CN111404410A - 一种基于mmc的多端口交直流变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于MMC的多端口交直流变换器及其控制方法，所述变换器包括：三个相单元，通过交流端口与电网连接，每一所述相单元上均对应设置有上、下两个桥臂，每一所述桥臂由若干子模块和电抗串联形成，所述子模块包括相连的MMC子模块和IBDC子模块，所述MMC子模块的直流母线通过直流母线端口与直流电源或负荷连接，所述IBDC子模块通过分散直流端口与直流源荷连接。本申请具有如下优势：(1)能有效的维持换流器和网侧功率的稳定流动，调节充电接口处的功率和电压，以适应不同的工况，具有较好的控制效果。(2)能够有效的整合电动汽车、直流微网、退役储能电池等直流源荷，形成一个统一的系统。

Description

一种基于MMC的多端口交直流变换器及其控制方法

技术领域

本发明属于模块化多电平换流器技术领域，具体涉及一种基于MMC的多端口交直流变换器及其控制方法。

背景技术

中国是世界上经济发展最快的发展中国家，化石燃料的大量燃烧使得环境污染问题愈加严峻。而新能源汽车和可再生能源的大力发展，对于解决环境污染问题具有重大意义。在政府的大力支持下，近几年国内新能源汽车爆发式增长，截至2018年年末我国民用汽车保有量24028万辆，也带来了动力电池的退役问题。

退役的动力电池虽然不适用于车载续航，但是其储能能力还可以作为储能设备，退役电池的梯次利用即可以有效提高动力电池的利用率，当退役电池作为可再生能源的辅助技术，梯次利用储能电池更可以促进可再生能源发电的消纳。可再生能源的间歇性、波动性直接决定了大规模可再生能源直接入网将严重威胁电力系统的安全稳定。因此可再生能源常以分布式电源的形式，和储能、传统火力发电等构成多能互补微网，共同接入外部电网。微网作为交直流混联典型结构，一直是智能电网领域研究的热点，然而微网形式的交直流变换结构，对安装场地有一定要求，适用范围有限、维护成本较高，当分布式电源种类较多时，交直流混合微网结构相对复杂，增加了控制的难度。

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是一种高模块化的、高集程度的电力电子换流拓扑结构，具有一个交流端口和多个直流子模块端口，通过适当的改造能够应用于直流源荷(如电动汽车、交直流微网、退役储能电池等)的大规模集群接入电网。电动汽车、交直流微网以及其他直流源荷与MMC直接连接会影响MMC的安全运行，增加控制难度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于MMC的多端口交直流变换器，包括：三个相单元，通过交流端口与电网连接，每一所述相单元上均对应设置有上、下两个桥臂，每一所述桥臂由若干子模块和电抗串联形成，所述子模块包括相连的MMC子模块和IBDC子模块，所述MMC子模块的直流母线通过直流母线端口与直流电源或负荷连接，所述IBDC子模块通过分散直流端口与直流源荷连接。

优选地，所述MMC子模块和所述IBDC子模块并联在稳压电容C1两端。

优选地，所述MMC子模块包括：三极管VT1、三极管VT2、二极管D1 和二极管D2,其中，所述三极管VT1的集电极分别与所述稳压电容C1第一端和所述二极管D1阴极连接而发射极分别与所述三极管VT2的集电极和所述二极管D2阴极连接，所述三极管VT2的发射极分别连接所述稳压电容C1第二端和所述二极管D2阳极。

优选地，所述IBDC子模块包括：三极管S1、三极管S2、三极管S3、三极管S4、三极管S5、三极管S6、三极管S7、三极管S8、二极管D3、二极管D4、二极管D5、、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、电感、变压器和电容C2，其中，所述二极管D3、二极管D4、二极管D5、、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10 的阳极和阴极依次对应连接所述三极管S1、三极管S2、三极管S3、三极管S4、三极管S5、三极管S6、三极管S7、三极管S8的发射极和集电极，所述二极管D3和所述二极管D5的阴极分别连接所述稳压电容C1第一端而阳极分别连接所述二极管D4和所述二极管D6的阴极，所述二极管D4 和所述二极管D6的阳极分别连接所述稳压电容C1第二端而阴极分别连接电感第一端和所述变压器的初级线圈第一端，所述电感第二端连接所述变压器的初级线圈第二端，所述二极管D7和所述二极管D9的阴极分别连接所述压电容C2第一端而阳极分别连接所述二极管D8和所述二极管D10的阴极，所述二极管D8和所述二极管D10的阳极分别连接所述压电容C2第二端而阴极分别连接所述变压器的次级线圈第一端和第二端。

