CN117394658A - 一种双极型电能路由器及其控制方法 - Google Patents

一种双极型电能路由器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极型电能路由器及其控制方法，该双极型电能路由器包括：高压级真双极模块化多电平变流器（BiMMC）、变压隔离级真双极隔离型直流变流器（BiMMDC）、低压级DC/AC变换器和低压级DC/DC变换器。控制方法包括BiMMC的高压直流端口正负双极解耦控制和BiMMDC的定低压直流端口电压的正负双极解耦控制。本发明在高压侧采用两个模块化多电平变换器串联构造了正、负极；低压侧采用四个H桥结构交错连接方式构造了低压直流正、负极，高压和低压直流端口都具备真双极结构。本发明的电能路由器其中一极故障不影响另一极正常工作，大大提高了功率传输的可靠性。

Description

一种双极型电能路由器及其控制方法
技术领域
本发明属于电力系统领域，更具体地，涉及一种双极型电能路由器及其控制方法。
背景技术
在中高压交直流配网领域，电能路由器需要实现交直流电压变换、不同电压等级变换、电气隔离和电能双向可控的功能。电能路由器的拓扑结构是其功能实现与故障穿越的基础。目前，对电能路由器的应用研究主要集中在配电网，以电能路由器作为并网节点设备，可以形成交直流混合的微电网结构，通过接收调度指令控制网络中的潮流方向和大小，也可以根据微电网的实际情况，实现微电网自治。当直接应用在中高压交直流配电网时，现有的功率器件耐压水平有限，需采用模块化组合技术以满足接入电压等级的要求。电能路由器的拓扑结构发展过程实际上是多种变换单元组合优化的结果。
现有公开的模块化多电平电能路由器拓扑结构一般采用伪双极结构，该类结构虽然可以简化拓扑，但是存在以下问题：在稳态运行工况下，若电能路由器高压直流端口的正负极传输不一样的功率，将导致电能路由器的高压交流端口出现直流电流偏置，可能导致配电变压器或接地变压器出现较大的直流偏磁，影响交流配电网的运行；在高压直流母线单极接地故障工况下，现有伪双极结构电能路由器只能通过闭锁变压隔离级的方法实现故障隔离，此时电能路由器将中断功率传输，无法实现高压直流单极接地故障运行。
对于电能路由器的变压隔离级，由于开关管的耐压能力有限，现有研究提出了输入串联输出并联结构（ISOP），将多个DAB结构的支流变压器输入端串联输出端并联来提高高压侧的耐压水平和低压侧的功率输出水平。但由于此结构由多个DAB变换器组成，电能分配和绝缘设计都很复杂而且装置的体积较大。隔离型模块化多电平直流变压器（MMDC）应运而生，此拓扑结合了模块化多电平换流器和DAB结构的优势，原边采用MMC结构，副边仍然为H桥结构，取消了直流侧的集中电容，具有功率双向传输、模块化设计、电压拓展容易、冗余设计简单等优点。但现有的MMDC拓扑多为单极结构，无法满足低压侧多种电压等级的新能源发电、直流负荷等接入的需求；此外，常规的真双极低压直流电网需要额外的电压平衡控制器，以避免低压正极和负极功率不一致时导致电压不平衡问题，因此会增加硬件成本和控制复杂度。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种双极型电能路由器及控制方法，本发明采用BiMMDC交错连接方式，实现均压控制和电压自动均衡功能。
本发明第一方面提供一种双极型电能路由器，包括：高压级真双极模块化多电平变流器、变压隔离级真双极隔离型直流变流器、低压级DC/AC变换器和低压级DC/DC变换器；
所述高压级真双极模块化多电平变流器记为BiMMC，所述变压隔离级真双极隔离型直流变流器记为BiMMDC；
所述BiMMC，用于高压交流和高压直流之间的电能变换，并提供高压交流端口和真双极高压直流端口，包括正极三相MMC和负极三相MMC；
所述正极三相MMC和所述负极三相MMC的交流侧均作为高压交流端口，分别通过三相双绕组变压器或者三相三绕组变压器连接至高压交流配电网；
所述正极三相MMC的直流侧一端形成所述BiMMC的真双极高压正极直流端口，所述正极三相MMC的直流侧另一端形成所述BiMMC的接地极；所述负极三相MMC的直流侧一端形成所述BiMMC的真双极高压负极直流端口，所述负极三相MMC的直流侧另一端与所述正极三相MMC的直流侧接地极相连；
所述BiMMDC，用于高压直流和低压直流之间的电能变换，并提供真双极高压直流端口和真双极低压直流端口；
所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口与所述BiMMC的真双极高压正极直流端口相连；
所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口与所述BiMMC的真双极高压负极直流端口相连；
所述BiMMDC的接地极与所述BiMMC的接地极用金属回线连接后接地；
所述低压级DC/AC变流器，用于低压直流和低压交流之间的电能变换，并提供低压交流端口；
所述低压级DC/DC变流器，用于不同电压等级的低压直流之间的电能变换，并提供低压直流端口；
