CN113364311A - 一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法，包括：多端口柔性互联模块；级联全桥变换器，级联全桥变换器的交流输入端串联接入多端口柔性互联模块；以及，隔离型直流变换器，各个隔离型直流变换器的一端与级联全桥变换器的子模块的直流输出侧相连接，其另一端相互并联构成低压直流母线。本发明能实现多交流馈线互联，并通过调节串联在线路上的等效电压源幅值相位，进行线路有功功率和无功功率解耦的主动控制，从而实现多交流馈线间的功率互济，有利于配电网经济高效运行；本发明中的多端口柔性互联模块具备模块化的特点，通过增加互联模块中并联电压源型单相变换器数量，可快速、经济地实现互联端口的拓展。

Description

一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统中交直流电网柔性互联、电力电子的技术领域，尤其涉及一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法。
背景技术
配电网作为经济和社会发展的重要基础设施，对实现能源互联网战略目标起着关键作用，随着分布式电源的不断渗透，储能、电动汽车及可控负荷的大量接入，以分布式电源为核心的多元电力供应系统将改变配电网的现有形态，采用多电压等级的交直流混合配电架构，可极大提升系统控制及设备接入的灵活性，是未来配电网的重要发展方向。
固态变压器(Solid State Transformer,SST)是一种新型电力电子设备，其特征在于每个功率模块中均包含高频变压器和大量电力电子开关，SST可以实现交直流电压转换、电气隔离、功率传输和大规模分布式新能源并网接入等功能，为交直流配网中的核心设备之一。目前，成熟的SST结构以级联H桥型SST(Cascaded H-Bridge Type SST,CHB-SST)为主，该拓扑每一相包含多个级联功率子模块，每个功率子模块由输入侧的H桥和输出侧高频链DC-DC变换器构成；CHB-SST的输入串联输出并联(Input-Series-Output-Parallel,ISOP)连接特征使其可以接入较高电压的交流电网，并以低压直流端口为媒介在交直流系统间传输功率，具有非常广泛的应用场景。
配电网末端的电能消费者对于供电可靠性和电能质量的要求日渐提升，希望从配电网运营者处获取更多能量灵活流动、电力议价谈判等自主性，而现有配电系统由于各自独立运行，无法有效解决线路堵塞问题，馈线负荷不均衡问题突出，配网系统实际容量受最先达到容量上限的单条线路限制，严重影响电网经济运行。
为解决上述问题，一种方案为新建或改造现有线路，这种方案成本高昂且耗时长久；另一种方案为通过固态变压器实现多中压交流端口互联互济，形成互联化的交直流混合配电网。利用电力电子变换器控制的实时性和快速性，实现不同馈线间的功率交互，解决负荷在空间上分布动态不平衡造成的设备及线路利用率下降问题，该方案方便直流负荷、分布式电源以及储能装置的即插即用式接入，具有经济高效、优化潮流分布、改善配电网电能质量等多种功能。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：现有的固态变压器只具备电压变换和功率传输功能，不具备多交流馈线互联互济功能。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：多端口柔性互联模块；级联全桥变换器，所述级联全桥变换器的交流输入端串联接入所述多端口柔性互联模块；以及，隔离型直流变换器，各个隔离型直流变换器的一端与所述级联全桥变换器的子模块的直流输出侧相连接，所述各个隔离型直流变换器的另一端相互并联构成低压直流母线。
作为本发明所述的多中压交流端口固态变压器的一种优选方案，其中：所述多端口柔性互联模块包括多个共享直流母线的电压源型单相变换器组成，所述变换器交流侧输出电压与馈线串联。
作为本发明所述的多中压交流端口固态变压器的一种优选方案，其中：所述级联全桥变换器包括中压级电压源型变换器，其子模块拓扑为全桥型变换器。
作为本发明所述的多中压交流端口固态变压器的一种优选方案，其中：所述隔离型直流变换器包括中间带有中高频隔离变压器的DC-DC变换器，其拓扑为双有源全桥变换器或者半桥型变换器或者功率可控的隔离型DC-DC变换器。
作为本发明所述的多中压交流端口固态变压器的一种优选方案，其中：组成所述多端口柔性互联模块的电压源型单相变换器拓扑包括两电平电压源型单相变换器或者三电平电压源型单相变换器或者能进行功率双向流动的电压源型单相变换器。