本发明还提供了一种基于MMC的多端口交直流变换器的控制方法，所述基于MMC的多端口交直流变换器为上述任一所述基于MMC的多端口交直流变换器，所述方法包括：使用前馈解耦控制以用于直流母线电压和无功功率的控制。

优选地，所述方法还包括：使用子模块电压均衡控制和相间电压均衡控制以用于维持桥臂的子模块电压。

优选地，所述方法还包括：使用单移相控制以用于IBDC子模块和直流源荷之间功率传输的控制。

优选地，所述子模块电压均衡控制的表达公式为：

其中，VPyave为上桥臂子模块电压均值，VPyz为上桥臂子模块电压， VNyave为下桥臂子模块电压均值，VNyz为下桥臂子模块电压，Kp为子模块电压均衡控制的比例系数，ΔUSMPyz为上桥臂子模块电压均衡控制信号，ΔUSMNyz为下桥臂子模块电压均衡控制信号。

优选地，所述相间电压均衡控制的表达公式为：

其中，Vsmref为桥臂电压参考值，Vphave为一相的上下桥臂电压均值，Iphref为桥臂电流参考值，Iphave为上下桥臂电流均值，K1为积分系数，K2为比例系数，ΔUph为相间电压均衡控制信号。

本申请提供的一种基于MMC的多端口交直流变换器，能够实现直流源荷的集群接入。由于控制目标众多，控制量复杂，在深入分析变换器工作机理的基础上提出了三层控制方法，分别对MMC直流母线电压、子模块电压均衡、相间电压均衡和IBDC级进行控制。本申请具有如下优势：

(1)以直流母线电压作为MMC层的主要控制目标能有效的维持换流器和网侧功率的稳定流动。在IBDC级的控制能够进一步调节充电接口处的功率和电压，以适应不同的工况，具有较好的控制效果。

(2)交直流变换器实现了直流源荷的不对称、分散接入，并维持电压和功率的稳定传输，能够有效的整合电动汽车、直流微网、退役储能电池等直流源荷，形成一个统一的系统。

(3)基于MMC的多端口交直流变换器可以实现功率在交流端口，直流母线端口和分散直流端口间的交换和转移，有着良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种基于MMC的多端口交直流变换器的示意图；

图2是本发明提供的一种基于MMC的多端口交直流变换器的子模块示意图；

图3是本发明提供的一种基于MMC的多端口交直流变换器的控制方法架构示意图；

图4是图3的分层控制架构示意图；

图5是本发明提供的一种基于MMC的多端口交直流变换器的等效示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1，在本申请实施例中，本申请提供了一种基于MMC的多端口交直流变换器，包括：三个相单元，通过交流端口与电网连接，每一所述相单元上均对应设置有上、下两个桥臂，每一所述桥臂由若干子模块和电抗串联形成，所述子模块包括相连的MMC子模块和IBDC子模块，所述MMC 子模块的直流母线通过直流母线端口与直流电源或负荷连接，所述IBDC子模块通过分散直流端口与直流源荷连接。

如图2，在本申请实施例中，所述MMC子模块和所述IBDC子模块并联在稳压电容C1两端，稳压电容C1作为MMC子模块和IBDC子模块之间能量交换的纽带。

如图2，在本申请实施例中，所述MMC子模块包括：三极管VT1、三极管VT2、二极管D1和二极管D2,其中，所述三极管VT1的集电极分别与所述稳压电容C1第一端和所述二极管D1阴极连接而发射极分别与所述三极管VT2的集电极和所述二极管D2阴极连接，所述三极管VT2的发射极分别连接所述稳压电容C1第二端和所述二极管D2阳极。

