CN110112942B - 抑制模块化固态变压器中电容电压波动的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种抑制模块化固态变压器中电容电压波动的控制方法，包括：根据预设的波动功率传递策略，将所述半桥单元输入电流中的波动量传递至低压直流端口和中压直流端口；通过调制双有源桥单元的移相角，控制低压直流端口和中压直流端口的波动功率维持自平衡。从而将多电平换流器中半桥单元的电容电压波动，通过后级的双有源桥传递到低压直流侧，从而抑制多电平换流器中半桥单元电容电压中的低频波动，降低电容成本和体积，实现装置的紧凑化；另外各半桥单元传递到低压直流侧的波动功率会实现自平衡，不会影响低压直流侧的正常运行。

Description

抑制模块化固态变压器中电容电压波动的控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及抑制模块化固态变压器中电容电压波动的控制方法。
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固态变压器形成网状的多电压等级交直流混合配电架构。固态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，周剑桥等在第二届Power Electronics and Application Conferenceand Exposition(PEAC)国际会议上发表的“Family of MMC-based SST topologies forHybrid ACDC Distribution Grid Applications”(2018)论文中，提出了一种基于模块化多电平换流器(MMC)和双有源桥(DAB)的模块化固态变压器拓扑结构，实现多种交直流配电网的互联。但该拓扑的子模块电容数目较多，且电容中存在较大的低频电压波动。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种抑制模块化固态变压器中电容电压波动的控制方法。
根据本发明提供的抑制模块化固态变压器中电容电压波动的控制方法，所述模块化固态变压器包括：多电平换流器和双有源桥单元，所述多电平换流器由多个半桥单元组成；其中，所述半桥单元的直流侧与双有源桥单元电连接；所述模块化固态变压器具备四类端口，所述四类端口包括：中压直流端口、中压交流端口、低压直流端口、低压交流端口；所述中压交流端口连接中压交流电源；所述中压直流端口输出中压直流电；所述低压交流端口连接低压交流电源，且所述低压交流端口通过三相逆变器与所述低压直流端口相连；所述低压直流端口输出低压直流电；所述方法包括：
根据预设的波动功率传递策略，将所述半桥单元输入电流中的波动量传递至低压直流端口和中压直流端口；
通过调制双有源桥单元的移相角，控制低压直流端口和中压直流端口的波动功率维持自平衡。
可选地，根据预设的波动功率传递策略，将所述半桥单元输入电流中的波动量传递至低压直流端口和中压直流端口，包括：
获取所述半桥单元的输入电流；
根据所述半桥单元的输入电流，调制所述双有源桥单元的移相角，以使得第k个双有源桥单元的直流侧输入电流等于与所述第k个双有源桥单元电连接的半桥单元的输入电流；k＝1,2,3…M；M为双有源桥单元的总数。
可选地，根据所述半桥单元的输入电流，调制所述双有源桥单元的移相角，包括：
通过移相角计算公式计算在输入电流确定情况下，所述双有源桥单元的移相角，所述移相角计算公式如下：
Figure BDA0002035077330000021
Figure BDA0002035077330000022
式中：φ表示DAB的移相角，iin(t)表示输入电流，in表示输入，f表示双有源桥单元的开关频率，L1表示双有源桥单元的漏感感值，N表示变压器一次二次绕组比，V2表示二次侧直流电压。
可选地，通过调制双有源桥单元的移相角，控制低压直流端口和中压直流端口的波动功率维持自平衡，包括：
通过计算得到的所述移相角控制所述双有源桥单元输出的有功功率，以使得所述低压直流端口的电压维持稳定。
