CN111917119B - 多级电容电压波动抑制的固态变压器及控制方法、设备 - Google Patents

多级电容电压波动抑制的固态变压器及控制方法、设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多级电容电压波动抑制的固态变压器及控制方法、设备，该变压器包括：互联的模块化多电平变换器与隔离型双向DC‑DC变换器、中压直流、中压交流、低压直流及低压交流端口；低压直流端口连接三相四桥臂逆变器；模块化多电平换流器的网侧连接联接变压器，其与电网相连。该方法包括：控制隔离型双向DC‑DC变换器的直流侧输入电流与模块化多电平变换器的输入电流相等；调节低压交流侧的输出电压相位，使传递至低压直流侧的二倍频波动功率与低压交流侧因不平衡负载而产生的波动功率部分抵消。通过本发明，减少了固态变压器的子模块电容电压波动与低压直流母线电容波动，提高了电压直流母线电容的使用寿命，降低了成本和体积。

Description

多级电容电压波动抑制的固态变压器及控制方法、设备
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，特别涉及一种多级电容电压波动抑制的固态变压器及控制方法、设备。
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。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。MMC型固态变压器是实现交直流混合配电网柔性互联的关键装置。一种MMC-SST拓扑如图1所示，该拓扑由模块化多电平换流器(Modular multilevelconverter，MMC)、多个隔离型双向DC-DC变换器(Isolated Bidirectional DC-DCConverter，IBDC)和三相四桥臂逆变器组成，具备中压交流、中压直流、低压直流、低压交流四类端口。
功率密度是判断MMC-SST性能的重要指标。在10kV/1MVA的MMC-SST中，高频变压器体积仅占整机体积的4％，而功率子模块中存在大量的电容，其体积将占整机体积的62％，已成为制约该装置功率密度提高的主要障碍。优化MMC-SST中的子模块电容波动，降低对电容值的要求，提高子模块单元的功率密度，对其投入配电网应用具有重要意义。
针对正常工况下子模块电容电压波动，学者提出了许多优化方案，如二次环流注入、三次谐波注入、波动功率传递等。然而，上述方法在使用过程中均存在局限。二次环流注入法可有效抑制子模块电容的二倍频波动，会增加MMC运行损耗和电流应力。三次谐波电压注入方法可在降低电容低频电压波动同时，减少MMC运行损耗和环流压降，但是三次电压谐波会注入配电系统。中国专利CN110112942A提出一种基于波动功率传递的抑制模块化固态变压器中子模块电容电压的方法，但是该方法仅适用于正常工况(电网电压三相对称的工况)，而在电网电压不平衡工况下，MMC内部能量关系发生变化，原有控制存在局限。研究不平衡工况下电容电压波动的抑制才能保证不同工况下电容的综合优化，具有较高的工程应用价值。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种多级电容电压波动抑制的固态变压器及控制方法、设备，通过调节低压交流侧输出电压相位，可使低压交流侧因不平衡负载产生的二倍频波动功率与子模块传递至低压直流侧的二倍频波动功率部分抵消，减少了固态变压器的子模块电容电压波动与低压直流母线电容波动，提高了电压直流母线电容的使用寿命，降低了成本和体积。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种电容电压波动抑制的固态变压器，其包括：互联的模块化多电平变换器(MMC)、隔离型双向DC-DC变换器(IBDC)以及端口；
所述端口包括：中压直流端口、中压交流端口、低压直流端口以及低压交流端口；
所述低压直流端口连接三相四桥臂逆变器；
所述模块化多电平换流器的网侧连接联接变压器，所述联接变压器与电网相连。
较佳地，所述隔离型双向DC-DC变换器的直流侧输入电流与所述模块化多电平变换器的输入电流相等，以降低子模块电容电压波动。
