CN208353222U - 一种基于模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统 - Google Patents

Abstract

一种基于模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统，包括高压直流端口、高压交流端口、低压直流端口、多电平变换单元和谐振变换单元，多电平变换单元中上半桥臂和下半桥臂均包括N个级联的模块化多电平变换器，高压直流端口的两端分别连接上半桥臂第一个模块化多电平变换器的第一输入端和下半桥臂最后一个模块化多电平变换器的第二输入端，上半桥臂最后一个模块化多电平变换器的第二输入端和下半桥臂第一个模块化多电平变换器的第一输入端分别通过电感连接该桥臂的输入端；谐振变换单元的LLC谐振变换器的输入端分别连接对应的模块化多电平变换器的输出端，输出端并联在低压直流端口。本实用新型能实现各端口的能量平衡分配并保持系统的整体稳定。

Description

一种基于模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统

技术领域

本实用新型属于电力电子变换器领域，涉及一种通用柔性能量管理(Universaland Flexible Power Management，UNIFLEX-PM)系统，构建了基于多电平模块化变换器(Multilevel Modular Convertor，MMC)拓扑并包含LLC谐振变换器的通用柔性能量管理系统，并设计了该系统各部分的控制方案。

背景技术

伴随着当代社会生产力与生活质量的进步，各领域对电能传输与管理逐渐有了更加严格的要求。近年来，大功率电力电子元器件及其控制、调制技术的研究与应用高速发展，而电力电子变压器因其具有供电稳定性高、电能质量高、绿色智能等特点而成为电力电子技术与电力系统中的研究热点。其中三相电力电子变压器可主要应用于智能(配)电网方向，通用柔性能量管理系统(UNIFLEX-PM)即为电力电子变压器在高压电网中的应用。在未来电力系统的发展中，将会有种类、数量繁多的新能源与负载接入电网，电力系统中也需要设置更多对应的接口并加以平衡与管理。在基于逆变器的可再生能源发电日益增加的趋势下，电网兼容性标准需要做出很大改变，以实现对传统发电和基于逆变器的可再生能源发电等能源接口的同时管理。通用柔性能量管理系统(UNIFLEX-PM)包含不同电压等级的交流、直流端口，可为不同类型的能源提供接口，并完成能量的协调管理。

为实现电力电子变换器在高电压、大功率场合的利用，对二极管箝位多电平拓扑、多电平模块化变换器MMC拓扑以及H桥级联拓扑的研究与应用逐渐深入。其中，多电平模块化变换器MMC拓扑具有能源储存分散化、结构模块化以及故障识别与清除简单等特点，因而该拓扑在不仅在高压直流输电工程中发挥着重要应用，还被应用于交流电机驱动、多端口直流输电等工业领域。

目前我国在面向于电网的能量管理系统方面尚在理论研究阶段，未能实现分布式电源、储能系统、负荷系统间的能量管理与协调，分布式能源的应用与发展尚显不足，电网的信息集合度、互动性以及电能质量与可靠性方面的建设也仍有待提高。即目前电力系统的建设还没有满足未来电力系统在多种应用场合下对多种能源接口的管理与应用需求，尚未做到改善电网运行的经济性也不能满足灵活性、协调性、可延展性等智能化发展的要求。

实用新型内容

针对面向于未来智能电网的能量管理系统在智能化发展和应用灵活性等方面的要求，本实用新型提出一种能够应用于智能电网的通用柔性能量管理系统，基于模块化多电平变换器MMC拓扑结构，通过对高压交流端口、高压直流端口、低压直流端口以及LLC谐振变换器的控制，实现不同工作状态下各端口的能量平衡分配并保持系统的整体稳定。

本实用新型的技术方案为：

一种基于模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统，包括高压直流端口、高压交流端口、低压直流端口、多电平变换单元和谐振变换单元，