作为本发明所述的多中压交流端口固态变压器的一种优选方案，其中：所述多端口柔性互联模块通过一个隔离型双向DC-DC变换器与低压直流母线连接或者不加装隔离型双向DC-DC变换器。
作为本发明所述的多中压交流端口固态变压器的一种优选方案，其中：包括，功率方程：
Figure BDA0003134168230000031
其中，Pk为所述多中压交流端口互联互济式固态变压器的第k条线路的有功功率表达式，PL为所述多中压交流端口互联互济式固态变压器低压直流端口功率。
作为本发明所述的多中压交流端口固态变压器的一种优选方案，其中：所述变压器的启动方案包括，第一阶段：不控整流阶段，交流侧串联限流电阻后并网，所有开关闭锁，经过二极管构成的整流电路对装置内电容进行充电；第二阶段：受控整流阶段，所述第一阶段充电结束后，通过将电容轮流切入切除充电回路但总投入充电回路电容个数一定的方式，将拓扑内电容电压充至额定值附近；第三阶段：斜坡升压阶段，所述第二阶段充电结束后，通过给定斜坡上升的参考电压，利用电压控制环将电容电压充电至额定值。
作为本发明所述的多中压交流端口固态变压器的一种优选方案，其中：所述变压器的启动方案包括，在所述多端口柔性互联模块中的单相电压源型变换器的交流侧端口间并联一个保护装置；所述保护装置由金属氧化物限压器和晶闸管旁路开关并联组成，所述金属氧化物限压器将电压限制在保护水平，所述晶闸管旁路开关将单相电压源型变换器的交流侧端口旁路。
作为本发明所述的多中压交流端口固态变压器的一种优选方案，其中：所述晶闸管旁路开关包括，由反并联晶闸管、阻容回路、静态电阻并联后再与一个饱和电抗器串联构成。
作为本发明所述的多中压交流端口固态变压器的控制方法的一种优选方案，其中：包括线路潮流控制环、级联H桥控制环、DC-DC变换器控制环和公共连接母线电压平衡控制环。
作为本发明所述的多中压交流端口固态变压器的控制方法的一种优选方案，其中：包括，电压源分配方式满足以下基本条件方程：
Figure BDA0003134168230000032
其中，
Figure BDA0003134168230000033
为多端口柔性交流互联装置在第k条线路上等效串联的电压源交流分量的矢量表达式，
Figure BDA0003134168230000034
为实现第k条线路上目标潮流时所需串联在第1条线路和第k条线路之间的等效电压源矢量表达式，
Figure BDA0003134168230000041
为与所述级联H桥相连的所述多端口柔性互联模块中的半桥型变换器交流端口输出的等效电压交流分量的矢量表达式，
Figure BDA0003134168230000042
为第k条线路上的交流电流的共轭矢量表达式，
Figure BDA0003134168230000043
为所述级联H桥的桥臂交流电流的共轭矢量表达式，PIBDC为所述与多端口柔性互联模块相连的隔离型双向DC-DC变换器的传输功率表达式，n为通过所述多端口柔性交流互联模块互联的馈线数量。
作为本发明所述的多中压交流端口固态变压器的控制方法的一种优选方案，其中：所述
Figure BDA0003134168230000044
的选取包括，
简化性取
Figure BDA0003134168230000045
定义电压源型单相变换器所需输出电压交流成分最小，即所述
Figure BDA0003134168230000046
的选取满足
Figure BDA0003134168230000047
取到最小值；
或者令PIBDC＝0，即：
Figure BDA0003134168230000048
本发明的有益效果：本发明通过引入多端口柔性互联模块，提供多个交流互联端口，实现多交流馈线互联，并通过调节串联在线路上的等效电压源幅值相位，可进行线路有功功率和无功功率解耦的主动控制，从而实现多交流馈线间的功率互济，有利于配电网经济高效运行；本发明中的多端口柔性互联模块具备模块化的特点，通过增加互联模块中并联电压源型单相变换器数量，可快速、经济地实现互联端口的拓展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的拓扑结构及其互联多端交流系统/馈线的系统示意图；
图2为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的多端口柔性互联模块通过一个隔离型双向DC-DC变换器与低压直流母线连接的拓扑结构及其互联多端交流系统/馈线的系统示意图；
