CN115632562A - 基于mmc子模块桥臂复用的固态变压器拓扑及调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑及调制方法，所述拓扑包括：中压交流端、中压直流端、低压交流端、低压直流端和三相电路拓扑，其中：所述三相电路拓扑，包括三条相同的单相线路，所述单相线路包括多个子模块；所述调制方法包括：在单相线路的子模块中设置与高频子模块对应的高频消除子模块；所述高频消除子模块的调制信号，直流分量和基频分量与高频子模块相同，高频分量与高频子模块相反；在子模块的第二桥臂中采用第一桥臂的共模低频调制信号和差模高频调制信号。采用上述技术方案，开关管的使用数量显著减少，无需选频网络即可以实现子模块高低频调制信号的解耦，避免了高频开关信号与低频开关信号的相互干扰。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑及调制方法。
背景技术
交直流混合配电网具备多电压等级、多电压形态的端口，电能可在交直流、高低压端口之间进行传输与变换，适用于新能源与直流负荷的接入，是未来配电网发展的重要方向之一。固态变压器(solid state transformer,SST)因同时具备灵活的可控性以及多端口接入能力，成为了交直流混合配电网中的核心设备。
MMC-SST(modular-multilevel-converter，MMC)具备MVDC(中压直流端)端口，可应用于中高压输配电场合，可以实现分布式能源的并网和就地消纳，因此MMC-SST 在交直流混合配电网中具有广阔的应用前景。其中双有源桥DAB((DualActive Bridge， DAB))型MMC-SST拓扑具有控制灵活，易于实现冗余容错等优点。然而，由于在每个子模块的直流侧都需要连接DAB，在中压配电网使用时，需要大量的开关器件，导致SST的功率密度较低，严重制约了DAB型MMC-SST的应用，因此对其模块的改进是十分有必要的。
发明内容
发明目的：本发明提供一种基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑及调制方法，利用子模块前级电路结构，减少开关管的使用数量，共模和差模解耦的子模块混频调制方法无需选频网络即可以实现子模块高低频调制信号的解耦，避免了高频开关信号与低频开关信号的相互干扰。
技术方案：本发明提供一种基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑，包括：中压交流端、中压直流端、低压交流端、低压直流端和三相电路拓扑，其中：所述三相电路拓扑，包括三条相同的单相线路，所述单相线路包括多个子模块；所述子模块包括前级电路、后级电路和变压器，所述前级电路包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂和第二桥臂上分别包括串联的两个开关管，所述后级电路包括并联的第三桥臂和第四桥臂，所述第三桥臂和第四桥臂上分别包括串联的两个开关管；第一桥臂和第二桥臂上的中点分别与变压器一次侧连接，所述第三桥臂和第四桥臂上的中点分别与变压器二次侧连接；所述第一桥臂上的中点和一个端点作为子模块之间相互连接的接口，所述第四桥臂上的两个端点作为子模块之间相互连接的接口；所述端点，指所述两个桥臂之间的并联点；所述中点，指两开关管之间的连接点；所述中压交流端，由三条单相线路上子模块第一桥臂之间的连接线路上分别引出的三个端口形成；所述中压直流端，包括两个端口，按照子模块在单相线路的位置顺序，三条单相线路上最先一个子模块的第一桥臂中点连接后引出形成一个端口，三条单相线路上最后一个子模块的第一桥臂端点连接后引出形成另一个端口；所述低压交流端，包括四个并联的低压桥臂，每个低压桥臂分别包括串联的两个开关管，低压桥臂的两个端点连接于一条单相线路的子模块第四桥臂的端点连接线路，四个低压桥臂的中点分别引出四个端口；所述低压直流端，包括两个端口，三条单相线路的子模块第四桥臂的端点连接线路连接后引出形成一个端口，三条单相线路的子模块第四桥臂的另一端点连接线路连接后引出形成另一个端口。
具体的，在单相线路上子模块之间的连接线路是，第一桥臂上的中点和另一个第一桥臂上的端点连接。
具体的，在单相线路上子模块之间的连接线路是，第四桥臂一侧端点之间连接形成一端点连接线路，第四桥臂的另一侧端点之间连接形成另一端点连接线路。
