CN116207741A - 交直流多端口柔性互联装置、控制方法及其配电网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及变电技术领域，具体是交直流多端口柔性互联装置、控制方法及其配电网系统；该多端口柔性互联装置包括一个级联型电力电子变压器(PET)、多个跨接在不同交流端口之间的级联H桥(CHB)和多组谐振模块。本发明变换器拓扑可以提供直流端口和多个交流端口，可用于配电网中的多个交流和直流馈线系统的柔性互联，且可对直流端口和多个交流端口进行电压和功率解耦调节，实现对配电网中多个交流和直流馈线系统的连接以及对多个交流和直流馈线系统电压和功率的柔性控制，同时降低变换器的成本和体积。

Description

交直流多端口柔性互联装置、控制方法及其配电网系统
技术领域
本发明涉及变电技术领域，具体是交直流多端口柔性互联装置、控制方法及其配电网系统。
背景技术
随着风能、太阳能和储能设备等可再生能源和分布式电源在电网渗透率的不断增加，以及电动汽车为代表的新型负荷的大规模接入，已对配电网的架构及模式造成广泛而深远的影响。为保证电能质量以及供电可靠性，减少系统网损，基于交直流电网互联的主动配电网技术以及各种面向配网的电力电子设备得到了广泛的重视，而其中交直流多端口柔性互联装置的关键技术逐渐成为配电网领域一个新的研究热点。
现有的配电网多端口变换器拓扑主要分为背靠背级联H桥变换器型(BTB-CHB型)和背靠背模块化多电平变换器型(BTB-MMC型)。其中BTB-CHB型仅可以提供交流端口，无法提供直流端口。而BTB-MMC型虽然可以提供直流端口和多个交流端口，但是使用较多的开关半导体器件和电容，因此造价昂贵、体积庞大。
申请号为CN202111177771.4(一种应用于柔性配电网的多端口变换器拓扑及其控制方法)的专利提出了一种基于CHB的多端口柔性互联装置，可以提供一个直流端口和两个交流端口，但是该拓扑无法进一步扩展至3个或以上交流端口，谐振电容的体积很大，而且控制灵活性受限。
申请号为CN201710033847.3(模块化多电平全桥谐振型电力电子变压器拓扑)的专利均提出的变换器拓扑，可同时提供交流端口和直流端口，但是该变换器拓扑的交流端口数量无法进一步拓展，难以满足配电网中多个交流馈线系统柔性互联的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供交直流多端口柔性互联装置、控制方法及其配电网系统。可以提供直流端口和多个交流端口，可用于配电网中的多个交流和直流馈线系统柔性互联，且可对直流端口和多个交流端口进行电压和功率调节，实现对柔性配电网中多个交流和直流馈线系统的连接以及对多个交流和直流馈线系统电压和功率的柔性控制，同时降低变换器的成本和体积。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
第一方面，一种交直流多端口柔性互联装置，包括：
n个交流端口，n≥2；级联型PET，级联型PET的交流端连接在任一交流端口上，级联型PET的直流端连接在直流端口上；
CHB，跨接任意两个交流端口；
交流端口上串联有三相谐振模块，三相谐振模块用于中频谐振。
进一步地，级联型PET的直流端的各个子模块彼此之间呈以下任一一种组成方式：
彼此串联后连接在直流端口上；
彼此并联后连接在直流端口上；
彼此混联后连接在直流端口上；
其中，级联型PET的子模块包括：AC-DC子模块、DC-DC子模块、高频变压器和电感电容。
进一步地，三相谐振模块为具有中频谐振功能的电容、电感或/和电阻元件。
进一步地，级联型PET一端与交流端口连接之间串联有CHB。
进一步地，多个跨接的CHB首尾相连，并将多组三相谐振模块合并为单组三相谐振模块。
第二方面，一种多端口柔性互联装置的控制方法，包括第一方面的多端口柔性互联装置，还包括：
级联PET的直流端口控制策略，其控制策略为单移相策略，进行直流端口母线电压控制；
