CN113437891A - 一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力变换器技术，具体涉及一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器及控制方法，该变换器由六个桥臂A‑F首尾相连形成六边形环状结构，该环形结构六组顶点按顺时针方向依次为R、W、S、U、T、V，六个桥臂分别与两个三相交流端口相连，其中RST组成第一端口，与交流电网相连，UVW组成第二端口，与风电场相连；各桥臂H桥子模块直流侧的电容采用双向有源桥，接入分布式光伏，作为直流端口。该变换器分别对前后级变换器设计控制实现多个端口之间功率的统一管理，确保该变换器的稳定运行。具有高度集成度的特点，无需高压直流母线，从而降低建设与维护成本，减少能量损耗。

Description

一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器及控制方法

技术领域

本发明属于电力变换器技术领域，特别涉及一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器及控制方法。

背景技术

近年来，为缓解能源危机，新能源发电成为优先的发展目标。

随着大量分布式能源、储能设备等的接入，传统变换器已无法满足新能源出力与负荷变化的调节、功率多向流动等需求。且多级变换器往往会增加装置的成本与体积，降低装置的效率，而交直流多端口变换器的是应对这一挑战的重要手段。

三端口六边形模块化多电平变换器拓扑，实现了三个交流端口间的功率交互。桥臂复用的特点使装置紧密性高，但引入第三个交流端口，需要增加移相变压器，增加了装置的体积，且该拓扑的应用场景受限。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种高频化磁耦合的多端口六边形模块化多电平变换器及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器，该变换器由六个桥臂A-F首尾相连形成六边形环状结构，各桥臂皆由n个H桥子模块与1个电感串联构成，每个子模块直流侧并联一个电容器，每个子模块输出三种电平+V_dc、0、-V_dc，每个桥臂电压输出2n+1电平，n为正整数；该环形结构六组顶点按顺时针方向依次为R、W、S、U、T、V，六个桥臂分别与两个三相交流端口相连，其中RST组成第一端口，与交流电网相连，UVW组成第二端口，与风电场相连；各桥臂H桥子模块直流侧的电容采用双向有源桥，接入分布式光伏，作为直流端口。

一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器的控制方法，变换器的前级变换器为双向有源桥，采用定电流控制，给定值与输入电流采集值作差通过PI控制生成副边较原边的相位差信号，调节双向有源桥的输出功率；变换器的后级变换器为输出侧级联的H桥变换器，实现端口间功率平衡控制、桥臂间与桥臂内的均压控制；该控制方法包括以下步骤：

步骤1、设定直流端口的输入电流给定值，通过后级变换器的均压作用，得到各桥臂前级变换器的输入功率；保持直流端口、第一端口与第二端口的有功功率平衡，得到第一端口的有功功率；增加前端总体直压PI控制，各H桥模块直压平均值跟踪电容电压设定值，作为第一端口有功功率的控制信号；

步骤2、根据第一端口对应的有功功率，计算端口电流幅值；根据坐标变换，生成输入电流采集值，控制信号与输入电流采集值作差，通过比例谐振控制器QPR，跟踪端口电流频率，生成第一端口电压控制信号；

步骤3、将桥臂分为两组，桥臂ACE与桥臂BDF；采集并计算桥臂的电容电压平均值，采用PI控制实现无静差调节，实现桥臂间均压，生成中性点偏移电压v_N ^*信号；

步骤4、第一端口电压控制信号与中性点偏移电压信号的叠加生成桥臂电压控制信号；采集子模块电容电压，根据子模块所在桥臂电容电压平均值大小，与桥臂电流的大小与方向，采用比例控制器生成桥臂电压调节值，实现当电容电压低于设定值，由交流侧给电容充电；当电容电压高于设定值，子模块电容放电；

步骤5、桥臂电压控制信号与桥臂电压调节值叠加生成单个模块的调制信号，采用PS-PWM，实现桥臂内各子模块调制信号的移相。

与现有技术相比，本发明的控制部分，可对直流端口与交流端口的能量进行统一管理，实现直流端口与交流端口的功率平衡。可根据场景需求，改变交流端口的功率的大小与方向。

附图说明

图1为本发明一个实施例一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器拓扑；

图2为本发明一个实施例一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器拓扑的数学模型；

图3为本发明一个实施例前级变换器双向有源桥的控制框图；

图4为本发明一个实施例后级变换器H桥逆变器的控制框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器，该变换器拓扑结构为由六个桥臂首尾相连形成六边形环形结构，该拓扑结构六组顶点按顺时针方向依次命名为R、W、S、U、T、V。其中RST组成第一端口，与交流电网相连；UVW组成为第二端口，与风电场相连。各桥臂H桥子模块直流侧采用双向有源桥实现分布式光伏接入，作为直流端口。