图3为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的级联H桥子模块、隔离型DC-DC变换器和单相电压源型变换器典型拓扑举例示意图；
图4为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的交直流电网多馈线柔性互联系统示意图；
图5为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的实施方案一中多端口互联模块采用并联两电平半桥型变换器、级联H桥子模块采用全桥拓扑、IDC采用双有源全桥拓扑的双端口互联互济式固态变压器的拓扑结构及其实现两个交流系统/馈线互联的系统示意图；
图6为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的实施方案一中多端口互联模块采用并联两电平半桥型变换器、级联H桥子模块采用全桥拓扑、IDC采用双有源全桥拓扑的双端口互联互济式固态变压器的控制策略框图；
图7为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的实施方案一中第一种工况的仿真各馈线潮流、各电容电压、各馈线电流、负荷功率、低压直流母线电压波形图；
图8为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的实施方案一中第二种工况的仿真各馈线潮流、各电容电压、各馈线电流、负荷功率、低压直流母线电压波形图；
图9为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的实施方案一中第三种工况的仿真各馈线潮流、各电容电压、各馈线电流、负荷功率、低压直流母线电压波形图；
图10为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的实施方案一中第四种工况的仿真各馈线潮流、各电容电压、各馈线电流、负荷功率、低压直流母线电压波形图；
图11为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的实施方案一中第五种工况的仿真各馈线潮流、各电容电压、各馈线电流、负荷功率、低压直流母线电压波形图；
图12为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的实施方案二中的多端口互联模块采用并联两电平半桥型变换器且通过一个隔离型双向DC-DC变换器与低压直流母线连接、级联H桥子模块采用全桥拓扑、IDC采用双有源全桥拓扑的双端口互联互济式固态变压器的拓扑结构及其实现两个交流系统/馈线互联的系统示意图；
图13为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的实施方案二中的多端口互联模块采用并联两电平半桥型变换器且通过一个隔离型双向DC-DC变换器与低压直流母线连接、级联H桥子模块采用全桥拓扑、IDC采用双有源全桥拓扑的双端口互联互济式固态变压器的控制策略框图；
图14为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的实施方案二的仿真各馈线潮流、各电容电压、各馈线电流、负荷功率、低压直流母线电压波形图；
图15为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的实施方案三中多端口互联模块采用并联两电平半桥型变换器、级联H桥子模块采用全桥拓扑、IDC采用双有源全桥拓扑的三端口互联互济式固态变压器的拓扑结构及其实现三个交流系统/馈线互联的系统示意图；
图16为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的实施方案三中的多端口互联模块采用两电平半桥型变换器、级联H桥子模块采用全桥拓扑、IDC采用双有源全桥拓扑的三端口互联互济式固态变压器的控制策略框图；
图17为本发明一个实施例提供的一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法的实施方案三的仿真各馈线潮流、各电容电压、各馈线电流、负荷功率、低压直流母线电压波形图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1～4，为本发明的一个实施例，提供了一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法，包括：
