(21)，求解得到幅值因数x和双极负载电流间的关系为：

基于式(22)和式(19)，当低压直流侧带双极不对称负载时，根据正负极负载的差异性，注入相应幅值和相位的正序基频环流，实现固态变压器的稳定运行与子模块电容电压平衡。