CN109067218B - 一种基于多电平子模块的固态变压器拓扑构造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于多电平子模块的固态变压器拓扑构造方法，为减少基于多电平子模块的固态变压器架构的子模块单元数量和所需的高频变压器数量，需要采用多电平的MMC子模块和DAB输入端模块。根据本发明提出的拓扑构造方法，将多电平子模块分类为单极型，隔直电容型和双极型。MMC子模块需采用单极型的方式实现模块升压，降低模块数量；而DAB输入端模块则需采用隔直电容型和双极型，从而避免高频交流侧方波电压的直流偏置，提高高频变压器利用率。通过排列组合的方式，可构造出多种拓扑结构，为不同应用场景下的模块化固态变压器拓扑的选型打下基础。

Description

一种基于多电平子模块的固态变压器拓扑构造方法
技术领域
本发明涉及电力系统中智能配电网技术、电力电子技术等领域，具体地，涉及一种模块化固态变压器，以及由其构建基于多电平子模块的固态变压器拓扑的方法。
背景技术
可再生能源往往以分布式电源的形式接入配电网，转化为电能供给终端用户。然而，传统配电网的运行模式基本是以供方主导、单向辐射状供电为主，其配电一次控制设备(有载调压器、联络开关等)调控能力欠缺，难以满足可再生能源和负荷频繁波动时配电网的高精度实时运行优化需求，且在配网的规划设计阶段和运行管理中，均未考虑分布式电源的接入。随着分布式电源接入量的不断增加，更有电动汽车的快速普及，储能和可控负荷的持续增多，现有配电网架构已很难满足新能源消纳、灵活调控及用户对环境保护、供电可靠性、电能质量和优质服务的要求。
因此，随着电力电子技术的发展，未来配电系统将通过电力电子变压器形成网状的多电压等级交直流混合配电架构。电力电子变压器位于多类型配电网络的中心节点处，将取代传统的配电变压器，需要满足多端口、高变比、多电压形态、故障隔离、高效电能传输等基本需求，并实现多向功率可控、提供多种即插即用接口等高级功能。
经检索，李子欣等发表的“面向中高压智能配电网的电力电子变压器研究”，《电网技术》(2013)，提出了一种基于模块化多电平换流器(MMC)和双有源桥(DAB)的电力电子变压器拓扑结构，实现多种交直流配电网的互联。但该拓扑的中压网络和低压网络间需通过中压直流母线实现功率传递，导致MMC开关器件的电流应力较大。此外，中压直流母线上需额外串联电容以实现MMC和DAB，增加了装置成本。该拓扑存在较大的优化空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提出一种基于多电平子模块的固态变压器拓扑构造方法。
本发明方法基于一种新的模块化固态变压器拓扑，和现有MMC型固态变压器相比，省去了MMC中压直流侧的串联电容，优化了开关器件的电流应力，大大降低了装置体积和成本，为降低该固态变压器的模块数量，通过将不同多电平拓扑单元分类，分析MMC子模块和DAB单元的特性需求，并选择恰当的组合，构造出多种基于多电平子模块的新型固态变压器拓扑。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于多电平子模块的固态变压器拓扑构造方法，包括：
将多电平拓扑分为单极性多电平拓扑、双极性多电平拓扑以及隔直电容型多电平拓扑；所述单极性多电平拓扑、所述双极性多电平拓扑是根据各多电平拓扑交流输出极性的不同进行划分；所述隔直电容型多电平拓扑是指：单极性的多电平拓扑在交流侧串联隔直电容，转换为双极性拓扑；
进行所述基于多电平子模块的固态变压器拓扑构造时，其中：
模块化多电平换流器(MMC)子模块升压采用单极性多电平拓扑；
隔离型双有源桥变换器(DAB)输入级采用隔直电容型多电平拓扑或双极性多电平拓扑；
模块化多电平换流器(MMC)子模块和隔离型双有源桥变换器(DAB)单元输入级在直流侧实现互联；