多端口柔性互联模块；
级联全桥变换器，级联全桥变换器的交流输入端串联接入多端口柔性互联模块；以及，
隔离型直流变换器，各个隔离型直流变换器的一端与级联全桥变换器的子模块的直流输出侧相连接，各个隔离型直流变换器的另一端相互并联构成低压直流母线。
具体的，根据本发明的第一方面，提供一种适用于交直流混合配电网的具备多馈线互联互济功能的多中压交流端口互联互济式固态变压器，其中，多端口交流互联互济式固态变压器由一个多端口柔性互联模块、一个级联H桥(CHB)和多个隔离型DC-DC变换器(IDC)共同组成。
进一步的，多端口柔性互联模块由多个共享直流母线的电压源型单相变换器组成，变换器交流侧输出电压与馈线串联，通过调节串联在线路上的等效电压源幅值相位，实现线路有功功率和无功功率的主动控制；级联H桥为中压级电压源型变换器，其子模块拓扑为全桥型变换器；隔离型DC-DC变换器为中间带有中高频隔离变压器的DC-DC变换器，其拓扑可以是双有源全桥变换器，也可以是半桥型变换器，或者其他可实现功率可控的隔离型DC-DC变换器。
优选地，组成多端口柔性互联模块的电压源型单相变换器拓扑可以是两电平电压源型单相变换器，也可以是三电平电压源型单相变换器，或者其他可实现功率双向流动的电压源型单相变换器；多端口柔性互联模块可以通过一个隔离型双向DC-DC变换器与低压直流母线连接，也可以不加装隔离型双向DC-DC变换器。
为了满足系统级别的能量平衡，多中压交流端口互联互济式固态变压器满足下列功率方程：
Figure BDA0003134168230000081
其中，Pk为多中压交流端口互联互济式固态变压器的第k条线路的有功功率表达式，PL为多中压交流端口互联互济式固态变压器低压直流端口功率。
优选的，本发明提供一种适用于交直流混合配电网的多中压交流端口互联互济式固态变压器的控制方法，该控制方法包括线路潮流控制环、级联H桥控制环、DC-DC变换器控制环和公共连接母线电压平衡控制环。
优选的，本发明提供一种适用于交直流混合配电网的多中压交流端口互联互济式固态变压器在配网馈线上等效串联的电压源的分配方式，该电压源分配方式满足以下基本条件方程：
Figure BDA0003134168230000082
其中，
Figure BDA0003134168230000083
为多端口柔性交流互联装置在第k条线路上等效串联的电压源交流分量的矢量表达式，
Figure BDA0003134168230000091
为实现第k条线路上目标潮流时所需串联在第1条线路和第k条线路之间的等效电压源矢量表达式，
Figure BDA0003134168230000092
为与级联H桥相连的多端口柔性互联模块中的半桥型变换器交流端口输出的等效电压交流分量的矢量表达式，
Figure BDA0003134168230000093
为第k条线路上的交流电流的共轭矢量表达式，
Figure BDA0003134168230000094
为级联H桥的桥臂交流电流的共轭矢量表达式，PIBDC为与多端口柔性互联模块相连的隔离型双向DC-DC变换器的传输功率表达式，n为通过多端口柔性交流互联模块互联的馈线数量。
其中，适用于交直流混合配电网的多中压交流端口互联互济式固态变压器在配网馈线上等效串联的电压源的分配方式为满足基本条件方程的任何一组
Figure BDA0003134168230000095
的解。
进一步的，适用于交直流混合配电网的多中压交流端口互联互济式固态变压器在配网馈线上等效串联的电压源的分配方式的求解可以考虑简化性取
Figure BDA0003134168230000096
也可以考虑令PIBDC＝0，即
Figure BDA0003134168230000097
的选取满足：
Figure BDA0003134168230000098
从而在拓扑上省去与多端口柔性互联模块相连的隔离型双向DC-DC变换器，也可以考虑电压源型单相变换器所需输出电压交流成分幅值最小，即
Figure BDA0003134168230000099
的选取满足
Figure BDA00031341682300000910
取到最小值，还可以是任何一种满足基本条件方程的选取方式。
更进一步的，多端口柔性互联模块中的半桥型变换器交流端口输出电压成分中含有相同大小的直流分量和控制所需的不同交流分量。
优选的，电压源型单相变换器交流端口输出电压的直流分量可以是公共连接母线电压值的一半，也可以是其他小于公共连接母线电压值大于零的值。