所述BiMMC的真双极高压正极直流端口和所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口，均作为电能路由器的高压直流端口的正极；所述BiMMC的真双极高压负极直流端口和所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口，均作为电能路由器的高压直流端口的负极；
所述高压直流端口，用于通过高压直流母线与高压直流配电网相连；
所述低压交流端口，用于与低压交流配电网相连；
所述低压直流端口，用于与低压直流配电网相连。
进一步的，所述BiMMDC包括原边拓扑、四个两绕组中频变压器、副边拓扑；
所述原边拓扑包括两个单相且具备正负两极的模块化多电平变流器；
所述副边拓扑包括四个交错连接的H桥结构，分别是第一H桥结构、第二H桥结构、第三H桥结构和第四H桥结构；
所述四个两绕组中频变压器按照两个两绕组中频变压器串联连接组成两个中频变压器组，分别是第一中频变压器组和第二中频变压器组；
所述两绕组中频变压器原边和副边绕组的变比为n：1；
第一中频变压器组的原边通过一耦合电感接至所述原边拓扑的输出侧，副边接至所述副边拓扑的交流侧；
第二中频变压器组的原边通过一耦合电感接至所述原边拓扑输出侧，副边接至所述副边拓扑的交流侧；
第一模块化多电平变换器的正输入极作为所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口；第二模块化多电平变换器的负输入极作为所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口；第一模块化多电平变换器的负输入极与第二多模块化多电平变换器的正输入极串联连接后作为所述BiMMDC的接地极；
第一H桥结构的正极直流输出端作为所述BiMMDC的真双极低压正极直流端口；第四H桥结构的负极直流输出端作为所述BiMMDC的真双极低压负极直流端口；第一H桥结构的负极直流输出端、第二H桥结构的正极直流输出端、第三H桥结构的负极直流输出端和第四H桥结构的正极直流输出端连接后接地；第一H桥结构的正极直流输出端还与第三H桥结构的正极直流输出端连接；第四H桥结构的负极直流输出端还与第二H桥结构的负极直流输出端连接。
进一步的，所述低压级DC/AC变流器的直流侧两端连接至所述BiMMDC的真双极低压正极直流端口及接地极、或所述BiMMDC的真双极低压负极直流端口及接地极、或所述BiMMDC的真双极低压正极直流端口及所述BiMMDC的真双极低压负极直流端口。
进一步的，所述模块化多电平变流器包括两个并联连接的单相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，其中，每相的上桥臂和下桥臂通过两个桥臂电感或一个耦合电感串联连接；每相的上桥臂和下桥臂的串联连接点作为所述模块化多电平变流器的输出端口。
进一步的，所述正极三相MMC和所述负极三相MMC采用相同三相MMC结构，包括三个并联连接的单相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，其中，每相的上桥臂和下桥臂通过两个桥臂电感或一个耦合电感串联连接；每相的上桥臂和下桥臂的串联连接点作为所述三相MMC结构的输出端口。
进一步的，每个H桥结构包括四个带反并联续流二极管的电力电子开关器件，两个电力电子开关器件串联连接后与另两个电力电子开关器件组成的串联结构并联。
进一步的，所述电力电子开关器件包括IGBT开关管。
本发明第二方面提供一种所述双极型电能路由器的控制方法，包括BiMMC的高压直流端口正负双极解耦控制和BiMMDC的定低压直流端口电压的正负双极解耦控制；
所述高压直流端口正负双极解耦控制为：根据BiMMC高压直流端口情况选择定高压直流电压控制模式或者高压直流定功率控制模式；若电能路由器的高压直流端口未接入高压直流配电网，则所述BiMMC工作于定高压直流电压控制模式，同时，所述BiMMDC工作于定低压直流端口电压的正负双极解耦控制，使得所述BiMMC的真双极高压正极直流端口和所述BiMMC的真双极高压负极直流端口传输的功率等于所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口和所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口传输的功率；若电能路由器的高压直流端口接入高压直流配电网，所述BiMMC和所述BiMMDC相互解耦运行，且所述BiMMC工作于高压直流定功率控制模式，同时，所述BiMMDC工作于定低压直流端口电压的正负双极解耦控制；
所述定高压直流电压控制模式为：所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的电压参考值与实时采集的所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的电压实际值作差，通过第一PI调节器控制得到正极直流环流参考值；所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的电压参考值与采集的所述BiMMC的真双极高压负极直流端口电压作差，通过第二PI调节器控制得到负极直流环流参考值；