可选地，所述方法还包括：
控制中压交流侧的有功电流，以使得中压直流端口的输出电压保持稳定；
通过中压交流侧的无功电流来控制多电平变换器在中压交流侧的无功功率大小和方向。
可选地，所述方法还包括：
抑制多电平换流器的桥臂环流，并平衡各半桥单元的电容电压；
通过双有源桥单元的移相角控制双有源桥单元输入电流中的直流分量和交流分量；其中，所述直流分量的控制用于维持低压直流端口输出电压的稳定，交流分量的控制用于将半桥单元的电容电流传递到双有源桥单元的变换器中。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的抑制模块化固态变压器中电容电压波动的控制方法，将多电平换流器中半桥单元的电容电压波动，通过后级的双有源桥传递到低压直流侧，从而抑制多电平换流器中半桥单元电容电压中的低频波动，降低电容成本和体积，实现装置的紧凑化；另外各半桥单元传递到低压直流侧的波动功率会实现自平衡，不会影响低压直流侧的正常运行。
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为模块化固态变压器的拓扑结构示意图；
图2为半桥单元和双有源桥单元组成的子模块的结构示意图；
图3(a)为MMC的控制框图；
图3(b)为DAB的控制框图；
图4为本发明一实施例中中压直流电压曲线；
图5为本发明一实施例中中压直流电流曲线；
图6为本发明一实施例中低压直流电压曲线；
图7为本发明一实施例中MMC子模块电容电压曲线；
图8为本发明一实施例中MMC桥臂电流曲线；
图9为本发明一实施例中MMC子模块电容电压在传统控制下的FFT结果示意图；
图10为本发明一实施例中MMC子模块电容电压在新型控制下的FFT结果示意图。
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为模块化固态变压器的拓扑结构示意图；如图1所示，整个拓扑结构采用多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的子模块单元(Sub-module，SM)和双有源桥单元(Dual Active Bridge，DAB)互联以实现中低压配电网间的功率传递，并提供中压直流，中压交流，低压直流，低压交流四类端口(在该新型控制方案中，低压交流端口的运行不受影响，因此本文以下的数学分析中不考虑该端口)，以适用于多电压等级多形态交直流混合配电网互联。图2为半桥单元和双有源桥单元组成的子模块的结构示意图，如图2所示，MMC子模块单元SM采用半桥结构，DAB单元采用全桥结构。
如图1所示，假设中压交流侧的电压电流为：
Figure BDA0002035077330000041
其中：ua(t)表示A相电压，U表示相电压有效值，ub(t)表示B相电压，ω表示中压交流频率，t表示时间，uc(t)表示C相电压，ia(t)表示A相电流，I表示线电流有效值，ib(t)表示B相电流，
Figure BDA0002035077330000042
表示功率因数，ic(t)表示C相电流。
稳态运行时，装置端口间有功功率平衡，不考虑低压交流端口时，其他三端的功率平衡方程为：
Figure BDA0002035077330000043
其中：UMVDC表示中压直流侧电压，IMVDC表示中压直流侧输出电流，N表示MMC的各桥臂子模块数量，Uc表示MMC的子模块电容电压直流分量，IDABH表示各DAB输入电流的直流分量。
在式(2)中，IDABH是各DAB输入电流的直流分量，其高频开关分量幅值较小，可忽略。
以MMC的A相上桥臂为例，A相桥臂电流iap(t)为：
Figure BDA0002035077330000051
A相上桥臂子模块SM的开关函数Sap(t)为：
Figure BDA0002035077330000052
在A相上桥臂第k个子模块SM中，子模块SM的直流侧输入电流iSMapk(t)为：
Figure BDA0002035077330000053
考虑功率平衡方程(2)式可知，(5)式中子模块SM的输入电流的直流分量将全部通过DAB传递到低压侧，而交流分量将全部注入子模块SM的电容中，并导致电容电压波动，该电容电压的波动量Δucapk为：