较佳地，所述低压交流端口用于通过调节低压交流侧的输出电压相位，以使传递至低压直流侧的二倍频波动功率与低压交流侧因不平衡负载而产生的波动功率部分抵消，进而降低低压直流母线电容电压波动。
较佳地，所述模块化多电平变换器的控制采用负序电流抑制控制；
所述隔离型双向DC-DC变换器的控制采用定电压控制及移相控制；
所述三相四桥臂逆变器的控制采用定交流电压控制。
较佳地，所述隔离型双向DC-DC变换器采用双有源桥拓扑结构；进一步地，
所述联接变压器采用Y/△型变压器。
较佳地，所述中压交流端口用于连接交流电网；进一步地，
所述低压交流端口用于连接用户侧负载。
本发明还提供一种电容电压波动抑制的固态变压器的控制方法，其是如上所述的电容电压波动抑制的固态变压器的控制方法，其包括以下步骤：
S71：控制隔离型双向DC-DC变换器的直流侧输入电流与模块化多电平变换器的输入电流相等，从而降低模块化多电平换流器子模块电容电压波动；
S72：调节低压交流侧的输出电压相位，使传递至低压直流侧的二倍频波动功率与低压交流侧因不平衡负载而产生的波动功率部分抵消，进而降低低压直流母线电容电压波动。
较佳地，还包括：采用负序电流抑制对所述模块化多电平变换器进行控制；
采用定电圧控制及移相对所述隔离型双向DC-DC变换器进行控制；
采用定交流电压对所述三相四桥臂逆变器进行控制。
较佳地，所述隔离型双向DC-DC变换器的移相控制所需的移相角与输入电流之间的关系为：
Figure BDA0002571112500000031
其中，φ是所述隔离型双向DC-DC变换器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，V2是二次侧直流电压，L1是漏感感值，f是开关频率。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的电容电压波动抑制的固态变压器的控制方法。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的多级电容电压波动抑制的固态变压器及控制方法，在电网电压不平衡条件下，可以实现子模块电容电压波动低频分量的全抑制，而现有的控制无法完全消除MMC中子模块电容电压的低频波动；
(2)本发明提供的多级电容电压波动抑制的固态变压器及控制方法，在电网电压不平衡条件下，将中压交流侧因不平衡电压产生的二倍频波动功率传至低压直流侧，避免其对中压直流侧及子模块电容产生影响，减少了固态变压器的子模块电容电压波动与低压直流母线电容波动，同时实现了固态变压器子模块电容电压的优化和低压直流侧母线的优化，即“多级电容电压优化抑制”；
(3)本发明提供的多级电容电压波动抑制的固态变压器及控制方法，在不平衡工况下，通过调整低压交流侧输出电压相位角，使低压交流侧因不平衡负载产生的二倍频波动功率与中压交流侧因不平衡电网电压产生的二倍频波动功率在低压直流母线上部分抵消，降低低压直流母线电容电压波动，提高了电压直流母线电容的使用寿命，降低了成本和体积。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明一实施例的多级电容电压波动抑制的固态变压器的拓扑架构图；
图2a为本发明一实施例中MMC所采用的控制框图；
图2b为本发明一实施例中IBDC所采用的控制框图；
图2c为本发明一实施例中三相四桥臂逆变器所采用的控制框图；
图3a为本发明一实施例中中压交流电压曲线；
图3b为本发明一实施例中中压交流电流曲线；
图4a为本发明一实施例中中压直流电压曲线；
图4b为本发明一实施例中中压直流电流曲线；
图5a为本发明一实施例中低压交流电压曲线；
图5b为本发明一实施例中低压交流电流曲线；
图6a为本发明一实施例中低压直流电压曲线；
图6b为本发明一实施例中低压直流电流曲线；
图7为本发明一实施例中MMC子模块的电容电压曲线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示为本发明一实施例的多级电容电压波动抑制的固态变压器的拓扑架构图。