优选的，本发明提供一种多馈线柔性互联交直流混合配电系统，核心设备为适用于交直流混合配电网的多中压交流端口互联互济式固态变压器。
优选的，多馈线柔性互联交直流混合配电系统可以包含一个多中压交流端口互联互济式固态变压器，也可以包含多个多中压交流端口互联互济式固态变压器，形成更复杂的环状/网状系统拓扑。
优选的，本发明提供一种适用于交直流混合配电网的多中压交流端口互联互济式固态变压器串联在馈线上的电压的过压保护方案。
优选的，多中压交流端口互联互济式固态变压器串联在馈线上的电压的过压保护方案可以通过在多端口柔性互联模块中的单相电压源型变换器的交流侧端口间并联一个保护装置实现，保护装置由金属氧化物限压器和晶闸管旁路开关并联组成，金属氧化物限压器实现将电压限制在保护水平，晶闸管旁路开关将单相电压源型变换器的交流侧端口旁路，实现过压保护。
其中，晶闸管旁路开关由反并联晶闸管、阻容回路、静态电阻并联后再与一个饱和电抗器串联构成。
优选的，本发明提供一种适用于交直流混合配电网的多中压交流端口互联互济式固态变压器的启动方案。
优选的，多中压交流端口互联互济式固态变压器的启动方案可以由三个阶段构成：
第一阶段为不控整流阶段，交流侧串联限流电阻后并网，所有开关闭锁，经过二极管构成的整流电路对装置内电容进行充电；
第二阶段为受控整流阶段，第一阶段充电结束后，通过将电容轮流切入切除充电回路但总投入充电回路电容个数一定的方式，将拓扑内电容电压充至额定值附近；
第三阶段为斜坡升压阶段，第二阶段充电结束后，通过给定斜坡上升的参考电压，利用电压控制环将电容电压充电至额定值。
优选的，本发明提供一种适用于交直流混合配电网的多中压交流端口互联互济式固态变压器的控制系统。
其中，多中压交流端口互联互济式固态变压器的控制系统可以采用集中式控制架构，也可以采用分布式控制架构，还可以采用集中式控制和分布式控制相结合的分层式控制架构。
本发明通过引入多端口柔性互联模块，提供多个交流互联端口，实现多交流馈线互联，并通过调节串联在线路上的等效电压源幅值相位，可进行线路有功功率和无功功率解耦的主动控制，从而实现多交流馈线间的功率互济，有利于配电网经济高效运行；本发明中的多端口柔性互联模块具备模块化的特点，通过增加互联模块中并联电压源型单相变换器数量，可快速、经济地实现互联端口的拓展。
实施例2
参照图5～17为本发明另一个实施例，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例结合具体三种实施例对一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法进行具体说明并针对上述实施例进行仿真，以本发明提出的结构及方法的有效性和可行性进行验证，以科学论证的手段验证本方法所具有的真实效果。
如图5所示，为本发明一实施例使用多中压交流端口互联互济式固态变压器实现双交流系统互联互济的拓扑和系统连接示意图；本实施例中，多中压交流端口互联互济式固态变压器包括一个多端口柔性互联模块、一个三相级联全桥拓扑和与之串联的多个双有源全桥变换器；多端口柔性互联模块包含三个共享直流母线的两电平半桥型变换器，分别与两条交流馈线和级联全桥拓扑串联；通过调节串联在馈线上的等效电压交流分量、与级联全桥拓扑串联的半桥型变换器输出的等效电压的交流分量、级联全桥拓扑输出的等效交流电压的幅值相位、双有源全桥变换器输出的直流电压幅值，一方面实现多中压交流端口互联互济式固态变压器的能量平衡，另一方面实现交流馈线上的有功功率和无功功率的主动控制，即实现馈线潮流的互济。
在另一优选实例中，参照图12，使用多中压交流端口互联互济式固态变压器实现双交流系统互联互济；该实施例中，多中压交流端口互联互济式固态变压器包括一个多端口柔性互联模块、一个三相级联全桥拓扑和与之串联的多个双有源全桥变换器；多端口柔性互联模块包含三个共享直流母线的两电平半桥型变换器，分别与两条交流馈线和级联全桥拓扑串联，此外该多端口柔性互联模块通过一个双有源全桥变换器与低压直流母线连接；通过调节串联在馈线上的等效电压交流分量、与多端口柔性互联模块相连的双有源全桥变换器输入的直流电压幅值、级联全桥拓扑输出的等效交流电压的幅值相位、与级联H桥相连的双有源全桥变换器输出的直流电压幅值，一方面实现多中压交流端口互联互济式固态变压器的能量平衡，另一方面实现交流馈线上的有功功率和无功功率的主动控制，即实现馈线潮流的互济。