具体的，所述子模块的前级电路中，第一桥臂和第二桥臂之间并联电容桥臂。
具体的，所述子模块的后级电路中，第三桥臂和第四桥臂的一侧并联电容桥臂。
具体的，在子模块第一桥臂之间的连接线路上引出中压交流端的端口的位置两侧，设置有电感。
本发明还提供一种基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑混频调制方法，对于根据本发明所述的任一项基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑，包括：在单相线路的子模块中设置与高频子模块对应的高频消除子模块；所述高频消除子模块的调制信号，直流分量和基频分量与高频子模块相同，高频分量与高频子模块相反；在子模块的第二桥臂中采用第一桥臂的共模低频调制信号和差模高频调制信号。
具体的，子模块后级电路开关管的开关信号，由前级电路的高频调制信号经过时间延迟后，再进行脉冲宽度调制得到的；所述时间延迟，由低压直流端的电压参考值和实际值做差后经过比例积分控制得到。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：与传统的半桥型拓扑、全桥型拓扑相比，开关管的使用数量分别减少了1/5和1/3；无需选频网络即可以实现子模块高低频调制信号的解耦，避免了高频开关信号与低频开关信号的相互干扰。
附图说明
图1为本发明提供的固态变压器拓扑的结构示意图；
图2为本发明提供的子模块结构以及子模块结构在高频产生和高频消除信号调制下的示意图；
图3为本发明提供的DAB端口差模解耦控制的原理图；
图4为本发明提供的固态变压器拓扑的整体控制框图；
图5(a)至(f)为应用本发明提出的混频调制方法下的子模块输出电压、子模块端口电压、MVAC端口三相交流电流、子模块电容电压、LVDC端口电压和MVDC端口电压的仿真验证图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参阅图1，其为本发明提供的固态变压器拓扑的结构示意图；参阅图2，其为本发明提供的子模块结构示意图。
本发明提供一种基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑，包括：中压交流端、中压直流端、低压交流端、低压直流端和三相电路拓扑，其中：所述三相电路拓扑，包括三条相同的单相线路，所述单相线路包括多个子模块；所述子模块包括前级电路、后级电路和变压器，所述前级电路包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂和第二桥臂上分别包括串联的两个开关管，所述后级电路包括并联的第三桥臂和第四桥臂，所述第三桥臂和第四桥臂上分别包括串联的两个开关管；第一桥臂和第二桥臂上的中点分别与变压器一次侧连接，所述第三桥臂和第四桥臂上的中点分别与变压器二次侧连接；所述第一桥臂上的中点和一个端点作为子模块之间相互连接的接口，所述第四桥臂上的两个端点作为子模块之间相互连接的接口；所述端点，指所述两个桥臂之间的并联点；所述中点，指两开关管之间的连接点；所述中压交流端，由三条单相线路上子模块第一桥臂之间的连接线路上分别引出的三个端口形成；所述中压直流端，包括两个端口，按照子模块在单相线路的位置顺序，三条单相线路上最先一个子模块的第一桥臂中点连接后引出形成一个端口，三条单相线路上最后一个子模块的第一桥臂端点连接后引出形成另一个端口；所述低压交流端，包括四个并联的低压桥臂，每个低压桥臂分别包括串联的两个开关管，低压桥臂的两个端点连接于一条单相线路的子模块第四桥臂的端点连接线路，四个低压桥臂的中点分别引出四个端口；所述低压直流端，包括两个端口，三条单相线路的子模块第四桥臂的端点连接线路连接后引出形成一个端口，三条单相线路的子模块第四桥臂的另一端点连接线路连接后引出形成另一个端口。
在具体实施中，1kV及以下为低压，1kV以上、20kV及以下为中压；20kV以上为高压。
在具体实施中，低频频率为低于50Hz，高频频率为高于10kHz。
在具体实施中，如图示SM-DAB的后级电路结构由四个开关管Q1至Q4组成的H 桥整流电路和一个输出并联电容C2组成，SM-DAB的前级电路由四个开关管S1至S4 和并联的电容C1组成。开关管S1和S2串联构成第一桥臂，开关管S3和S4串联构成第二桥臂，开关管Q1和Q2串联构成第三桥臂，开关管Q3和Q4串联构成第四桥臂。 Lr表示高频变压器的漏感。