隔离型双有源桥变换器(DAB)的输出级并联形成低压直流母线，隔离型双有源桥变换器(DAB)输出级拓扑采用全桥结构；
通过上述各部分排列组合，构造出多种基于多电平子模块的固态变压器拓扑。
优选地，所述进行所述基于多电平子模块的固态变压器拓扑构造，其基于模块化固态变压器拓扑，所述模块化固态变压器由模块化多电平换流器(MMC)、多个隔离型双有源桥变换器(DAB)以及三相全桥逆变器构成，其中，所述模块化多电平换流器(MMC)的子模块直流端和所述隔离型双有源桥变换器(DAB)的输入端互联，形成模块化结构，多个所述隔离型双有源桥变换器(DAB)的输出端并联，形成一条低压直流母线，并在所述低压直流母线上接入所述三相全桥逆变器；
所述模块化固态变压器通过模块化多电平换流器(MMC)形成中压直流端口和中压交流端口，所述隔离型双有源桥变换器(DAB)的输出侧并联形成低压直流端口，通过三相全桥逆变器形成低压交流端口。
优选地，所述模块化多电平换流器(MMC)子模块和隔离型双有源桥变换器，两者的拓扑电平数需要匹配，以保证开关管耐压等级一致。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种新型的固态变压器拓扑，该拓扑通过子模块直流侧进行中低压网络间的功率传递，MMC的桥臂电流直流分量显著下降，降低了MMC开关器件的电流应力；此外直接采用MMC子模块电容实现MMC和DAB单元互联，省去了现有MMC型电力电子变压器拓扑中的中压直流侧串联电容，显著减少了装置成本和体积。
本发明为基于多电平子模块的新型固态变压器拓扑提供了一套完整的拓扑构造方法，在不同应用场景下可依据该方法进行多电平子模块的设计。
本发明实施例所构造出的各个拓扑结构均可用于降低固态变压器拓扑中的子模块单元数量和所需的高频变压器数量，并实现多电压等级多交直流形态的配电网互联。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的固态变压器基本架构示意图；
图2为本发明一实施例的三电平拓扑分类示意图；
图3为本发明一实施例的三电平子模块拓扑组合方式一示意图；
图4为本发明一实施例的三电平子模块拓扑组合方式二示意图；
图5为本发明一实施例的三电平子模块拓扑组合方式三示意图；
图6为本发明一实施例的三电平子模块拓扑组合方式四示意图；
图7为本发明一实施例的三电平子模块拓扑组合方式五示意图；
图8为本发明一实施例的三电平子模块拓扑组合方式六示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明部分实施例中，首先提出了一种新型的固态变压器拓扑，该拓扑通过子模块直流侧进行中低压网络间的功率传递，MMC的桥臂电流直流分量显著下降，降低了MMC开关器件的电流应力；此外直接采用MMC子模块电容实现MMC和DAB单元互联，省去了现有MMC型电力电子变压器拓扑中的中压直流侧串联电容，显著减少了装置成本和体积。具体的：
如图1中所示，所述模块化固态变压器拓扑，由模块化多电平换流器(MMC)、多个隔离型双有源桥变换器(DAB)以及三相全桥逆变器构成，其中，所述模块化多电平换流器(MMC)的子模块直流端和所述隔离型双有源桥变换器(DAB)的输入端互联，形成模块化结构，多个所述隔离型双有源桥变换器(DAB)的输出端并联，形成一条低压直流母线，并在所述低压直流母线上接入所述三相全桥逆变器；
所述模块化固态变压器通过模块化多电平换流器(MMC)形成中压直流端口和中压交流端口，所述隔离型双有源桥变换器(DAB)的输出侧并联形成低压直流端口，通过三相全桥逆变器形成低压交流端口。
所述模块化多电平换流器(MMC)的子模块采用半桥的方式。
所述模块化多电平换流器(MMC)的交流端口与中压交流配电网相连，中压直流端口与中压直流配电网相连。
