CN108539987B - 一种模块化多电平直流固态变压器及其充电控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种模块化多电平直流固态变压器及其充电控制方法。该变压器包括两组MMC、高频变压器、电阻和开关，其中一组MMC连接高频变压器的原边，另一组MMC连接高频变压器的副边，原边侧MMC通过电阻和开关的并联结构连接直流电源，副边侧的MMC连接负载。该方法首先将直流变压器原边MMC每相所有2N个子模块投入，然后通过比较原边直流电流值与限定电流值的大小减少原边MMC子模块投入的数量，最后对每相投入的子模块数量在上下桥臂重新分配，并结合移相角确定原边MMC两的触发脉冲，实现直流变压器软充电。本发明减小了直流变压器原边直流电流和高频变压器的交流电流，在直流变压器充电过程中保护了功率子模块和高频变压器。

Description

一种模块化多电平直流固态变压器及其充电控制方法
技术领域
本发明涉及高压大功率电力电子技术，具体涉及一种模块化多电平直流固态变压器及其充电控制方法。
背景技术
近年来，由于交流输电存在着系统不稳定、输电损耗较大等缺点，交流输电的发展遇到瓶颈。而伴随着电力电子技术的飞速发展，直流输电又迎来新的发展契机。直流变压器作为直流输电系统的重要一环，目前利用电力电子器件的模块化多电平直流固态变压器被国内外学者广泛关注。模块化多电平直流固态变压器具有控制简单、环流小、故障处理能力强等特点，这对直流配电网显得尤为重要。然而模块化多电平直流固态变压器也存在着不足之处，由于模块化多电平直流固态变压器子模块电容充电初始阶段电压中存在着电流过冲，容易对电力电子器件和高频变压器造成损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模块化多电平直流固态变压器及其充电控制方法，以减小模块化多电平直流固态变压器充电电流，保护直流变压器安全稳定运行。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种模块化多电平直流固态变压器，包括两组MMC、高频变压器、电阻和开关，其中一组MMC连接高频变压器的原边，另一组MMC连接高频变压器的副边，原边侧MMC通过电阻和开关的并联结构连接直流电源，副边侧的MMC连接负载。
一种模块化多电平直流固态变压器的充电控制方法，包括如下步骤：
步骤1、将开关分闸，将直流变压器原边和副边MMC所有功率子模块的脉冲封锁；
步骤2、通过触发脉冲控制原边MMC所有功率子模块投入运行，将开关合闸；
步骤3、根据原边直流电流值确定原边MMC子模块的投入数量，若原边直流电流值小于限定电流值且每相投入的功率子模块数大于每相功率子模块总数的一半，则减少原边MMC功率子模块的投入数量，否则转至步骤4；
步骤4、对副边直流电压整定值与副边实际电压的差值进行PI调节，得到原边直流电流整定值；
步骤5、对原边直流电流整定值限幅后，得到原边直流电流整定值，再与原边直流电流实际值作差，并对差值进行PI调节，得到初级侧MMC两相的移相角；
步骤6、利用触发脉冲调整功率子模块电压状态，对每相投入的子模块数量在上下桥臂重新分配，使两个桥臂分别等周期交替同时投入N和m-N个功率子模块，再将移相角与上述脉冲结合得到原边子模块触发脉冲，实现直流变压器软充电过程，其中2N为每相功率子模块总数，m为确定原边MMC子模块的投入数量。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明对模块化多电平直流固态变压器的拓扑结构进行了优化，在直流电源与直流变压器之间接入了电阻与开关的并联电路，在变压器投入运行之前，通过接入电阻减小了充电电流；2)本发明还通过新型的控制方法减小了直流变压器原边直流电流和高频变压器的交流电流，在直流变压器充电过程中保护了功率子模块和高频变压器。
附图说明
图1是本发明模块化多电平直流固态变压器拓扑图。
图2是本发明模块化多电平直流固态变压器的充电控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明方案。
如图1所示，模块化多电平直流固态变压器，包括两组MMC、高频变压器、电阻和开关，其中一组MMC连接高频变压器的原边，另一组MMC连接高频变压器的副边，原边侧MMC通过电阻和开关的并联结构连接直流电流源，副边侧的MMC连接负载。
作为一种具体实施方式，所述MMC为两相模块化多电平变流器，所述两相模块化多电平变流器的每一相分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由N个串联的功率子模块构成，每个两相模块化多电平变流器上半桥臂和下半桥臂的连接点连接高频变压器，构成H桥结构。
作为一种更具体实施方式，所述功率子模块为全桥变换器或半桥变换器，所述半桥变换器包括两个功率开关管与二极管反向并联的电路拓扑，所述拓扑串联后，再与电容器并联；所述全桥变换器包括四个功率开关管与二极管反向并联的电路拓扑，所述拓扑两两串联后并联，再与电容器并联。
作为一种最具体实施方式，所述功率开关管为电力场效应管或绝缘栅双极晶体管。
如图2所示，模块化多电平直流固态变压器的充电控制方法，主要针对原边直流电流和变压器电流过冲的问题，包括如下步骤：
步骤1、当变压器刚开始投入时，将开关分闸，并封锁直流变压器原边和副边MMC所有功率子模块的脉冲，即功率子模块不投入运行，直流电源通过电阻与直流变压器并联，可以有效减小直流电流初始值，使原边直流电流小于限定电流值Ipeak。
步骤2、通过触发脉冲控制原边MMC每相所有2N个子模块处于投入状态，副边MMC所有功率子模块仍处于封锁状态，并将开关合闸。
步骤3、根据原边直流电流值idc确定原边MMC子模块的投入数量，若原边直流电流idc小于限定电流值Ipeak且每相投入的功率子模块数m大于每相功率子模块总数的一半N，则每相投入子模块数量减1，在减少子模块投入数量的同时会使原边直流电流增加，直到原边直流不满足条件为止，否则转至步骤4。上述过程可以使子模块投入到正常工作状态时的电流不存在过冲现象，保护电力电子器件。除此之外，还对初级侧MMC两相电路进行移相调节，即下述步骤。
步骤4、对副边直流电压整定值Uref与副边实际电压udcS的差值进行PI调节，得到原边直流电流整定值；
步骤5、对原边直流电流整定值限幅后，得到原边直流电流整定值Iref，再与原边直流电流实际值作差，并对差值进行PI调节，得到原边MMC两相的移相角
Figure BDA0001661626340000031
步骤6、根据模块化多电平直流变压器的新型调制原理，利用触发脉冲调整功率子模块电压状态，对每相投入的子模块数量在上下桥臂重新分配，使两个桥臂分别等周期交替同时投入N和m-N个功率子模块，再将移相角
Figure BDA0001661626340000032
与上述脉冲结合得到原边子模块触发脉冲，实现直流变压器软充电过程。上述过程通过对原边两相进行移相调节，使交流电压出现电压为零的状态，减小了交流电压和交流电流，有效解决了交流电流过冲的问题。

