CN107579666B - 基于mmc矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MMC矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器及控制方法，电力电子变压器包括电力变压器和MMC矩阵变换器，电力电子变压器的初级绕组与电网连接，次级绕组采用星型连接，连接MMC矩阵变换器输入端，MMC矩阵变换器输出端通过LC滤波器后连接隔离变压器，隔离变压器一端与次级绕组相连，另一端连接负载。本发明提高了电力电子变压器的电能转化效率，提高了装置的紧凑型；变压器拓扑中的MMC矩阵变换器基于模块化多电平结构，使得装置能够应用于高压大功率场合；当电网发生故障时能够进行电压补偿，提高电网的电能质量；同时，矩阵变换器结构各桥臂支路相对独立，提高了控制策略的灵活性。

Description

基于MMC矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器及控制 方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种基于MMC矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器及控制方法。

背景技术

传统电力变压器作为电力系统的基本设备，具有结构简单、可靠性高的特点。然而随着电网系统的不断发展，传统电力变压器设备体积大、易产生谐波问题、电能质量无法保证等缺陷日益凸显。近年来，由于电力电子技术尤其是电力电子器件技术的高速发展，电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)作为一种新型的电力变压器受到越来越多国内外学者的关注和重视。电力电子变压器不仅兼具传统变压器隔离、变换电压、传递能量等功能，还可实现对潮流的控制以及电能质量的治理，其应用领域将十分广阔。但现有拓扑结构的电力电子变压器存在一些问题，特别是在电能质量的治理方面。

随着电网中设备装置种类、数量的不断增加，电能质量问题日益严重。因此，使用控制特性优良、输出电流质量较高的变换器显得尤为重要。在电力电子变压器的拓扑结构中，其变换器主要有AC-DC-AC变换器和AC-AC变换器两种。相比于AC-DC-AC多级型变换器，AC-AC变换器是一种单极型变换器，具有潜在的优势：(1)具有较高的电能转化效率；(2)中间没有直流环节，结构紧凑，易于模块化；(3)控制相对灵活；(4)可实现能量双向流动；(5)可控制输入侧为单位功率因数，不会产生谐波。

目前，两种变换器结构在电力电子变压器拓扑中均有研究。对于现有采用AC-DC-AC变换器的技术方案，由于其应用于中高压、大功率场合，其输入侧多采用H桥级联结构或模块化多电平变换器，其电容电压平衡控制十分复杂。同时，隔离环节需要多个DC-DC变换器以及中高频变压器，对电力电子变压器的功率密度不利。另一方面，对于现有采用AC-AC变换器的技术方案，受制于变换器中功率开关器件的耐压值，使其不适用于高压大容量的场合，限制了其应用范围。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于MMC矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器及控制方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于MMC矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器，包括电力变压器、MMC矩阵变换器、LC滤波器和隔离变压器；电力变压器的初级绕组与电网连接，次级绕组采用星型连接；次级绕组连接MMC矩阵变换器输入端，MMC矩阵变换器输出端经LC滤波器后连接隔离变压器，隔离变压器一端与次级绕组相连，另一端连接负载。

MMC矩阵变换器包含四个相同的桥臂，每个桥臂中包含串联的若干相同的H桥子模块，并串联一电感；每两个桥臂串联形成一组，两个桥臂分别构成上下桥臂，上下桥臂相连作为MMC矩阵变换器的输入端，引出每组上下桥臂的中点作为MMC矩阵变换器的输出端。

一种基于MMC矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器的控制方法，包括MMC矩阵变换器基本控制以及电压补偿控制，所述电压补偿控制主要包括电压检测及补偿电压计算和电压电流双环控制；当检测到电网发生故障时，将电压检测及补偿电压计算得到的补偿电压作为参考值，通过电压电流双环控制得到控制信号；电压电流双环控制中电压环采用PR控制器，电流环采用P控制器；将电压电流双环控制得到的控制信号与MMC矩阵变换器基本控制得到的控制信号结合，通过PWM调制生成功率器件的开关信号，实现动态电压补偿。

进一步地，所述电压检测及补偿电压计算：将三相电压由三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系后，采用对电压值求导的方法瞬时分离出直流分量；利用分离出的直流分量计算补偿电压幅值及相位角，再与电网正序基波电压有效值及相位角相比较，得到补偿电压。

