CN113938042A - 模块化多电平换流器以及子模块电容电压平衡方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种模块化多电平换流器，属于交直流混合配电网和电力电子变压器领域；具体方案为：模块化多电平换流器，包括：子模块、模块化全桥变换器、模块化高频变压器、共高频母线电路和低压直流系统。子模块设有多个；模块化全桥变换器与每一子模块串联；模块化高频变压器与每一模块化全桥变换器串联；低压直流系统经非模块化的独立全桥变换器并联接入共高频母线电路。本申请降低了电力电子开关的数量，模块化多电平换流器不需要子模块电容电压均衡控制，降低了子模块电容电压的均衡难度。本申请还提供了一种子模块电容电压平衡方法及系统。
Description
技术领域
本申请涉及交直流混合配电网和电力电子变压器技术领域，特别涉及一种模块化多电平换流器以及子模块电容电压平衡方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本申请相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
分布式能源的快速发展带来了配电网消纳清洁能源困难的问题，交直流混合配电网是改善分布式能源消纳的有效解决方案，模块化多电平换流器是连接中压直流配电网和中压交流配电网的关键电力电子设备。为了实现分布式能源的本地化消纳，通过低压直流系统组网是目前新能源发电的新趋势，现有的模块化多电平换流器需要通过子模块串联双有源桥式变换器组成多端口模块化多电平换流器，实现与低压直流系统之间的电能转换和电气隔离，这种多端口模块化多电平换流器存在电力电子开关多，电能转换效率低的问题。
此外，由于模块化多电平换流器采取排序的电容电压平衡控制，子模块所串联的双有源桥式变换器一侧电容电压容易不平衡，降低了变压器效率，提高了双有源桥式变换器的控制难度。
因此，需要开发能够有效降低电力电子开关数量及子模块电容电压均衡难度的多端口模块化多电平换流器，提高不同电气网络间的电能转换效率。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本申请提供了一种模块化多电平换流器以及子模块电容电压平衡方法，降低了电力电子开关的数量，模块化多电平换流器不需要子模块电容电压均衡控制，降低了子模块电容电压的均衡难度。
为了实现上述目的，本申请采用如下技术方案：
本申请第一方面提供了一种模块化多电平换流器，包括：子模块、模块化全桥变换器、模块化高频变压器、共高频母线电路和低压直流系统。子模块设有多个；模块化全桥变换器与每一子模块串联；模块化高频变压器与每一模块化全桥变换器串联；低压直流系统经非模块化的独立全桥变换器并联接入共高频母线电路。
可选地，上述模块化多电平换流器包括：三个相单元，每一个相单元由上下两个桥臂串联组成，每个桥臂由一个电抗器L0和N个子模块串联组成。
可选地，上述上下两个桥臂的连接点与三相交流配电网相连，三个相单元上端共电位，下端共电位，且每一相单元的上下端分别与直流配电网的正极配电线和负极配电线相连。
可选地，上述每一子模块均包括：2个电力电子开关和1个子模块电容，每一子模块中的每一电力电子开关由一个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，与一个二极管反并联组成；每一子模块有一个连接端口A-B用于串联接入相单元的桥臂，连接端口A与其对应的每一子模块中的2个电力电子开关连接处共电位，连接端口B与子模块电容负极共电位。
可选地，上述模块化全桥变换器包括：4个电力电子开关和一个辅助电感L1，模块化全桥变换器中的每一电力电子开关由一个IGBT和一个二极管反并联组成；模块化全桥变换器中的电力电子开关两两串联后并联，两个并联连接点C、D分别与子模块电容正负极相连，串联连接点E与辅助电感L1串联，另一个串联连接点F与辅助电感L1另一端G组成全桥变换器高频端口与模块化高频变压器相连。
可选地，上述模块化高频变压器与模块化全桥变换器串联，模块化高频变压器一次侧与全桥变换器高频端口相连，模块化高频变压器的二次侧与共高频母线电路并联，共高频母线电路是单相高频交流母线，包括一条正极母线和一条负极母线。
可选地，上述低压直流系统包括：低压直流供用电系统、低压直流支撑电容和非模块化的独立全桥变换器，全桥变换器包括4个电力电子开关，每个电力电子开关由一个IGBT和一个二极管反并联组成，全桥变换器的直流侧与低用直流支撑电容并联，高频交流侧与共高频母线电路相连。
本申请第二方面提供了一种子模块电容电压平衡方法，包括以下步骤：
获得各模块化全桥变换器移相角控制的参考值；
根据参考值确定相对移相角，使各模块化全桥变换器输出的高频方波电压产生移相角差；
根据移相角差控制电容电压较高的子模块所串联的全桥变换器向电容电压较低的子模块所串联的全桥变换器输出瞬时有功，使各子模块的电容电压趋于均衡。
可选地，上述获得各模块化全桥变换器移相角控制的参考值，包括：
在每一个控制时刻计算子模块电容电压的平均值并将计算结果作为各模块化全桥变换器移相角控制的参考值。
可选地，在模块化多电平换流器中压直流侧选择定中压直流功率外环控制或定中压直流电压外环控制，控制输出子模块电容电压平均值作为参考值。