所述多电平变换单元包括M个桥臂，每个所述桥臂包括上半桥臂和下半桥臂，每个所述上半桥臂和下半桥臂均包括N个所述模块化多电平变换器，其中M、N为正整数；

每个所述上半桥臂中，所述模块化多电平变换器的第一输入端连接上一个所述模块化多电平变换器的第二输入端，其中第一个所述模块化多电平变换器的第一输入端连接所述高压直流端口的一端，最后一个所述模块化多电平变换器的第二输入端通过电感后作为该桥臂的输入端连接所述高压交流端口的单相电源或多相电源的其中一相；

每个所述下半桥臂中，所述模块化多电平变换器的第一输入端连接上一个所述模块化多电平变换器的第二输入端，其中第一个所述模块化多电平变换器的第一输入端通过电感连接该桥臂的输入端，最后一个所述模块化多电平变换器的第二输入端连接所述高压直流端口的另一端；

所述谐振变换单元包括至少一个且不超过M个的谐振变换模块，一个所述谐振变换模块对应一个桥臂，所述谐振变换模块包括2N个LLC谐振变换器，每个所述谐振变换模块中的2N个LLC谐振变换器的输入端分别连接对应的所述桥臂中2N个模块化多电平变换器的输出端，每个所述谐振变换模块中的2N个LLC谐振变换器的输出端并联在所述低压直流端口两端。

具体的，当所述高压交流端口的输入信号为单相电源时，所述多电平变换单元包括一个桥臂，所述高压交流端口的一端连接所述一个桥臂的输入端，另一端分别通过两个电容后连接所述高压直流端口的两端。

具体的，当所述高压交流端口的输入信号为三相电源时，所述多电平变换单元包括使三个桥臂，所述三个桥臂的输入端分别连接所述三相电源。

具体的，所述模块化多电平变换器包括第一电容、第一功率开关器件和第二功率开关器件，第一功率开关器件和第二功率开关器件串联，其串联点作为所述模块化多电平变换器的第一输入端，其串联结构与第一电容并联，其并联结构的两端接在所述模块化多电平变换器的输出端的两侧，其并联结构的其中一端作为所述模块化多电平变换器的第二输入端。

具体的，所述LLC谐振变换器包括第三功率开关器件、第四功率开关器件、第五功率开关器件、第六功率开关器件、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电感、第二电感和高频变压器，所述LLC谐振变换器与其对应的所述模块化多电平变换器共用第一电容；

第三功率开关器件和第四功率开关器件串联并接在第一电容的两端，其串联点通过第一电感后连接第二电感的一端，第二电感的另一端通过第二电容后连接所述模块化多电平变换器的第二输入端；

第三功率开关器件和第四功率开关器件串联并接在所述低压直流端口的两端，第三电容和第四电容串联并接在所述低压直流端口的两端；

高频变压器的输入信号为第二电感两端的电压，其输出信号为第三功率开关器件和第四功率开关器件的串联点以及第三电容和第四电容的串联点之间的电压。

本实用新型有益效果为：

1.本实用新型设置了高压交流端口、高压直流端口和低压直流端口，可分别与不同类型、不同电压等级的电源或负载相连，并通过各端口相应的控制策略，高效、便捷地管理并协调了不同工作状态下各端口的能量流向，适用性高，且保持了系统的整体稳定。

2.本实用新型基于模块化多电平变换器MMC拓扑结构，可根据实际容量需求调整模块数，具有较强的适用性与延展性。

3.本实用新型利用LLC谐振变换器实现了高压与低压间的电气隔离，同时通过软开关降低开关损耗，实现能量的高效传输。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统连接单相电源的结构示意图。

图2为本实用新型提出的一种模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统连接单相电源时高压侧直流、交流端口拓扑结构的简化示意图。

图3为本实用新型提出的一种模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统的LLC谐振变换器简化拓扑结构示意图。

图4为本实用新型提出的一种模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统的高压直流端口控制策略框图。

图5为本实用新型提出的一种模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统的低压直流端口控制策略框图。

图6为本实用新型提出的一种模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统发高压交流端口并网控制策略框图。

图7为本实用新型提出的一种模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统连接三相交流电源时的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本实用新型。