如图2，在本申请实施例中，所述IBDC子模块包括：三极管S1、三极管S2、三极管S3、三极管S4、三极管S5、三极管S6、三极管S7、三极管S8、二极管D3、二极管D4、二极管D5、、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、电感、变压器和电容C2，其中，所述二极管D3、二极管D4、二极管D5、、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10的阳极和阴极依次对应连接所述三极管S1、三极管S2、三极管S3、三极管S4、三极管S5、三极管S6、三极管S7、三极管S8的发射极和集电极，所述二极管D3和所述二极管D5的阴极分别连接所述稳压电容C1第一端而阳极分别连接所述二极管D4和所述二极管D6 的阴极，所述二极管D4和所述二极管D6的阳极分别连接所述稳压电容C1 第二端而阴极分别连接电感第一端和所述变压器的初级线圈第一端，所述电感第二端连接所述变压器的初级线圈第二端，所述二极管D7和所述二极管D9的阴极分别连接所述压电容C2第一端而阳极分别连接所述二极管 D8和所述二极管D10的阴极，所述二极管D8和所述二极管D10的阳极分别连接所述压电容C2第二端而阴极分别连接所述变压器的次级线圈第一端和第二端。

如图2，在本申请实施例中，MMC子模块采用半桥型结构，三极管VT1 和三极管VT2互补导通，当三极管VT1导通，三极管VT2关断时，MMC子模块投入，分散直流接口与其他接口进行能量交换；当三极管VT1关断，三极管VT2导通时，MMC子模块被旁路，分散直流接口被旁路。

当正常运行时，交流端口、直流母线端口和分散直流端口进行功率的双向交换，通过对MMC子模块和IBDC子模块的独立控制实现功率的流动。交流端口与交流系统相连，直流母线端口是MMC子模块的直流母线可接入直流电源或负荷，分散直流端口是IBDC子模块的副边侧，接入直流源荷如电动汽车、退役电池等。

IBDC子模块既作为MMC子模块和直流源荷的隔离级，也作为直流源荷和MMC子模块之间的功率控制环节。电网侧通过IBDC子模块和直流源荷连接实现功率的双向交换，左边为原边侧，右边为副边侧。二极管S1-S4 和二极管S5-S8的触发脉冲相位差控制功率的传输方向，当S1-S4的相位超前S5-S8时，功率从原边侧流向副边侧，当S1-S4的相滞后S5-S8时，功率从副边侧流向原边侧。

本申请提供的多端口交直流变换器具有多个直流端口，能够实现退役电池和分布式电源的优化配置，提高新能源发电的运营收益、促进新能源发电健康发展、促进退役动力电池的梯次利用，同时也可以作为交直流混合微电网中一种关键的接口设备，实现多种能量形式以及不同电压的能量转换。

在对本申请提供的基于MMC的多端口交直流变换器进行控制时，由于交直流变换器端口较多，控制目标众多，各控制量之间存在复杂的耦合关系，控制器设计难度很大，因此需要采用较为复杂的分层控制策略。

且考虑到本申请中的多端口交直流变换器控制目标主要包括以下三个方面：

(1)控制交流侧、直流侧、子模块侧的功率流动；

(2)控制子模块电压稳定，控制直流母线电压稳定；

(3)在不同电压等级的直流源荷接入时实现电压匹配；

因此，基于以上控制目标采用分层控制方法，在MMC子模块和IBDC 子模块进行分别控制，其控制方法架构示意图如图3所示。

如图3和4，在本申请实施例中，本申请还提供了一种基于MMC的多端口交直流变换器的控制方法，所述方法包括：

第一层：使用前馈解耦控制以用于直流母线电压和无功功率的控制；

第二层：使用子模块电压均衡控制和相间电压均衡控制以用于维持桥臂的子模块电压。

第三层：使用单移相控制以用于IBDC子模块和直流源荷之间功率传输的控制。

下面对上述三层控制方法进行详细解释。

第一层的控制方法：

如图5为第一层控制方法等效示意图，本申请提供的多端口交直流变换器的工作原理是根据上、下桥臂开通的子模块数可以改变上、下桥臂的电压大小，因此在分析交直流变换器的电路时将交直流变换器的桥臂电压等效为受控电压源如图5所示。

当上、下桥臂对称时，根据基尔霍夫电压定律可得到变换器的交流侧电流iy同MMC阀侧电压uy和交流电压usy的关系，有：

其中L＝Ls+Larm/2，忽略交流侧等效电阻R0，将三相abc坐标下的推导的数学模型转换到dq旋转坐标系中，对式(1)两边同时进行派克变换可得：

从上式可以看出经过dq变换，d轴和q轴的物理量并未完全解耦，还存在耦合项ωLiq以及-ωLid，引入前馈解耦控制，利用PI控制器对电流偏差进行调节，外环采用定电压控制。有功指令和无功指令分别为直流母线端口电压udc和交流侧电流q轴分量iq。