所述隔离型双有源桥变换器(DAB)采用双向隔离型全桥结构，输入级全桥直流侧和所述模块化多电平换流器(MMC)的子模块直流侧互联，中间级采用高频变压器，输出级全桥直流侧则将多个所述隔离型双有源桥变换器(DAB)并联，形成低压直流端口，可与低压直流配电网相连。
所述低压直流母线通过所述三相全桥逆变器，使整个模块化固态变压器提供低压交流端口，该端口可与低压交流配电网相连。
上述的模块化固态变压器拓扑中压交流侧接入模块化多电平换流器(MMC)，MMC的各个子模块直流侧和一个隔离型双有源桥变换器(DAB)输入端互联，形成模块化单元结构，所有DAB的输出端并联形成直流低压母线，并在低压直流母线接入三相全桥逆变器，形成低压交流端口。为减少该拓扑架构的子模块单元数量和所需的高频变压器数量，需要采用多电平的MMC子模块和DAB输入端模块。
为此，本发明基于上述的模块化固态变压器拓扑结构，通过将不同多电平拓扑单元分类，分析MMC子模块和DAB单元的特性需求，并选择恰当的组合，构造出多种基于多电平子模块的新型固态变压器拓扑。具体的：
根据各多电平拓扑交流输出极性的不同，将多电平拓扑分为单极性和双极性，此外，单极性的多电平拓扑可在交流侧串联隔直电容，转换为双极性拓扑，因此总共可分类为单极性多电平拓扑，双极性多电平拓扑以及隔直电容型多电平拓扑三类。对于MMC子模块而言，从模块升压需求上来说，不需要双极性拓扑，因此MMC子模块升压需采用单极性多电平拓扑。对于DAB子模块而言，其交流侧接入高频变压器，若交流电压带有直流偏置，将会降低变压器利用率，因此DAB输入级需采用隔直电容型或双极性多电平拓扑。MMC子模块和DAB单元输入级在直流侧实现互联，为保证开关管耐压等级一致，两者的拓扑电平数需要匹配，例如，三电平MMC子模块需和三电平DAB互联，五电平MMC子模块需和五电平DAB互联，以此类推。DAB的输出级并联形成低压直流母线，因此DAB输出级拓扑的耐压需求较低，采用传统的全桥结构即可。
以三电平子模块的固态变压器拓扑构造为例。首先将常见的几种三电平拓扑分为三类，单极性拓扑包括半桥级联型拓扑，二极管钳位型三电平拓扑；隔直电容型拓扑包括串联隔直电容的半桥级联型拓扑；双极性拓扑包括二极管钳位型三电平拓扑(中性点输出)，全桥型拓扑。
随后，确定MMC子模块拓扑采取单极性拓扑，DAB输入级拓扑采取双极性拓扑和隔直电容型拓扑，DAB输出级拓扑采取全桥结构，通过排列组合，总共可以构造出六种基于多电平子模块的固态变压器拓扑。
采用更多的三电平拓扑，可以用本发明上述方法构造出更多的固态变压器子模块拓扑。
采用五电平或其他电平的拓扑，亦可采用本发明上述方法实现固态变压器拓扑构造。
具体的，参照图1-8所示，在一具体实施例中：
如图1所示，为本实施例中的固态变压器基本架构示意图，其中：SM是指MMC变换器中的子模块，DAB是指DAB变换器单元，两者在直流侧实现互联，DAB输出侧并联形成低压直流母线，可在该母线上接入逆变器形成低压交流母线。因此，通过MMC和DAB的组合，该固态变压器可形成中压交流，中压直流，低压交流，低压直流四个端口。
如图2所示，为本实施例的三电平拓扑分类示意图，其中：MMC的子模块SM采用单极型三电平拓扑，包括半桥级联型拓扑，二极管钳位型三电平拓扑。而DAB变换器输入侧采用隔直电容型拓扑或双极型拓扑，包括串联隔直电容的半桥级联型拓扑，二极管钳位型三电平拓扑(中性点输出)，全桥型拓扑。
如图3所示，为本实施例的三电平子模块拓扑组合方式一示意图，其中：MMC子模块SM侧采用半桥级联型拓扑，DAB变换器输入侧采用串联隔直电容的半桥级联型拓扑。
如图4所示，为本实施例的三电平子模块拓扑组合方式二示意图，其中：MMC子模块SM侧采用半桥级联型拓扑，DAB变换器输入侧采用全桥型拓扑。
如图5所示，为本实施例的三电平子模块拓扑组合方式三示意图，其中：MMC子模块SM侧采用半桥级联型拓扑，DAB变换器输入侧采用二极管钳位型三电平拓扑(中性点输出)。