请参考图1，本实施例对本发明的拓扑架构进行详细描述，如图1所示，其包括：互联的模块化多电平变换器(MMC)与隔离型双向DC-DC变换器(IBDC)，还包括：端口。端口包括：中压直流端口、中压交流端口、低压直流端口以及低压交流端口，以适用于多电压等级多形态交直流混合配电网互联；低压直流端口连接三相四桥臂逆变器；模块化多电平换流器的网侧连接联接变压器，联接变压器与电网相连。
模块化多电平固态变压器中，中压交流侧接交流电网。在电网电压不平衡工况下，交流电网电压中会含有负序和零序分量，从而导致系统三相电流不平衡，系统瞬时有功功率和无功功率纹波增加，子模块电容电压纹波增大等问题。
模块化多电平固态变压器中，低压交流侧接用户侧负载，在负载不平衡工况下，低压交流电流包含负序和零序分量，负载瞬时有功功率存在二倍频波动，引起低压直流侧电容电压波动。
隔离型双向DC-DC变换器(IBDC)的直流侧输入电流与模块化多电平变换器(MMC)的输入电流相等，可以将MMC的输入电流中的波动量传递到低压直流侧。低压交流端口用于通过调节低压交流侧的输出电压相位，以使传递至低压直流侧的二倍频波动功率与低压交流侧因不平衡负载而产生的波动功率部分抵消，进而降低低压直流母线电容电压波动。当传递至低压直流侧二倍频波动功率相位与负载侧不平衡功率相位一致时，低压直流母线电压波动最小。
不平衡电网电压下，中压交流侧等效出口电压为：
Figure BDA0002571112500000051
其中，ea、eb、ec为交流等效出口电压，E+，E-分别为正序和负序电压幅值，θ+，θ-为正负序电压初相角，ω为工频角频率。
中压交流侧电网电流表达式如下：
Figure BDA0002571112500000052
其中，ia、ib、ic为交流侧电网电流，I+，I-分别为正序和负序电压幅值，θ+，θ-为正负序电流初相角。
在负序电流抑制下，负序电流被完全抑制，中压交流侧瞬时有功功率表达式如下：
Figure BDA0002571112500000061
以A相上桥臂为例，假设桥臂中二次环流分量已由环流抑制模块消除，交流侧负序电流被完全抑制，此时上桥臂电流表达式如下：
Figure BDA0002571112500000062
此时，A相上桥臂调制电压表达式如下：
Figure BDA0002571112500000063
上桥臂子模块平均开关函数为：
Figure BDA0002571112500000064
m+＝2E+/UMVDC，m-＝2E-/UMVDC (6)
根据电流平均值模型，流入子模块的等效电流表达式为：
Figure BDA0002571112500000065
上式中，子模块SM输入电流包含直流分量和交流分量。稳态条件下，直流分量将全部通过IBDC传递至低压侧，而交流分量将全部注入子模块SM电容中，并导致电容电压波动。子模块电容电压表达式为：
Figure BDA0002571112500000066
由式(7)可知，在不平衡工况下，MMC子模块电容电压中低频波动由基频分量，二倍频负序分量和二倍频零序分量构成。考虑到模块化多电平固态变压器的结构，通过控制与MMC子模块直接相连的IBDC，将子模块输入电流中的波动量传递到低压直流侧，即可实现子模块SM中的电容电压波动抑制。为此，需使IBDC的直流侧输入电流和SM子模块输入电流相等，即：
Figure BDA0002571112500000071
式(8)中，IDABH是各IBDC输入电流的直流分量。第k个子模块所连IBDC传递到低压侧的功率为：
Figure BDA0002571112500000072
由式(9)可知，IBDC所传输波动功率包含基频分量、二倍频负序分量和二倍频零序分量构成。三相所有子模块通过IBDC传递到低压侧的总功率为：
Figure BDA0002571112500000073
各桥臂IBDC单元的功率汇入低压直流母线后，基频分量完全抵消，输出功率包含直流分量和二倍频波动分量，且波动功率分量大小与中压交流侧波动功率分量相等。
以下对不平衡工况下低压交流侧进行分析。
不平衡负载下，低压交流侧电网电压表达式如下：
Figure BDA0002571112500000074
其中，ua,l、ub,l、uc,l为低压交流侧输出电压，
Figure BDA0002571112500000075
分别为正负零序电压幅值，
Figure BDA0002571112500000076
为正负零序电压初相角。
低压交流侧负载电流表达式如下：