Figure BDA0002035077330000054
其中：CH表示MMC子模块电容容值，iCHapk(t)表示MMC子模块电容电流。
由(6)式可知，子模块电容电压波动包括基频分量波动与二倍频分量波动，导致电容的体积和成本大大增加。
考虑到模块化固态变压器的特殊结构，在MMC子模块SM的直流侧接入DAB单元，因此，提出一种抑制电容电压波动的控制策略，其基本思路是通过一种新型的DAB功率控制，将子模块输入电流中的波动量传递到低压直流侧，从而抑制子模块SM中的电容电压波动，且各个子模块的波动功率将在低压直流侧自平衡，并不会影响低压直流侧的正常运行。以下将具体阐述该控制策略的设计与实现。
通过DAB的功率控制，(5)式中的SM子模块输入电流直流和交流分量均传递到低压侧，因此在第k个子模块中，DAB的直流侧输入电流和SM子模块输入电流相等。具体地，令：
Figure BDA0002035077330000055
其中：iDABHapk(t)表示DAB的输入电流，
Figure BDA0002035077330000061
表示DAB输入电流的交流分量。
此时，第k个子模块的DAB传递到低压侧的功率为：
Figure BDA0002035077330000062
其中：pDABapk(t)表示DAB模块传递的有功功率，ucapk(t)表示MMC的子模块电容电压。
三相所有子模块通过DAB传递到低压侧的总功率pLVDC(t)为：
Figure BDA0002035077330000063
由式(9)可知，低压侧总输入功率不存在交流分量，即各子模块的交流波动功率实现自平衡，波动功率不会对低压侧的稳态运行产生影响。
为了实现上述的波动功率传递策略，需将DAB电流控制为式(7)所示。而方波调制下，DAB的功率p(t)的计算公式如下：
Figure BDA0002035077330000064
在式(10)中，φ是DAB中高频变压器二次侧交流电压相对于一次侧的移相角，n是高频变压器变比，v1(t)是DAB一次侧直流电压，v2(t)是DAB二次侧直流电压，L1是DAB的漏感感值，f是DAB的开关频率。
根据式(10)，可得DAB输入电流和移相角的关系为：
Figure BDA0002035077330000065
当DAB输入电流确定时(即式(7))，可知DAB移相调制所需的移相角为：
Figure BDA0002035077330000066
根据式(1)～(12)，整个模块化固态变压器的控制框图如图3所示。其中，图3(a)为MMC的控制框图，MMC采用直流电压-无功功率双环控制架构，通过有功电流和无功电流分别控制中压直流电压稳定和无功功率大小，通过附加占空比，实现桥臂环流抑制和电容电压平衡控制；图3(b)为DAB的控制框图，采用单闭环控制架构，通过移相角控制有功功率，实现低压直流母线的电压稳定，此外，在虚线框内，通过检测子模块SM的输入电流，确定DAB的输入电流，并计算出所需附加的移相角，以将波动功率传递到低压侧。
进一步地，基于图1所示的模块化固态变压器，采用MATLAB/Simulink软件针对该控制策略进行仿真验证，在中压交流端口接入中压交流电源，其余端口接负载，仿真参数如下表所示。
参数 值 参数 值
中压侧额定直流电压 20kV DAB中频变压器变比 1.67kV:800V
中压侧额定交流线电压 10kV DAB额定容量 100kVA
低压侧额定直流电压 800V 高频变压器漏电感 0.35pu
MMC各桥臂子模块数 12 高频变压器频率 6kHz
MMC子模块直流侧电压 1.67kV 中压直流侧负载 200Ω/400Ω
MMC开关频率 1kHz 低压直流侧负载 0.32Ω/0.64Ω
仿真过程如下所述：
T＝0s时，中压直流侧接入400Ω负载，低压直流侧接入0.64Ω负载，即中压直流侧需要1MVA功率，低压直流侧需要1MVA功率，装置采用传统控制策略(即图3中不加蓝色虚线框的部分)；
T＝0.4s时，负载工况不变，装置采用新型控制策略，如图3所示；
