CN113708398A - 一种配电网用多端变比可调直流变压器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体提供了一种配电网用多端变比可调直流变压器及其控制方法，旨在解决现有的多端变比可调直流变压器的结构复杂、体积重量的技术问题。包括：多个低压侧MMC、交流变压器和高压侧MMC；所述高压侧MMC的直流侧接入高压侧直流电网，所述高压侧MMC的交流侧连接交流变压器，各低压侧MMC的交流侧并联后连接交流变压器，各低压侧MMC的直流侧分别连接各直流电网，其中，各低压侧MMC与交流变压器之间均接有一等效电感。该方案结构简单、节省了交流变压器数量，减少装置体积，并且由于其变比调节能力，当直流电网电压等级发生改变时，只需调整相应的控制策略而无需更换交流变压器，灵活性高，可降低运行及维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及大功率直流变压器领域，具体涉及一种配电网用多端变比可调直流变压器及其控制方法。
背景技术
近年来，能源需求不断增长，电网中分布式能源的比例也越来越高，直流电网被视为建设大容量输电系统的关键。在传统的高压直流输电系统中，2端直流输电仅能实现点对点的直流电能传送，随着经济发展和电网的建设，必然要求未来的直流电网能够实现多电源供电以及多点受电，实现不同电压等级直流电网之间的连接。因此，直流变压器成为直流电网中的关键环节。
目前，学界提出了许多大容量直流变压器拓扑结构，大多是由高频变压器连接两个DC/AC变换器。应用这种结构的直流变压器可以实现两个不同电压等级的直流线路互联。然而为应对未来直流配电网的需求，多个不同电压等级的直流母线需要相互连接，因此需要大容量的多端直流变压器。相比于两端直流变压器，多端直流变压器可以连接多个不同电压等级的直流母线，适用于直流配电网。
因此，需要在两端直流变压器的基础上，研究多端直流变压器拓扑。而在传统的直流变压器中，电压变比通过交流变压器实现，则多端直流变压器内部需要多个交流变压器，导致交流变压器的数量增多，也增加了设备的体积重量。
发明内容
为了克服上述缺陷，提出了本发明，以提供解决或至少部分地解决现有的多端变比可调直流变压器的结构复杂、体积重量的技术问题的配电网用多端变比可调直流变压器及其控制方法。
第一方面，提供一种配电网用多端变比可调直流变压器，所述配电网用多端变比可调直流变压器包括：多个低压侧MMC、交流变压器和高压侧MMC；
所述高压侧MMC的直流侧接入高压侧直流电网，所述高压侧MMC的交流侧连接交流变压器，各低压侧MMC的交流侧并联后连接交流变压器，各低压侧MMC的直流侧分别连接各直流电网，其中，各低压侧MMC与交流变压器之间均接有一等效电感。
优选的，所述高压侧MMC和各低压侧MMC中每个桥臂上的子模块均为半桥模块。
优选的，所述高压侧MMC和各低压侧MMC均采用四桥臂MMC。
优选的，所述四桥臂MMC中每个桥臂均由若干个相同数量的半桥子模块级联组成。
优选的，所述交流变压器的变比为1:1。
第二方面，提供一种配电网用多端变比可调直流变压器的控制方法，所述控制方法包括：
基于高/低压侧MMC的交流侧电压和直流侧电压计算所述高/低压侧MMC中导通的模块数；
根据所述高/低压侧MMC输出的方波信号及高/低压侧MMC中导通的模块数控制高/低压侧MMC中子模块的投切。
优选的，所述基于高/低压侧MMC的交流侧电压和直流侧电压计算所述高/低压侧MMC中导通的模块数，包括：
求解方程组，获取所述高/低压侧MMC中第一对交叉桥臂导通的模块数和第二对交叉桥臂导通的模块数，其中，所述方程组的计算式如下：
上式中，Uva为所述高/低压侧MMC的第一、二桥臂引出点的电平，Uvb为所述高/低压侧MMC的第三、四桥臂引出点的电平，Uac为所述高/低压侧MMC交流侧电压，Udc为所述高/低压侧MMC直流侧电压，s为所述高/低压侧MMC中第一对交叉桥臂导通的模块数，m为所述高/低压侧MMC中第二对交叉桥臂导通的模块数，其中，所述第一对交叉桥臂由所述高/低压侧MMC中第一桥臂和第三桥臂组成，第二对交叉桥臂由所述高/低压侧MMC中第二桥臂和第三桥臂组成。
