CN107800299A - 基于mmc高频变换的模块化直流变换系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MMC高频变换的模块化直流变换系统及其控制方法，直流变换系统包括多个级联的变换模块，每个变换模块包括两个子变换器MMCi1、MMCi2和中/高频变压器，其中i表示第i个模块，该直流变换系统的输入端为高压，采用多个变换模块输入串联的结构；直流变换系统的输出端可以是高压，也可以是低压，采用多个变换模块输出串联实现高压输出，采用多个变换模块输出并联实现低压输出。本发明可以通过控制MMCi1的输出电压v Ai 、v Bi 、v Ci 和MMCi2的输出电压v ai 、v bi 、v ci 来控制电流i Ai 、i Bi 、i Ci 的流向，即实现功率流向的控制，完成电压的变换和隔离。

Description

基于MMC高频变换的模块化直流变换系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于MMC高频变换的模块化直流变换系统，其输入端采用变换模块输入串联承受高压，当输出端采用变换模块输出串联时适用于高压到高压双向变换的应用场合，当输出端采用变换模块输出并联时适用于高压到低压的双向变换应用场合。
背景技术
由于新能源的大力开发利用与电力电子技术的发展及能源互联网的推动，直流电网技术发展迅速。现有研究表明，直流电网技术是解决跨区域、大范围电力传输及分配、大规模广域分布式新能源开发和利用等问题的有效途径，可极大缓解大电网与分布式能源之间的矛盾，充分发挥分布式能源的效益。发展直流电网已得到世界各国专家及学者的广泛关注与认可。
目前，国内外在高压直流电网方面的研究集中于柔性直流输电技术的开发及其在大规模可再生能源接入、非同步电网互联、多端直流电网的应用研究，当前，国内外也有多个柔性直流输电的实际工程投入运行。在低压直流电网方面，世界范围内也有多种应用于不同场景的小型直流电网实验或示范项目建成。随着直流电网的快速发展，作为高压直流电网和低压直流电网的联接枢纽、配电环节和过渡网络，中压直流电网的研究与应用也吸引了国内外专家、学者广泛的关注。高压、中压、低压直流电网的互联是直流电网发展的必然趋势。而作为柔性直流电网互联的关键运行设备—直流变换系统应具备：大功率、全隔离、高低压输入输出等功能。传统的低压小容量DC/DC变换器已经研究的比较成熟，可以应用在低压直流微网中直流负荷，分布式电源等的接入。大功率直流变换器作为柔性直流配网中的关键环节，不仅实现不同交流、直流电压等级的变换，还实现高低压直流配电网的隔离和功率的灵活控制。进一步的，由于直流变换器普遍采用高速电力电子器件、高频变压器和模块化的结构，使得直流变换器具有动态响应快、功率密度高、易于冗余设计的优点。
目前主流的模块化直流变换拓扑有两种，一种是基于双主动全桥(dual-active-bridge，DAB)的输入串联输出并联(ISOP)型DC/DC变换器的结构。由于该结构高压侧的H桥为电容直接串联，当某一个DC/DC变换器出现故障时，不能直接通过机械开关将此部分电路旁路，因为这会将该DC/DC变换器高压侧的直流电容短路，当故障解除后，需要对该电容重新充电，这就增加了故障的恢复时间，降低了系统的可靠性。但是，直流变换系统需要很高的可靠性，即当内部部分模块出现故障时应该具备自动旁路的功能，而不应该使得整个直流变换系统停止工作，故该类拓扑不能直接用于直流变换系统。
另外一种主流的拓扑是模块化多电平结构的直流变换系统。因为模块化多电平结构可以通过子模块的级联提高工作电压，使得其适合在高压DC/AC场合下的应用。为了使得该结构能够应用在DC/DC场合，有学者提出了使用两个MMC实现DC/AC-AC/DC变换的结构，该结构中间AC环节使用一个高频变压器进行隔离。一般来说，中间的高频环节可以使用采用正弦波调制，由于交流环节工作在高频下，载波移相后的开关频率通常要高于交流侧的输出频率，因此可以使用基于基波的最近电平调制策略，与其他调制策略相比，该调制方法可以略微提高功率因数，降低大功率高频变压器的制作难度。但是与正弦波调制相比，方波具有更高的直流电压利用率和更高的功率传输能力，因此，具有更小的电流应力，这种特性使得方波调制在DC/DC的高频环节上更有吸引力。但是，方波在上升和下降沿处会有很高的电压变化率，这就意味着交流环节端口的高频变压器需要承受很高的dv/dt。为了解决这个问题，有学者提出了准两电平的调制策略，该策略可以降低变压器的dv/dt，使得MMC应用在超高压的DC/DC成为可能。但是由于该方法提高电压了电压高低电平变化的过渡时间，所以与直接采用方波调制相比，会带来一定的功率损失。