[发明专利]基于MMC的电力电子配电变压器及其控制方法

摘要

本发明公开了基于MMC的电力电子配电变压器及其控制方法，其变压器包括依次连接的MMC整流器模块、DC‑DC隔离器和DC‑AC逆变器，MMC整流器模块的输入端与高压交流电网连接，DC‑AC逆变器的输出端与低压交流电网连接；其方法包括步骤首先，高压交流电的整流；然后，MMC整流器模块的输出高压直流电压的降压；最后，低压直流电压的逆变；本发明IGBT使用的数量少，成本低，可靠性高，扩展容量方便，高压交流电网发生三相不平衡或者电压暂降故障时，电力电子配电变压器能够长期安全且可靠地运行，供电质量高，低压交流电网发生故障对高压交流电网的冲击波动小，效率高。

主权项

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iA、A相电压瞬时值uSA、B相电流瞬时值iB、B相电压瞬时值uSB、C相电流瞬时值iC和C相电压瞬时值uSC；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iA+、B相瞬时电流的正序分量iB+和C相瞬时电流的正序分量iC+；根据公式计算高压交流电网(4)的A相电流负序分量iA‑、B相电流的负序分量iB‑和C相电流的负序分量iC‑；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uSA+、B相瞬时电压的正序分量uSB+和C相瞬时电压的正序分量uSC+；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uSA‑、B相瞬时电压的负序分量uSB‑和C相瞬时电压的负序分量uSC‑；步骤103、对iA+、iB+和iC+进行dq变换可得q轴正序电流iq+和d轴正序电流id+，对iA‑、iB‑和iC‑进行dq变换可得q轴负序电流iq‑和d轴负序电流id‑；对uSA+、uSB+和uSC+进行dq变换可得q轴正序高压交流电网瞬时电压uSq+和d轴正序高压交流电网瞬时电压uSd+，对uSA‑、uSB‑和uSC‑进行dq变换可得q轴负序高压交流电网瞬时电压uSq‑和d轴负序高压交流电网瞬时电压uSd‑；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，uDC*为MMC整流器模块输出高压直流电压设定值，uDC为MMC整流器模块输出高压直流电压实时测量值，Kp1为所述第一PI调节器的比例系数，Ki1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uMd+和MMC整流器模块q轴正序输入电压uMq+，根据公式计算d轴负序MMC整流器模块输入电压uMd‑和q轴负序MMC整流器模块输入电压uMq‑，其中，iq+*为q轴正序电流的参考值且iq+*＝0，id‑*为d轴负序电流的参考值且id‑*＝0，iq‑*为q轴负序电流的参考值且iq‑*＝0，Kp2为第二PI调节器的比例系数，Ki2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uMd+和uMq+进行dq反变换得到MMC整流器模块A相正序输入电压uMA+、B相正序输入电压uMB+和C相正序输入电压uMC+；对uMd‑和uMq‑进行dq反变换得到MMC整流器模块A相负序输入电压uMA‑、B相负序电压输入uMB‑和C相负序输入电压uMC‑；根据公式计算MMC整流器模块A相输入电压uMA、MMC整流器模块B相输入电压uMB和MMC整流器模块C相输入电压uMC；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，uM为MMC整流器模块三相电压中任意一相输入电压，ummc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uDC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uDC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uDC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uFC；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uFC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uva、B相瞬时电压uvb和C相瞬时电压uvc；步骤302、对A相瞬时电压uva、B相瞬时电压uvb和C相瞬时电压uvc进行dq变换得到DC‑AC逆变器d轴输出电压uvd和DC‑AC逆变器q轴输出电压uvq；步骤303、采用第三PI调节器对DC‑AC逆变器d轴输出电压uvd和DC‑AC逆变器q轴输出电压uvq进行调节，得到DC‑AC逆变器d轴输出电压调整值uvd'和DC‑AC逆变器q轴输出电压调整值uvq'，其中，uvd*为DC‑AC逆变器d轴输出电压设定参考值，uvq*为DC‑AC逆变器q轴输出电压设定参考值，Kp3为第三PI调节器的比例系数，Ki3为第三PI调节器的积分系数；步骤304、对uvd′和uvq′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。