进一步的，所述根据所述高/低压侧MMC输出的方波信号及高/低压侧MMC中导通的模块数控制高/低压侧MMC中子模块的投切，包括：
当所述高/低压侧MMC输出的方波信号为高电平时，投入第一对交叉的桥臂中电压最小的s个子模块并切除余下的子模块，投入第二对交叉的桥臂中电压最小的m个子模并切除余下的子模块；
当所述高/低压侧MMC输出的方波信号为低电平时，投入第一对交叉的桥臂中电压最小的n-m个子模块并切除余下的子模块，投入第二对交叉的桥臂中电压最小的n-s个子模块并切除余下的子模块；
其中，n为所述高/低压侧MMC中各桥臂上子模块总数。
本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：
本发明提供了一种配电网用多端变比可调直流变压器及其控制方法，包括：多个低压侧MMC、交流变压器和高压侧MMC；所述高压侧MMC的直流侧接入高压侧直流电网，所述高压侧MMC的交流侧连接交流变压器，各低压侧MMC的交流侧并联后连接交流变压器，各低压侧MMC的直流侧分别连接各直流电网，其中，各低压侧MMC与交流变压器之间均接有一等效电感。本发明提供的方案可以在实现多个不同电压等级直流电网的互联的情况下，在直流变压器内部只使用一个交流变压器。相比于现有的直流变压器方案，本发明能显著减少设备的体积重量，简化结构；该方案仅需通过调整控制策略即可适配不同电压等级的直流电网，提高了多端直流变压器的灵活性，降低了运行维护成本。
进一步的，本发明所提出的技术方案，实现了只使用一个1:1交流变压器的多端变比可调直流变压器拓扑，通过相应的控制方法，使得直流电压不同的各MMC端口交流电压相等，经等效电感后并联，根据传输功率的不同计算出各端口需要的移相角，并据此控制等效电感两段的相位差以传输功率。因此当各低压侧直流电压不同时，根据所提出的控制方法改变导通的子模块数目m、s，使交流侧Uac电压幅值相等，使得多个低压MMC可以在交流侧并联。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的配电网用多端变比可调直流变压器的主要结构框图；
图2是本发明提供的实施例中MMC半桥子模块示意图；
图3是本发明提供的实施例中变换器控制方法示意图；
图4a是本发明提供的实施例中1、4桥臂子模块控制及调制程序流程图；
图4b为本发明提供的实施例中2、3桥臂子模块控制及调制程序流程图；
图5是本发明提供的实施例中等效电感传输功率示意图；
图6是本发明提供的实施例中装置输入输出仿真波形图；
图7是本发明提供的实施例中装置中间交流侧仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种配电网用多端变比可调直流变压器，采用了不依赖交流变压器变比的控制策略。各MMC的直流侧分别连接不同电压等级的直流电网，调节各桥臂中子模块的通断保持交流侧的电压不变，交流侧并联汇集后经1:1的交流变压器连接至高压MMC侧，经高压侧MMC整流后接入高压侧直流电网。本方案可以通过灵活调节拓扑中各桥臂模块的通断数改变电压变比，以连接不同电压等级的直流电网。具体的，所述配电网用多端变比可调直流变压器包括：
多个低压侧MMC、交流变压器和高压侧MMC；所述高压侧MMC的直流侧接入高压侧直流电网，所述高压侧MMC的交流侧连接交流变压器，各低压侧MMC的交流侧并联后连接交流变压器，各低压侧MMC的直流侧分别连接各直流电网，其中，各低压侧MMC与交流变压器之间均接有一等效电感。
其中，所述高压侧MMC和各低压侧MMC中每个桥臂上的子模块均为半桥模块，所述高压侧MMC和各低压侧MMC均采用四桥臂MMC，所述四桥臂MMC中每个桥臂均由若干个相同数量的半桥子模块级联组成，所述交流变压器的变比为1:1。