第二层的控制方法：

变换器的桥臂由多个子模块级联而成，直流母线电压由子模块的投入个数决定，和子模块的电压有直接联系。由于在实际运行时，难以做到对每个子模块电容同等程度的充放电，或由于分散直流端口接入了参数不同的直流源荷等原因，使得子模块电容电压值可能偏离额定值。当子模块电压不稳定，既会增大系统的损耗，导致限制向直流源荷的功率传输，又会使得直流电压和交流电压失去支撑，带来相间环流等问题，因此引入子模块电压均衡控制和相间电压均衡控制。为了更清楚的阐述第二层控制策略，相关变量定义如下。

式中VPyave、VNyave分别为上桥臂、下桥臂子模块电压均值，Vphave 为一相的上下桥臂电压均值，Iphave为上下桥臂电流均值，IPy为上桥臂电流，INy为下桥臂电流。则子模块电压均衡控制表示为：

其中，VPyave为上桥臂子模块电压均值，VPyz为上桥臂子模块电压， VNyave为下桥臂子模块电压均值，VNyz为下桥臂子模块电压，Kp为子模块电压均衡控制的比例系数，ΔUSMPyz为上桥臂子模块电压均衡控制信号，ΔUSMNyz为下桥臂子模块电压均衡控制信号。子模块电容电压均衡主要使子模块电容电压在额定值保持相对一致，减小子模块电容之间的电压偏差。在MMC的三相相间也采用类似控制，相间均压控制可表示为：

其中，Vsmref为桥臂电压参考值，Vphave为一相的上下桥臂电压均值，Iphref为桥臂电流参考值，Iphave为上下桥臂电流均值，K1为积分系数，K2为比例系数，ΔUph为相间电压均衡控制信号。由于实际场景中， MMC-IBDC交流侧与电网相连，且可能存在不对称接入分布式电源或负载的情况，因此相间的均衡控制可直接在宏观上通过平均电压的方式实现。

第三层的控制方法：

在本申请中，在IBDC子模块上采用单移相控制方式。

对于单移相控制方式，在一个开关周期内，变换器的稳态电感电流iL 变化可以分为6个阶段。

在时段t0～t1，电感电流iL可表示为：

在时段t1～t2阶段，电感电流变化和t0～t1电感电流变化相同，因此 iL表示为：

在时段t2～t3，电感电流iL可表示为：

在时段t3～t4，电感电流iL可表示为：

在时段t4～t5，t4时刻的电感电流降为0，电感电流表达式和式(6) 相同，可表示为：

在时段t5～t6，电感电流继续增大，但是增大速率下降，电感上的电流可表示为：

若一个开关周期用2Ths表示，令t0＝0，则t2-t6时刻满足关系： t2＝DThs，t3＝Ths，t5＝(1+D)Ths，t6＝2Ths。代入式(6)～式(11)可解得电感电流随时间变化关系iL，则在IBDC的原副边传输功率可以表示为：

其中n为IBDC原副边变比，V1、V2为原副边电压，Lp为高频变压器等效电感，通过控制移相占空比D可以实现功率的大小变化和方向流动。在单移相控制方式下，从原边侧获得的功率与占空比D存在抛物线的关系，因此在D＝0.5时，传输功率达到最大值。在IBDC级的控制器也采用定电压控制，以维持IBDC有稳定的输出电压。

在本申请提供的一种基于MMC的多端口交直流变换器的控制方法，第一层控制为主控制，维持直流母线电压的稳定，实现无功功率的分配；第二层控制通过子模块均压控制器和相间均压控制器实现了电压的均衡控制，维持功率传输的稳定；第三层控制实现了IBDC子模块与MMC子模块之间的功率交换，维持分散直流端口的电压稳定。

本申请提供的一种基于MMC的多端口交直流变换器，能够实现直流源荷的集群接入。由于控制目标众多，控制量复杂，在深入分析变换器工作机理的基础上提出了三层控制方法，分别对MMC直流母线电压、子模块电压均衡、相间电压均衡和IBDC级进行控制。本申请具有如下优势：

(1)以直流母线电压作为MMC层的主要控制目标能有效的维持换流器和网侧功率的稳定流动。在IBDC级的控制能够进一步调节充电接口处的功率和电压，以适应不同的工况，具有较好的控制效果。