如图1所示是本实用新型提出的一种基于模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统，包括高压直流端口、高压交流端口、低压直流端口、多电平变换单元和谐振变换单元，其中多电平变换单元包括M个桥臂，每个桥臂包括上半桥臂和下半桥臂，每个上半桥臂和下半桥臂均包括N个模块化多电平变换器，其中M、N为正整数；每个上半桥臂中，模块化多电平变换器的第一输入端连接上一个模块化多电平变换器的第二输入端，其中第一个模块化多电平变换器的第一输入端连接高压直流端口的一端，最后一个模块化多电平变换器的第二输入端通过电感后作为该桥臂的输入端连接高压交流端口的单相电源信号；每个下半桥臂中，模块化多电平变换器的第一输入端连接上一个模块化多电平变换器的第二输入端，其中第一个模块化多电平变换器的第一输入端通过电感连接该桥臂的输入端，最后一个模块化多电平变换器的第二输入端连接高压直流端口的另一端。

谐振变换单元包括至少一个且不超过M个的谐振变换模块，一个谐振变换模块对应一个桥臂，谐振变换模块包括2N个LLC谐振变换器，每个谐振变换模块中的2N个LLC谐振变换器的输入端分别连接对应的桥臂中2N个模块化多电平变换器的输出端，每个谐振变换模块中的2N个LLC谐振变换器的输出端并联在低压直流端口两端，可以根据低压直流源的容量等级与数量决定有几个桥臂需要连接谐振变换模块。

谐振变换单元包括2N个LLC谐振变换器，2N个LLC谐振变换器的输入端分别连接2N个模块化多电平变换器的输出端，其输出端并联并连接低压直流端口。

多电平变换单元的桥臂数目由其连接的电源决定，当高压交流端口的输入信号为单相电源时，多电平变换单元包括一个桥臂，如图1所示，高压交流端口的一端连接一个桥臂的输入端，另一端分别通过两个电容C_p和C_l后连接高压直流端口的两端。图2所示是本实用新型连接单相电源时高压侧直流、交流端口拓扑结构的简化示意图，高压直流端口连接上下桥臂的两端，高压交流端口连接电容C_p和C_l的中点和电感L_s；V_d为高压直流端口的电压值，C_p和C_l为直流侧上、下桥臂的支撑电容，电压u_s和电流i_s分别为高压交流端口两侧的电压和电流，v_p为上桥臂MMC模块两端的总电压，v_l为下桥臂MMC模块两端的总电压，L_s为交流输入侧的电感，L_p和L_l分别为上、下桥臂的电感，电流i_p和i_l分别代表流经上、下桥臂的电流值。

当高压交流端口的输入信号为三相电源时，多电平变换单元包括使三个桥臂，如图7所示三个桥臂的输入端分别连接三相电源。

低压直流端口通过各LLC谐振变换器低压直流输出侧的电容提供能量，低压侧各模块的直流输出并联，根据低压直流源对系统低压直流端口的容量需求改变并联模块数，以适应不同需求，具有较强的适用性与延展性。

如图1中出给了模块化多电平变换器的具体结构示意图，单个模块化多电平变换器包括第一电容、第一功率开关器件和第二功率开关器件，第一功率开关器件和第二功率开关器件串联，其串联点作为模块化多电平变换器的第一输入端，其串联结构与第一电容并联，其并联结构的两端接在模块化多电平变换器的输出端的两侧，其并联结构的其中一端作为模块化多电平变换器的第二输入端。

LLC谐振变换器中包含高频变压器，通过软开关降低开关损耗，实现能量的高效传输。如图1中给出了LLC谐振变换器的电路实现结构，一个LLC谐振变换器包括第三功率开关器件S1、第四功率开关器件S2、第五功率开关器件S3、第六功率开关器件S4、第一电容C1、第二电容C_r、第三电容C2、第四电容C3、第一电感L_r、第二电感L_m和高频变压器，LLC谐振变换器与其对应的模块化多电平变换器共用第一电容；第三功率开关器件和第四功率开关器件串联并接在第一电容的两端，其串联点通过第一电感后连接第二电感的一端，第二电感的另一端通过第二电容后连接模块化多电平变换器的第二输入端；第三功率开关器件和第四功率开关器件串联并接在低压直流端口的两端，第三电容和第四电容串联并接在低压直流端口的两端；高频变压器的输入信号为第二电感两端的电压，其输出信号为第三功率开关器件和第四功率开关器件的串联点以及第三电容和第四电容的串联点之间的电压。