在另一优选实例中，参照图15，使用多中压交流端口互联互济式固态变压器实现三个交流系统互联；该实施例中，多中压交流端口互联互济式固态变压器包括一个多端口柔性互联模块、一个三相级联全桥拓扑和与之串联的多个双有源全桥变换器。多端口柔性互联模块包含四个共享直流母线的两电平半桥型变换器，分别与三条交流馈线和级联全桥拓扑相连；通过调节串联在馈线上的等效电压交流分量、与级联全桥拓扑串联的半桥型变换器输出的等效电压的交流分量、级联全桥拓扑输出的等效交流电压的幅值相位、双有源全桥变换器输出的直流电压幅值，一方面实现多中压交流端口互联互济式固态变压器的能量平衡，另一方面实现交流馈线上的有功功率和无功功率的主动控制，即实现馈线潮流的互济。
以下结合具体的仿真实例来对上述结构和方法的应用进行进一步说明；结合上述实施例，以下采用MATLAB/Simulink软件针对系统进行仿真验证，仿真参数如表1所示。
表1：仿真参数表。
参数 数值
线路额定视在功率 S<sub>N</sub>＝1MV·A
节点1电压 V<sub>1，RMS</sub>＝10.5kV，θ<sub>1</sub>＝0°
线路1阻抗 L<sub>1</sub>＝35mH，R<sub>1</sub>＝0.55Ω
节点2电压 V<sub>2，RMS</sub>＝10.5kV，θ<sub>2</sub>＝-3°
线路2阻抗 L<sub>2</sub>＝35mH，R<sub>2</sub>＝0.55Ω
节点3电压 V<sub>3，RMS</sub>＝10.5kV，θ<sub>3</sub>＝-6°
线路3阻抗 L<sub>3</sub>＝35mH，R<sub>3</sub>＝0.55Ω
低压直流母线电压 V<sub>LVDC</sub>＝750V
公共连接电容 C<sub>link</sub>＝1mF，V<sub>link</sub>＝2500V
级联H桥子模块电容 C<sub>CHB</sub>＝1mF，V<sub>CHB</sub>＝2500V
级联H桥子模块个数 4
隔离型DC-DC变换器电容 C<sub>IBDC</sub>＝1mF，V<sub>IBDC</sub>＝2500V
隔离型DC-DC变换器个数 4
开关频率 3kHz
实施方案一：
由多中压交流端口互联互济式固态变压器实现互联互济的双交流系统，其连接示意图参照图5，实施方案一的控制策略如图6所示；多端口柔性交流互联模块包含三个半桥型变换器，其中与交流馈线相连的两个半桥型变换器控制馈线2上的有功功率和无功功率，对应的控制环为潮流控制环；与级联全桥拓扑相连的半桥型变换器控制公共连接母线电压平衡，对应的控制环为公连接母线电压平衡控制环；级联全桥拓扑控制子模块电容电压平衡，对应的控制环为CHB控制环；与级联全桥拓扑控制子模块串联的双有源全桥变换器控制低压直流母线电压平衡，对应的控制环为低压直流母线电压平衡控制环。
实施方案一的多中压交流端口互联互济式固态变压器在配网馈线上等效串联的电压源的分配方式，考虑简化性取
Figure BDA0003134168230000131
为验证多中压交流端口互联互济式固态变压器的互联互济能力，仿真设定了五种运行工况。
工况一：负荷为0.8p.u.有功功率，节点1吸收0.3p.u.无功功率，节点2发出0.4p.u.有功功率，吸收0.3p.u.无功功率，仿真负荷重载，两条馈线有功功率平均分配的情况；
工况二：负荷为0.8p.u.有功功率，节点1吸收0.3p.u.无功功率，节点2发出0.7p.u.有功功率，吸收0.3p.u.无功功率，仿真负荷重载，线路2有功功率重载的情况；
工况三：负荷为0.8p.u.有功功率，节点1吸收0.3p.u.无功功率，节点2吸收0.1p.u.有功功率，吸收0.3p.u.无功功率，仿真负荷重载，线路2有功功率轻载且反向的情况；
工况四：负荷为0.2p.u.有功功率，节点1吸收0.3p.u.无功功率，节点2发出0.1p.u.有功功率，吸收0.3p.u.无功功率，仿真负荷轻载，两条馈线有功功率平均分配情况；
工况五：负荷为0.2p.u.有功功率，节点1吸收0.3p.u.无功功率，节点2吸收0.8p.u.有功功率，吸收0.3p.u.无功功率，仿真负荷轻载，线路2有功功率重载且反向的情况；
如图7、图8、图9、图10、图11所示，分别为实施方案一中工况一到工况五的仿真结果，每幅图包含10幅波形图，从左到右、从上到下依次为线路1有功功率P1波形图，线路1无功功率Q1波形图，线路2有功功率P2波形图，线路2无功功率Q2波形图，三相公共连接母线电压Vlink_abc波形图，三相级联H桥子模块电容电压VCHB_capacitor_abc波形图，线路1三相电流I1abc波形图，线路2三相电流I2abc波形图，负荷有功功率PL波形图，低压直流母线电压V_LVDC波形图。