级联PET的交流端口处采用混频调制策略，其控制策略分为工频控制和中频控制两部分，工频控制采用单电流环控制，进行控制对应交流端口电网的潮流；工频调制信号的基础上叠加固定的中频控制；
CHB的控制策略，其控制策略分为工频控制和中频控制两部分，工频控制采用单电流环控制，进行控制对应交流端口电网的潮流；中频控制采用电压电流双闭环控制，电压环保证直流电容电压恒定，电流环控制中频环流与级联PET的中频零序电压相位差同向或反向。
进一步地，谐振模块的谐振频率设置为中频控制的中频信号频率。
进一步地，中频控制的中频信号频率为三相零序调制信号。
第三方面，一种配电网系统，包括变换器，所述变换器包括第一方面的多端口柔性互联装置。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的多端口柔性互联装置，能够同时提供直流端口和多个交流端口，交流端口数量扩展方便，并且可实现交流和直流端口之间的电气隔离和功率解耦控制；
2、本发明提出的多端口柔性互联装置，与现有方案相比，所需的开关器件和无源元件数量较少，因此，具有成本较低、体积较小、功率密度较高等优点。
附图说明
图1为本发明单相柔性多端口变换器拓扑结构；
图2为本发明三相柔性多端口变换器拓扑结构；
图3为本发明三相柔性多端口变换器直流侧的连接方式；
图4为本发明三相谐振模块的多种可选结构；
图5为本发明三相柔性多端口变换器衍生拓扑结构1；
图6为本发明三相柔性多端口变换器衍生拓扑结构2；
图7为本发明单相柔性多端口变换器稳态工作向量图；
图8为级联PET的DAB控制策略；
图9为级联PET的CHB控制策略；
图10为跨接CHB的控制策略；
图11为标幺化后的交流端口1电网电压电流波形图；
图12为标幺化后的交流端口2电网电压电流波形图；
图13为标幺化后的交流端口3电网电压电流波形图；
图14为标幺化后的直流母线电压波形图；
图15为标幺化后交流端口1侧CHB直流电容电压波形图；
图16为标幺化后跨接在交流端口1和交流端口2之间CHB的直流电容电压波形图；
图17为标幺化后跨接在交流端口1和交流端口3之间CHB的直流电容电压波形图；
图18为高频变压器初级侧高频电流波形图；
图19为交流端口2侧谐振LC的中频零序环流波形图；
图20为交流端口3侧谐振LC的中频零序环流波形图。
具体实施方式
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。
在一些实施例中，本申请提供一种交直流多端口柔性互联装置，其单相和三相拓扑结构分别如图1和图2所示。所述拓扑包括一个级联型PET(级联型电力电子变压器)、多个跨接在不同端口之间的CHB(级联H桥)和多组谐振LC构成。
级联型PET与交流端口1相连接，并在直流侧引出直流母线。根据对直流母线电压等级的需求，级联型PET的直流端的各个子模块(SM)可有多种连接方式：如对低压直流母线情况下，可以将级联型PET的直流侧SM并联引出低压直流母线，即相间并联且相内并联，如图3(a)所示；如对高压直流母线情况下，将直流侧SM串联引出高压直流母线，即相间串联且相内串联，如图3(b)所示；当然还可以在一些场合下，部分SM串联部分SM并联，引出不同电压等级的直流母线，即相间串联而相内并联或相间并联而相内串联，如图3(c)和(d)所示。
所述拓扑可以提供多个交流端口。在交流端口1和交流端口2之间跨接CHB，用以调节交流端口2的潮流。在交流端口1和交流端口3之间跨接CHB，用以调节交流端口3的潮流。同理，在交流端口1和交流端口N之间跨接CHB，用以调节交流端口N的潮流。按此连接方式类推，根据需求可以扩展出多个交流端口。
所述拓扑的级联型PET和跨接的CHB均采用混频调制，在工频调制信号中叠加中频三相零序调制信号。交流端口2至交流端口N分别设置一组对应的谐振LC，其谐振频率与混频调制中的中频调制信号频率相同，用以为中频零序环流提供路径。由于三相三线制无零序电流，因此混频调制不会对各个交流端口馈线电流产生影响，中频零序环流只通过谐振LC在装置内部流动。