在一个实施方式中，本发明提供了一种配电网用多端变比可调直流变压器的拓扑结构如图1所示，多端直流变压器每一端口处都由多个半桥MMC子模块级联组成，MMC1～MMCk为k个低压侧MMC，其直流侧连接各直流电网，交流侧过等效电感Leq后并联，再经1:1交流变压器连接，经高压侧MMC整流后连接高压侧直流电网；图中Udc1～Udck为各低压侧直流电压；Udch为高压侧直流电压；Leq1～Leqk为等效电感；L1～L4为桥臂电感；Arm1～Arm4为MMC的各桥臂；SM1～SMn、SM1～SMm、SM1～SMp为MMC子模块，子模块如图2所示，每一子模块由T1、T2两个并联反向二极管D1、D2的IGBT串联后并联子模块电容C。
如图1所示，本发明包括k个低压侧MMC和一个高压侧MMC；k个低压侧MMC的直流侧分别连接各直流电网，交流侧并联后连接至交流变压器，经高压侧MMC整流后连接高压侧直流电网，其中，k≥2；每个低压侧MMC与交流变压器之间分别连接有一等效电感Leq；低压侧MMC和高压侧MMC均包含有四个桥臂，每个桥臂上均设置有桥臂电感；每个桥臂上的子模块为半桥模块。
针对本发明所提的多端变比可调直流变压器拓扑，采用不依赖变压器变比，通过灵活调节拓扑各桥臂通断改变电压的控制策略。
如图1可知，每个MMC有交叉的四个桥臂，基于上述实施例的配电网用多端变比可调直流变压器，本发明还提供了一种配电网用多端变比可调直流变压器的控制方法，具体包括：
基于高/低压侧MMC的交流侧电压和直流侧电压计算所述高/低压侧MMC中导通的模块数；
根据所述高/低压侧MMC输出的方波信号及高/低压侧MMC中导通的模块数控制高/低压侧MMC中子模块的投切。
本实施例中，上述控制方法的具体实施步骤可以包括：
(1)根据需求的交流电压等级，计算输出与输入的电压比值，根据该电压比值确定当前MMC每一对交叉的桥臂导通的模数s和m，s和m的数值确定，首先通过下式确定比例关系，即确定m-s与m+s之间的比例关系，然后选择在桥臂上子模块数n以内m和s最大的取值：
(2)由信号发生器产生周期为T的方波信号及两个相反的子模块驱动信号1和2，其中，驱动信号1用以投入子模块，驱动信号2用以切除子模块；
(3)将两个驱动信号送入各半桥子模块，根据采集的各模块的电压，进行排序，根据排序结果开通电压较小的数个模块，使各MMC的交流侧电压幅值相等；
(4)如图3所示，根据输出侧各直流电压及需要输出的功率，计算移相角δ，使等效电感两端交流方波相位差为δ，以传递功率，结合图5，等效电感功率传递公式为
其中ω为交流侧方波的角频率，Leq为等效电感的大小；Uac1为等效电感前的交流电压幅值；Uac2为等效电感前的交流电压幅值。
以有n个子模块的一侧MMC为例，如图4所示：当方波信号为高电平时，对于第一对交叉的桥臂而言，电压最小的s个模块输入驱动波形1，余下的n-s个模块输入驱动波形2；对于第二对交叉的桥臂而言，电压最小的m个模块输入驱动波形1，余下的n-m个模块输入驱动波形2；
当方波信号为低电平时，对于第一对交叉的桥臂而言，电压最小的n-m个模块输入驱动波形1，余下的m个模块输入驱动波形2；对于第二对交叉的桥臂而言，电压最小的n-s个模块输入驱动波形1，余下的s个模块输入驱动波形2。
因此当各低压侧直流电压不同时，改变导通的子模块数目m和s，使交流侧Uac电压幅值相等；根据输出侧各直流电压及需要输出的功率，计算各低压侧MMC交流波形与高压侧交流波形的相位差δ1，δ2……δk，控制各低压MMC的移相角。
在MATLAB/Simulink中建立提出的直流变压器拓扑仿真模型，两个低压MMC的直流侧电压分别为15kV，10kV，高压MMC侧的直流电压为25kV，图7所示为交流侧电压波形，采用提出的控制方法，虽低压MMC的直流电压不等，图中各端口交流侧电压幅值均可控为±5kV，各端口直流侧电压如图6所示，验证了所提出的拓扑及控制方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种配电网用多端变比可调直流变压器，其特征在于，所述配电网用多端变比可调直流变压器包括：多个低压侧MMC、交流变压器和高压侧MMC；