所述高压直流定功率控制模式为：所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的正极功率参考值与采集的所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的传输功率实际值作差，通过第五PI调节器控制得到正极直流环流参考值；同时，所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的负极功率参考值与采集的所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的传输功率实际值作差，通过第六PI调节器控制得到负极直流环流参考值；
所述定低压直流端口电压的正负双极解耦控制为：所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口的电压参考值与实时采集的所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口的电压实际值作差，通过第三PI调节器控制得到正极移相角，正极移相角将方波移相后驱动第一H桥结构和第三H桥结构的电力电子开关器件；所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口的电压参考值与实时采集的所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口的电压实际值作差，通过第四PI调节器控制得到负极移相角，负极移相角将方波移相后驱动第二H桥结构和第四H桥结构的电力电子开关器件。
进一步的，所述控制方法还包括高压直流端口单极故障穿越控制：
在采集到所述双极型电能路由器的高压直流端口的正极或负极出现故障后；
若是高压直流端口的正极出现故障，则封锁所述BiMMDC的第一模块化多电平变换器和第一H桥和第三H桥的驱动脉冲，且所述BiMMC的正极三相MMC切换至限流控制；
若是高压直流端口的负极出现故障，则封锁所述BiMMDC的第二模块化多电平变换器以及第二H桥和第四H桥的驱动脉冲，且BiMMC的负极三相MMC切换至限流控制；
此时，所述BiMMC和所述BiMMDC的非故障极仍继续运行，并共同传输一半功率；
所述BiMMC的正极三相MMC的限流控制为：
将所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的高压直流母线的电流参考值与实时采集的所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的高压直流母线的电流实际值进行作差，经过第七PI调节器控制得到正极直流环流参考值；
所述BiMMC的负极三相MMC的限流控制为：
将所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的高压直流母线的电流参考值与实时采集的所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的高压直流母线的电流实际值进行作差，经过第八PI调节器控制得到负极直流环流参考值。
进一步的，所述控制方法还包括高压直流端口双极故障穿越控制：
在采集到所述双极型电能路由器的高压直流端口的双极出现短路故障后，将所述BiMMC切换为STATCOM运行模式，且封锁所述BiMMDC的第一模块化多电平变换器和第二模块化多电平变换器以及第一H桥、第二H桥、第三H桥和第四H桥的驱动脉冲；
此时，所述BiMMC仍向高压交流配电网注入无功功率，而BiMMDC停止运行。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
（1）高压级BiMMC和变压隔离级BiMMDC都具备真双极结构。本发明提供的双极型电能路由器的高压侧采用两个模块化多电平变换器串联，从而在高压侧构造了正极和负极；低压侧采用四个H桥结构交错连接方式构造了低压直流正极和负极。双极型电能路由器结构可对正极和负极解耦控制，实现正极和负极的独立运行。
（2）抗干扰的能力变强。构造的双极型电能路由器，从结构上来解耦正、负双极功率流，使得每个正、负极有自己独立的控制回路单独控制，即使其中一极故障也不影响另一极正常工作，大大提高了功率传输的可靠性。
（3）节省功率器件。本发明将高压级BiMMC和变压隔离级BiMMDC中同相的功率模块进行集成，节省了部分功率器件，同时变压隔离级BiMMDC中上、下桥臂耦合还可以为子模块纹波功率提供流通通道，有利于降低子模块电容电压纹波，减少子模块容值需求。
（4）扩展了所接负载的电压范围。本发明能够根据实际需求扩容扩压，构造的真双极母线使得电压具备3个电压等级，即VLVp，VLVn和VLV，因此拓展了低压侧所接负载的电压范围，具有良好的普遍适用性。
附图说明
图1是本发明实施例1中提供的高压交流侧采用分立隔离变压器的双极型电能路由器的结构示意图；
图2是本发明实施例1中的半桥子模块拓扑结构示意图；
图3是本发明实施例1中的全桥子模块拓扑结构示意图；
图4是本发明实施例2中提供的高压交流侧采用三相三绕组隔离变压器的双极型电能路由器的结构示意图；