仿真波形结果表明，多中压交流端口互联互济式固态变压器在保持能量平衡，即电容电压稳定、馈线有功功率之和等于负荷有功功率的情况下，可实现端口互联馈线上的潮流互济。
实施方案二：
由多中压交流端口互联互济式固态变压器实现互联互济的双交流系统，其连接示意图参照图12，实施方案二的控制策略如图13所示。多端口柔性交流互联模块包含三个半桥型变换器，其中与交流馈线相连的两个半桥型变换器控制馈线2上的有功功率和无功功率，对应的控制环为潮流控制环，与级联全桥拓扑相连的半桥型变换器用来承受桥臂的直流电压。多端口柔性交流互联模块通过一个双有源全桥变换器连接到低压直流母线上，该双有源全桥变换器控制公共连接母线电压平衡，对应的控制环为公连接母线电压平衡控制环。级联全桥拓扑控制子模块电容电压平衡，对应的控制环为CHB控制环。与级联全桥拓扑子模块串联的双有源全桥变换器控制低压直流母线电压平衡，对应的控制环为低压直流母线电压平衡控制环。
仿真设定的工况与实施方案一中的工况四相同，即：负荷为0.2p.u.有功功率，节点1吸收0.3p.u.无功功率，节点2发出0.1p.u.有功功率，吸收0.3p.u.无功功率。
如图14所示为工况仿真结果，每幅图包含10幅波形图，从左到右、从上到下依次为线路1有功功率P1波形图，线路1无功功率Q1波形图，线路2有功功率P2波形图，线路2无功功率Q2波形图，三相公共连接母线电压Vlink_abc波形图，三相级联H桥子模块电容电压VCHB_capacitor_abc波形图，线路1三相电流I1abc波形图，线路2三相电流I2abc波形图，负荷有功功率PL波形图，低压直流母线电压V_LVDC波形图。
仿真波形结果表明，多中压交流端口互联互济式固态变压器在保持能量平衡，即电容电压稳定、馈线有功功率之和等于负荷有功功率的情况下，可实现端口互联馈线上的潮流互济。
实施方案三：
由多中压交流端口互联互济式固态变压器实现柔性互联的三个交流系统，其连接示意图如图15所示，实施方案三的控制策略如图16所示；多中压交流端口互联互济式固态变压器包含四个半桥型变换器，其中与交流馈线相连的三个半桥型变换器控制馈线2、馈线3上的有功功率和无功功率，对应的控制环为潮流控制环；与级联全桥拓扑相连的半桥型变换器控制公共连接母线电压平衡，对应的控制环为公连接母线电压平衡控制环；级联全桥拓扑控制子模块电容电压平衡，对应的控制环为CHB控制环；与级联全桥拓扑控制子模块串联的双有源全桥变换器控制低压直流母线电压平衡，对应的控制环为低压直流母线电压平衡控制环。
实施方案三的多中压交流端口互联互济式固态变压器在配网馈线上等效串联的电压源的分配方式，考虑半桥型变换器所需输出电压交流成分幅值最小，即
Figure BDA0003134168230000151
的选取满足
Figure BDA0003134168230000152
取到最小值。
仿真设定的工况如下：负荷为0.8p.u.，节点1发出0.2p.u.无功功率，节点2发出0.3p.u.有功功率，吸收0.1p.u.无功功率，节点3发出0.2p.u.有功功率，发出0.1p.u.无功功率。
如图17所示为工况仿真结果，每幅图包含13幅波形图，从左到右、从上到下依次为线路1有功功率P1波形图，线路1无功功率Q1波形图，线路2有功功率P2波形图，线路2无功功率Q2波形图，线路3有功功率P3波形图，线路3无功功率Q3波形图，三相公共连接母线电压Vlink_abc波形图，三相级联H桥子模块电容电压VCHB_capacitor_abc波形图，线路1三相电流I1abc波形图，线路2三相电流I2abc波形图，线路3三相电流I3abc波形图，负荷有功功率PL波形图，低压直流母线电压V_LVDC波形图。
仿真波形结果表明，多中压交流端口互联互济式固态变压器在互联了三个交流系统的情况下，既实现了端口互联馈线上的功率互济，同时又保持了能量平衡，即电容电压稳定、馈线有功功率之和等于负荷有功功率，具备端口拓展能力。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (13)

1.一种多中压交流端口固态变压器，其特性在于，包括：
多端口柔性互联模块；
级联全桥变换器，所述级联全桥变换器的交流输入端串联接入所述多端口柔性互联模块；以及，
隔离型直流变换器，各个隔离型直流变换器的一端与所述级联全桥变换器的子模块的直流输出侧相连接，所述各个隔离型直流变换器的另一端相互并联构成低压直流母线。