如图6所示，为本实施例的三电平子模块拓扑组合方式四示意图，其中：MMC子模块SM侧采用二极管钳位型三电平拓扑，DAB变换器输入侧采用串联隔直电容的半桥级联型拓扑。
如图7所示，为本实施例的三电平子模块拓扑组合方式五示意图，其中：MMC子模块SM侧采用二极管钳位型三电平拓扑，DAB变换器输入侧采用全桥型拓扑。
如图8所示，为本实施例的三电平子模块拓扑组合方式六示意图，其中：MMC子模块SM侧采用二极管钳位型三电平拓扑，DAB变换器输入侧采用二极管钳位型三电平拓扑(中性点输出)。
根据本发明上述实施例，将多电平子模块分类为单极型，隔直电容型和双极型。MMC子模块采用单极型的方式实现模块升压，降低模块数量；而DAB输入端模块则采用隔直电容型和双极型，从而避免高频交流侧方波电压的直流偏置，提高高频变压器利用率。通过排列组合的方式，可构造出多种拓扑结构，为不同应用场景下的模块化固态变压器拓扑的选型打下基础。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种基于多电平子模块的固态变压器拓扑构造方法，其特征在于包括：
将多电平拓扑分为单极性多电平拓扑、双极性多电平拓扑以及隔直电容型多电平拓扑；所述单极性多电平拓扑、所述双极性多电平拓扑是根据各多电平拓扑交流输出极性的不同进行划分；所述隔直电容型多电平拓扑是指：单极性的多电平拓扑在交流侧串联隔直电容，转换为双极性拓扑；
进行所述基于多电平子模块的固态变压器拓扑构造时，其中：
模块化多电平换流器（MMC）子模块升压采用单极性多电平拓扑；
隔离型双有源桥变换器（DAB）输入级采用隔直电容型多电平拓扑或双极性多电平拓扑；
模块化多电平换流器（MMC）子模块和隔离型双有源桥变换器（DAB）单元输入级在直流侧实现互联；
隔离型双有源桥变换器（DAB）的输出级并联形成低压直流母线，隔离型双有源桥变换器（DAB）输出级拓扑采用全桥结构；
通过上述各部分排列组合，构造出多种基于多电平子模块的固态变压器拓扑；
进行所述基于多电平子模块的固态变压器拓扑构造，其基于模块化固态变压器拓扑，所述模块化固态变压器拓扑由模块化多电平换流器（MMC）、多个隔离型双有源桥变换器（DAB）以及三相全桥逆变器构成，其中，所述模块化多电平换流器（MMC）的子模块直流端和所述隔离型双有源桥变换器（DAB）的输入端互联，形成模块化结构，多个所述隔离型双有源桥变换器（DAB）的输出端并联，形成一条低压直流母线，并在所述低压直流母线上接入所述三相全桥逆变器；
所述模块化固态变压器通过模块化多电平换流器（MMC）形成中压直流端口和中压交流端口，所述隔离型双有源桥变换器（DAB）的输出侧并联形成低压直流端口，通过三相全桥逆变器形成低压交流端口；
所述模块化多电平换流器（MMC）的子模块采用半桥的方式；
所述模块化多电平换流器（MMC）的交流端口与中压交流配电网相连，中压直流端口与中压直流配电网相连；
所述低压直流母线通过所述三相全桥逆变器，使整个模块化固态变压器提供低压交流端口，该端口可与低压交流配电网相连。
2.根据权利要求1所述的基于多电平子模块的固态变压器拓扑构造方法，其特征在于：所述隔离型双有源桥变换器（DAB）采用双向隔离型全桥结构，输入级全桥直流侧和所述模块化多电平换流器（MMC）的子模块直流侧互联，中间级采用高频变压器，输出级全桥直流侧则将多个所述隔离型双有源桥变换器（DAB）并联，形成低压直流端口，可与低压直流配电网相连。
3.根据权利要求1-2任一项所述的基于多电平子模块的固态变压器拓扑构造方法，其特征在于：所述模块化多电平换流器（MMC）子模块和隔离型双有源桥变换器，两者的拓扑电平数需要匹配，以保证开关管耐压等级一致。
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