图5是本发明实施例3中提供的双极型电能路由器的BiMMC的定高压直流电压控制框图；
图6是本发明实施例3中提供的双极型电能路由器的BiMMC的高压直流定功率控制框图；
图7是本发明实施例3中提供的双极型电能路由器的BiMMDC的定低压直流端口电压的正负双极解耦控制框图；
图8是本发明实施例4和实施例5中提供的双极型电能路由器在高压直流端口发生接地故障的控制框图；
图9是本发明实施例4中提供的双极型电能路由器的BiMMC的高压直流限流控制框图；
图10是本发明实施例6中提供的双极型电能路由器在低压直流正极发生负荷突增的仿真结果图；
图11本发明实施例6中提供的双极型电能路由器在高压直流正极发生单极接地故障的仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种双极型电能路由器，包括：高压级真双极模块化多电平变流器、变压隔离级真双极隔离型直流变流器、低压级DC/AC变换器和低压级DC/DC变换器；所述高压级真双极模块化多电平变流器记为BiMMC，所述变压隔离级真双极隔离型直流变流器记为BiMMDC。
所述BiMMC用于高压交流和高压直流之间的电能变换，并提供高压交流端口和真双极高压直流端口，包括正极三相MMC和负极三相MMC；
所述正极三相MMC和所述负极三相MMC的交流侧均作为高压交流端口，分别通过三相双绕组变压器连接至高压交流配电网；所述正极三相MMC的直流侧一端形成所述BiMMC的真双极高压正极直流端口，所述正极三相MMC的直流侧另一端形成所述BiMMC的接地极；所述负极三相MMC的直流侧一端形成所述BiMMC的真双极高压负极直流端口，所述负极三相MMC的直流侧另一端与所述正极三相MMC的直流侧接地极相连。
所述BiMMDC用于高压直流和低压直流之间的电能变换，并提供真双极高压直流端口和真双极低压直流端口，包括原边拓扑、四个两绕组中频变压器、副边拓扑；所述原边拓扑包括两个单相且具备正负两极的模块化多电平变流器；所述副边拓扑包括四个交错连接的H桥结构。
所述四个两绕组中频变压器按照两个两绕组中频变压器串联连接组成两个中频变压器组；所述两绕组中频变压器原边和副边绕组的变比为n：1；
第一中频变压器组的原边通过一耦合电感接至所述原边拓扑的输出侧，副边接至所述副边拓扑的交流侧；
第二中频变压器组的原边通过一耦合电感接至所述原边拓扑输出侧，副边接至所述副边拓扑的交流侧。
第一模块化多电平变换器的正输入极作为所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口；第二模块化多电平变换器的负输入极作为所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口；第一模块化多电平变换器的负输入极与第二多模块化多电平变换器的正输入极串联连接后作为所述BiMMDC的接地极。
第一H桥结构的正极直流输出端作为所述BiMMDC的真双极低压正极直流端口；
第四H桥结构的负极直流输出端作为所述BiMMDC的真双极低压负极直流端口；
第一H桥结构的负极直流输出端、第二H桥结构的正极直流输出端、第三H桥结构的负极直流输出端和第四H桥结构的正极直流输出端连接后接地；
第一H桥结构的正极直流输出端还与第三H桥结构的正极直流输出端连接；第四H桥结构的负极直流输出端还与第二H桥结构的负极直流输出端连接。
所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口与所述BiMMC的真双极高压正极直流端口相连；
所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口与所述BiMMC的真双极高压负极直流端口相连；
所述BiMMDC的接地极与所述BiMMC的接地极用金属回线连接后接地。
所述低压级DC/AC变流器用于低压直流和低压交流之间的电能变换，并提供低压交流端口；
所述低压级DC/AC变流器的直流侧两端连接至所述BiMMDC的真双极低压正极直流端口及接地极、或所述BiMMDC的真双极低压负极直流端口及接地极、或所述BiMMDC的真双极低压正极直流端口及所述BiMMDC的真双极低压负极直流端口。
所述低压级DC/DC变流器用于不同电压等级的低压直流之间的电能变换，并提供低压直流端口；
所述低压级DC/AC变流器的直流侧两端连接至所述BiMMDC的真双极低压正极直流端口及接地极、或所述BiMMDC的真双极低压负极直流端口及接地极、或所述BiMMDC的真双极低压正极直流端口及所述BiMMDC的真双极低压负极直流端口。
所述BiMMC的真双极高压正极直流端口和所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口，均作为电能路由器的高压直流端口的正极；所述BiMMC的真双极高压负极直流端口和所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口，均作为电能路由器的高压直流端口的负极；
所述高压直流端口，用于通过高压直流母线与高压直流配电网相连；
所述低压交流端口，用于与低压交流配电网相连；
所述低压直流端口，用于与低压直流配电网相连。