(2)交直流变换器实现了直流源荷的不对称、分散接入，并维持电压和功率的稳定传输，能够有效的整合电动汽车、直流微网、退役储能电池等直流源荷，形成一个统一的系统。

(3)基于MMC的多端口交直流变换器可以实现功率在交流端口，直流母线端口和分散直流端口间的交换和转移，有着良好的应用前景。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种基于MMC的多端口交直流变换器，其特征在于，包括：三个相单元，通过交流端口与电网连接，每一所述相单元上均对应设置有上、下两个桥臂，每一所述桥臂由若干子模块和电抗串联形成，所述子模块包括相连的MMC子模块和IBDC子模块，所述MMC子模块的直流母线通过直流母线端口与直流电源或负荷连接，所述IBDC子模块通过分散直流端口与直流源荷连接。

2.根据权利要求1所述的基于MMC的多端口交直流变换器，其特征在于，所述MMC子模块和所述IBDC子模块并联在稳压电容C1两端。

3.根据权利要求2所述的基于MMC的多端口交直流变换器，其特征在于，所述MMC子模块包括：三极管VT1、三极管VT2、二极管D1和二极管D2,其中，所述三极管VT1的集电极分别与所述稳压电容C1第一端和所述二极管D1阴极连接而发射极分别与所述三极管VT2的集电极和所述二极管D2阴极连接，所述三极管VT2的发射极分别连接所述稳压电容C1第二端和所述二极管D2阳极。

4.根据权利要求2所述的基于MMC的多端口交直流变换器，其特征在于，所述IBDC子模块包括：三极管S1、三极管S2、三极管S3、三极管S4、三极管S5、三极管S6、三极管S7、三极管S8、二极管D3、二极管D4、二极管D5、、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、电感、变压器和电容C2，其中，所述二极管D3、二极管D4、二极管D5、、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10的阳极和阴极依次对应连接所述三极管S1、三极管S2、三极管S3、三极管S4、三极管S5、三极管S6、三极管S7、三极管S8的发射极和集电极，所述二极管D3和所述二极管D5的阴极分别连接所述稳压电容C1第一端而阳极分别连接所述二极管D4和所述二极管D6的阴极，所述二极管D4和所述二极管D6的阳极分别连接所述稳压电容C1第二端而阴极分别连接电感第一端和所述变压器的初级线圈第一端，所述电感第二端连接所述变压器的初级线圈第二端，所述二极管D7和所述二极管D9的阴极分别连接所述压电容C2第一端而阳极分别连接所述二极管D8和所述二极管D10的阴极，所述二极管D8和所述二极管D10的阳极分别连接所述压电容C2第二端而阴极分别连接所述变压器的次级线圈第一端和第二端。

5.一种基于MMC的多端口交直流变换器的控制方法，其特征在于，所述基于MMC的多端口交直流变换器为如权利要求1-4中任一所述基于MMC的多端口交直流变换器，所述方法包括：使用前馈解耦控制以用于直流母线电压和无功功率的控制。

6.根据权利要求5所述的基于MMC的多端口交直流变换器的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：使用子模块电压均衡控制和相间电压均衡控制以用于维持桥臂的子模块电压。

7.根据权利要求5所述的基于MMC的多端口交直流变换器的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：使用单移相控制以用于IBDC子模块和直流源荷之间功率传输的控制。

8.根据权利要求6所述的基于MMC的多端口交直流变换器的控制方法，其特征在于，所述子模块电压均衡控制的表达公式为：

其中，VPyave为上桥臂子模块电压均值，VPyz为上桥臂子模块电压，VNyave为下桥臂子模块电压均值，VNyz为下桥臂子模块电压，Kp为子模块电压均衡控制的比例系数，ΔUSMPyz为上桥臂子模块电压均衡控制信号，ΔUSMNyz为下桥臂子模块电压均衡控制信号。

9.根据权利要求6所述的基于MMC的多端口交直流变换器的控制方法，其特征在于，所述相间电压均衡控制的表达公式为：

其中，Vsmref为桥臂电压参考值，Vphave为一相的上下桥臂电压均值，Iphref为桥臂电流参考值，Iphave为上下桥臂电流均值，K1为积分系数，K2为比例系数，ΔUph为相间电压均衡控制信号。

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