同时，以目前的高频变压器生产工艺，很难开发出上百千伏的绝缘等级，但是有兆瓦级别的容量的高频变压器，通常只能通过降低工作频率来获得较高绝缘等级，这就限制了该拓扑在高压直流(HVDC)输电中的应用。为了解决这个问题，有学者提出了将多个小容量高频变压器串联来替代单个高频变压器的结构，但是该结构使用了多个变压器直接串联，受变压器参数影响容易造成每个高频变压器的输入电压不均。因此研究一个可靠且可行的直流变压器拓扑结构具有十分重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于MMC高频变换的模块化直流变换系统及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于MMC高频变换的模块化直流变换系统，包括多个级联的变换模块；每个所述变换模块均包括两个子变换器和一个高频变换器；所述两个子变换器通过所述高频变换器连接；第一个子变换器包括N个串联的功率子模块，第二个子变换器包括M个串联的功率子模块，且N和M为整数，N和M均大于或等于1。
所述功率子模块为半桥型结构，包括一个电容、两个串联的IGBT及与每个IGBT反向并联的二极管；所述电容与IGBT所在支路并联；当半桥型结构的上桥臂IGBT导通时，表示该半桥型结构的电容投入，此时半桥型结构的输出等于电容电压Cixy上的电压Ucixy，当半桥型结构的下桥臂IGBT导通时，表示该半桥型结构的电容旁路，此时半桥型结构的输出等于0。
本发明还提供了一种上述基于MMC高频变换的模块化直流变换系统的控制方法，包括以下三种控制模式：
当模块化直流变换系统运行在HV2定电压控制模式中，HV1母线电压固定，控制器采用电压闭环控制，将HV2的电压参考值Vi2ref与采样的第i个变换模块的第二个子变换器直流侧电压Vi2做差后送入控制器后得到第一个子变换器的输出电压vNi和第二个子变换器的输出电压vMi之间的相位移相角δ，将δ送入PWM调制中得到开关信号，控制功率子模块中IGBT的通断，完成控制；Ni＝a,b,c；Mi＝a,b,c；其中，HV1表示低压，HV2表示高压；
当模块化直流变换系统运行在HV1电压控制模式中，HV2母线电压固定，控制器采用电压闭环控制，将HV1的电压参考值Vi1ref与采样的第i个变换模块的第一个子变换器直流侧电压Vi1做差后送入控制器得到第一个子变换器的输出电压vNi和第二个子变换器的输出电压vMi之间的相位移相角δ，将δ送入PWM调制中得到开关信号，控制功率子模块中IGBT的通断，完成控制；
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明采用的是分布式的高频变换结构，降低了单个变压器上的dv/dt。高频侧采用的是高频阶梯波，与正弦波相比提高了功率传输能力，与方波相比降低了变压器上的dv/dt。与高频变压器直接串联的拓扑相比，具有变压器输入电压钳位功能，变压器的功率分配更均匀，且单个变压器故障时，可以直接旁路该模块，不会直接短路掉模块的电容，也不会使得整个变压器停止工作，提高了可靠性。
附图说明
图1(a)～图1(d)为基于分布式高频变换的模块化直流变换系统结构示意图；图1(a)变换模块输入串联输出串联；图1(b)变换模块输入串联输出并联；图1(c)单相四桥臂结构的子变换器；图1(d)三相六桥臂结构的子变换器；
图2(a)HV1(HV)电压控制模式；图2(b)HV2(LV)电压控制模式。
具体实施方式
图1(a)～图1(d)为基于分布式高频变换的模块化直流变换系统结构示意图，包括多个级联的变换模块，每个变换模块包括两个子变换器MMCi1、MMCi2及高频变压器，其中i表示第i个模块。子变换器MMCi1和MMCi2均采用MMC结构，可以是单相四桥臂结构也可以是三相六桥臂结构；当采用单相四桥臂结构时，变压器为单相中/高频变压器，当采用三相六桥臂结构时，变压器为三相中/高频变压器。子变换器MMCi1(MMCi2)由功率子模块、桥臂电感、直流侧电容构成；功率子模块的采用半桥型结构。每个半桥结构包括直流侧电容、两个IGBT及与IGBT反向并联的二极管。半桥结构特征在于，当半桥模块上IGBT即Six1或Six3(x＝a,b,c,d)导通时，表示该半桥模块的电容投入，此时半桥模块的输出等于电容电压Cixy上的电压Ucixy(y＝1,2,3,4)，当半桥模块下IGBT即Six2或Six4导通时，表示该半桥模块的电容旁路，此时半桥模块的输出等于0。对于MMCi1子变换器，取三其中A相来进行分析。子变换器正常运行时，直流分量流过桥臂电感不会产生电势降落，交流分量在上下桥臂电感引起的电压分量方向相反可以互相抵消。因此上桥臂电压upA与下桥臂电压unA之和为第i个模块的直流侧电压Udci。为了保障子变换器的正常运行，直流侧电压和功率子模块上的电压必须保持恒定，因此在任意时刻投入状态中的子模块数目应相等且不变。在此变换器中任意时刻投入的功率子模块为N，每个功率子模块电容上电压为Udci/N。以子变换器电容中点为参考电位点，则输出端电压为上桥臂电压与下桥臂电压之差，通过控制上桥臂电压upa和下桥臂电压una从而控制输出电压uAi。由于上下桥臂由2N个功率子模块单元组成，因此可以N+1个电平，这N+1个电平分别为 输出电压uAi为阶梯波，通过控制输出电压uAi和第二个子模块MMCi2输出电压之间的移相角δ来控制子变换器之间的功率流向，从而完成电压的变换和隔离。