功率开关器件可以采用IGBT或者MOSFET等开关器件，本实施例中使用IGBT。LLC谐振变换器采用副边为半桥结构的隔离直-直变换器拓扑，可实现系统高压侧与电压侧间的电气隔离，如图3所示为系统一个LLC谐振变换器的简化拓扑结构。为了提升变换器的传输效率并实现高压侧与低压侧的电气隔离，变换器结构中的变压器为高频变压器，工作于1000Hz，因此IGBT器件的寄生参数影响可以被忽略。图3中标注的第一电感L_r和第二电容C_r为变换器的谐振器件，而电流i_r为高频变压器原边侧的谐振电流，流经第一电感L_r和第二电容C_r；第二电感L_m为原边的励磁电感，电流i_Lm为原边的励磁电流；电流i_2nd则代表变压器副边的电流，电压V_o为变换器的输出电压。而第三电容C2和第四电容C3作为支撑电容维持变换器输出电压V_o稳定。

本实用新型中包括高压直流端口、高压交流端口和低压直流端口，各类型的端口可分别与相应类型的电源或负载相连，通过对各端口及LLC谐振变换器的控制，高效、便捷地管理并协调了不同工作状态下各端口的能量流向，实现不同工作状态下各端口的能量平衡分配，适用性高，且保持了系统的整体稳定。

本实用新型可实现未来智能电网中，各分布式能源接入端口间的能量平衡，在本实用新型提出的通用柔性能量管理系统中，高压端口间的功率传递通过多电平变换单元实现，高压与低压端口间的能量传递通过谐振变换单元实现，且系统只进行能量在各端口的传递。当各端口输入能量发生波动时，各端口电容电压先发生变化，然后在各组端口调整功率流向，重新分配能量。系统中的各端口的能量遵循公式(1)，其中S_hDC、S_lDC和S_hAC分别为能量管理系统三组端口的输入能量；而V_dci为第i个直流侧电容的电压。

S_hDC+S_lDC+S_hAC+0.5∑∫V_dc ²＝0 (1)

公式(1)可知，系统只进行各端口与直流侧电容间的能量传递。当各端口输入能量发生变化时，电容电压先发生变化，然后重新在三组端口中分配。

为实现能量的高效传递并维持系统的整体稳定性，系统各端口及LLC谐振变换器均设有相应的控制策略，各部分具体工作原理说明如下：

1、高压直流端口

高压直流端口的控制策略包括电压内环和电流外环，用于维持端口电压稳定并抑制端口环流。高压直流端口结构由图2可知，根据基尔霍夫电流定律(KCL)，可得以下关系式：

而电流i_p和i_l的不相等会导致电压v_p和v_l的不均衡。假设交流输入电流i_s均匀分配至上下桥臂，则电流i_p和i_l的关系式如公式2所示：

其中，电流i_z代表高压直流端口的环流。

对电流i_z的控制也包含在高压直流端口的控制策略中，如图4所示，v_p ^*和v_l ^*分别为上、下桥臂MMC模块两端的总参考电压，为设计值，∑v_cn为各模块两端实际电压值之和，i_z、i_z ^*与v^*为计算值；控制策略的外环首先计算上、下桥臂电压参考值V_p ^*与V_l ^*之和与各模块电容电压总和之间的差值，然后经过PI控制器输出环流电流的参考值i_z ^*。而控制内环的目标是消除端口环流；策略通过上、下桥臂的电流i_p和i_l计算环流i_z的正负以及大小，如果该策略的计算结果为正，则上桥臂的开关器件的驱动信号将会有较大的占空比，反之亦然。