进一步地，所述MMC矩阵变换器基本控制包括电压外环控制和电流内环控制，将电压外环控制的输出作为电流内环控制的输入参考指令信号，参考指令信号与桥臂电流相比较后，经过电流调节器作为电流内环控制的输出控制信号；输出控制信号经载波移相PWM调制，控制开关器件，实现电力电子变压器的基础控制。

进一步地，所述电压外环控制包括电容总电压平衡控制、桥臂间电容电压控制及子模块电容电压均衡控制；电容总电压平衡控制通过控制输入变换器的总有功功率，实现变换器桥臂中所有子模块的电容总电压平衡控制；桥臂间电容电压控制通过调整桥臂之间的有功功率分配，实现每一组上下桥臂中子模块的电容电压均衡控制；子模块电容电压均衡控制通过调整每个桥臂内子模块的输出电压，实现每个桥臂内子模块的电容电压均衡控制。

有益效果：相比于现有技术，本发明的有益效果如下：(1)电力电子变压器中MMC矩阵变换器采用直接AC-AC变换器，没有中间直流环节，使得装置的结构紧凑，电能转化率较高，体积较小，易于实现模块化；(2)MMC矩阵变换器基于其模块化特性可以使装置能够应用于更高电压等级场合；(3)采用电压电流双环控制，电压外环可以改善输出电压波形，提高输出精度；控制器采用PR控制器，相比PI控制器其控制环的结构更为简洁，降低了系统的计算量；电流内环采用P控制器，能够使系统获得较好的动态响应性能；(4)加入了低频控制方法，使得装置能够在输出低频工况下正常运行，克服了传统控制方法下装置在低频工况是无法正常运行的缺陷；(5)当电网发生电压跌路、骤升等故障时，可以对电压进行补偿，提高电网电能质量。

附图说明

图1是基于MMC矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器的拓扑结构图；

图2是MMC矩阵变换器的拓扑结构图；

图3是MMC矩阵变换器基本控制的控制框图；

图4是电容总电压平衡控制的控制框图；

图5是桥臂间电容电压控制的控制框图；

图6是子模块电容电压均衡控制的控制框图；

图7是电压检测及补偿电压计算原理框图；

图8是电压补偿控制总体框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示是基于MMC矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器拓扑结构图，主要包括电力变压器和MMC矩阵变换器。电力电子变压器的初级绕组与电网连接，次级绕组采用星型连接，连接MMC矩阵变换器输入端，MMC矩阵变换器输出端通过LC滤波器后连接隔离变压器，隔离变压器一端与次级绕组相连，另一端连接负载。

图2所示是电力电子变压器中MMC矩阵变换器拓扑结构图，MMC矩阵变换器为单相模块化多电平矩阵变换器，其结构包含四个相同的桥臂，每个桥臂中包含有n个参数相同的H桥子模块，并串联有一电感L，桥臂所在支路的电流为i_x(x＝1..4)。

H桥子模块由四个带有反并联二极管的IGBT(T1-T4)组成的可控全桥结构和直流侧储能电容C组成。每两个桥臂作为一组，经过串联构成上、下桥臂，引出每组上、下桥臂的中点作为MMC矩阵变换器的输出端，输出电流为i_L；两组的上、下桥臂分别相连作为MMC矩阵变换器的输入端。

图3为MMC矩阵变换器基本控制框图。MMC矩阵变换器基本控制主要包括电压外环控制和电流内环控制。电压外环控制采用多重控制方法，主要包括电容总电压平衡控制、桥臂间电容电压均衡控制和子模块电容电压均衡控制。电容总电压平衡控制通过控制输入到变换器的总有功功率，以实现变换器桥臂中所有子模块的电容总电压平衡控制；桥臂间电容电压控制通过调整桥臂之间的有功功率分配，以实现每一组上、下桥臂中子模块的电容电压均衡控制；子模块电容电压均衡控制通过调整每个桥臂内子模块的输出电压，以实现每个桥臂内子模块的电容电压均衡控制。将电压外环控制的输出作为电流内环控制的输入参考指令信号，参考指令信号与桥臂电流相比较后，经过电流调节器作为电流内环控制的输出控制信号。输出控制信号经载波移相PWM调制控制开关器件的开通/关断，从而实现对电力电子变压器的基础控制，保证其正常运行。