可选地，上述模块化多电平换流器中压交流侧选择有功无功解耦控制，控制输出结果输出桥臂电压波形作为参考值。
可选地，在低压直流系统所连全桥变换器中，上述移相角控制的参考值是低压直流系统的母线电压。
可选地，上述根据参考值确定相对移相角，包括：
在各模块化全桥变换器接收到参考值后，获得经过PI控制器(proportionalintegral controller，线性控制器)计算所得的相对移相角。
本申请第三方面提供了一种子模块电容电压平衡系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获得各模块化全桥变换器移相角控制的参考值；
数据计算模块，被配置为：根据参考值确定相对移相角，使各模块化全桥变换器输出的高频方波电压产生移相角差；
输出控制模块，被配置为：根据移相角差控制电容电压较高的子模块所串联的全桥变换器向电容电压较低的子模块所串联的全桥变换器输出瞬时有功，使各子模块的电容电压趋于均衡。
本申请第四方面提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本申请第一方面所述的子模块电容电压平衡方法中的步骤。
本申请第五方面提供了一种电子设备，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程序，所述处理器执行所述程序时实现如本申请第一方面所述的子模块电容电压平衡方法中的步骤。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：
1、本发明的子模块经共高频并联的配电网多端口模块化多电平换流器，用共高频母线电路替代直流母线连接子模块与低压直流系统，减少了原本需要的一个整流阶段和逆变阶段，降低了多端口模块化多电平换流器的电力电子开关数目，提高了能量转换效率。
2、本发明的基于共高频电路移相角控制的子模块电容电压平衡方法，不需要通过传统的排序方法调整子模块的导通关断，子模块电容电压平衡由负反馈调整共高频电路移相角实现，算法简单实现效果好。
附图说明
图1为本公开实施例1提供的子模块经共高频并联的配电网多端口模块化多电平换流器整体拓扑结构示意图；
图2为本公开实施例1提供的子模块经共高频并联的配电网多端口模块化多电平换流器的某一子模块及所串联模块化全桥变换器的拓扑结构示意图；
图3为本公开实施例2提供的子模块电容电压平衡方法的流程图；
图4为本公开实施例2提供的基于共高频电路移相角控制的子模块电容电压平衡方法控制框图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1和图2所示，本公开实施例提供了一种模块化多电平换流器，包括：子模块、模块化全桥变换器、模块化高频变压器、共高频母线电路和低压直流系统。子模块设有多个；模块化全桥变换器与每一子模块串联；模块化高频变压器与每一模块化全桥变换器串联；低压直流系统经非模块化的独立全桥变换器并联接入共高频母线电路。
在一个实施例中，上述模块化多电平换流器包括：三个相单元，每一个相单元由上下两个桥臂串联组成，每个桥臂由一个电抗器L0和N个子模块串联组成。
在一个具体的实施例中，上述上下两个桥臂的连接点与三相交流配电网相连，三个相单元上端共电位，下端共电位，且每一相单元的上下端分别与直流配电网的正极配电线和负极配电线相连。
在一个实施例中，上述每一子模块均包括：2个电力电子开关和1个子模块电容，每一子模块中的每一电力电子开关由一个IGBT与一个二极管反并联组成；每一子模块有一个连接端口A-B用于串联接入相单元的桥臂，连接端口A与其对应的每一子模块中的2个电力电子开关连接处共电位，连接端口B与子模块电容负极共电位。
在一个实施例中，上述模块化全桥变换器包括：4个电力电子开关和一个辅助电感L1，模块化全桥变换器中的每一电力电子开关由一个IGBT和一个二极管反并联组成；模块化全桥变换器中的电力电子开关两两串联后并联，两个并联连接点C、D分别与子模块电容正负极相连，串联连接点E与辅助电感L1串联，另一个串联连接点F与辅助电感L1另一端G组成全桥变换器高频端口与模块化高频变压器相连。
可选地，上述模块化高频变压器与模块化全桥变换器串联，模块化高频变压器一次侧与全桥变换器高频端口相连，模块化高频变压器的二次侧与共高频母线电路并联，共高频母线电路是单相高频交流母线，包括一条正极母线和一条负极母线。
在一个实施例中，上述低压直流系统包括：低压直流供用电系统、低压直流支撑电容和非模块化的独立全桥变换器，全桥变换器包括4个电力电子开关，每个电力电子开关由一个IGBT和一个二极管反并联组成，全桥变换器的直流侧与低用直流支撑电容并联，高频交流侧与共高频母线电路相连。
实施例2
如图3所示，本公开实施例提供一种子模块电容电压平衡方法。
获得各模块化全桥变换器移相角控制的参考值；
根据参考值确定相对移相角，使各模块化全桥变换器输出的高频方波电压产生移相角差；
根据移相角差控制电容电压较高的子模块所串联的全桥变换器向电容电压较低的子模块所串联的全桥变换器输出瞬时有功，使各子模块的电容电压趋于均衡。
在一个实施例中，上述获得各模块化全桥变换器移相角控制的参考值，包括：
在每一个控制时刻计算子模块电容电压的平均值并将计算结果作为各模块化全桥变换器移相角控制的参考值。
