[发明专利]用于双极直流电网的输出电压自平衡控制方法

说明书

本发明为用于双极直流电网的输出电压自平衡控制方法，包括：基于MMC的直流固态变压器拓扑结构，直流固态变压器拓扑结构包括MMC和上、下H桥三个有源桥结构，可以提高直流侧电压、减小开关管的电压应力，同时实现双极输入输出。通过控制开关管驱动信号的移相角和占空比，使得交流侧输出多电平的电压波形，能够有效降低谐波含量。本发明的输出电压自平衡控制方法可以解决变压器因受到扰动而产生的输出电压不平衡的问题，保证直流固态变压器长期、稳定的运行。

技术领域

本发明属于中高压大功率电力电子技术领域，主要涉及一种用于双极直流电网的输出电压自平衡控制方法及MMC直流固态变压器拓扑结构。

背景技术

柔性直流电网是现代电网发展变革的重要方向。采用对称双极结构的直流电网凭借其正负极可以独立运行的独特优势，更加符合柔性直流电网高电压、大容量和多端化的未来发展趋势。在柔性直流电网中，需要使用直流变压器实现各电压等级直流电网之间的电压变换、能量交换和电气隔离。直流电网不能像交流电网那样采用磁耦合变压器实现电压变换和能量的传输，必须采用基于电力电子器件的固态变压器。现有的直流固态变压器方案主要针对采用单极结构的直流电网，无法满足双极直流电网对直流固态变压器的需求。

用于双极直流电网的直流固态变压器需要具备双极输入和输出的能力，并且可以实现高低压侧的电气隔离、电压变换和双向功率传输。此外，开关器件所承受的电压应力有限，但随着近十几年工业技术的不断优化发展，电网电压等级越来越高、功率也越来越大，因此高压侧结构需要能够采用应力有限的开关器件去承受高电压。双极输入和输出的工作情况下，正负极电压可能会失去平衡，此时要求直流固态变压器具备电压自平衡的能力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种用于双极直流电网的输出电压自平衡控制方法及MMC直流固态变压器拓扑结构，该控制方法能够实现电压自平衡控制，该拓扑结构可以解决传统直流固态变压器无法适用双极直流电网的问题。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种用于双极直流电网的输出电压自平衡控制方法，其特征在于，该控制方法以基于MMC的直流固态变压器拓扑结构为研究对象，所述直流固态变压器拓扑结构包括MMC结构、上H桥结构、下H桥结构与三绕组高频变压器，三绕组高频变压器作为能量传输桥梁将MMC结构与上H桥结构和下H桥结构连接，MMC结构侧输出的交流电压与上H桥结构侧输出的交流电压(指的是上H桥结构前后桥臂中点间的交流电压)之间存在第一外移相角；MMC结构侧输出的交流电压(指的是MMC结构前后桥臂中点间的交流电压)与下H桥结构侧输出的交流电压(输出的交流电压指的是前后桥臂中点间的交流电压)之间存在第二外移相角；所述控制方法包括以下内容：

设定上H桥结构和下H桥结构上的负载电压的相应负载参考电压，

通过负载电压与相应负载参考电压做差，对电压差值进行相应的PI调节，获得不同H桥结构上的负载电流，进而求得不同H桥结构上的输出功率；将负载电压与MMC结构的直流电源电压相比得到相应的电压传输比；

利用两个H桥结构的输出功率、电压传输比获得MMC内移相角、上H桥内移相角、下H桥内移相角、第一外移相角和第二外移相角，根据各移相角的大小经过PWM调制确定对应结构上开关管的驱动信号，实现输出电压自平衡控制。

利用两个H桥结构的输出功率、电压传输比获得MMC内移相角、上H桥内移相角、下H桥内移相角、第一外移相角和第二外移相角的具体过程是：

将MMC结构前后桥臂中点交流电压、上H结构前后桥臂中点交流电压和下H结构前后桥臂中点交流电压经过傅里叶分解，并取其基波分量，得到三个基波正弦交流电压，将该三个基波正弦交流电压用相量形式表示，即能形成三个基波正弦交流电压关于MMC内移相角、上H桥内移相角、下H桥内移相角、第一外移相角和第二外移相角的一个方程组；