桥臂间电容电压控制部分输出量与变换器的输出电流i_L相加，再将结果的1/2作为电流指令信号。随后与电容总电压平衡控制的输出信号相加，最终分别得到上、下桥臂对应电流参考信号i_1ref、i_2ref，作为内环控制器的输入。参考信号分别与上下桥臂电流i₁、i₂做差比较之后，经过比例控制器，得到电流内环控制器的输出信号d_1ref、d_2ref，再与对应桥臂的PWM静态占空比D₁、D₂相加之后得到对应桥臂的公共占空比信号d₁、d₂。

在实际中，由于所用开关器件制造工艺等原因，子模块参数不可能完全相同。只通过上述控制无法实现电容电压的平衡，因此需要加入子模块电容电压均衡控制。经过子模块电容电压均衡控制后输出控制信号d_1j、d_2j(j＝1...N)经过载波移相PWM调制，控制开关器件的通断，从而实现对电力电子变压器的控制。

具体实施方案如下：采集MMC矩阵变换器内两组桥臂H桥子模块内直流侧储能电容的电压u_xy(x＝1,2；y＝1,...N；N＝2n)，分别计算其平均值u_xav(x＝1,2)。

其中，平均值u_xav(x＝1,2)如下式：

u_1av,u_2av分别作为电容总电压平衡控制和桥臂间电容电压控制的输入参数。

图4所示为电容总电压平衡控制部分控制框图，包括以下步骤：(1)对平均值u_1av,u_2av取平均值得到电容总电压平均值u_av；(2)将电容电压参考值u_dref与电容总电压平均值u_av相减，所得结果经过低通滤波器滤除电压中的谐波成分，然后经过PI调节器得到所需有功功率指令值P_ref；(3)有功功率指令值P_ref通过变换得到电流指令信号I_ref；(4)电流指令信号I_ref与将输入电压u_i锁相或单位化的信号cosωt相乘，得到电容总电压平衡控制的输出信号i_ref。

其中，电流指令信号I_ref如下式：

式中，U_im为输入电压最大值。

图5所示为桥臂间电容电压控制部分控制框图，包括以下步骤：(1)对平均值u_1av,u_2av做差后取平均值，再将结果经过低通滤波器滤，低通滤波器保留输出的二倍频纹波电压，输出经过PR控制器与PI控制器形成的复合控制器，得到有上、下桥臂有功功率指令值ΔP_ref。其中，PR控制器为：

式中，K_p1和K_r分别为PR控制器的比例、谐振系数，ω₂为输出电压角频率。

(2)有功功率指令值ΔP_ref经过变换后得到电流指令信号ΔI_ref。

(3)电流指令信号ΔI_ref与单位幅值方波相乘后得到桥臂间电容电压控制的输出信号Δi_ref。其中，电流指令信号ΔI_ref如下式：

式中，U_invo为变换器输出电压的幅值。

当装置工作在输出低频工况下，电容电压纹波中以二倍频分量为主，输出频率越低则电容电压波动越剧烈，使得装置难以正常运行，需要对装置进行低频控制。所述桥臂间电容电压均衡控制中，低通滤波器保留输出的二倍频纹波电压，并与直流分量共同参与反馈控制。然后经过PR控制器与PI控制器形成的复合控制器，在实现桥臂间电容电压均衡控制的同时实现低频纹波抑制。其中，PR控制器为：

式中，K_p1和K_r分别为PR控制器的比例、谐振系数，ω₂为输出电压角频率。

对于子模块电容电压均衡控制，由于两组桥臂的拓扑结构完全相同，以第一组桥臂为例进行说明。

图6为桥臂内子模块电容电压均衡控制框图，包括以下步骤：(1)第1组桥臂中所有子模块中直流电容电压平均值u_1av与第j个子模块中直流电容的电压u_1j相减，经过低通滤波器之后，经过PI调节器得到有功功率微调量ΔP_1jref；(2)有功功率微调量ΔP_1jref经过变换，与单位化后的桥臂电流相乘，得到电压修正量；(3)电压修正量经过变换最终得到占空比信号修正量Δd_1j；(4)占空比信号修正量与公共占空比信号d₁相加后得到各子模块最终的控制信号d_1j。

图7所示为基于MMC矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器的电压补偿控制中电压检测及补偿电压计算原理框图。将电网电压u_a,b,c经过锁相环得到相角ωt用于abc/dq0变换，电网电压u_a,b,c通过abc/dq0变换得到dq0坐标轴下的分量u_d、u_q。随后通过分别对u_d、u_q求导后分离出直流分量U_d、U_q。

