CN105610336A - 基于双电容模块的mmc型多端口电力电子变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器，包括模块化多电平变换器（Modular？Multilevel？Converter,MMC）、DC/DC变换器和逆变器，其中MMC中有两种子模块；DC/DC变换器分为前级部分、高频变压部分、后级部分，其中前级部分有四种选择拓扑。本发明能在高压直流侧低压时运行；具有直流故障穿越能力且所使用器件较少；MMC中模块与DC/DC变换器分别承担直流电压控制和功率控制；可对模块单个电容电压单独控制或两个电容电压同时控制；具有高压直流、高压交流、低压直流和低压交流四个端口，适合于多种类多电压等级的高压大功率场合，特别是应用于能源互联网中，如作为能量路由器等。

Description

基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器
技术领域
本发明属于电力电子应用的技术领域，尤其涉及基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器。
背景技术
电子电力变压器是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的新型智能变压器。它在完成常规变压器变压、隔离、能量传递等功能的同时，也可以完成波形控制、潮流控制或电能质量调节功能，因此它具备解决电力系统中面临的许多新问题的潜力。但现有结构的电力电子变压器也存在一些缺点，特别是多电源场合下的应用。
传统的多电平拓扑结构，如基于H桥级联的电力电子变压器，因为H桥级联结构本身都没有高压直流侧，所以该种电力电子变压器也没有高压直流端口。但是随着电力和能源需求的不断扩大，更高效、更节能的输电和用电技术也成为当今电力技术革新的重要方向，使得高压直流输电、直流配电网以及微网等领域逐渐进入大家研究的视野，从而出现了如MMC等相关技术，MMC的出现使得高压直流相关应用变得更可实现和应用，也更符合直流相关技术的发展。基于MMC型的电力电子变压器具有了高压直流端口，使得其与高压直流电网的直接接入成为可能。但是最常见的基于半桥模块的MMC型电力电子变压器并不具有直流故障穿越能力，同时也不具有高压直流侧低电压时的正常运行能力，因此对其模块的改进是十分有必要的，否则可靠性很低，难以适应工程的实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有的电子电力变压器结构复杂、成本高、谐波含量高、使用效果差、且无法满足多电源场合下的应用需求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器，包括基于双电容模块的模块化多电平变换器MMC、DC/DC变换器和逆变器；DC/DC变换器包括前级部分、高频变压部分和后级部分；每个DC/DC变换器的前级直流侧的正、负极与模块化多电平变换器MMC中每个模块中两个串联电容的正、负极相连接，所有DC/DC变换器的后级直流侧正、负极分别并联后与逆变器的直流侧正、负极相连接；逆变器为三相四桥臂逆变器；模块化多电平变换器MMC的P，N端为高压直流端口，其中P端为高压直流端口的正极，N端为高压直流端口的负极，模块化多电平变换器MMC的交流侧a，b和c端口分别作为为高压交流端口的a相、b相和c相，每个模块后所接的DC/DC变换器的后级I，J端分别并联在一起作为电力电子变压器的低压直流端口，其中I端为低压直流端口的正极，J端为低压直流端口的负极；并联后的I，J端口分别与逆变器直流侧的正负极连接，逆变器的交流侧作为低压交流端口。
具体的，模块化多电平换流器中每个桥臂包括N个模块，其中共含有2N个直流电容，X个第一子模块和Y个第二子模块；不考虑第二子模块工作在负电压或冗余情况时，X+Y＝N，(2X+2Y)Vc＝Vdc，vm＝(2X+2Y)Vc，其中Vdc为高压直流侧电压，Vc为每个直流电容电压，vm为高压交流侧相电压幅值，考虑冗余情况时，X+Y≥N；当模块化多电平变换器具有直流故障穿越能力且不考虑第二子模块工作在负电压和冗余的情况，当第二子模块在负电压投入运行状态下，第二子模块可以投入负电压的模块数量Z满足以下关系：Z≤N/6，Z≤Y，当高压直流侧电压为0的情况下，Z≤Y≤(Z+N)/2＝(Z+X+Y)/2；还包括六个电感；所述电感包括Lap、Lan、Lbp、Lbn、Lcp和Lcn；X个第一子模块、Y个第二子模块和电感Lap依次串联构成模块化多电平变换器MMC的A相上桥臂，电感Lan、Y个第二子模块和X个第一子模块依次串联构成模块化多电平变换器MMC的A相下桥臂，A相上桥臂和下桥臂连接的中点a作为电力