CN111969870A - 一种故障工况下不间断运行的固态变压器及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种故障工况下不间断运行的固态变压器拓扑及其调制方法，该拓扑包括：相互级联的MMC的子模块单元SM以及隔离型直流变化器单元IBDC；中压直流、中压交流、低压直流及低压交流端口；MMC的子模块单元SM包括：半桥子模块及全桥子模块；半桥子模块与全桥子模块的数量比为1:1；半桥子模块与与其对应的全桥子模块的调制波的相位相反。该方法包括：采用相位相反的调制波对半桥子模块及与其对应的全桥子模块进行调制。通过本发明，可以实现中压直流双极短路故障下固态变压器低压侧的不间断运行，在故障期间保证中压交流和低压直流正常的能量交互，提升了交直流混合配电网的供电可靠性，且能够保持提供较好的并网谐波特性。

Description

一种故障工况下不间断运行的固态变压器及其调制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种故障工况下不间断运行的固态变压器及其调制方法。
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。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。配电网络的复杂化也对固态变压器的直流故障处理能力提出了严峻的挑战。挑战主要来自两个方面。第一个挑战来自于配电网的继电保护技术。目前，交流电网的继电保护技术相对成熟，保护难度低；但中高压直流配电网的继电保护技术尚未成熟，保护难度较高，目前采用具有直流故障阻断能力的换流器拓扑是较为有效的直流故障处理方案。第二个挑战来自于配电网的供电可靠性。交直流混合配电网中，多个不同电压等级的交直流网络通过固态变压器的多个端口直接耦合，使得各端口间能量平衡关系更为复杂。当中压直流端口因双极短路故障而切除时，传统调制方法下的混合型模块化固态变压器将因内部能量失衡而退出运行，影响低压直流端口等正常运行，严重影响交直流混合配电网的供电可靠性。
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。但是该拓扑未考虑中压直流故障应对能力，无法实现装置低压直流端口在中压直流双极短路故障下的不间断运行，进而影响配电网的供电可靠性。
另外，申请号为：201910746562.3，名称为：一种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的中国专利，提出了一种固态变压器拓扑在中压直流故障时的不间断运行控制方法。但专利中使用附加占空比控制对MMC子模块电容电压进行控制，在故障发生后的暂态过程中电容电压出现较大偏差，影响固态变压器的正常运行。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种故障工况下不间断运行的固态变压器及其调制方法，可以实现中压直流双极短路故障下固态变压器低压侧的不间断运行，在故障期间保证中压交流和低压直流正常的能量交互，提升了交直流混合配电网的供电可靠性，且能够保持提供较好的并网谐波特性。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
根据本发明的第一方面，提供一种故障工况下不间断运行的固态变压器，其包括：相互级联的MMC的子模块单元SM以及隔离型直流变化器单元IBDC；
还包括：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MMC的子模块单元SM包括：半桥子模块以及全桥子模块；所述半桥子模块与所述全桥子模块的数量比为1:1；
中压直流侧的调制电压为零电压；
所述中压交流端口的电压等于交流调制电压。
较佳地，所述半桥子模块的调制波与与其对应的全桥子模块的调制波的相位相反。
较佳地，所述半桥子模块与与其对应的全桥子模块共用一个三角载波。
较佳地，所述全桥子模块的调制采用单极性调制，其优点为：(1)单极性方法中有两个功率管处于长通和长闭状态，开关损耗更低；(2)单极性方法输出电压谐波更低；(3)不间断运行场景下，采用单极性调制，全桥子模块与半桥子模块调制具有对称性，可抵消部分边带谐波分量。
根据本发明的第二方面，提供一种用于上述故障工况下不间断运行的固态变压器的调制方法，其包括以下流程：
S51：保持中压直流侧调制电压为零电压；
S52：维持中压交流端口电压等于交流调制电压；
其中，上述流程不分先后顺序。
较佳地，还包括以下流程：
S61：采用相位相反的调制波对所述半桥子模块以及与其对应的全桥子模块进行调制。
较佳地，采用单极性调制对所述全桥子模块进行调制，所述半桥子模块以及所述全桥子模块的调制波表示为：
Figure BDA0002600382490000031
其中，uref_njHB为j相下桥臂中半桥子模块的调制波，uref_njFB为全桥子模块的调制波，所述半桥子模块与其对应的全桥子模块共用一个三角载波。
较佳地，还包括：保持中压直流侧调制电压为零电压。
较佳地，还包括：维持中压交流端口电压等于交流调制电压。
根据本发明的第三方面，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程序时可用于执行上述的故障工况下不间断运行的固态变压器的调制方法。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的故障工况下不间断运行的固态变压器及其调制方法，通过保持中压直流侧调制电压为零，维持中压交流端口电压等于交流调制电压，可以实现直流故障下固态变压器中压交流端口及低压端口之间的不间断能量交互，提高交直流混合配电网的供电可靠性，且提供较好的并网谐波特性；