图4(a)-(f)为三相谐振模块的多种可选结构。除所列的几种结构外，凡是具有中频谐振功能的电容、电感和电阻元件的串并联组合均可作为所述拓扑三相谐振模块的可选结构。
图5是在所述拓扑的基础上衍生的拓扑结构1。可根据直流端口的直流母线电压等级，选择将级联型PET的一部分模块用CHB代替，可以进一步减少开关管的数量，降低设备成本。
图6是在所述拓扑的基础上衍生的拓扑结构2。多个跨接的CHB首尾相连，并将多组三相谐振LC合并为单组三相谐振LC，可以进一步减少设备体积和重量。
图7为所述单相交直流多端口柔性互联装置的稳态运行电压电流向量图。以包含交流端口1和交流端口2两个交流端口的应用场景为例，左图为交流电网向交流端口2流入潮流的向量图，右图为所述装置通过交流端口2向电网回馈潮流的向量图。以左图交流电网向交流端口2流入潮流的向量图为例，其中θ为交流端口2和1之间的电压相位差，UA和UU分别为交流端口1和2的电网电压，UCHB为跨接在交流端口1和2的CHB的电压，iCHB为流过跨接在交流端口1和2的CHB电流的工频分量，iA和iU分别为交流端口1和2的电网电流，iLC为流过交流端口2对应谐振LC的电流工频分量。有电路理论可知，流过谐振LC的工频电流很小，可近似计算为
ILC＝ωmCUU (1)
其中ωm为谐振LC的谐振角频率。
忽略交流端口滤波电感的压降，可以认为
UCHB＝UU-UA (2)
而跨接CHB电流的工频分量为
iCHB＝iU-iLC (3)
根据向量图，跨接CHB工频电压电流的夹角为θ+arctan(ILC/IU)，因此工频电压电流对直流电容的充电功率可计算为
Figure BDA0004074001230000061
为了保证跨接CHB直流电容电压稳定，需要使中频电压电流对电容的放电功率与工频电压电流对电容的充电功率相等，因此可以得到中频零序环流为
Figure BDA0004074001230000062
其中U0为级联PET交流端口中频电压，I0为谐振LC回路的中频环流，PU为端口2流入所述装置的功率。可以使用式(5)对装置的电流应力进行计算，为装置的原件选型提供理论基础。
在一些实施例中，本申请还提供一种多端口柔性互联装置的控制方法，包括上述的多端口柔性互联装置，还包括：
级联PET的直流端口控制策略，其控制策略为单移相策略，进行直流端口母线电压控制；
级联PET的交流端口处采用混频调制策略，其控制策略分为工频控制和中频控制两部分，工频控制采用单电流环控制，进行控制对应交流端口电网的潮流；工频调制信号的基础上叠加固定的中频控制；
CHB的控制策略，其控制策略分为工频控制和中频控制两部分，工频控制采用单电流环控制，进行控制对应交流端口电网的潮流；中频控制采用电压电流双闭环控制，电压环保证直流电容电压恒定，电流环控制中频环流与级联PET的中频零序电压相位差同向或反向。
其中，谐振LC的谐振频率设置为中频控制的中频信号频率。
其中，中频控制的中频信号频率为三相零序调制信号。
如：
图8为级联PET的直流端口控制策略，使用单移相策略，比较直流端口电压与参考值，通过控制器调节DAB的控制移相角，从而定直流端口母线电压。
图9为级联PET的交流端口控制策略。外环定直流电容电压，比较级联PET的CHB的直流电容电压平均值与其参考值，通过控制器产生d轴电流参考值。内环基于两相旋转坐标系下控制，d轴电流参考值由外环给定，q轴电流参考值为0，控制交流端口1电网侧的功率因数。采用混频调制，在工频调制信号的基础上叠加固定的中频三相零序电压。
图10为跨接CHB的控制策略，其控制策略分为工频控制和中频控制两部分。工频控制采用单电流环控制，在两相旋转坐标系下，通过控制d轴电流实现控制对应交流端口电网的潮流。中频控制采用电压电流双闭环控制，电压环采样CHB直流电容电压平均值，保证直流电容电压恒定，电流环参考值由外环给定，负责控制中频环流与级联PET的中频零序电压相位差同向或反向。
为了验证本拓扑及其控制方法的效果，对该多端口变换器拓扑及其控制方法进行了仿真验证，仿真参数如表1所示。