电子变压器的高压交流接口的A相；X个第一子模块、Y个第二子模块和电感Lbp依次串联构成模块化多电平变换器MMC的B相上桥臂，电感Lbn、Y个第二子模块和X个第一子模块依次串联构成模块化多电平变换器MMC的B相下桥臂，B相上桥臂和下桥臂连接的中点b作为电力电子变压器的高压交流接口的B相；X个第一子模块、Y个第二子模块和电感Lcp依次串联构成模块化多电平变换器MMC的C相上桥臂，电感Lcn、Y个第二子模块和X个第一子模块依次串联构成模块化多电平变换器MMC的C相下桥臂，C相上桥臂和下桥臂连接的中点c作为电力电子变压器的高压交流接口的C相；三相上桥臂正极和下桥臂负极分别是高压直流端口的P，N端；每个第一子模块的C,D端和第二子模块的G,H端分别和DC/DC变换器的前级C(G)，D(H)端相连；三个上桥臂的正极端连接在一起作为电力电子变压器的高压直流端口的正极P，三个下桥臂的负极端连接在一起作为电力电子变压器的高压直流端口的负极N。
具体的，所述子模块包括两个串联的半桥，即包含两个直流电容C1和C2、四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3和T4；所述T1、T2、T3、T4的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，T1、T2、T3、T4的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；所述T1的发射极和T2的集电极相连接并作为子模块的正极端A，T1的集电极与C1的正极相连接，T2的发射极与C1的负极相连接,所述T4的发射极和T3的集电极相连接并作为子模块的负极端B，T4的集电极与C2的正极和T2的发射极相连接，T3的发射极与C2的负极相连接，所述C1的正极连接DC/DC变换器的正极，C2的负极连接DC/DC变换器的负极。
具体的，所述子模块包括一个T型全桥，即包含两个直流电容C3和C4、四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T5、T6、T7和T8、两个反向阻断绝缘栅双极型晶体管T9(T10)和T11(T12)，其中T9和T10为一组，T11和T12为一组；所述T5、T6、T7和T8的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T5、T6、T7和T8的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；所述T5的发射极、T6的集电极、T9的集电极和T10的发射极相连接作为子模块的正极端E，T5的集电极、C3的正极和T7的集电极相连接，并且作为与DC/DC变换器连接的正极端G，T6的发射极、C4的负极和T8的集电极相连接，并且作为与DC/DC变换器相连接的负极端H，T7的发射极、T8的集电极、T11的集电极和T12的发射极相连接作为第二子模块的负极端F，C3的负极、C4的正极，T9的发射极、T10的集电极、T11的发射极和T12的集电极相连接。
具体的，DC/DC变换器的高频变压部分是一个高频变压器T，后级部分由一个H桥电路和一个直流电容组成；DC/DC变换器前级部分的交流侧与高频变压器T的原方相连接，高频变压器T的副方与DC/DC变换器后级部分的交流侧相连接。
具体的，：DC/DC变换器(2)的前级部分采用全桥结构，由四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管组成，其中每两个反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管串联后再并联。
具体的，DC/DC变换器的前级部分采用二极管钳位结构，包含四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T13、T14、T15、T16和两个二极管D1、D2，T13的集电极和C1或C3的正极相连接，T13的发射极与D1的阴极和T14的集电极相连接，D1的阳极与C1或C3的负极、C2或C4的正极、D2的阴极、高频变压器T的一端相连接，T14的发射极与T15的集电极和高频变压器T的另一端相连接，T15的发射极与D2的阳极、T16的集电极相连接，T16的发射极与C2或C4的负极相连接，所述T13、T14、T15和T16的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T13、T14、T15和T16的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接。