2、低压直流端口

低压直流端口通过每个各LLC谐振变换器的电容提供能量。在MMC拓扑中，当每个模块中的电容电压的输入或输出量不同时，将会出现电容电压不均衡的问题。此外，当低压直流端口连接的负载出现突变或某一模块出现故障时，电容电压可能出现不同程度的偏移。为平衡各模块的电容电压，设计了低压直流端口的控制策略，采用电压排序和电平分配，均衡各模块电容电压，维持端口稳定；其工作流程如图5所示，低压直流端口对其输出电压进行排序，根据输出电压大小的不同分配不同占空比的调制信号。其中V_dc1-V_dcn为低压直流端口输出的电压值，PWM₁-PWM_n分别为各低压直流端口的驱动信号；由图5可知，在低压直流端口的控制中，首先假设上、下桥臂的电压v_p和v_l相等，将上桥臂(或下桥臂)各模块的电容电压进行比较，并进行升序排列；然后如果电流i_s为正，则对上桥臂各模块对应的PWM信号的占空比进行降序排列，反之亦然。通过这样的策略将各模块的PWM信号与电容电压对应起来，以实现均衡策略。

3、高压交流端口

高压交流端口工作于逆变器模式，因此采用相应的并网控制策略。并网控制策略示意图如图6所示，因为高压交流部分工作于逆变器状态，因此高压交流端口控制策略的关键在于如何并网。电流i_s为高压交流端口的输入电流，则电流i_s符合公式4所示的关系，其中i_d和i_q分别为电流i_s的瞬时有功电流分量和无功电流分量，而I_d和I_q分别为电流i_s的有功电流分量与无功电流分量的幅值，为交流电压侧的相角与为计算值，通过检测交流电压源的相角可得，I_dref与I_qref为设计值。相角通过单相锁相环进行检测。

而I_d和I_q的耦合关系如公式5所示：

其中公式5中的LPF为低通滤波器(Low Pass Filter)。结合公式4和5可得I_d和I_q的耦合关系如式6所示，即为图6中单相变换器电流PQ解耦部分。

将电流i_s解耦得到分量I_d和I_q后，通过PI控制器使分量I_d和I_q跟随其参考值I_dref和I_qref。参考值I_dref和I_qref根据端口所连接网侧电压、电流状态确定。PI控制器输出量通过耦合变换后通过SPWM调制方式生成高压交流端口的IGBT器件驱动信号。

4、LLC谐振变换器

由图3可知，当第五功率开关器件S5导通而第六功率开关器件S6关断时，第三电容C2处于充电状态，第四电容C3处于放电状态；反之，第四电容C3则处于充电状态。LLC谐振变换器需要保证直流输出电压V_o的稳定，并通过谐振器件第一电感L_r和第二电容C_r实现软开关，降低开关损耗，提升传输效率。

LLC谐振变换器的四个主要工作状态为：

1)在工作状态1下，S3导通、S4关断，电流i_r流经S3并呈上升趋势。同时，变压器副边S5导通，电容C2两端的电压将变压器箝位，励磁电流i_Lm线性上升。当i_Lm上升至与i_r的大小相同时，状态1结束。

2)工作状态2在工作状态1结束的同时开始。在工作状态2中，电流i_Lm与电流i_r的大小保持一致，流经变压器的电流大小为零。同时，变压器不再被电容C2两端的电压箝位，L_m成为自由的谐振电感，原边的谐振频率为f_m，由电感L_r、L_m和电容C_r的参数共同决定。当S3关断时，工作状态2结束。

3)在工作状态3下，S4导通、S3关断，电流i_r流经S4并呈下降趋势。同时，变压器副边S6导通，电容C3两端的电压将变压器箝位，励磁电流i_Lm线性下降。当i_Lm下降至与电流i_r的大小相同时，状态3结束。

4)工作状态4在工作状态3结束的同时开始。在工作状态4中，电流i_Lm与电流i_r的大小保持一致，流经变压器的电流大小为至零；同时，变压器不再被电容C3两端的电压箝位，L_m成为自由谐振电感，原边的谐振频率为f_m，由电感L_r、L_m和电容C_r的参数共同决定。当S4关断时，工作状态4结束。