本实施例具体实现时，所述模块化多电平变流器包括两个并联连接的单相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，其中，每相的上桥臂和下桥臂通过两个桥臂电感或一个耦合电感串联连接；每相的上桥臂和下桥臂的串联连接点作为所述模块化多电平变流器的输出端口；
所述正极三相MMC和所述负极三相MMC采用相同三相MMC结构，包括三个并联连接的单相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，其中，每相的上桥臂和下桥臂通过两个桥臂电感或一个耦合电感串联连接；每相的上桥臂和下桥臂的串联连接点作为所述三相MMC结构的输出端口。
进一步地，本实施例的模块化多电平变流器和三相MMC结构中，每个单相桥臂的上桥臂和下桥臂均由N个级联的功率模块SM构成；
所述功率模块SM采用半桥结构或全桥结构；其中，
如图2所示，半桥结构的功率模块包括两个带反并联续流二极管的电力电子开关器件及一个稳压电容，两电力电子开关器件串联连接，所述稳压电容并联在两电力电子开关器件的两端；
如图3所示，全桥结构的功率模块包括四个带反并联续流二极管的电力电子开关器件和一个稳压电容，两个电力电子开关器件串联连接后与另两个电力电子开关器件组成的串联结构并联，所述稳压电容并联在任意一个串联结构的两端。
本实施例具体实现时，每个H桥结构包括四个带反并联续流二极管的电力电子开关器件，两个电力电子开关器件串联连接后与另两个电力电子开关器件组成的串联结构并联。本实施例中所述的电力电子开关器件包括IGBT开关管。
实施例2
如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于：
所述正极三相MMC和所述负极三相MMC的交流侧均作为高压交流端口，分别通过三相三绕组变压器连接至高压交流配电网。
实施例3
本实施例提供一种实施例1或2所述双极型电能路由器的控制方法，包括BiMMC的高压直流端口正负双极解耦控制和BiMMDC的定低压直流端口电压的正负双极解耦控制；
所述高压直流端口正负双极解耦控制：
根据BiMMC高压直流端口情况选择定高压直流电压控制模式或者高压直流定功率控制模式；
若电能路由器的高压直流端口未接入高压直流配电网，则所述BiMMC工作于定高压直流电压控制模式，同时，所述BiMMDC工作于定低压直流端口电压的正负双极解耦控制，使得所述BiMMC的真双极高压正极直流端口和所述BiMMC的真双极高压负极直流端口传输的功率等于所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口和所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口传输的功率；
若电能路由器的高压直流端口接入高压直流配电网，所述BiMMC和所述BiMMDC相互解耦运行，且所述BiMMC工作于高压直流定功率控制模式，同时，所述BiMMDC工作于定低压直流端口电压的正负双极解耦控制。
本实施例中，如图5所示，所述定高压直流电压控制模式为：
所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的电压参考值VMVp,ref与实时采集的所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的电压实际值VMVp作差，通过第一PI调节器控制得到正极直流环流参考值Idcp,ref；
所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的电压参考值VMVn,ref与采集的所述BiMMC的真双极高压负极直流端口电压VMVn作差，通过第二PI调节器控制得到负极直流环流参考值Idcn,ref。
本实施例中，如图6所示，所述高压直流定功率控制模式为：
所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的正极功率参考值PMVp,ref与采集的所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的传输功率实际值PMVp作差，通过第五PI调节器控制得到正极直流环流参考值Idcp,ref；同时，
所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的负极功率参考值PMVn,ref与采集的所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的传输功率实际值PMVn作差，通过第六PI调节器控制得到负极直流环流参考值Idcn,ref。
本实施例中，如图7所示，所述定低压直流端口电压的正负双极解耦控制为：
所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口的电压参考值VLVp,ref与实时采集的所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口的电压实际值VLVp作差，通过第三PI调节器控制得到正极移相角，正极移相角将方波移相后驱动第一H桥结构和第三H桥结构的电力电子开关器件；