具体的，DC/DC变换器(2)的前级部分采用T型三电平结构，包含两个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T17、T18和一个由T19和T20组成的反向阻断绝缘栅双极型晶体管，T17的集电极和C1或C3的正极相连接，T17的发射极与T18的集电极、T19的集电极、T20的发射极、高频变压器T的一端相连接，T19的发射极与T20的集电极、C1或C3的负极、C2或C4的正极、高频变压器T的另一端相连接，T18的发射极与C2或C4的负极相连接，所述T17、T18的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T17、T18的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接。
具体的，DC/DC变换器的前级部分采用T型全桥结构，包含四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T21、T22、T23、T24、一个由T25和T26组成的反向阻断绝缘栅双极型晶体管，一个由T27和T28组成的反向阻断绝缘栅双极型晶体管，T21的发射极、T22的集电极、T25的集电极、T26的发射极、高频变压器T的一端相连接，T21的集电极、C1或C3的正极和T23的集电极相连接，T22的发射极、C2或C4的负极和T24的集电极相连接，T23的发射极、T24的集电极、T27的集电极和T28的发射极、高频变压器T的另一端相连接，C1或C3的负极、C2或C4的正极，T25的发射极、T26的集电极、T27的发射极和T28的集电极相连接，所述T21、T22、T23和T24的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T21、T22、T23和T24的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接。
具体的，模块化多电平变换器的调制比m≤2，m＝2vm/Vdc。这样取值，使第一子模块的充放电时间可以满足电压平衡的要求。
本发明的优点是：本发明多端口设计，分别是高压直流端口，高压交流端口，低压直流端口和低压交流端口，较以往电力电子变压器所多出的高压直流端口，可以使该电力电子变压器直接与高压直流电网相连接，与高压直流输、配电网、微电网以及能源互联网的发展和建设相适应，适用于多电压种类和等级的高压大功率场合；本发明可以通过改变使用第一子模块和第二子模块的数量来达到调整故障穿越能力，第二子模块的数量越多，直流故障穿越能力越强，在高压直流侧出现短路故障时只需封锁所有绝缘栅双极型晶体管和反向阻断绝缘栅双极型晶体管的触发信号即可，控制方式简单，安全，可以适应不同应用场合的需要；本发明可以直接使用传统模块化多电平变换器MMC的所有调制和控制方法，通用性强；第一子模块和第二子模块中的两个电容可以同时控制，也可以分别控制任意一个电容的电压，调制和电压平衡策略选择较多，可以适用于不同应用场合；DC/DC变换器与第一子模块和第二子模块的两个直流电容连接减少了所需要的DC/DC变换器的数量，降低了器件使用的数量，降低了控制的复杂性；第一子模块和第二子模块承担电容电压控制，DC/DC变换器承担功率控制，电压和功率控制功能的分离使得控制易于实现；本发明使用第二子模块，即T型全桥子模块能够提供负电压，在有T型全桥子模块负压运行时，可以在高压直流侧电压较低时交流侧电压保持不变，使电力电子变压器能继续正常运行，并且为电力电子变压器中的子模块电压平衡，功率平衡提供更多选择；DC/DC变换器的前级提出了H桥、二极管钳位、T型三电平和T型全桥电路共四种方案，为工程实践根据不同要求提供了更多选择，较现有电力电子变压器方案可具有提高输出波形质量，降低通态损耗，增大直流电压利用率等优点。
附图说明
图1为基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器的整体原理框图。
图2为第一子模块的原理框图
图3为第二子模块的原理框图。
图4为DC/DC前级部分的原理框图(二极管钳位结构)。
图5为DC/DC前级部分的原理框图(T型三电平结构)。
图6为DC/DC前级部分的原理框图(T型全桥结构)。
图7模块化多电平变换器MMC每一相的控制电路示意图。
图8DC/DC变换器控制电路示意图。
图9低压侧逆变器控制电路示意图。