一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器的控制方法，变换器的前级变换器为双向有源桥，采用定电流控制，给定值与输入电流采集值的作差通过PI控制生成副边较原边的相位差信号，调节双向有源桥的输出功率。变换器的后级变换器为输出侧级联的H桥变换器，并由后级变换器实现端口间功率平衡控制、桥臂间与桥臂内的均压控制。该控制方法具体包括如下步骤：

S1：设定直流端口的输入电流给定值，由于后级变换器起到均压作用，得到各桥臂前级变换器的输入功率；保证直流端口、第一端口与第二端口的有功功率平衡，可得到第一端口的有功功率；增加前端总体直压PI控制，各H桥模块直压平均值跟踪电容电压设定值，防止电容直压泵升，作为第一端口有功功率的控制信号。

S2：根据交流端口对应的有功功率，计算端口电流幅值；根据坐标变换，生成端口交流电流信号。控制信号与端口电流采集值作差，通过QPR(比例谐振控制器)，跟踪端口电流频率，生成端口电压控制信号。

S3：六个桥臂分别与两个三相交流端口相连，与同一端口相连的桥臂具有功率相似性，可将桥臂分为两组——桥臂ACE与桥臂BDF。采集并计算桥臂的电容电压平均值，采用PI控制实现无静差调节，达到桥臂间均压的目的，生成中性点偏移电压v_N ^*信号。

S4：端口控制信号与中性点偏移电压信号的叠加生成桥臂电压控制信号。采集子模块电容电压，根据子模块所在桥臂电容电压平均值大小，与桥臂电流的大小与方向，采用比例控制器生成桥臂电压调节值，实现当电容电压低于设定值，由交流侧给电容充电；当电容电压高于设定值，子模块电容放电。

S5：桥臂电压控制信号与调节值的叠加生成单个模块的调制信号，采用PS-PWM，实现桥臂内各子模块调制信号的移相，可保证良好的输出特性。

具体实施时，如图1所示，为一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器。

该拓扑结构由六个桥臂A-F，首尾相连形成六边形环状结构，各桥臂皆由n个H桥子模块与1个电感串联构成。每个子模块直流侧并联一个电容器。每个子模块输出三种电平，+V_dc、0、-V_dc，即每个桥臂电压输出2n+1电平，n为正整数。

该拓扑结构六个顶点依次R、W、S、U、T、V，分别与两组三相交流端口相连：RST为第一端口，与交流电网相连；UVW为第二端口，与海上风电场相连。

各H桥子模块直流侧的电容，采用双向有源桥变换器实现分布式光伏的接入，且各有源输入独立，作为直流端口。根据分布式光伏规模，设计变压器变比与电感参数。

交直流端口的功率通过六个桥臂进行交互。由分布式光伏与海上风电场发电并网，传输给交流电网。

如图2所示，为本实施例一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器的数学模型。

各桥臂等效为一个电压源与电感的串联，六个桥臂的电压依次命名为v_a,v_b,v_c,v_d,v_e和v_f，六个桥臂的电流依次命名为i_a,i_b,i_c,i_d,i_e和i_f。端口1的三相电压依次为v_r,v_s和v_t，端口1的三相电流依次为i_r,i_s和i_t；端口2的三相电压依次为v_u,v_v和v_w，端口1的三相电流依次为i_u,i_v和i_w。端口1的中性点设为N₁，端口2的中性点设为N₂，以端口2为参考点，端口1较端口2的中性点偏移电压为v_N。

如图3所示，为双向有源桥(前级变换器)的控制框图，采用定电流控制，参考值i_{in_ref}与输入电流采集值i_in的作差通过PI控制生成副边较原边的相位差信号，调节双向有源桥的输出功率。

如图4所示，为H桥逆变器(后级变换器)的控制框图，以实现端口间功率平衡控制、桥臂间与桥臂内的均压控制。交直流多端口六边形模块化多电平变换器控制方法具体包括如下步骤：

(1)设定直流端口的输入电流给定值，由于后级变换器起到均压作用，得到各桥臂前级变换器的输入功率p_pv；保证直流端口p_pv、第一端口p_p1与第二端口p_p2的有功功率平衡，可得到第一端口的有功功率；增加前端总体直压PI控制，各H桥模块直压平均值跟踪电容电压设定值，防止电容直压泵升，作为第一端口有功功率的控制信号。