Claims (5)

1.一种模块化多电平直流固态变压器的充电控制方法，其特征在于，所述模块化多电平直流固态变压器包括两组MMC、高频变压器、电阻和开关，其中一组MMC连接高频变压器的原边，另一组MMC连接高频变压器的副边，原边侧MMC通过电阻和开关的并联结构连接直流电源，副边侧的MMC连接负载；所述充电控制方法包括如下步骤：
步骤1、将开关分闸，将直流固态变压器原边和副边MMC所有功率子模块的脉冲封锁；
步骤2、通过触发脉冲控制原边MMC所有功率子模块投入运行，将开关合闸；
步骤3、根据原边直流电流值确定原边MMC子模块的投入数量，若原边直流电流值小于限定电流值且每相投入的功率子模块数大于每相功率子模块总数的一半，则减少原边MMC功率子模块的投入数量，直到原边直流电流值不能满足条件为止，否则转至步骤4；
步骤4、对副边直流电压整定值与副边实际电压的差值进行PI调节，得到原边直流电流整定值；
步骤5、对原边直流电流整定值限幅后，得到限幅后的原边直流电流整定值，再与原边直流电流实际值作差，并对差值进行PI调节，得到原边MMC两相的移相角；
步骤6、利用触发脉冲调整功率子模块电压状态，对每相投入的子模块数量在上下桥臂重新分配，使两个桥臂分别等周期交替同时投入N和m-N个功率子模块，再将移相角与上述脉冲结合得到原边子模块触发脉冲，实现直流变压器软充电过程，其中2N为每相功率子模块总数，m为确定原边MMC子模块的投入数量。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平直流固态变压器的充电控制方法，其特征在于，所述MMC为两相模块化多电平变流器，每个两相模块化多电平变流器每一相的中点连接高频变压器，构成H桥结构。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平直流固态变压器的充电控制方法，其特征在于，所述两相模块化多电平变流器的每一相分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由N个串联的功率子模块构成。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平直流固态变压器的充电控制方法，所述功率子模块为全桥变换器或半桥变换器，所述半桥变换器包括两个功率开关管与二极管反向并联的电路拓扑，所述拓扑串联后，再与电容器并联；所述全桥变换器包括四个功率开关管与二极管反向并联的电路拓扑，所述拓扑两两串联后并联，再与电容器并联。
5.根据权利要求4所述的模块化多电平直流固态变压器的充电控制方法，其特征在于，所述功率开关管为电力场效应管或绝缘栅双极晶体管。
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