可选地，在模块化多电平换流器中压直流侧选择定中压直流功率外环控制或定中压直流电压外环控制，控制输出子模块电容电压平均值作为参考值。具体地，将参考值计算结果作为各子模块所连模块化全桥变换器移相角控制的参考值。
可选地，上述模块化多电平换流器中压交流侧选择有功无功解耦控制，控制输出结果输出桥臂电压波形作为参考值。具体地，桥臂电压波形参考值输入最近电平逼近调制器计算桥臂导通子模块数N0。从桥臂的N个子模块中选择N0个子模块导通，选择顺序为周期性顺序。周期性顺序为，在一个交流工频周期内每个子模块固定导通半个工频周期。一个子模块闭合时，对应的未导通子模块导通。
在一个具体的实施例中，在低压直流系统所连全桥变换器中，上述移相角控制的参考值是低压直流系统的母线电压。
在一个实施例中，上述根据参考值确定相对移相角，包括：
在各模块化全桥变换器接收到参考值后，获得经过PI控制器计算所得的相对移相角。
在一个具体地实施例中，各模块化全桥变换器接收到参考值后，经过PI控制器计算相对移相角使各模块化全桥变换器输出的高频方波电压产生移相角差di，其中i＝1,2,3,…,N。低压直流所连全桥变换器根据定低压直流母线电压控制调整移相角d0。
在一个实施例中，根据移相角差控制电容电压较高的子模块所串联的全桥变换器向电容电压较低的子模块所串联的全桥变换器输出瞬时有功，使各子模块的电容电压趋于均衡。具体地，移相角差使电容电压较高的子模块所串联的全桥变换器向电容电压较低的子模块所串联的全桥变换器输出瞬时有功，较高电压的子模块电容放电，较低电压的子模块电容充电，子模块电容趋近于子模块电容电压参考值，实现子模块电容电压均衡控制。由于移相角d0与di也存在相角差，因此子模块经全桥变换器及共高频母线也会与低压直流系统实现电能交互，实现低压直流系统与中压交直流混合配电系统间的电能转换。
实施例3
本公开实施例提供了一种子模块电容电压平衡系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获得各模块化全桥变换器移相角控制的参考值；
数据计算模块，被配置为：根据参考值确定相对移相角，使各模块化全桥变换器输出的高频方波电压产生移相角差；
输出控制模块，被配置为：根据移相角差控制电容电压较高的子模块所串联的全桥变换器向电容电压较低的子模块所串联的全桥变换器输出瞬时有功，使各子模块的电容电压趋于均衡。
实施例4：
本公开实施例提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如上述的子模块电容电压平衡方法中的步骤，包括：
获得各模块化全桥变换器移相角控制的参考值；
根据参考值确定相对移相角，使各模块化全桥变换器输出的高频方波电压产生移相角差；
根据移相角差控制电容电压较高的子模块所串联的全桥变换器向电容电压较低的子模块所串联的全桥变换器输出瞬时有功，使各子模块的电容电压趋于均衡。
上述程序实现的方法的详细步骤与上述各实施例提供的子模块电容电压平衡方法相同，这里不再赘述。
实施例5：
本公开实施例提供了一种电子设备，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程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述的子模块电容电压平衡方法中的步骤，包括：
获得各模块化全桥变换器移相角控制的参考值；
根据参考值确定相对移相角，使各模块化全桥变换器输出的高频方波电压产生移相角差；
根据移相角差控制电容电压较高的子模块所串联的全桥变换器向电容电压较低的子模块所串联的全桥变换器输出瞬时有功，使各子模块的电容电压趋于均衡。
上述程序实现的方法的详细步骤与上述各实施例提供的子模块电容电压平衡方法相同，这里不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用硬件实施例、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和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本公开实施例的方法、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。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种模块化多电平换流器，其特征在于，包括：
子模块，设有多个；
模块化全桥变换器，与所述每一子模块串联；
模块化高频变压器，与所述每一模块化全桥变换器串联；
共高频母线电路；
低压直流系统，经非模块化的独立全桥变换器并联接入所述共高频母线电路。
2.如权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，
所述模块化多电平换流器包括：三个相单元，所述每一个相单元由上下两个桥臂串联组成，所述每个桥臂由一个电抗器L0和N个所述子模块串联组成。
3.如权利要求2所述的模块化多电平换流器，其特征在于，
所述上下两个桥臂的连接点与三相交流配电网相连，所述三个相单元上端共电位，下端共电位，且所述每一相单元的上下端分别与直流配电网的正极配电线和负极配电线相连。