以上的图中有：第一子模块中的直流电容C1、C2，带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4，第一子模块中的正极端A、第一子模块中的负极端B、第二子模块中的直流电容C3、C4，带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T5、T6、T7、T8，两个反向阻断绝缘栅双极型晶体管T9(T10)和T11(T12)，第二子模块中的正极端E、负极端F、每个桥臂含有第一子模块的个数X、每个桥臂含有第二子模块的个数Y、a相上桥臂电感Lap、a相下桥臂电感Lan、b相上桥臂电感Lbp、b相下桥臂电感Lbn、c相上桥臂电感Lcp、c相下桥臂电感Lcn、公共直流母线侧的正极P、公共直流母线侧的负极N、交流侧A相端口a、交流侧B相端口b、交流侧C相端口c。DC/DC前级部分第二种方案的四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T13、T14、T15、T16和两个二极管D1、D2，第三种方案的两个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T17、T18和一个反向阻断绝缘栅双极型晶体管T19(T20)，第四种方案的四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T21、T22、T23、T24和两个反向阻断绝缘栅双极型晶体管T25(T26)、T27(T28)，高频变压器T。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明。
实施例：如图1-3所示，基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器，由基于双电容模块的模块化多电平变换器1、DC/DC变换器2、逆变器构成，其中DC/DC变换器2的前级与模块化多电平变换器1中每个模块中两个串联电容的正、负极相连接，所有DC/DC变换器2的后级并联后与逆变器3的直流侧相连接。基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器有四个端口，分别是高压直流端口，高压交流端口，低压直流端口和低压交流端口，其中模块化多电平变换器1的P，N端为高压直流端口，模块化多电平变换器1的交流侧a，b和c为高压交流端口，所有DC/DC变换器2的后级I，J端分别并联在一起作为电力电子变压器的低压直流端口。并联后的I，J端口分别与逆变器3直流侧的正、负极连接后，逆变器3的交流侧作为低压交流端口。逆变器3为三相四桥臂逆变器。
基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器的模块化多电平变换器中的子模块有两种，分别为第一子模块和第二子模块。第一子模块为两个半桥串联，包含两个直流电容C1和C2、四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3和T4。第二子模块为T型全桥子模块，包含两个直流电容C3和C4、四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T5、T6、T7和T8、两个反向阻断绝缘栅双极型晶体管T9(T10)和T11(T12)，其中T9和T10为一组，T11和T12为一组。所述的带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7和T8的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述的带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7和T8的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接。第一子模块是两个半桥结构的串联，即所述的T1的发射极和T2的集电极相连接并作为第一子模块的正极端A，T1的集电极与C1的正极相连接，T2的发射极与C1的负极相连接,所述的T4的发射极和T3的集电极相连接并作为第一子模块的负极端B，T4的集电极与C2的正极和T2的发射极相连接，T3的发射极与C2的负极相连接，所述的C1的正极与C2的负极分别与DC/DC变换器的正负极相连接。第二子模块中所述的T5的发射极、T6的集电极、T9的集电极和T10的发射极相连接作为第二子模块的正极端E，T5的集电极、C3的正极和T7的集电极相连接，并且作为与DC/DC变换器连接的正极端G，T6的发射极、C4的负极和T8的集电极相连接，并且作为与DC/DC变换器相连接的负极端H，T7的发射极、T8的集电极、T11的集电极和T12的发射极相连接作为第二子模块的负极端F，C3的负极、C4的正极，T9的发射极、T10的集电极、T11的发射极和T12的集电极相连接。