一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器及其控制方法，电力电子变压器包括多绕组变压器、混合型MMC变换器、LC滤波器、直流输出端口等。多绕组变压器为三相变压器，包含初级绕组和次级绕组a、b。混合型MMC变换器为背靠背结构，包含混合型MMC结构AC/DC变换器和混合型MMC结构DC/AC变换器。AC/DC变换器和DC/AC变换器通过直流侧相连，将直流侧引出可作为直流输入/输出端口。本发明专利技术含传统电力变压器和电力电子变压器，兼具两者的优点，实现了设备效果与成本的平衡。装置中包含有直流端口，便于新能源、储能单元等的接入。此外，装置可以同时实现无功功率补偿和动态电压恢复，进一步提高电网电能质量。在控制策略方面采用分相控制，提高了控制策略的灵活性。

Multi port hybrid power electronic transformer based on MMC and control method thereof

The invention provides a MMC multi port hybrid power electronic transformer and its control method based on power electronic transformer including multi winding transformer, hybrid MMC converter, LC filter, DC output port etc.. Multi winding transformer for three-phase transformer, including the primary winding and secondary winding a, B. Hybrid MMC converter is back-to-back structure, including hybrid MMC structure AC/DC converter and hybrid MMC structure DC/AC converter. The AC/DC converter and the DC/AC converter are connected by the DC side, which can be used as the DC input / output port. The invention comprises a traditional power transformer and a power electronic transformer, which has the advantages of both, and realizes the balance between the effect and the cost of the equipment. The device comprises a DC port, which is convenient for the access of new energy sources, energy storage units, etc.. In addition, the device can realize reactive power compensation and dynamic voltage recovery at the same time. In the control strategy, the phase control is used to improve the flexibility of the control strategy.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器及其控制方法，属于电力电子应用的