4.如权利要求2所述的模块化多电平换流器，其特征在于，
所述每一子模块均包括：2个电力电子开关和1个子模块电容，所述每一子模块中的每一电力电子开关由一个IGBT与一个二极管反并联组成；所述每一子模块有一个连接端口A-B用于串联接入所述相单元的桥臂，所述连接端口A与其对应的所述每一子模块中的2个电力电子开关连接处共电位，所述连接端口B与所述子模块电容负极共电位。
5.如权利要求4所述的模块化多电平换流器，其特征在于，
所述模块化全桥变换器包括：4个电力电子开关和一个辅助电感L1，所述模块化全桥变换器中的每一电力电子开关由一个IGBT和一个二极管反并联组成；所述模块化全桥变换器中的电力电子开关两两串联后并联，两个并联连接点C、D分别与所述子模块电容正负极相连，串联连接点E与所述辅助电感L1串联，另一个串联连接点F与所述辅助电感L1另一端G组成全桥变换器高频端口与模块化高频变压器相连。
6.如权利要求5所述的模块化多电平换流器，其特征在于，
所述模块化高频变压器与所述模块化全桥变换器串联，所述模块化高频变压器一次侧与所述全桥变换器高频端口相连，所述模块化高频变压器的二次侧与所述共高频母线电路并联，共高频母线电路是单相高频交流母线，包括一条正极母线和一条负极母线。
7.如权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，
所述低压直流系统包括：低压直流供用电系统、低压直流支撑电容和所述非模块化的独立全桥变换器，所述全桥变换器包括4个电力电子开关，每个电力电子开关由一个IGBT和一个二极管反并联组成，所述全桥变换器的直流侧与低用直流支撑电容并联，高频交流侧与所述共高频母线电路相连。
8.一种子模块电容电压平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
获得各模块化全桥变换器移相角控制的参考值；
根据所述参考值确定相对移相角，使所述各模块化全桥变换器输出的高频方波电压产生移相角差；
根据所述移相角差控制电容电压较高的子模块所串联的全桥变换器向电容电压较低的子模块所串联的全桥变换器输出瞬时有功，使所述各子模块的电容电压趋于均衡。
9.如权利要求8所述的一种子模块电容电压平衡方法，其特征在于，
所述获得各模块化全桥变换器移相角控制的参考值，包括：
在每一个控制时刻计算所述子模块电容电压的平均值并将计算结果作为所述各模块化全桥变换器移相角控制的参考值。
10.如权利要求9所述的一种子模块电容电压平衡方法，其特征在于，
在模块化多电平换流器中压直流侧选择定中压直流功率外环控制或定中压直流电压外环控制，控制输出子模块电容电压平均值作为所述参考值。
11.如权利要求10所述的一种子模块电容电压平衡方法，其特征在于，
所述模块化多电平换流器中压交流侧选择有功无功解耦控制，控制输出结果输出桥臂电压波形作为参考值。
12.如权利要求8所述的一种子模块电容电压平衡方法，其特征在于，
在低压直流系统所连全桥变换器中，所述移相角控制的参考值是所述低压直流系统的母线电压。
13.如权利要求8所述的一种子模块电容电压平衡方法，其特征在于，
所述根据所述参考值确定相对移相角，包括：
在所述各模块化全桥变换器接收到参考值后，获得经过PI控制器计算所得的所述相对移相角。
14.一种子模块电容电压平衡系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，被配置为：获得各模块化全桥变换器移相角控制的参考值；
数据计算模块，被配置为：根据所述参考值确定相对移相角，使所述各模块化全桥变换器输出的高频方波电压产生移相角差；
输出控制模块，被配置为：根据所述移相角差控制电容电压较高的子模块所串联的全桥变换器向电容电压较低的子模块所串联的全桥变换器输出瞬时有功，使所述各子模块的电容电压趋于均衡。
15.一种存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求8-13任一项所述的子模块电容电压平衡方法中的步骤。
16.一种电子设备，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程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求8-13任一项所述的子模块电容电压平衡方法中的步骤。
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| WO2013143037A1 (zh) * | 2012-03-31 | 2013-10-03 | 华北电力大学 | 基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器结构的拓扑方法 |
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2021
- 2021-11-02 CN CN202111286422.6A patent/CN113938042A/zh active Pending
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