模块化多电平变换器MMC由两种模块和六个电感组成，电感分别是Lap、Lan、Lbp、Lbn、Lcp、Lcn。X个第一子模块、Y个第二子模块和电感Lap依次串联构成模块化多电平变换器MMC的A相上桥臂，电感Lan、Y个第二子模块和X个第一子模块依次串联构成模块化多电平变换器MMC的A相下桥臂，A相上桥臂和下桥臂连接的中点a作为电力电子变压器的高压交流接口的A相；X个第一子模块、Y个第二子模块和电感Lbp依次串联构成模块化多电平变换器MMC的B相上桥臂，电感Lbn、Y个第二子模块和X个第一子模块依次串联构成模块化多电平变换器MMC的B相下桥臂，B相上桥臂和下桥臂连接的中点b作为电力电子变压器的高压交流接口的B相；X个第一子模块、Y个第二子模块和电感Lcp依次串联构成模块化多电平变换器MMC的C相上桥臂，电感Lcn、Y个第二子模块和X个第一子模块依次串联构成模块化多电平变换器MMC的C相下桥臂，C相上桥臂和下桥臂连接的中点c作为电力电子变压器的高压交流接口的C相。三相上桥臂正极和下桥臂负极分别是高压直流端口的P，N端。每个第一子模块的C,D端和第二子模块的G,H端分别和DC/DC变换器的前级C(G)，D(H)端相连。每个桥臂一共含有N个模块，其中共含有2N个直流电容，X个第一子模块和Y个第二子模块，为保证该电力电子变压器的正常工作且不考虑第二子模块工作在负电压的情况，X和Y满足以下关系：不考虑第二子模块工作在负电压或冗余情况时，X+Y＝N，(2X+2Y)Vc＝Vdc，vm＝(2X+2Y)Vc其中Vdc为高压直流侧电压，Vc为每个直流电容电压，vm为高压交流侧相电压幅值，考虑冗余情况则需满足X+Y≥N。假设每个模块中的直流电容电压相等，则模块化多电平变换器MMC具有直流故障穿越能力且不考虑第二子模块工作在负电压和冗余的情况，X和Y满足以下关系：
3 2 ( 2 X + 2 Y ) ≤ 4 Y
在高压直流侧出现短路故障时只需封锁所有绝缘栅双极型晶体管和反向阻断绝缘栅双极型晶体管的触发信号即可。在考虑第二子模块的负电压投入运行，可以使电力电子变压器在高压直流侧电压较低，甚至为零时继续正常运行，第二子模块可以投入负电压的模块数量Z满足以下关系：
Z≤N/6，Z≤Y，
特别地，当高压直流侧电压为0的情况下，Z和Y的数量满足以下关系：
Z≤Y≤(Z+N)/2＝(Z+X+Y)/2。
所述冗余状态是指设置多余的第二子模块以备在有使用中的第二子模块出现故障的时候有能够及时替换的第二子模块。
为了使第一子模块的充放电时间可以满足电压平衡的要求，则模块化多电平变换器MMC的调制比m≤2，m＝2vm/Vdc。
如图4-6所示，基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器DC/DC变换器分为前级部分、高频变压部分、后级部分，其中前级部分共提出了四种方案，可根据不同应用场合进行选择，高频变压部分是一个高频变压器T，后级部分由一个H桥电路和一个直流电容组成。DC/DC前级部分的第一种方案采用全桥结构，由四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管组成，其中每两个反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管串联后再并联，第二种方案采用二极管钳位结构，第三种方案采用T型三电平结构，第四种方案采用与第二子模块相同的T型全桥结构。第二种方案包含四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T13、T14、T15、T16和两个二极管D1、D2，T13的集电极和C1或C3的正极相连接，T13的发射极与D1的阴极和T14的集电极相连接，D1的阳极与C1或C3的负极、C2或C4的正极、D2的阴极、高频变压器T的一端相连接，T14的发射极与T15的集电极和高频变压器T的另一端相连接，T15的发射极与D2的阳极、T16的集电极相连接，T16的发射极与C2或C4的负极相连接。第三种方案包含两个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T17、T18和一个反向阻断绝缘栅双极型晶体管T19(T20)，T17的集电极和C1或C3的正极相连接，T17的发射极与T18的集电极、T19的集电极、T20的发射极、高频变压器T的一端相连接，T19的发射极与T20的集电极、C1或C3的负极、C2或C4的正极、高频变压器T的另一端相连接，T18的发射极与C2或C4的负极相连接。