所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口的电压参考值VLVn,ref与实时采集的所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口的电压实际值VLVn作差，通过第四PI调节器控制得到负极移相角，负极移相角将方波移相后驱动第二H桥结构和第四H桥结构的电力电子开关器件。
实施例4
本实施例与实施例3的区别在于：所述控制方法还包括高压直流端口单极故障穿越控制。
如图8所示，高压直流端口单极故障穿越控制为：在采集到所述双极型电能路由器的高压直流端口的正极或负极出现故障后；
若是高压直流端口的正极出现故障，则封锁所述BiMMDC的第一模块化多电平变换器和第一H桥和第三H桥的驱动脉冲，且所述BiMMC的正极三相MMC切换至限流控制；
若是高压直流端口的负极出现故障，则封锁所述BiMMDC的第二模块化多电平变换器以及第二H桥和第四H桥的驱动脉冲，且BiMMC的负极三相MMC切换至限流控制；
此时，所述BiMMC和所述BiMMDC的非故障极仍继续运行，并共同传输一半功率。
本实施例中，如图9所示，所述BiMMC的正极三相MMC的限流控制为：
将所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的高压直流母线的电流参考值（一般选取为0）与实时采集的所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的高压直流母线的电流实际值idcp进行作差，经过第七PI调节器控制得到正极直流环流参考值Idcp,ref。
本实施例中，如图9所示，所述BiMMC的负极三相MMC的限流控制为：
将所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的高压直流母线的电流参考值（一般选取为0）与实时采集的所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的高压直流母线的电流实际值idcn进行作差，经过第八PI调节器控制得到负极直流环流参考值Idcn,ref。
实施例5
本实施例与实施例3的区别在于：所述控制方法还包括高压直流端口双极故障穿越控制。
高压直流端口双极故障穿越控制为：在采集到所述双极型电能路由器的高压直流端口的双极出现短路故障后，将所述BiMMC切换为STATCOM运行模式，且封锁所述BiMMDC的第一模块化多电平变换器和第二模块化多电平变换器以及第一H桥、第二H桥、第三H桥和第四H桥的驱动脉冲；
此时，所述BiMMC仍向高压交流配电网注入无功功率，而BiMMDC停止运行。
实施例6
本实施例提供了在MATLAB软件中对实施例1-5的双极型电能路由器和控制方法进行的仿真验证。
仿真参数如表1所示：
表1 仿真参数
（1）双极型电能路由器的变压隔离级BiMMDC定电压控制下，低压直流正极发生负荷突增的仿真结果
图10给出了在低压直流端口的正极发生负荷突增时双极型电能路由器仿真结果，由图可知：
在0.26~0.3s内，变压隔离级BiMMDC的低压直流端口的正极和负极的负荷是平衡的，因此高压/低压直流端口的正极和负极的直流电流是一样的；
而在0.3~0.38s期间，低压直流端口的正极的负载功率从500kW突增至1000kW；由仿真结果可知，此时低压直流端口的正极和负极的直流电流是不一样的，通过本发明变压隔离级BiMMDC之后，高压直流端口的正极和负极的直流电流始终保持一致。
该仿真结果表明本发明的电能路由器可以在低压直流端口的负荷平衡或不平衡下始终保持低压直流端口的电压恒定，且保证高压直流端口的正极和负极的直流电流始终保持一致。
（2）双极型电能路由器变压隔离级BiMMDC定电压控制下，高压直流正极发生单极接地故障的仿真结果
图11给出了高压直流正极发生单极接地故障时双极型电能路由器的仿真结果，由图可知：
在0.1s高压直流电网的正极发生接地故障后，高压直流正极电压跌落为0，通过封锁BiMMDC的第一模块化多电平变换器以及第一H桥和第三H桥的驱动脉冲后，BiMMC的负极三相MMC仍能正常运行，且控制变压隔离级BiMMDC的低压直流端口的正极和负极的电压维持在额定电压。
该仿真结果表明本发明的双极型电能路由器具备高压直流故障穿越能力。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双极型电能路由器，其特征在于，包括：高压级真双极模块化多电平变流器、变压隔离级真双极隔离型直流变流器、低压级DC/AC变换器和低压级DC/DC变换器；
所述高压级真双极模块化多电平变流器记为BiMMC，所述变压隔离级真双极隔离型直流变流器记为BiMMDC；
所述BiMMC，用于高压交流高压直流端口和高压直流之间的电能变换，并提供高压交流端口和真双极高压直流端口，包括正极三相MMC和负极三相MMC；
所述正极三相MMC和所述负极三相MMC的交流侧均作为高压交流端口，分别通过三相双绕组变压器或者三相三绕组变压器连接至高压交流配电网；