具体过程为：

式中，ω为电网角频率；k为电网电压谐波次数且k＝4,7,10…。u_d′、u_q′分别为u_d、u_q的导数。

分离出直流分量后，通过计算可以得到补偿电压幅值U_sag以及相位角δ，将其同电网正序基波电压有效值以及相位角比较后就可以得到需要补偿的电压Δu。其中，所述补偿电压幅值及相角的计算过程为：

图8所示为基于MMC矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器的电压补偿总体控制框图，当发生电压跌落故障时，将三相电压由三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系后分离出直流分量，由于常规的低通滤波器或在一个移动窗内求平均值的方法都难以保证实时性。为消除时延，可以采用对电压值求导的方法瞬时分离出直流分量。利用已分离出的直流分量计算补偿电压幅值以及相位角，再与电网正序基波电压有效值及相位角相比较，得到补偿电压。利用补偿电压作为参考值，通过电压电流双环控制得到控制信号，双环控制中电压环采用PR控制器，在简化了控制环结构的同时可以实现输出的补偿电压无静差跟踪补偿电压参考值。电流环采用P控制器，着重完成加快动态响应速度的目标。将电压电流双环控制得到控制信号与前述基础控制信号结合，通过PWM调制生成功率器件的开关信号，以实现对电压跌落故障的治理。

分别对电容电压u_oa,b,c、变换器输出电流i_La,b,c、流过电容的电流i_ca,b,c经abc/αβ0变换得到其在αβ0坐标轴下的分量u_oα、u_oβ、i_Lα、i_Lβ、i_cα、i_cβ。当检测到电网发生故障时，将从电压检测及补偿电压部分得到的补偿电压Δu作为参考电压对变换器输出进行控制。Δu经abc/αβ0变换后分别作为α轴以及β轴的参考电压

的输入，随后经过PR控制器得到电流参考信号

分别与u_oα、u_oβ比较之后作为电流环的输入。电流控制环的输入信号分别与i_Lα、i_Lβ比较之后，经过P控制器，得到αβ0坐标系下的参考控制信号。最后经过abc/αβ0反变换得到三相参考控制信号，通过PWM调制及前述基础控制，得到开关器件的控制脉冲信号，实现动态电压补偿的功能。

本发明对电力电子变压器中变换器的拓扑结构进行改进，采用基于MMC矩阵变换器的形式。MMC矩阵变换器在结构上属于直接AC-AC变换器，电能转化效率较高，由于中间没有直流环节，使得变换器结构更为紧凑，进而减小了整个装置的体积。同时MMC矩阵变换器拓扑基于MMC结构，借助其模块化多电平特性，使得装置能够应用于更高电压等级场合。控制方法上采用电压外环控制以及电流内环控制，电压外环可以改善输出电压波形，提高输出精度。控制器采用PR控制器，相比PI控制器其控制环的结构更为简洁，降低了系统的计算量；电流内环采用P控制器，能够使系统获得较好的动态响应性能。同时，在电网电压发生电压跌落、骤升故障时能够进行电压补偿，提高电网的电能质量。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于MMC矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器，其特征在于：包括电力变压器、MMC矩阵变换器、LC滤波器和隔离变压器；

电力变压器的初级绕组与电网连接，次级绕组采用星型连接；次级绕组三相分别连接有一个MMC矩阵变换器，每个MMC矩阵变换器输出端经LC滤波器后连接隔离变压器，隔离变压器的输出端一端与次级绕组相连形成反馈，另一端连接负载。

2.根据权利要求1所述的基于MMC矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器，其特征在于：所述MMC矩阵变换器包含四个相同的桥臂，每个桥臂中包含串联的若干相同的H桥子模块，并串联一电感；

每两个桥臂串联形成一组，两个桥臂分别构成上下桥臂，上下桥臂相连作为MMC矩阵变换器的输入端，引出每组上下桥臂的中点作为MMC矩阵变换器的输出端。

3.根据权利要求2所述的基于MMC矩阵变换器的多功能混合型电力电子变压器，其特征在于：所述H桥子模块包括可控全桥结构和直流侧储能电容，所述可控全桥结构包括四个带有反并联二极管的IGBT。

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