第四种方案包含四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T21、T22、T23、T24和两个反向阻断绝缘栅双极型晶体管T25(T26)、T27(T28)，其中T25和T26为一组，T27和T28为一组，T21的发射极、T22的集电极、T25的集电极、T26的发射极、高频变压器T的一端相连接，T21的集电极、C1或C3的正极和T23的集电极相连接，T22的发射极、C2或C4的负极和T24的集电极相连接，T23的发射极、T24的集电极、T27的集电极和T28的发射极、高频变压器T的另一端相连接，C1或C3的负极、C2或C4的正极，T25的发射极、T26的集电极、T27的发射极和T28的集电极相连接。所述的带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T13、T14、T15、T16、T17、T18、T21、T22、T23和T24的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述的带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T13、T14、T15、T16、T17、T18、T21、T22、T23和T24的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接。
如图7所示，以单个电容电压的控制为例，模块化多电平变换器MMC由环流抑制和电容电压控制电路来控制模块化多电平变换器MMC的环流和模块电容电压，每相的控制电路相同。以a相为例，首先，测量并采集a相上每一个电容的电压值vcap1-vap(2X+2Y)以及vcan1-van(2X+2Y)，然后求这些电压值的平均值vave，通过电压环的PI调节后，与测量得到的环流iza进行比较，比较的差值经过电流环的PI调节后作为平均电压的调制信号分量vaA，每一个电容实际测量的电压值与设定值的vc*的差值经过PI调节后，根据电容所在的桥臂电流的方向来决定是对模块进行充电还是放电而产生调制信号分量，如第一个模块中第一个半桥模块的调制分量vaBp1，根据vaA，vaBp1，模块所在桥臂的直流和交流信号参考量来产生调制信号，从而产生每个模块所需的PWM信号。
如图8所示DC/DC变换器由分级独立控制下的直流输出级并联均流控制电路进行控制，主要控制该电力电子变压器的功率流动，引入一个电压外环和12(X+Y)个电流内环。DC/DC变换器并联输出侧的实际值Udc2与输出直流电压指令值Udc*的差值经过PI调节后得到各个DAB变换器输出电流的指令值I*。由于各DC/DC变换器的实际输出电流iox1，……，iox(12X+12Y)中含有高频分量，需要使用低通滤波器滤除后得到其平均值Iox1，……，Iox(12X+12Y)。最终，实际平均输出电流与指令输出电流的差值通过PI调节后得出各DC/DC变换器的原、副边模块之间的移相比dx1，……，dx(12X+12Y)，根据各DC/DC变换器前级的不同方案以及不同的工程需要，调制方式可能不同。
如图9所示该电力电子变压器低压侧的逆变器由基于对称分量法和电流解耦的控制电路进行控制，主要控制该电力电子变压器低压交流端口的输出。主要工作原理为将低压侧逆变器交流侧负载的电压和电流分别分解为正序，负序和零序分量，然后分别对电压和电流的正序分量和负序分量进行PARK变换，其中变换后的电压D，Q部分分别与给定值进行比较，所得结果经过PI调节后分别与相应的电流D，Q部分相加，所得结果再进行正序分量的反PARK变换以及负序分量的反PARK变换，变换结果相加后作为调制信号，经过调制算法产生驱动控制信号。

Claims (10)

1.基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器，其特征在于：包括基于双电容模块的模块化多电平变换器MMC(1)、DC/DC变换器(2)和逆变器(3)；
DC/DC变换器(2)包括前级部分、高频变压部分和后级部分；每个DC/DC变换器(2)的前级直流侧的正、负极与模块化多电平变换器MMC(1)中每个模块中两个串联电容的正、负极相连接，所有DC/DC变换器(2)的后级直流侧正、负极分别并联后与逆变器(3)的直流侧正、负极相连接；逆变器(3)为三相四桥臂逆变器；
模块化多电平变换器MMC(1)的P，N端为高压直流端口，其中P端为高压直流端口的正极，N端为高压直流端口的负极，模块化多电平变换器MMC(1)的交流侧a，b和c端口分别作为为高压交流端口的a相、b相和c相，每个模块后所接的DC/DC变换器(2)的后级I，J端分别并联在一起作为电力电子变压器的低压直流端口，其中I端为低压直流端口的正极，J端为低压直流端口的负极；并联后的I，J端口分别与逆变器(3)直流侧的正负极连接，逆变器(3)的交流侧作为低压交流端口。