Figure BDA0002571112500000081
其中，ia,l、ib,l、ic,l为低压交流侧输出电压，
Figure BDA0002571112500000082
分别为正负零序电压幅值，
Figure BDA0002571112500000083
Figure BDA0002571112500000084
为正负零序电压初相角。
在交流电压控制下，负序电压和零序电压均被控制为0，低压交流侧瞬时有功功率表达式如下：
Figure BDA0002571112500000085
综上可知，在不平衡工况下，IBDC变换器与输出级三相四桥臂逆变器均会向低压直流母线上叠加二倍频波动功率。两者共同作用于低压直流母线电容，会引起直流母线的二倍频电压波动。作用于母线电容的功率表达式如下：
Figure BDA0002571112500000086
当两侧波动功率相位一致时，母线电容的波动功率最小，电压波动也最小。其中，IBDC传输的波动功率相位由电网电压决定，无法自由调节；输出级三相四桥臂逆变器传输的波动功率相位由输出电压相位决定，可自由调节。因此，通过调节低压交流侧输出电压相位，即可实现低压直流母线电压波动优化。
较佳实施例中，MMC换流器采用负序电流抑制控制；三相四桥臂变换器采用定交流电压控制；IBDC使用双有源桥拓扑(Dual Active Bridge,DAB)，并采用定电压控制及移相调制；联接变压器采用Y/△型变压器，以阻断零序电流。
具体地，如图2a所示为本发明一实施例中MMC所采用的控制框图，MMC换流器采用定直流电压控制，利用PIR控制器实现负序电流抑制，采用附加占空比方式实现电容电压平衡；调制方案采用移相载波调制。由于波动功率控制策略下，桥臂环流自然抑制，因此MMC不需额外的环流控制设计。
如图2b所示为本发明一实施例中IBDC所采用的控制框图，IBDC单元的控制环路由电压控制，波动功率控制，移相角计算以及调制四部分组成。电压控制根据低压直流母线的电压幅值，经低通滤波器滤除二倍频波动分量，通过PI控制器输出相应的直流输出电流；波动功率控制则根据采集到的桥臂子模块电容电压，采用PR控制器提取并控制电容电压波动中的基频和二倍频分量，并输出相应的波动输出电流；将前面两部分得到的直流输出电流与波动输出电流叠加，经由移相角计算环节可得到相应的输出移相角；调制部分则采用方波移相调制策略，输出IBDC所需的方波波形，实现直流功率和波动功率的传递。同一桥臂的各IBDC单元采用相同的移相角进行方波调制。
如图2c所示为本发明一实施例中三相四桥臂逆变器所采用的控制框图，在相位控制中，采用pll锁相环分别提取IBDC输出功率与四桥臂换流器出口功率中二倍频分量的相位，两者做差后经PI控制器得到输出电压参考值的初相角；定交流电压控制采用ab0坐标系下基于准PR调节器的单电压环控制，根据输出电压参考值确定调制电压指令值；调制部分采用三维空间矢量调制，输出各桥臂所需的PWM波形。
需要说明的是，上述实施例中MMC换流器以及三相四桥臂逆变器的控制为本实施例所采取的控制，不同实施例中可根据实际应用场景及需求改变控制目标、控制方法以及调制方式，且不会对本发明提出的电容电压波动抑制技术产生影响。
一实施例中，还提供一种电容电压波动抑制的固态变压器的控制方法，其是上述实施例的电容电压波动抑制的固态变压器的控制方法，其包括以下步骤：
S71：控制隔离型双向DC-DC变换器(MMC)的直流侧输入电流与模块化多电平变换器(IBDC)的输入电流相等；
S72：调节低压交流侧的输出电压相位，使传递至低压直流侧的二倍频波动功率与低压交流侧因不平衡负载而产生的波动功率部分抵消，进而降低低压直流母线电容电压波动。当传递至低压直流侧二倍频波动功率相位与负载侧不平衡功率相位一致时，低压直流母线电压波动最小。
较佳实施例中，还包括：采用负序电流抑制对模块化多电平变换器进行控制；采用定电圧控制及移相对隔离型双向DC-DC变换器进行控制；采用定交流电压对三相四桥臂逆变器进行控制。