表1交直流多端口柔性互联装置仿真参数
Figure BDA0004074001230000071
Figure BDA0004074001230000081
根据表1的参数，对应用于柔性配电网的多端口变换器拓扑进行了仿真验证，仿真结果如图10至19所示。
图11、12、13分别为标幺化后的交流端口1电网电压电流波形图。其中交流端口1和3为电流流入电网，因此电压电流同相位，而交流端口2为电流流入设备，因此电压电流反向。
图14为标幺化后的直流母线电压。其电压在0.1s内即稳定在了额定值，并且几乎无超调量。
图15、16、17分别为标幺化后的级联PET、跨接在端口1和2的CHB和跨接在端口1和3的CHB的直流电容电压。其电压均稳定在了额定值，且均压效果良好。
图18为流过级联PET中高频变压器的高频三相电流。
图19和20为交流端口2和交流端口3对应谐振LC的电流。由于谐振频率为500Hz，因此其工频电流分量很小，主要的电流分量为500Hz的中频零序电流分量。
根据交直流多端口柔性互联装置的仿真波形可知，各个交流端口、直流端口潮流均控制为设定值，直流端口和交流端口都实现了电压的独立控制以及功率的解耦控制，各直流电容电压均稳定在额定值，达到了控制的目的和预期的效果，验证了所述交直流多端口柔性互联装置的有效性和可行性。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种交直流多端口柔性互联装置，包括：
n个交流端口，n≥2；其特征在于，
级联型PET，级联型PET的交流端连接在任一交流端口上，级联型PET的直流端连接在直流端口上；
CHB，跨接任意两个交流端口；
交流端口上串联有三相谐振模块，三相谐振模块用于中频谐振。
2.根据权利要求1所述的多端口柔性互联装置，其特征在于，级联型PET的直流端的各个子模块彼此之间呈以下任一一种组成方式：
1)彼此串联后连接在直流端口上；
2)彼此并联后连接在直流端口上；
3)彼此混联后连接在直流端口上；
其中，级联型PET的子模块包括：AC-DC子模块、DC-DC子模块、高频变压器和电感电容。
3.根据权利要求1所述的多端口柔性互联装置，其特征在于，三相谐振模块为具有中频谐振功能的电容、电感或/和电阻元件。
4.根据权利要求1所述的多端口柔性互联装置，其特征在于，级联型PET一端与交流端口连接之间串联有CHB。
5.根据权利要求1所述的多端口柔性互联装置，其特征在于，多个跨接的CHB首尾相连，并将多组三相谐振模块合并为单组三相谐振模块。
6.一种多端口柔性互联装置的控制方法，其特征在于，包括权利要求1-5任一的多端口柔性互联装置，还包括：
级联PET的直流端口控制策略，其控制策略为单移相策略，进行直流端口母线电压控制；
级联PET的交流端口处采用混频调制策略，其控制策略分为工频控制和中频控制两部分，工频控制采用单电流环控制，进行控制对应交流端口电网的潮流；工频调制信号的基础上叠加固定的中频控制；
CHB的控制策略，其控制策略分为工频控制和中频控制两部分，工频控制采用单电流环控制，进行控制对应交流端口电网的潮流；中频控制采用电压电流双闭环控制，电压环保证直流电容电压恒定，电流环控制中频环流与级联PET的中频零序电压相位差同向或反向。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，谐振模块的谐振频率设置为中频控制的中频信号频率。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，中频控制的中频信号频率为三相零序调制信号。
9.一种配电网系统，其特征在于，包括变换器，所述变换器包括权利要求1-5任一的多端口柔性互联装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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