2.根据权利要求1所述的基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器,其特征在于：模块化多电平换流器(1)中每个桥臂包括N个模块，其中共含有2N个直流电容，N为MMC正常工作时需要模块的最少数量，X个第一子模块和Y个第二子模块；不考虑第二子模块工作在负电压或冗余情况时，X+Y＝N，(2X+2Y)Vc＝Vdc，vm＝(2X+2Y)Vc，其中Vdc为高压直流侧电压，Vc为每个直流电容电压，vm为高压交流侧相电压幅值，考虑冗余情况时，X+Y≥N；当模块化多电平变换器(1)具有直流故障穿越能力且不考虑第二子模块工作在负电压和冗余的情况，当第二子模块在负电压投入运行状态下，第二子模块可以投入负电压的模块数量Z满足以下关系：Z≤N/6，Z≤Y，当高压直流侧电压为0的情况下，Z≤Y≤(Z+N)/2＝(Z+X+Y)/2；还包括六个电感；所述电感包括Lap、Lan、Lbp、Lbn、Lcp和Lcn；X个第一子模块、Y个第二子模块和电感Lap依次串联构成模块化多电平变换器MMC(1)的A相上桥臂，电感Lan、Y个第二子模块和X个第一子模块依次串联构成模块化多电平变换器MMC(1)的A相下桥臂，A相上桥臂和下桥臂连接的中点a作为电力电子变压器的高压交流接口的A相；X个第一子模块、Y个第二子模块和电感Lbp依次串联构成模块化多电平变换器MMC(1)的B相上桥臂，电感Lbn、Y个第二子模块和X个第一子模块依次串联构成模块化多电平变换器MMC(1)的B相下桥臂，B相上桥臂和下桥臂连接的中点b作为电力电子变压器的高压交流接口的B相；X个第一子模块、Y个第二子模块和电感Lcp依次串联构成模块化多电平变换器MMC(1)的C相上桥臂，电感Lcn、Y个第二子模块和X个第一子模块依次串联构成模块化多电平变换器MMC(1)的C相下桥臂，C相上桥臂和下桥臂连接的中点c作为电力电子变压器的高压交流接口的C相；三相上桥臂正极和下桥臂负极分别是高压直流端口的P，N端；每个第一子模块的C,D端和第二子模块的G,H端分别和DC/DC变换器(2)的前级C(G)，D(H)端相连；
三个上桥臂的正极端连接在一起作为电力电子变压器的高压直流端口的正极P，三个下桥臂的负极端连接在一起作为电力电子变压器的高压直流端口的负极N。
3.根据权利要求2所述的基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器,其特征在于：所述第一子模块包括两个串联的半桥，即包含两个直流电容C1和C2、四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3和T4；所述T1、T2、T3、T4的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，T1、T2、T3、T4的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；所述T1的发射极和T2的集电极相连接并作为子模块的正极端A，T1的集电极与C1的正极相连接，T2的发射极与C1的负极相连接,所述T4的发射极和T3的集电极相连接并作为子模块的负极端B，T4的集电极与C2的正极和T2的发射极相连接，T3的发射极与C2的负极相连接，所述C1的正极连接DC/DC变换器的正极，C2的负极连接DC/DC变换器的负极。
4.根据权利要求2所述的基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器,其特征在于：所述第二子模块包括一个T型全桥，即包含两个直流电容C3和C4、四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T5、T6、T7和T8、两个反向阻断绝缘栅双极型晶体管T9(T10)和T11(T12)，其中T9和T10为一组，T11和T12为一组；所述T5、T6、T7和T8的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T5、T6、T7和T8的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；所述T5的发射极、T6的集电极、T9的集电极和T10的发射极相连接作为子模块的正极端E，T5的集电极、C3的正极和T7的集电极相连接，并且作为与DC/DC变换器(2)连接的正极端G，T6的发射极、C4的负极和T8的集电极相连接，并且作为与DC/DC变换器(2)相连接的负极端H，T7的发射极、T8的集电极、T11的集电极和T12的发射极相连接作为第二子模块的负极端F，C3的负极、C4的正极，T9的发射极、T10的集电极、T11的发射极和T12的集电极相连接。