在具体实施中，DAB子模块(SM-DAB)由输入级MMC(前级电路部分)，中间级DAB(变压器部分)和输出级(后级电路部分)三个部分组成。其中，输入级MMC 提供了MVAC端口(中压交流端)和MVDC端口(中压直流端)，MVAC侧的电压和电流分别为ua、ub、uc和ia、ib、ic，MVDC侧的电压和电流分别为umvdc和imvdc；中间级DAB实现了电压变换、功率传递和高频隔离功能，各DAB的后级并联提供了LVDC 端口(低压直流端)，端口电压和端口电流分别为ulvdc和ilvdc；在LVDC端口上可以根据实际需求，连接三相/单相逆变器，提供了LVAC端口(低压交流端)，端口电压为 ulvac。在交直流混合配电网中，MVAC端口用来连接三相交流配电网，进行有功功率和无功功率的交互；MVDC端口可以直接接入直流配电网，也可以与其他SST的MVDC 端口相连，从而实现区域电网之间的柔性互联，进行区域间功率灵活调配及配网层面新能源消纳；LVDC端口和LVAC端口可以连接低压交直流负荷，也可实现不同形态的低压分布式能源接入。
本发明实施例中，在单相线路上子模块之间的连接线路是，第一桥臂上的中点和另一个第一桥臂上的端点连接。
本发明实施例中，在单相线路上子模块之间的连接线路是，第四桥臂一侧端点之间连接形成一端点连接线路，第四桥臂的另一侧端点之间连接形成另一端点连接线路。
本发明实施例中，所述子模块的前级电路中，第一桥臂和第二桥臂之间并联电容桥臂。
本发明实施例中，所述子模块的后级电路中，第三桥臂和第四桥臂的一侧并联电容桥臂。
本发明实施例中，在子模块第一桥臂之间的连接线路上引出中压交流端的端口的位置两侧，设置有电感。
在具体实施中，从第一桥臂的中点和一个端点分别引出连接线路，构造得到MMC端口，用来和其他的SM-DAB连接，从而实现输入级的级联；从第一桥臂的中点和第二桥臂的中点引出连接线路，构造得到DAB端口，与高频变压器连接，实现中压侧到低压侧的电能传输、变换与隔离。
在具体实施中，第一桥臂可以视作为输入级MMC子模块的一部分，用来实现MVAC端口和MVDC端口的能量交换，维持子模块中电容电压的稳定，第一桥臂和第二桥臂则可以视作构成中间级DAB原边H桥电路的一部分，用于实现输入级到中间级的能量传递。
参阅图3，其为本发明提供的DAB端口差模解耦控制的原理图。
本发明还提供一种基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑混频调制方法，对于本发明实施例中提供的任一项基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑，包括：在单相线路的子模块中设置与高频子模块对应的高频消除子模块；所述高频消除子模块的调制信号，直流分量和基频分量与高频子模块相同，高频分量与高频子模块相反；在子模块的第二桥臂中采用第一桥臂的共模低频调制信号和差模高频调制信号。
本发明实施例中，子模块后级电路开关管的开关信号，由前级电路的高频调制信号经过时间延迟后，再进行脉冲宽度调制得到的；所述时间延迟，由低压直流端的电压参考值和实际值做差后经过比例积分控制得到。
在具体实施中，根据SM-DAB拓扑构造原理可知，在第一桥臂中既包含高频调制信号又包含低频调制信号，因此单个子模块的MMC端口输出电压upn(n＝1,2,3……) 并不能仅由低频调制信号决定。因此，必须和MMC桥臂中其它子模块的MMC端口输出电压共同作用，从而确保MMC桥臂输出电压仅由低频调制信号决定。因此，为消除 SM1-DAB产生的端口输出电压up1中含有的高频基带谐波分量，只需要在输入级MMC 的桥臂中定义高频消除SM-DAB，其调制信号的直流分量和基频分量与SM1相同，高频分量与SM1相反，即在MMC的一个桥臂中，当采用混频调制时，只需要确保高频消除子模块与高频子模块成对出现，就能实现桥臂输出电压高频调制频率分量的消除。
在具体实施中，如图3所示，根据SM-DAB拓扑构造原理可知，DAB端口与高频变压器相连，为确保高频变压器正常工作，DAB端口必须输出高频电压。DAB端口由第一桥臂和第二桥臂的中点引出连接线路构成，由于第一桥臂中同时包含有高频和低频两种频率的调制信号，因此，第二桥臂的调制信号也必须同时含有高频和低频调制信号。 DAB端口输出电压属于差模电压，其值等于第一桥臂输出电压减去第二桥臂输出电压，因此，在第二桥臂中采用第一桥臂的共模低频调制信号和差模高频调制信号，可以实现 DAB端口仅输出高频电压信号。