所述高压侧MMC的直流侧接入高压侧直流电网，所述高压侧MMC的交流侧连接交流变压器，各低压侧MMC的交流侧并联后连接交流变压器，各低压侧MMC的直流侧分别连接各直流电网，其中，各低压侧MMC与交流变压器之间均接有一等效电感。
2.如权利要求1所述的配电网用多端变比可调直流变压器，其特征在于，所述高压侧MMC和各低压侧MMC中每个桥臂上的子模块均为半桥模块。
3.如权利要求1所述的配电网用多端变比可调直流变压器，其特征在于，所述高压侧MMC和各低压侧MMC均采用四桥臂MMC。
4.如权利要求3所述的配电网用多端变比可调直流变压器，其特征在于，所述四桥臂MMC中每个桥臂均由若干个相同数量的半桥子模块级联组成。
5.如权利要求1所述的配电网用多端变比可调直流变压器，其特征在于，所述交流变压器的变比为1:1。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的配电网用多端变比可调直流变压器的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
基于高/低压侧MMC的交流侧电压和直流侧电压计算所述高/低压侧MMC中导通的模块数；
根据所述高/低压侧MMC输出的方波信号及高/低压侧MMC中导通的模块数控制高/低压侧MMC中子模块的投切。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述基于高/低压侧MMC的交流侧电压和直流侧电压计算所述高/低压侧MMC中导通的模块数，包括：
求解方程组，获取所述高/低压侧MMC中第一对交叉桥臂导通的模块数和第二对交叉桥臂导通的模块数，其中，所述方程组的计算式如下：
上式中，Uva为所述高/低压侧MMC的第一、二桥臂引出点的电平，Uvb为所述高/低压侧MMC的第三、四桥臂引出点的电平，Uac为所述高/低压侧MMC交流侧电压，Udc为所述高/低压侧MMC直流侧电压，s为所述高/低压侧MMC中第一对交叉桥臂导通的模块数，m为所述高/低压侧MMC中第二对交叉桥臂导通的模块数，其中，所述第一对交叉桥臂由所述高/低压侧MMC中第一桥臂和第三桥臂组成，第二对交叉桥臂由所述高/低压侧MMC中第二桥臂和第三桥臂组成。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述高/低压侧MMC输出的方波信号及高/低压侧MMC中导通的模块数控制高/低压侧MMC中子模块的投切，包括：
当所述高/低压侧MMC输出的方波信号为高电平时，投入第一对交叉的桥臂中电压最小的s个子模块并切除余下的子模块，投入第二对交叉的桥臂中电压最小的m个子模并切除余下的子模块；
当所述高/低压侧MMC输出的方波信号为低电平时，投入第一对交叉的桥臂中电压最小的n-m个子模块并切除余下的子模块，投入第二对交叉的桥臂中电压最小的n-s个子模块并切除余下的子模块；
其中，n为所述高/低压侧MMC中各桥臂上子模块总数。
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2021
- 2021-07-01 CN CN202110754736.8A patent/CN113708398A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117097183A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-11-21 | 国网智能电网研究院有限公司 | 一种交直流变换器及系统 |
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