5.根据权利要求1所述的基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器,其特征在于：DC/DC变换器(2)的高频变压部分是一个高频变压器T，后级部分由一个H桥电路和一个直流电容组成。
6.根据权利要求1或5所述的基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器,其特征在于：DC/DC变换器(2)的前级部分采用全桥结构，由四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管组成，其中每两个反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管串联后再并联。
7.根据权利要求1或5所述的基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器,其特征在于：DC/DC变换器(2)的前级部分采用二极管钳位结构，包含四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T13、T14、T15、T16和两个二极管D1、D2，T13的集电极和C1或C3的正极相连接，T13的发射极与D1的阴极和T14的集电极相连接，D1的阳极与C1或C3的负极、C2或C4的正极、D2的阴极、高频变压器T的一端相连接，T14的发射极与T15的集电极和高频变压器T的另一端相连接，T15的发射极与D2的阳极、T16的集电极相连接，T16的发射极与C2或C4的负极相连接，所述T13、T14、T15和T16的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T13、T14、T15和T16的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接。
8.根据权利要求1或5所述的基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器,其特征在于：DC/DC变换器(2)的前级部分采用T型三电平结构，包含两个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T17、T18和一个由T19和T20组成的反向阻断绝缘栅双极型晶体管，T17的集电极和C1或C3的正极相连接，T17的发射极与T18的集电极、T19的集电极、T20的发射极、高频变压器T的一端相连接，T19的发射极与T20的集电极、C1或C3的负极、C2或C4的正极、高频变压器T的另一端相连接，T18的发射极与C2或C4的负极相连接，所述T17、T18的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T17、T18的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接。
9.根据权利要求1或5所述的基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器,其特征在于：DC/DC变换器(2)的前级部分采用T型全桥结构，包含四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T21、T22、T23、T24、一个由T25和T26组成的反向阻断绝缘栅双极型晶体管，一个由T27和T28组成的反向阻断绝缘栅双极型晶体管，T21的发射极、T22的集电极、T25的集电极、T26的发射极、高频变压器T的一端相连接，T21的集电极、C1或C3的正极和T23的集电极相连接，T22的发射极、C2或C4的负极和T24的集电极相连接，T23的发射极、T24的集电极、T27的集电极和T28的发射极、高频变压器T的另一端相连接，C1或C3的负极、C2或C4的正极，T25的发射极、T26的集电极、T27的发射极和T28的集电极相连接，所述T21、T22、T23和T24的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T21、T22、T23和T24的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接。
10.根据权利要求2所述的基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器,其特征在于：模块化多电平变换器的调制比m≤2，m＝2vm/Vdc。
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