(2)本发明提供的故障工况下不间断运行的固态变压器及其调制方法，通过半桥子模块的调制波与与其对应的全桥子模块的调制波的相位相反，即半桥子模块组与全桥子模块组在调制过程中的对称性，消除了部分边带谐波分量，进一步优化了谐波特性，提供了较好的并网谐波特性；
(3)本发明提供的故障工况下不间断运行的固态变压器及其调制方法，通过保持中压直流侧调制电压为零电压，即上下桥臂调制电压值之和为零，配合中压直流端口短路耐受，可以避免中压直流双极短路故障对装置运行产生影响；
(4)本发明提供的故障工况下不间断运行的固态变压器及其调制方法，通过维持中压交流端口电压等于交流调制电压，可以保证中压交流侧正常运行。
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固态变压器的拓扑图；
图2为本发明一实施例的固态变压器的拓扑的内部子模块示意图；
图3为本发明一实施例的以j相下桥臂为例的调制波的示意图；
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A相中压交流电压与交流电流曲线；
图6为本发明一实施例中低压端口直流电压与直流电流曲线；
图7a为本发明一实施例中传统移相载波调制所得调制电压4kHz附近频带；
图7b为本发明一实施例中传统移相载波调制所得调制电压8kHz附近频带；
图8a为本发明一实施例中不间断运行调制所得调制电压4kHz附近频带；
图8b为本发明一实施例中不间断运行调制所得调制电压8kHz附近频带。
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固态变压器的拓扑图。
请参考图1，本实施例的固态变压器包括：相互级联的MMC的子模块单元SM以及隔离型直流变化器单元IBDC。还包括：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四类端口。MMC的子模块单元SM包括：半桥子模块HBSM以及全桥子模块FBSM；半桥子模块与全桥子模块的数量比为1:1。
下面介绍该混合型固态变压器的工作原理：
设中压交流侧的电压与电流为：
Figure BDA0002600382490000061
在式(1)中，Um和Im分别为交流电网A相的电压和电流幅值，ω为工频角频率，
Figure BDA0002600382490000062
为中压交流侧的功率因数角。
忽略MMC内部电流在桥臂电感上造成的压降，以及MMC相间环流造成的影响，设MMC的中压直流额定电压为Udc，中压交流侧调制系数为M，桥臂子模块数量为N，子模块的电容电压为UC，则MMC在电压关系上满足如下关系式：
Figure BDA0002600382490000063
Udc＝NUC (3)
此时MMC-SST的中压交流端口的有功功率为：
Figure BDA0002600382490000064
低压直流端口的有功功率为：
PLVDC＝ULVDCILVDC (5)
中压直流双极短路故障发生后，中压直流电压为零，中压直流端口无有功功率，则固态变压器能量平衡满足：
Figure BDA0002600382490000065
较佳实施例中，为了避免中压直流双极短路故障对装置运行产生影响，需要保持中压直流侧调制电压为零电压，即上下桥臂调制电压值之和为零，配合中压直流端口短路耐受。其次，为保证中压交流侧正常运行，需要维持中压交流端口电压等于交流调制电压，以A相为例，上下桥臂调制电压需满足：
Figure BDA0002600382490000071
其中，uap，uan为MMC换流器A相上下桥臂调制电压指令值，ωt为A相相位。为实现MMC调制电压中的直流分量为零，令桥臂内的全桥子模块组输出负极性的直流电压，与半桥子模块组输出的正极性直流电压相互抵消，以使得相单元的直流电压分量为零，与中压直流侧匹配。
较佳实施例中，半桥子模块的调制波与与其对应的全桥子模块的调制波的相位相反。
以下对故障状况下不间断运行的调制策略进行简要说明，以j(j＝a，b，c)相下桥臂为例，桥臂内两种子模块的调制波如图3所示。
uref_njHB与uref_njFB分别为j相下桥臂中半桥子模块和全桥子模块的调制波，两者相位相反。较佳地，全桥子模块采用单极性调制，输出电压为负电平或零电平，其调制波与三角载波工作在负值域。两种子模块的调制波可表示为：
Figure BDA0002600382490000072
其中，半桥子模块与其对应的全桥子模块共用一个三角载波。由于桥臂内半桥子模块和全桥子模块的数量均为N/2，三角载波序列的相位依次相差4π/N。
运用双重傅里叶级数理论对该调制策略进行谐波分析：
令ω0，ωC分别为调制波和三角载波的角速度，
Figure BDA0002600382490000073
和θC分别为半桥子模块组调制波和第一个三角载波的初相角，j相下桥臂的半桥子模块组输出总电压为：
Figure BDA0002600382490000081
j相下桥臂的全桥子模块组输出总电压为：
Figure BDA0002600382490000082
j相下桥臂的总电压为：
Figure BDA0002600382490000083
同样地，可得到j相上桥臂的总电压为：
Figure BDA0002600382490000084
由式(11)与式(12)可知，故障状况下不间断运行调制策略所得调制电压中，不含有直流分量与载波谐波分量；交流基波分量与中压交流电网电压匹配；由于半桥子模块组和全桥子模块组在调制过程中具有对称性，部分边带谐波分量被消除。