所述正极三相MMC的直流侧一端形成所述BiMMC的真双极高压正极直流端口，所述正极三相MMC的直流侧另一端形成所述BiMMC的接地极；所述负极三相MMC的直流侧一端形成所述BiMMC的真双极高压负极直流端口，所述负极三相MMC的直流侧另一端与所述正极三相MMC的直流侧接地极相连；
所述BiMMDC，用于高压直流和低压直流之间的电能变换，并提供真双极高压直流端口和真双极低压直流端口；
所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口与所述BiMMC的真双极高压正极直流端口相连；
所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口与所述BiMMC的真双极高压负极直流端口相连；
所述BiMMDC的接地极与所述BiMMC的接地极用金属回线连接后接地；
所述低压级DC/AC变流器，用于低压直流和低压交流之间的电能变换，并提供低压交流端口；
所述低压级DC/DC变流器，用于不同电压等级的低压直流之间的电能变换，并提供低压直流端口；
所述BiMMC的真双极高压正极直流端口和所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口，均作为电能路由器的高压直流端口的正极；所述BiMMC的真双极高压负极直流端口和所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口，均作为电能路由器的高压直流端口的负极；
所述高压直流端口，用于通过高压直流母线与高压直流配电网相连；
所述低压交流端口，用于与低压交流配电网相连；
所述低压直流端口，用于与低压直流配电网相连。
2.根据权利要求1所述的双极型电能路由器，其特征在于，所述BiMMDC包括原边拓扑、四个两绕组中频变压器、副边拓扑；
所述原边拓扑包括两个单相且具备正负两极的模块化多电平变流器；
所述副边拓扑包括四个交错连接的H桥结构，分别是第一H桥结构、第二H桥结构、第三H桥结构和第四H桥结构；
所述四个两绕组中频变压器按照两个两绕组中频变压器串联连接组成两个中频变压器组，分别是第一中频变压器组和第二中频变压器组；
所述两绕组中频变压器原边和副边绕组的变比为n：1；
第一中频变压器组的原边通过一耦合电感接至所述原边拓扑的输出侧，副边接至所述副边拓扑的交流侧；
第二中频变压器组的原边通过一耦合电感接至所述原边拓扑输出侧，副边接至所述副边拓扑的交流侧；
第一模块化多电平变换器的正输入极作为所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口；第二模块化多电平变换器的负输入极作为所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口；第一模块化多电平变换器的负输入极与第二多模块化多电平变换器的正输入极串联连接后作为所述BiMMDC的接地极；
第一H桥结构的正极直流输出端作为所述BiMMDC的真双极低压正极直流端口；第四H桥结构的负极直流输出端作为所述BiMMDC的真双极低压负极直流端口；第一H桥结构的负极直流输出端、第二H桥结构的正极直流输出端、第三H桥结构的负极直流输出端和第四H桥结构的正极直流输出端连接后接地；第一H桥结构的正极直流输出端还与第三H桥结构的正极直流输出端连接；第四H桥结构的负极直流输出端还与第二H桥结构的负极直流输出端连接。
3.根据权利要求1所述的双极型电能路由器，其特征在于，所述低压级DC/AC变流器的直流侧两端连接至所述BiMMDC的真双极低压正极直流端口及接地极、或所述BiMMDC的真双极低压负极直流端口及接地极、或所述BiMMDC的真双极低压正极直流端口及所述BiMMDC的真双极低压负极直流端口。
4.根据权利要求1所述的双极型电能路由器，其特征在于，所述模块化多电平变流器包括两个并联连接的单相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，其中，每相的上桥臂和下桥臂通过两个桥臂电感或一个耦合电感串联连接；每相的上桥臂和下桥臂的串联连接点作为所述模块化多电平变流器的输出端口。
5.根据权利要求1所述的双极型电能路由器，其特征在于：所述正极三相MMC和所述负极三相MMC采用相同三相MMC结构，包括三个并联连接的单相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，其中，每相的上桥臂和下桥臂通过两个桥臂电感或一个耦合电感串联连接；每相的上桥臂和下桥臂的串联连接点作为所述三相MMC结构的输出端口。
6.根据权利要求1所述的双极型电能路由器，其特征在于：每个H桥结构包括四个带反并联续流二极管的电力电子开关器件，两个电力电子开关器件串联连接后与另两个电力电子开关器件组成的串联结构并联。
7.根据权利要求6所述的双极型电能路由器，其特征在于：所述电力电子开关器件包括IGBT开关管。
8.一种权利要求1-7中任一项所述双极型电能路由器的控制方法，其特征在于，包括BiMMC的高压直流端口正负双极解耦控制和BiMMDC的定低压直流端口电压的正负双极解耦控制；