较佳实施例中，采用定电圧控制及移相对隔离型双向DC-DC变换器进行控制进一步包括：采集MMC-SST各桥臂子模块电容电压ucapk,将其与参考值ucapk_ref作差后，经过比例谐振控制器，得到各桥臂IBDC模块低频附加电流控制信号icapk_ref；其中，为实现对波动分量的抑制，选取子模块电容额定电压作为参考值。IBDC采用单闭环定直流电压控制，由低压直流电压确定IBDC输入参考电流io_ref。将得到的IBDC附加电流控制信号icapk_ref叠加至IBDC输入参考电流io_ref，得到各IBDC模块实际输出参考电流ik_ref，并通过计算得到相应移相角。
IBDC移相调制所需移相角与IBDC输入电流关系如下：
Figure BDA0002571112500000101
式(15)中，φ是IBDC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，V2是IBDC二次侧直流电压，L1是IBDC的漏感感值，f是IBDC的开关频率。
为了验证上述实施例提出的电容电压波动抑制的固态变压器及控制方法的有效性，下面采用具体实例进行仿真，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，仿真采用平均值模型，参数如下表所示。
参数 数值 参数 数值
装置容量 2MVA IBDC开关频率 6kHz
中压交流线电压 10kV MMC开关频率 1kHz
中压直流电压 20kV 桥臂电感 8mH
低压直流电压 750V HFT绕组比 1666:750
低压交流电压 380V 低压直流侧电容 1mF
桥臂子模块数 12 低压交流侧滤波电感 0.4mH
MMC子模块电容 650μF 低压交流侧滤波电容 30μF
低压交流侧滤波电感 0.4mH 低压交流侧中线电感 0.3mH
仿真过程如下所述：
T＝0s时，中压直流侧接入400Ω负载，低压直流侧接三相四桥臂逆变器，中压交流侧不平衡度5％，低压交流侧负载为0.5Ω/1.5Ω/1.5Ω。装置采用传统控制策略；
T＝0.3s时，投入图2b中波动功率传递控制；
T＝1.0s时，投入图2c中低压交流侧相位控制；
T＝1.5s时，仿真结束。
仿真结果如图3a～7所示。
如图3a、3b所示，为一实施例中中压交流电压与电流曲线，可见在不平衡状态下，实施例中负序电流被完全抑制。投入新控制策略后，电压与电流均保持稳定，不受影响；
如图4a、4b所示，为一实施例中中压直流电压与电流曲线，可见在不同控制策略下，中压直流电压与电流均保持稳定，不受影响；
如图5a、5b所示，为一实施例中低压交流电压与电流曲线，可见在不平衡负载下，所提新控制策略不会影响低压交流侧输出；
如图6a所示，为一实施例中低压直流侧电压曲线，可见在投入波动功率传递后，中压交流测波动功率传至低压侧，导致低压直流母线电压波动增加；在投入相位控制后，直流侧波动功率迅速降低，验证了所提控制的有效性；
如图6b所示，为一实施例中低压直流侧电流曲线，从曲线中可以看出，低压直流侧电流波动为二倍频分量，与理论相符。
如图7所示，为一实施例中A相上桥臂子模块电容电压曲线，可以看出再投入功率波动传递后，子模块波动下降至原来的5％以下，验证了所提控制的有效性。
在本发明另一实施例中，还还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项实施例的电容电压波动抑制的固态变压器的控制方法。
可选地，存储器，用于存储程序；存储器，可以包括易失性存储器(volatilememory)，例如随机存取存储器(random-access memory，缩写：RAM)，如静态随机存取存储器(static random-access memory，缩写：SRAM)，双倍数据率同步动态随机存取存储器(Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory，缩写：DDR SDRAM)等；存储器也可以包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如快闪存储器(flashmemory)。存储器用于存储计算机程序(如实现上述方法的应用程序、功能模块等)、计算机指令等，上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。
上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。