参阅图4，其为本发明提供的固态变压器拓扑的整体控制框图。
在具体实施中，基频调制信号通过对输入级MMC进行控制得到，控制方法与已有的MMC控制方法保持一致，具体包括了循环电流抑制、整体能量控制及电容电压平衡控制三方面。SM-DAB后级电路开关管Q1至Q4的开关信号是由前级电路的高频调制信号经过时间延迟之后，再进行脉冲宽度调制(PWM调制)得到，LVDC端口的电压参考值和实际值做差后经过比例积分(PI)控制后，可得到高频调制信号的延迟时间t。
在具体实施中，icir_i：三相环流，I2f_i：三相环流在dq轴分量，I2f_iref：dq轴环流参考值；uciri_ref：环流压降的dq轴参考值，u*cir：三相环流压降参考值；Udcref：直流电压参考值，Udc：直流电压，Q*：无功功率参考值，Q：无功功率；isi_ref：电流dq轴分量参考值，isi：电流dq轴分量，ui_ref：电压dq轴分量参考值，u*i：三相电压参考值；ucapi：子模块电容电压实际值，u*cap_i：i相电容电压参考值，ixi：上下桥臂电流，Ucap_av：子模块电容电压平均值，i*cir：环流电流参考值，icir：环流电流，u*cap：电容电压参考值； u*b：基频电压参考值，u*h：高频电压参考值，u*ISP：子模块的电压参考值，u*HFESM：高频消除子模块的电压参考值，udc：直流电压，u*dc：直流电压参考值，d：原副边高频调制信号半个调试波周期的移相比，t：延迟时间。
参阅图5，其为应用本发明提出的混频调制方法的仿真验证图。
在具体实施中，LVDC端口的功率在1秒时从562.5kW变化到750kW，图5(a)和图5(b)分别给出了SST输入级MMC的桥臂输出电压以及SM-DAB的DAB端口电压的波形。从图中可以看出，采用本发明提出的混频调制方法，SST输入级桥臂的输出电压是一个工频变化的多电平波形，这与桥臂单独采用低频调制信号时所得到的电压波形保持一致，这表明高频子模块和高频消除子模块可以很好地实现高频调制信号的消除。 SM-DAB的DAB端口的输出电压则是一个经过SPWM调制生成的波形，其频率与高频调制波的频率保持一致，不包含低频分量。
在具体实施中，根据图5(a)和图5(b)的波形可知，本发明提出的混频调制方法根据共模和差模解耦原理，无需任何选频网络，就可以实现高频调制信号和低频调制信号的分离。MVAC端口三相交流电流、子模块电容电压、LVDC端口电压和MVDC端口电压分别如图5(c)、(d)、(e)、(f)所示，可以看出各端口均具有良好的稳态性能和动态性能。在动态过程中，MVDC端口的最大电压降为57V，小于额定值2％，由于功率突变发生在LVDC端口，因此在动态过程中，LVDC端口的最大电压下降为70V，为额定值的9.3％，从图5(e)可以看出，处于稳态运行时，LVDC端口电压可稳定在额定值，电压波动小于 2％。
Claims (8)
1.一种基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑，其特征在于，包括：中压交流端、中压直流端、低压交流端、低压直流端和三相电路拓扑，其中：
所述三相电路拓扑，包括三条相同的单相线路，所述单相线路包括多个子模块；
所述子模块包括前级电路、后级电路和变压器，所述前级电路包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂和第二桥臂上分别包括串联的两个开关管，所述后级电路包括并联的第三桥臂和第四桥臂，所述第三桥臂和第四桥臂上分别包括串联的两个开关管；第一桥臂和第二桥臂上的中点分别与变压器一次侧连接，所述第三桥臂和第四桥臂上的中点分别与变压器二次侧连接；所述第一桥臂上的中点和一个端点作为子模块之间相互连接的接口，所述第四桥臂上的两个端点作为子模块之间相互连接的接口；所述端点，指所述两个桥臂之间的并联点；所述中点，指两开关管之间的连接点；
所述中压交流端，由三条单相线路上子模块第一桥臂之间的连接线路上分别引出的三个端口形成；
所述中压直流端，包括两个端口，按照子模块在单相线路的位置顺序，三条单相线路上最先一个子模块的第一桥臂中点连接后引出形成一个端口，三条单相线路上最后一个子模块的第一桥臂端点连接后引出形成另一个端口；