综上所述，本实用新型提出的基于模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统，可实现在未来的电网中可再生能源、分布式能源等不同的能源、负载间能量的平衡与管理，用于未来智能电网中能量在各端口间能量的传输与平衡，通过各模块化多电平变换器的连接实现通用柔性能量管理系统可以适用于不同的功率等级场合；为解决端口电压不平衡问题并提升传输效率，在直流侧引入适用于高功率密度、高效率场合的LLC谐振变换器；本实用新型具有良好的能量传输与平衡能力，在完成对各端口电压的协调控制的同时还具有较高地传输效率、较高地应用延展性以及良好的动态响应能力与稳定性。

本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统，其特征在于，包括高压直流端口、高压交流端口、低压直流端口、多电平变换单元和谐振变换单元，

所述多电平变换单元包括M个桥臂，每个所述桥臂包括上半桥臂和下半桥臂，每个所述上半桥臂和下半桥臂均包括N个所述模块化多电平变换器，其中M、N为正整数；

每个所述上半桥臂中，所述模块化多电平变换器的第一输入端连接上一个所述模块化多电平变换器的第二输入端，其中第一个所述模块化多电平变换器的第一输入端连接所述高压直流端口的一端，最后一个所述模块化多电平变换器的第二输入端通过电感后作为该桥臂的输入端连接所述高压交流端口的单相电源或多相电源的其中一相；

每个所述下半桥臂中，所述模块化多电平变换器的第一输入端连接上一个所述模块化多电平变换器的第二输入端，其中第一个所述模块化多电平变换器的第一输入端通过电感连接该桥臂的输入端，最后一个所述模块化多电平变换器的第二输入端连接所述高压直流端口的另一端；

所述谐振变换单元包括至少一个且不超过M个的谐振变换模块，一个所述谐振变换模块对应一个桥臂，所述谐振变换模块包括2N个LLC谐振变换器，每个所述谐振变换模块中的2N个LLC谐振变换器的输入端分别连接对应的所述桥臂中2N个模块化多电平变换器的输出端，每个所述谐振变换模块中的2N个LLC谐振变换器的输出端并联在所述低压直流端口两端。

2.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统，其特征在于，当所述高压交流端口的输入信号为单相电源时，所述多电平变换单元包括一个桥臂，所述高压交流端口的一端连接所述一个桥臂的输入端，另一端分别通过两个电容后连接所述高压直流端口的两端。

3.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统，其特征在于，当所述高压交流端口的输入信号为三相电源时，所述多电平变换单元包括使三个桥臂，所述三个桥臂的输入端分别连接所述三相电源。

4.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统，其特征在于，所述模块化多电平变换器包括第一电容、第一功率开关器件和第二功率开关器件，第一功率开关器件和第二功率开关器件串联，其串联点作为所述模块化多电平变换器的第一输入端，其串联结构与第一电容并联，其并联结构的两端接在所述模块化多电平变换器的输出端的两侧，其并联结构的其中一端作为所述模块化多电平变换器的第二输入端。

5.根据权利要求4所述的基于模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统，其特征在于，所述LLC谐振变换器包括第三功率开关器件、第四功率开关器件、第五功率开关器件、第六功率开关器件、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电感、第二电感和高频变压器，所述LLC谐振变换器与其对应的所述模块化多电平变换器共用第一电容；

第三功率开关器件和第四功率开关器件串联并接在第一电容的两端，其串联点通过第一电感后连接第二电感的一端，第二电感的另一端通过第二电容后连接所述模块化多电平变换器的第二输入端；

第三功率开关器件和第四功率开关器件串联并接在所述低压直流端口的两端，第三电容和第四电容串联并接在所述低压直流端口的两端；

高频变压器的输入信号为第二电感两端的电压，其输出信号为第三功率开关器件和第四功率开关器件的串联点以及第三电容和第四电容的串联点之间的电压。