该直流变换系统的输入端是高压(High Voltage,HV)，多个变换模块输入串联后作为输入端；该直流变换系统的输出端可以是高压(How Voltage,HV)，也可以是低压(LowVoltage,LV)，多个变换模块输出端串联后输出高压，多个变换模块输出端并联后输出低压。输入端的高压和输出端的高压都是直流。
当控制器输出各IGBT的驱动信号，通过控制第一个子变换器MMCi1输出电压vNi(N＝A,B,C)和第二子变换器MMCi2输出电压vMi(M＝a,b,c)之间的相位移相角δ，从而控制子变换器输出电流的方向，从而实现两个子变换器之间的功率流向和大小的控制，完成直流电压的变换。
首先根据需求选择该直流变换系统的运行模式，图2(a)～图2(c)为基于分布式高频变换的模块化直流变换系统控制框图，当该直流变换系统运行在HV2(LV)电压控制模式中，HV1(HV)母线电压固定，控制器采用定电压控制，通过将HV2(LV)的电压参考值Vi2ref与采样的电压Vi2做差后送入控制器，此处及以下的控制器可以是PI，P，无差拍，PR控制和预测控制等，得到vNi(N＝A,B,C)和第二子变换器的输出电压vMi(M＝a,b,c)之间的相位移相角δ，δ送入PWM调制中得到开关信号，控制功率子模块中IGBT的通断，完成控制。当该直流变换系统运行在HV1(HV)电压控制模式中，HV2(LV)母线电压固定，控制器采用定电压控制，通过将HV1(HV)的电压参考值Vi1ref与采样的电压Vi1做差后送入控制器，得到vNi(N＝A,B,C)和第二子变换器的输出电压vMi(M＝a,b,c)之间的相位移相角δ，δ送入PWM调制中得到开关信号，控制功率子模块中IGBT的通断，完成控制。

Claims (5)

1.一种基于MMC高频变换的模块化直流变换系统，其特征在于，包括多个级联的变换模块；每个所述变换模块均包括两个子变换器和一个高频变换器；所述两个子变换器通过所述高频变换器连接；第一个子变换器包括N个串联的功率子模块，第二个子变换器包括M个串联的功率子模块，且N和M为整数， N和M均大于或等于1。
2.根据权利要求1所述的基于MMC高频变换的模块化直流变换系统，其特征在于，所述两个子变换器均为单相四桥臂结构。
3.根据权利要求1所述的基于MMC高频变换的模块化直流变换系统，其特征在于，所述两个子变换器均为三相六桥臂结构。
4.根据权利要求1所述的基于MMC高频变换的模块化直流变换系统，其特征在于，所述功率子模块为半桥型结构，包括一个电容、两个串联的IGBT及与每个IGBT反向并联的二极管；所述电容与IGBT所在支路并联；当半桥型结构的上桥臂IGBT导通时，表示该半桥型结构的电容投入，此时半桥型结构的输出等于电容电压Cixy上的电压Ucixy，当半桥型结构的下桥臂IGBT导通时，表示该半桥型结构的电容旁路，此时半桥型结构的输出等于0。
5.一种权利要求1～4之一所述的基于MMC高频变换的模块化直流变换系统的控制方法，其特征在于，包括以下三种控制模式：
当模块化直流变换系统运行在HV2定电压控制模式中，HV1母线电压固定，控制器采用电压闭环控制，将HV2的电压参考值Vi2ref与采样的第i个变换模块的第二个子变换器直流侧电压Vi2做差后送入控制器后得到第一个子变换器的输出电压v Ni 和第二个子变换器的输出电压v Mi 之间的相位移相角δ，将δ送入PWM调制中得到开关信号，控制功率子模块中IGBT的通断，完成控制；Ni =a,b,c；Mi=a,b,c；其中，HV1表示低压，HV2表示高压；
当模块化直流变换系统运行在HV1电压控制模式中，HV2母线电压固定，控制器采用电压闭环控制，将HV1的电压参考值Vi1ref与采样的第i个变换模块的第一个子变换器直流侧电压Vi1做差后送入控制器后得到第一个子变换器的输出电压v Ni 和第二个子变换器的输出电压v Mi 之间的相位移相角δ，将δ送入PWM调制中得到开关信号，控制功率子模块中IGBT的通断，完成控制。
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