一实施例中，还提供一种故障状况下不间断运行的固态变压器的调制方法，其包括：采用相位相反的调制波对所述半桥子模块以及与其对应的全桥子模块进行调制。
较佳实施例中，采用单极性调制对所述全桥子模块进行调制，所述半桥子模块以及所述全桥子模块的调制波表示为：
Figure BDA0002600382490000091
其中，uref_njHB为j相下桥臂中半桥子模块的调制波，uref_njFB为全桥子模块的调制波，所述半桥子模块与其对应的全桥子模块共用一个三角载波。
较佳实施例中，还包括：保持中压直流侧调制电压为零电压。
较佳实施例中，还包括：维持中压交流端口电压等于交流调制电压。
在另一实施例中，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，处理器执行程序时可用于执行上述任一项实施例中的故障工况下不间断运行的固态变压器的调制方法。
以下采用MATLAB/Simulink软件针对该调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。
仿真参数 参数值 仿真参数 参数值
MMC-SST容量 2400VA 子模块电容电压 40V
中压直流电压 160V 子模块电容 10mF
低压直流电压 40V 桥臂电感 2mH
中压交流线电压 80V MMC开关频率 1kHz
桥臂半桥子模块数 2 DAB开关频率 6kHz
桥臂全桥子模块数 2 DAB中变压器变比 1:1
中压直流侧负载 16Ω 低压直流侧负载 2Ω
仿真的时序为：
t＝0s时，模块化固态变压器启动，正常运行时采用传统移相载波调制。三端口的能量平衡满足中压交流端口输入2400W，中压直流端口输出1600W，低压直流端口输出800W。
t＝0.597s时，中压直流侧发生双极短路故障。
t＝0.6s时，模块化固态变压器切换至不间断运行调制策略。中压交流端口向低压直流端口传递功率为800W。
如图4所示，为一实施例的中压直流电压曲线。正常运行时，中压直流电压维持在160V，为额定电压。系统切换至不间断运行调制后，中压直流电压迅速降低至零，可见混合型固态变压器在此情况下具备直流故障电压耐受能力。
如图5所示，为一实施例的A相中压交流电压与电流。A相中压交流电压始终保持工频正弦波形，不受中压直流故障影响；A相中压交流电流经短暂调整后，进入故障稳态。故障稳态时，中压交流端口只向低压直流测供电，不再向中压直流端口提供功率，电流幅值减小。可见不间断运行调制策略能保持中压交流端口稳定运行。
如图6所示，为一实施例的低压直流电压与电流曲线。低压侧的直流电压与直流电流在全时间段保持稳定，不受中压直流故障影响。可见，在不间断运行调制策略下，混合型固态变压器能实现低压侧的不间断运行，保持对低压侧负载的稳定供电。
如图7a与图7b所示，为一实施例的固态变压器正常运行时采用传统移相载波调制所得电压的FFT结果，所得调制电压的总谐波失真度(THD)为33.11％。
如图8a与图8b所示，为一实施例中不间断运行调制策略所得电压FFT结果，所得调制电压总谐波失真度(THD)为27.66％。可见，不间断运行调制策略能进一步优化谐波特性。
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 (8)

1.一种故障工况下不间断运行的固态变压器，其特征在于，包括：相互级联的MMC的子模块单元SM以及隔离型直流变化器单元IBDC；
还包括：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MMC的子模块单元SM包括：半桥子模块以及全桥子模块；所述半桥子模块与所述全桥子模块的数量比为1:1；
中压直流侧的调制电压为零电压；
所述中压交流端口的电压等于交流调制电压。
2.根据权利要求1所述的故障工况下不间断运行的固态变压器，其特征在于，所述半桥子模块的调制波与与其对应的全桥子模块的调制波的相位相反。
3.根据权利要求2所述的故障工况下不间断运行的固态变压器，其特征在于，所述半桥子模块与与其对应的全桥子模块共用一个三角载波。
4.根据权利要求1至3任一项所述的故障工况下不间断运行的固态变压器，其特征在于，所述全桥子模块的调制采用单极性调制。
5.一种故障工况下不间断运行的固态变压器调制方法，其特征在于，用于权利要求1至4任一项所述的固态变压器的调制，其包括以下流程：
S51：保持中压直流侧调制电压为零电压；
S52：维持中压交流端口电压等于交流调制电压；
其中，上述流程不分先后顺序。
6.根据权利要求5所述的故障工况下不间断运行的固态变压器调制方法，其特征在于，还包括以下流程：
S61：采用相位相反的调制波对所述半桥子模块以及与其对应的全桥子模块进行调制。
7.根据权利要求6所述的故障工况下不间断运行的固态变压器调制方法，其特征在于，采用单极性调制对所述全桥子模块进行调制，所述半桥子模块以及所述全桥子模块的调制波表示为：
Figure FDA0002600382480000021
其中，uref_njHB为j相下桥臂中半桥子模块的调制波，uref_njFB为全桥子模块的调制波，所述半桥子模块与其对应的全桥子模块共用一个三角载波。
8.一种电子设备，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程序时可用于执行权利要求5至7任一项所述的方法。
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