T＝0.7s时，低压直流侧切除负载，中压直流侧负载变为200Ω，即此时中压直流侧需要2MVA功率，低压直流侧不需要功率；
T＝1.0s时，中压直流侧切除负载，低压直流侧负载变为0.32Ω，即此时低压直流侧需要2MVA功率，中压直流侧不需要功率；
T＝1.2s时，仿真结束。
上述仿真实例中，所述模块化固态变压器由中压侧MMC，多个DAB构成。不同变换器需采用不同的调制方式实现其稳态运行。对于中压侧MMC，采用载波移相调制方式；对于DAB，采用的是方波移相调制方式；仿真结果如图4～10所示。
如图4所示，在不同工况及不同控制策略下，中压直流电压均稳定在20kV，不受影响。
如图5所示，在不同工况及不同控制策略下，直流电流和设定值一致，不受影响。
如图6所示，曲线中无波动分量，可见新型控制不会影响低压直流侧的正常运行。
如图7所示，在实施新型控制后，电容电压波动大幅下降，且新型控制策略在不同工况下均有效。
如图8所示，在实施新型控制后，MMC桥臂电流不受影响。
如图9所示，在传统控制下，电容电压的总谐波失真(THD)值为10.23％；其中基频电压波动为9.79％，二倍频电压波动为2.89％。
如图10所示，在新型控制下，电容电压的总谐波失真(THD)值为0.86％；其中基频电压波动为0.33％，二倍频电压波动为0.12％；可见，新型控制可近乎完全消除电容电压的基频波动。
本发明还提供一种抑制模块化固态变压器中电容电压波动的控制系统。需要说明的是，本发明提供的所述抑制模块化固态变压器中电容电压波动的控制方法中的步骤，可以利用所述抑制模块化固态变压器中电容电压波动的控制系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (1)

1.一种抑制模块化固态变压器中电容电压波动的控制方法，其特征在于，所述模块化固态变压器包括：多电平换流器和双有源桥单元，所述多电平换流器由多个半桥单元组成；其中，所述半桥单元的直流侧与双有源桥单元电连接；所述模块化固态变压器具备四类端口，所述四类端口包括：中压直流端口、中压交流端口、低压直流端口、低压交流端口；所述中压交流端口连接中压交流电源；所述中压直流端口输出中压直流电；所述低压交流端口连接低压交流电源，且所述低压交流端口通过三相逆变器与所述低压直流端口相连；所述低压直流端口输出低压直流电；所述方法包括：
-根据预设的波动功率传递策略，将所述半桥单元输入电流中的波动量传递至低压直流端口和中压直流端口；包括：
获取所述半桥单元的输入电流；
根据所述半桥单元的输入电流，调制所述双有源桥单元的移相角，以使得第k个双有源桥单元的直流侧输入电流等于与所述第k个双有源桥单元电连接的半桥单元的输入电流；k＝1,2,3…M；M为双有源桥单元的总数；
-通过调制双有源桥单元的移相角，控制低压直流端口和中压直流端口的波动功率维持自平衡；包括：
通过计算得到的所述移相角控制所述双有源桥单元输出的有功功率，以使得所述低压直流端口的电压维持稳定；
根据所述半桥单元的输入电流，调制所述双有源桥单元的移相角，包括：
通过移相角计算公式计算在输入电流确定情况下，所述双有源桥单元的移相角，所述移相角计算公式如下：
Figure FDA0002518235880000011
Figure FDA0002518235880000012
式中：φ表示DAB的移相角，iin(t)表示输入电流，in表示输入，f表示双有源桥单元的开关频率，L1表示双有源桥单元的漏感感值，N表示变压器一次二次绕组比，V2表示二次侧直流电压；
所述方法还包括：
控制中压交流侧的有功电流，以使得中压直流端口的输出电压保持稳定；
通过中压交流侧的无功电流来控制多电平变换器在中压交流侧的无功功率大小和方向；
所述方法还包括：
抑制多电平换流器的桥臂环流，并平衡各半桥单元的电容电压；
通过双有源桥单元的移相角控制双有源桥单元输入电流中的直流分量和交流分量；其中，所述直流分量的控制用于维持低压直流端口输出电压的稳定，交流分量的控制用于将半桥单元的电容电流传递到双有源桥单元的变换器中。
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