处理器，用于执行存储器存储的计算机程序，以实现上述实施例涉及的方法中的各个步骤。具体可以参见前面方法实施例中的相关描述。
处理器和存储器可以是独立结构，也可以是集成在一起的集成结构。当处理器和存储器是独立结构时，存储器、处理器可以通过总线耦合连接。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (11)

1.一种多级电容电压波动抑制的固态变压器，其特征在于，包括：互联的模块化多电平变换器、隔离型双向DC-DC变换器以及端口；
所述端口包括：中压直流端口、中压交流端口、低压直流端口以及低压交流端口；
所述低压直流端口连接三相四桥臂逆变器；
所述模块化多电平换流器的网侧连接联接变压器，所述联接变压器与电网相连；
所述隔离型双向DC-DC变换器的直流侧输入电流与所述模块化多电平变换器的输入电流相等，从而降低模块化多电平子模块电容电压波动；
所述低压交流端口用于通过调节低压交流侧的输出电压相位，以使传递至低压直流侧的二倍频波动功率与低压交流侧因不平衡负载而产生的波动功率部分抵消，进而降低低压直流母线电容电压波动。
2.根据权利要求1所述的多级电容电压波动抑制的固态变压器，其特征在于，所述模块化多电平变换器的控制采用负序电流抑制控制；
所述隔离型双向DC-DC变换器的控制采用定电压控制及移相控制；
所述三相四桥臂逆变器的控制采用定交流电压控制。
3.根据权利要求2所述的多级电容电压波动抑制的固态变压器，其特征在于，所述隔离型双向DC-DC变换器，其中控制环路由电压控制，波动功率控制，移相角计算以及调制四部分组成，其中：
电压控制根据低压直流母线的电压幅值，经低通滤波器滤除二倍频波动分量，通过PI控制器输出相应的直流输出电流；
波动功率控制则根据采集到的桥臂子模块电容电压，采用PR控制器提取并控制电容电压波动中的基频和二倍频分量，并输出相应的波动输出电流；
将得到的直流输出电流与波动输出电流叠加，经由移相角计算环节得到相应的输出移相角；
调制部分则采用方波移相调制策略，输出隔离型双向DC-DC变换器所需的方波波形，实现直流功率和波动功率的传递；同一桥臂的各隔离型双向DC-DC变换器单元采用相同的移相角进行方波调制。
4.根据权利要求2所述的多级电容电压波动抑制的固态变压器，其特征在于，所述隔离型双向DC-DC变换器的控制采用定电压控制及移相控制，进一步包括：
采集MMC-SST各桥臂子模块电容电压ucapk,将其与参考值ucapk_ref作差后，经过比例谐振控制器，得到各桥臂隔离型双向DC-DC变换器单元低频附加电流控制信号icapk_ref；其中，为实现对波动分量的抑制，选取子模块电容额定电压作为参考值；隔离型双向DC-DC变换器采用单闭环定直流电压控制，由低压直流电压确定隔离型双向DC-DC变换器输入参考电流io_ref；将得到的隔离型双向DC-DC变换器附加电流控制信号icapk_ref叠加至隔离型双向DC-DC变换器输入参考电流io_ref，得到各隔离型双向DC-DC变换器单元实际输出参考电流ik_ref，并通过计算得到相应移相角。
5.根据权利要求2所述的多级电容电压波动抑制的固态变压器，其特征在于，所述三相四桥臂逆变器，在相位控制中，采用pll锁相环分别提取隔离型双向DC-DC变换器输出功率与四桥臂换流器出口功率中二倍频分量的相位，两者做差后经PI控制器得到输出电压参考值的初相角；定交流电压控制采用ab0坐标系下基于准PR调节器的单电压环控制，根据输出电压参考值确定调制电压指令值；调制部分采用三维空间矢量调制，输出各桥臂所需的PWM波形。
6.根据权利要求1所述的多级电容电压波动抑制的固态变压器，其特征在于，所述隔离型双向DC-DC变换器采用双有源桥拓扑结构；进一步地，
所述联接变压器采用Y/△型变压器。
7.根据权利要求1至6任一项所述的多级电容电压波动抑制的固态变压器，其特征在于，所述中压交流端口用于连接交流电网；进一步地，
所述低压交流端口用于连接用户侧负载。
8.一种多级电容电压波动抑制的固态变压器的控制方法，其特征在于，用于权利要求1至7任一项所述的电容电压波动抑制的固态变压器的控制，包括以下步骤：
S71：控制隔离型双向DC-DC变换器的直流侧输入电流与模块化多电平变换器的输入电流相等；