2.如权利要求1所述的多中压交流端口固态变压器，其特征在于：所述多端口柔性互联模块包括多个共享直流母线的电压源型单相变换器组成，所述变换器交流侧输出电压与馈线串联。
3.如权利要求1所述的多中压交流端口固态变压器，其特征在于：所述级联全桥变换器包括中压级电压源型变换器，其子模块拓扑为全桥型变换器。
4.如权利要求1所述的多中压交流端口固态变压器，其特征在于：所述隔离型直流变换器包括中间带有中高频隔离变压器的DC-DC变换器，其拓扑为双有源全桥变换器或者半桥型变换器或者功率可控的隔离型DC-DC变换器。
5.如权利要求1或2所述的多中压交流端口固态变压器，其特征在于：组成所述多端口柔性互联模块的电压源型单相变换器拓扑包括两电平电压源型单相变换器或者三电平电压源型单相变换器或者能进行功率双向流动的电压源型单相变换器。
6.如权利要求5所述的多中压交流端口固态变压器，其特征在于：所述多端口柔性互联模块通过一个隔离型双向DC-DC变换器与低压直流母线连接或者不加装隔离型双向DC-DC变换器。
7.如权利要求6所述的多中压交流端口固态变压器，其特征在于：包括，
功率方程：
Figure FDA0003134168220000011
其中，Pk为所述多中压交流端口互联互济式固态变压器的第k条线路的有功功率表达式，PL为所述多中压交流端口互联互济式固态变压器低压直流端口功率。
8.如权利要求7所述的多中压交流端口固态变压器，其特征在于：所述变压器的启动方案包括，
第一阶段：不控整流阶段，交流侧串联限流电阻后并网，所有开关闭锁，经过二极管构成的整流电路对装置内电容进行充电；
第二阶段：受控整流阶段，所述第一阶段充电结束后，通过将电容轮流切入切除充电回路但总投入充电回路电容个数一定的方式，将拓扑内电容电压充至额定值附近；
第三阶段：斜坡升压阶段，所述第二阶段充电结束后，通过给定斜坡上升的参考电压，利用电压控制环将电容电压充电至额定值。
9.如权利要求8所述的多中压交流端口固态变压器，其特征在于：所述变压器的启动方案包括，
在所述多端口柔性互联模块中的单相电压源型变换器的交流侧端口间并联一个保护装置；
所述保护装置由金属氧化物限压器和晶闸管旁路开关并联组成，所述金属氧化物限压器将电压限制在保护水平，所述晶闸管旁路开关将单相电压源型变换器的交流侧端口旁路。
10.如权利要求9所述的多中压交流端口固态变压器，其特征在于：所述晶闸管旁路开关包括，
由反并联晶闸管、阻容回路、静态电阻并联后再与一个饱和电抗器串联构成。
11.一种应用于如权利要求1所述的多中压交流端口固态变压器的控制方法，其特征在于：包括线路潮流控制环、级联H桥控制环、DC-DC变换器控制环和公共连接母线电压平衡控制环。
12.如权利要求11所述的多中压交流端口固态变压器的控制方法，其特征在于：包括，
电压源分配方式满足以下基本条件方程：
Figure FDA0003134168220000021
其中，
Figure FDA0003134168220000022
为多端口柔性交流互联装置在第k条线路上等效串联的电压源交流分量的矢量表达式，
Figure FDA0003134168220000023
为实现第k条线路上目标潮流时所需串联在第1条线路和第k条线路之间的等效电压源矢量表达式，
Figure FDA0003134168220000024
为与所述级联H桥相连的所述多端口柔性互联模块中的半桥型变换器交流端口输出的等效电压交流分量的矢量表达式，
Figure FDA0003134168220000031
为第k条线路上的交流电流的共轭矢量表达式，
Figure FDA0003134168220000032
为所述级联H桥的桥臂交流电流的共轭矢量表达式，PIBDC为所述与多端口柔性互联模块相连的隔离型双向DC-DC变换器的传输功率表达式，n为通过所述多端口柔性交流互联模块互联的馈线数量。
13.如权利要求12所述的多中压交流端口固态变压器的控制方法，其特征在于：所述
Figure FDA0003134168220000033
的选取包括，
简化性取
Figure FDA0003134168220000034
定义电压源型单相变换器所需输出电压交流成分最小，即所述
Figure FDA0003134168220000035
的选取满足
Figure FDA0003134168220000036
取到最小值；
或者令PIBDC＝0，即：
Figure FDA0003134168220000037
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