所述高压直流端口正负双极解耦控制为：根据BiMMC高压直流端口情况选择定高压直流电压控制模式或者高压直流定功率控制模式；
若电能路由器的高压直流端口未接入高压直流配电网，则所述BiMMC工作于定高压直流电压控制模式，同时，所述BiMMDC工作于定低压直流端口电压的正负双极解耦控制，使得所述BiMMC的真双极高压正极直流端口和所述BiMMC的真双极高压负极直流端口传输的功率等于所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口和所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口传输的功率；
若电能路由器的高压直流端口接入高压直流配电网，所述BiMMC和所述BiMMDC相互解耦运行，且所述BiMMC工作于高压直流定功率控制模式，同时，所述BiMMDC工作于定低压直流端口电压的正负双极解耦控制；
所述定高压直流电压控制模式为：
所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的电压参考值与实时采集的所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的电压实际值作差，通过第一PI调节器控制得到正极直流环流参考值；
所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的电压参考值与采集的所述BiMMC的真双极高压负极直流端口电压作差，通过第二PI调节器控制得到负极直流环流参考值；
所述高压直流定功率控制模式为：
所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的正极功率参考值与采集的所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的传输功率实际值作差，通过第五PI调节器控制得到正极直流环流参考值；同时，
所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的负极功率参考值与采集的所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的传输功率实际值作差，通过第六PI调节器控制得到负极直流环流参考值；
所述定低压直流端口电压的正负双极解耦控制为：
所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口的电压参考值与实时采集的所述BiMMDC的真双极高压正极直流端口的电压实际值作差，通过第三PI调节器控制得到正极移相角，正极移相角将方波移相后驱动第一H桥结构和第三H桥结构的电力电子开关器件；
所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口的电压参考值与实时采集的所述BiMMDC的真双极高压负极直流端口的电压实际值作差，通过第四PI调节器控制得到负极移相角，负极移相角将方波移相后驱动第二H桥结构和第四H桥结构的电力电子开关器件。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括高压直流端口单极故障穿越控制：
在采集到所述双极型电能路由器的高压直流端口的正极或负极出现故障后；
若是高压直流端口的正极出现故障，则封锁所述BiMMDC的第一模块化多电平变换器和第一H桥和第三H桥的驱动脉冲，且所述BiMMC的正极三相MMC切换至限流控制；
若是高压直流端口的负极出现故障，则封锁所述BiMMDC的第二模块化多电平变换器以及第二H桥和第四H桥的驱动脉冲，且BiMMC的负极三相MMC切换至限流控制；
此时，所述BiMMC和所述BiMMDC的非故障极仍继续运行，并共同传输一半功率；
所述BiMMC的正极三相MMC的限流控制为：
将所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的高压直流母线的电流参考值与实时采集的所述BiMMC的真双极高压正极直流端口的高压直流母线的电流实际值进行作差，经过第七PI调节器控制得到正极直流环流参考值；
所述BiMMC的负极三相MMC的限流控制为：
将所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的高压直流母线的电流参考值与实时采集的所述BiMMC的真双极高压负极直流端口的高压直流母线的电流实际值进行作差，经过第八PI调节器控制得到负极直流环流参考值。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括高压直流端口双极故障穿越控制：
在采集到所述双极型电能路由器的高压直流端口的双极出现短路故障后，将所述BiMMC切换为STATCOM运行模式，且封锁所述BiMMDC的第一模块化多电平变换器和第二模块化多电平变换器以及第一H桥、第二H桥、第三H桥和第四H桥的驱动脉冲；
此时，所述BiMMC仍向高压交流配电网注入无功功率，而BiMMDC停止运行。
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