S72：调节低压交流侧的输出电压相位，使传递至低压直流侧的二倍频波动功率与低压交流侧因不平衡负载而产生的波动功率部分抵消，进而降低低压直流母线电容电压波动。
9.根据权利要求8所述的多级电容电压波动抑制的固态变压器的控制方法，其特征在于，还包括：
采用负序电流抑制对所述模块化多电平变换器进行控制；
采用定电圧控制及移相对所述隔离型双向DC-DC变换器进行控制；
采用定交流电压对所述三相四桥臂逆变器进行控制。
10.根据权利要求9所述的多级电容电压波动抑制的固态变压器的控制方法，其特征在于，所述隔离型双向DC-DC变换器的移相控制所需的移相角与输入电流之间的关系为：
Figure FDA0003406573530000031
其中，φ是所述隔离型双向DC-DC变换器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，V2是二次侧直流电压，L1是漏感感值，f是开关频率。
11.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求8-10任一所述的方法。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112653203B (zh) * 2020-12-22 2023-05-30 天津大学 基于固态变压器的交直流混合电网及其协调控制方法
CN112953269B (zh) * 2021-02-04 2022-10-25 西安交通大学 减小固态变压器三角形串联中压电流应力的零序电流算法
CN112994071A (zh) * 2021-03-25 2021-06-18 深圳供电局有限公司 基于双有源直流变换器的脉动功率抑制电路及抑制方法
CN113193757A (zh) * 2021-04-27 2021-07-30 西安交通大学 一种三端口dc-dc变换器拓扑结构及其控制方法
CN113364311B (zh) * 2021-06-25 2023-07-25 上海交通大学 一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法
CN114142753B (zh) * 2021-11-26 2023-06-23 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院 一种mmc型能量路由器子模块电容电压纹波抑制方法
CN115864885B (zh) * 2023-02-20 2023-05-09 湖南大学 混合型模块化多电平换流器拓扑结构及其调控方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110112942A (zh) * 2019-04-22 2019-08-09 上海交通大学 抑制模块化固态变压器中电容电压波动的控制方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107947599A (zh) * 2017-11-27 2018-04-20 国网北京市电力公司 电力电子变流器
CN109194137A (zh) * 2018-09-12 2019-01-11 上海交通大学 一种基于半桥级联型三电平的模块化固态变压器
CN110492514A (zh) * 2019-07-04 2019-11-22 上海交通大学 应用于交直流混合配电网的固态变压器拓扑族及设计方法
CN110504688B (zh) * 2019-08-12 2020-12-29 上海交通大学 具备交直流故障不间断运行能力的固态变压器及控制方法
CN110995030B (zh) * 2019-12-02 2020-12-15 上海交通大学 具备中压直流及真双极低压直流端口的固态变压器

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110112942A (zh) * 2019-04-22 2019-08-09 上海交通大学 抑制模块化固态变压器中电容电压波动的控制方法

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