所述低压交流端，包括四个并联的低压桥臂，每个低压桥臂分别包括串联的两个开关管，低压桥臂的两个端点连接于一条单相线路的子模块第四桥臂的端点连接线路，四个低压桥臂的中点分别引出四个端口；
所述低压直流端，包括两个端口，三条单相线路的子模块第四桥臂的端点连接线路连接后引出形成一个端口，三条单相线路的子模块第四桥臂的另一端点连接线路连接后引出形成另一个端口。
2.根据权利要求1所述的基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑，其特征在于，在单相线路上子模块之间的连接线路是，第一桥臂上的中点和另一个第一桥臂上的端点连接。
3.根据权利要求2所述的基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑，其特征在于，在单相线路上子模块之间的连接线路是，第四桥臂一侧端点之间连接形成一端点连接线路，第四桥臂的另一侧端点之间连接形成另一端点连接线路。
4.根据权利要求3所述的基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑，其特征在于，所述子模块的前级电路中，第一桥臂和第二桥臂之间并联电容桥臂。
5.根据权利要求4所述的基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑，其特征在于，所述子模块的后级电路中，第三桥臂和第四桥臂的一侧并联电容桥臂。
6.根据权利要求5所述的基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑，其特征在于，在子模块第一桥臂之间的连接线路上引出中压交流端的端口的位置两侧，设置有电感。
7.一种基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑混频调制方法，其特征在于，对于根据权利要求1至6任一项所述的基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑，包括：
在单相线路的子模块中设置与高频子模块对应的高频消除子模块；所述高频消除子模块的调制信号，直流分量和基频分量与高频子模块相同，高频分量与高频子模块相反；
在子模块的第二桥臂中采用第一桥臂的共模低频调制信号和差模高频调制信号。
8.根据权利要求7所述的基于MMC子模块桥臂复用的固态变压器拓扑混频调制方法，其特征在于，包括：
子模块后级电路开关管的开关信号，由前级电路的高频调制信号经过时间延迟后，再进行脉冲宽度调制得到的；所述时间延迟，由低压直流端的电压参考值和实际值做差后经过比例积分控制得到。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211353724.5A Pending CN115632562A (zh) | 2022-11-01 | 2022-11-01 | 基于mmc子模块桥臂复用的固态变压器拓扑及调制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115632562A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115864885A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-03-28 | 湖南大学 | 混合型模块化多电平换流器拓扑结构及其调控方法 |
-
2022
- 2022-11-01 CN CN202211353724.5A patent/CN115632562A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115864885A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-03-28 | 湖南大学 | 混合型模块化多电平换流器拓扑结构及其调控方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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