(2)根据交流端口对应的有功功率，计算端口电流d轴分量i^* _1d；根据坐标变换，生成端口交流电流信号i_rst ^*。控制信号i_rst ^*和i_uvw ^*与端口电流采集值i_rst和i_uvw作差，通过QPR(比例谐振控制器)，跟踪端口电流频率，生成端口电压控制信号v_rst ^*和v_uvw ^*。

(3)六个桥臂分别与两个三相交流端口相连，与同一端口相连的桥臂具有功率相似性，可将桥臂分为两组，桥臂ACE与桥臂BDF。采集并计算桥臂的电容电压平均值v_{dc_ace}与v_{dc_bdf}，采用PI控制实现无静差调节，达到桥臂间均压的目的，生成中性点偏移电压v_N ^*信号。

(4)端口控制信号v_rst ^*和v_uvw ^*与中性点偏移电压信号v_N ^*的叠加生成桥臂电压控制信号v_bij。采集子模块电容电压v_{dc_bij}，根据模块所在桥臂电容电压平均值大小

与桥臂电流的大小与方向，采用比例控制器生成桥臂电压调节值Δv_bij，实现当电容电压低于设定值，由交流侧给电容充电；当电容电压高于设定值，子模块电容放电。

(5)桥臂电压控制信号v_bij与调节值Δv_bij的叠加生成单个模块的调制信号，采用PS-PWM，实现桥臂内各子模块调制信号的移相，可保证良好的输出特性。

本实施例一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器可实现分布式光伏与海上风电并网，该变换器由六个桥臂首尾相连构成，可引出两个三相交流端口，分别连接交流电网与海上风电场；各桥臂H桥子模块直流侧引入独立的有源输入，采用双向有源桥变换器实现分布式光伏的接入。为确保该变换器的稳定运行，分别对前后级变换器设计控制实现多个端口之间功率的统一管理。具有高度集成度的特点，无需高压直流母线，从而降低建设与维护成本，减少能量损耗。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器，其特征在于：该变换器由六个桥臂A-F首尾相连形成六边形环状结构，各桥臂皆由n个H桥子模块与1个电感串联构成，每个子模块直流侧并联一个电容器，每个子模块输出三种电平+V_dc、0、-V_dc，每个桥臂电压输出2n+1电平，n为正整数；该环形结构六组顶点按顺时针方向依次为R、W、S、U、T、V，六个桥臂分别与两个三相交流端口相连，其中RST组成第一端口，与交流电网相连，UVW组成第二端口，与风电场相连；各桥臂H桥子模块直流侧的电容采用双向有源桥，接入分布式光伏，作为直流端口。

2.根据权利要求1所述交直流多端口六边形模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于：变换器的前级变换器为双向有源桥，采用定电流控制，给定值与输入电流采集值作差通过PI控制生成副边较原边的相位差信号，调节双向有源桥的输出功率；变换器的后级变换器为输出侧级联的H桥变换器，实现端口间功率平衡控制、桥臂间与桥臂内的均压控制；该控制方法包括以下步骤：

步骤1、设定直流端口的输入电流给定值，通过后级变换器的均压作用，得到各桥臂前级变换器的输入功率；保持直流端口、第一端口与第二端口的有功功率平衡，得到第一端口的有功功率；增加前端总体直压PI控制，各H桥模块直压平均值跟踪电容电压设定值，作为第一端口有功功率的控制信号；

步骤2、根据第一端口对应的有功功率，计算端口电流幅值；根据坐标变换，生成输入电流采集值，控制信号与输入电流采集值作差，通过比例谐振控制器QPR，跟踪端口电流频率，生成第一端口电压控制信号；

步骤3、将桥臂分为两组，桥臂ACE与桥臂BDF；采集并计算桥臂的电容电压平均值，采用PI控制实现无静差调节，实现桥臂间均压，生成中性点偏移电压v_N ^*信号；

步骤4、第一端口电压控制信号与中性点偏移电压信号的叠加生成桥臂电压控制信号；采集子模块电容电压，根据子模块所在桥臂电容电压平均值大小，与桥臂电流的大小与方向，采用比例控制器生成桥臂电压调节值，实现当电容电压低于设定值，由交流侧给电容充电；当电容电压高于设定值，子模块电容放电；

步骤5、桥臂电压控制信号与桥臂电压调节值叠加生成单个模块的调制信号，采用PS-PWM，实现桥臂内各子模块调制信号的移相。

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