技术介绍
随着经济的快速发展、社会生产规模的逐步扩大，各种形式的电力需求不断增长，对电力电子设备的要求也越来越高，电力电子技术随之飞速发展，其中多电平变换器因具有输出电压高、谐波含量低、电压变化率小、功率开关器件电压应力小、开关频率低等优点正逐渐成为高压大功率电力应用领域的研究热点。传统电力变压器作为电力系统的基本设备，具有结构简单、可靠性高等特点。但是传统电力变压器也存在着设备体积大、易产生谐波、无法控制电能质量等问题。近年来，由于电力电子技术尤其是电力电子器件技术的高速发展，电力电子变压器(PowerElectronicTransformer，PET)作为一种新型的电力变压器受到越来越多国内外学者的关注和重视。电力电子变压器不仅兼具传统变压器隔离、变换电压、传递能量等功能，还可实现电能质量的治理以及新能源的接入，其应用领域将十分广阔。但相对于传统电力变压器，目前电力电子变压器的设备成本较高。因此，将传统电力变压器与电力电子变压器进行结合，可以同时利用两者的优点，实现设备效果与成本之间的平衡，因而成为目前的研究热点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器及其控制方法，在传统工频电力变压器的基础上，与电力电子器件相结合组成混合型电力电子变压器，实现有功控制、无功控制、电压控制等调节算法。本专利技术提出的一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器，包括多绕组变压器、混合型MMC变换器、LC滤波器和直流输出端口，所述的多绕组变压器包括初级绕组、次级绕组a和次级绕组b；初级绕组与电网相连，次级绕组a每一相中的绕组直接与负载相连，次级绕组b与混合型MMC变换器相连，并经LC滤波器后接入绕组a。所述的多绕组变压器为三相变压器。所述的混合型MMC变换器为三相背靠背结构，混合型MMC变换器包括AC/DC变换器和DC/AC变换器。所述的AC/DC变换器和DC/AC变换器为混合型MMC结构，AC/DC变换器和DC/AC变换器中MMC结构的上下每个桥臂至少包括1个模块a、2个模块b和1个电感串联构成，上下两个桥臂构成1组。所述的模块a由两个带有反并联二极管的IGBT组成的半桥结构和直流电容组成。所述的模块b由四个带有反并联二极管的IGBT组成的全桥结构和直流电容组成。所述的AC/DC变换器和DC/AC变换器通过直流侧相连，将直流侧引出可作为直流输入/输出端口；AC/DC变换器通过LC滤波器与绕组b连接，DC/AC变换器则通过LC滤波器与绕组a相连。其控制方法包括MMC的电压平衡和环流抑制控制、无功功率补偿控制和动态电压恢复控制；所述的MMC的电压平衡和环流抑制控制包括能量均衡控制和电压均衡控制，通过控制有功功率，维持直流侧电压稳定，保证变换器能够正常工作，能量均衡控制控制输入到变换器有功功率的分配，同时实现对环流的抑制；电压均衡控制通过控制子模块中电容电压跟踪其参考值，调整子模块的有功功率，以实现每一组上、下桥臂中子模块的电容电压均衡控制；所述无功功率补偿控制通过混合型MMC结构AC/DC变换器实现，包括补偿电流计算及电流闭环控制，基于拓扑的独立性，采用分相补偿控制，先采集相电压、相电流并将其进行合成后进行abc/dq0变换，再根据瞬时功率理论计算有功功率Pref及无功功率Qref,即：式中，ud、uq，id、iq分别为相电压、相电流在dq坐标系的分量；随后，根据预先设定的无功补偿系数，计算无功补偿电流，作为输出补偿电流的参考值，通过电流闭环控制得到控制信号，最后经过PWM调制生成功率器件的开关信号；所述动态电压恢复控制通过混合型MMC结构DC/AC变换器实现，包括电压检测及补偿电压计算和电压电流双环控制，再通过电压电流双环控制得到控制信号，最后通过PWM调制生成功率器件的开关信号，其中所述电压环控制方程为：式中，分别为电压环输出控制信号；ω为电网角频率；C1为LC滤波器电容值；uod、uoq为电容电压在dq轴下的分量；Kp1、Ki1分别为PI调节器的比例、积分系数；为变换器输出补偿电压参考值；icd、icq为流过LC滤波器电容电流在dq轴下的分量；所述电流环控制方程为：式中，为电流环输出控制信号；ω为电网角频率；L1为变换器输出LC滤波器电感值；icd、icq为流过LC滤波器电容电流在dq轴下的分量；Kp2、Ki2分别为PI调节器的比例、积分系数；分别为电压环输出控制信号。有益效果：与现有技术对比，本专利技术的基于MMC的多端口混合型电力电子变压器及其控制策略，除了具备传统电力变压器的功能和优点外，相对于目前国内外所提出的设计方案，还具有如下的功能和特点：混合型电力电子变压器设备包含传统电力变压器和电力电子变压器，兼具两者的优点，实现了设备效果与成本的平衡。变换器基于MMC结构，借助其模块化特性使得电力电子变压器能够更适应用于高电压等级场合。混合型MMC变换器中子模块采用半桥和全桥混合结构，通过引入负电压，增加了MMC交流侧的电压幅值，提高了装置的电压补偿容量。变压器除了交流端口之外还具有直流端口，可实现直流输入/输出功能，方便新能源、储能单元等接入。相较于传统电力变压器，装置还可以实施电能质量治理，如无功功率补偿和动态电压恢复。而将上述两种治理措施同时运用可以进一步提高电网的电能质量，在控制策略方面采用分相控制，提高了控制策略的灵活性。附图说明图1表示基于MMC的多端口混合型电力电子变压器整体结构框图；图2表示混合型电力电子变压器中的混合型MMC结构框图；图3表示混合型电力电子变压器中MMC的电压平衡和环流抑制控制框图；图4表示无功功率补偿(SVG)控制框图；图5表示动态电压恢复(DVR)控制框图；以上的图中有：模块a中的直流电容C1、模块a中的半导体开关T1、模块a中的半导体开关T2、模块a中的正极端A、模块a中的负极端B。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详述。本专利技术基于MMC的多端口混合型电力电子变压器由传统电力变压器和混合型的MMC构成，其中混合型MMC中的模块由半桥子模块和全桥子模块构成。如图1-5所示，一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器，包括多绕组变压器、混合型MMC变换器、LC滤波器和直流输出端口，多绕组变压器包括初级绕组、次级绕组a和次级绕组b；初级绕组与电网相连，次级绕组a每一相中的绕组直接与负载相连，次级绕组b与混合型MMC变换器相连，并经LC滤波器后接入绕组a。如图1所示，该图为基于MMC的多端口混合型电力电子变压器拓扑结构图，其主要包括多绕组变压器、混合型MMC变换器、LC滤波器、直流输出端口等。所述多绕组变压器为三相变压器，包含初级绕组和次级绕组a、b。初级绕组与电网相连，次级绕组每一相中的绕组a直接与负载相连，绕组b与混合型MMC变换器相连，经LC滤波器接入绕组a。图2所示为混合型电力电子变压器中的混合型MMC结构框图。混合型MMC变换器为三相背靠背结构，包含混合型MMC结构AC/DC变换器和混合型MMC结构DC/AC变换器。每个变换器均基于三相MMC结构，每个桥臂由X个模块a和Y个模块b以及电感Lxy(x本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器，包括多绕组变压器、混合型MMC变换器、LC滤波器和直流输出端口，其特征在于：所述的多绕组变压器包括初级绕组、次级绕组a和次级绕组b；初级绕组与电网相连，次级绕组a每一相中的绕组直接与负载相连，次级绕组b与混合型MMC变换器相连，并经LC滤波器后接入绕组a。

【技术特征摘要】
1.一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器，包括多绕组变压器、混合型MMC变换器、LC滤波器和直流输出端口，其特征在于：所述的多绕组变压器包括初级绕组、次级绕组a和次级绕组b；初级绕组与电网相连，次级绕组a每一相中的绕组直接与负载相连，次级绕组b与混合型MMC变换器相连，并经LC滤波器后接入绕组a。2.根据权利要求1所述的一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器，其特征在于：所述的多绕组变压器为三相变压器。3.根据权利要求1所述的一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器，其特征在于：所述的混合型MMC变换器为三相背靠背结构，混合型MMC变换器包括AC/DC变换器和DC/AC变换器。4.根据权利要求3所述的一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器，其特征在于：所述的AC/DC变换器和DC/AC变换器为混合型MMC结构，AC/DC变换器和DC/AC变换器中MMC结构的上下每个桥臂至少包括1个模块a、2个模块b和1个电感串联构成，上下两个桥臂构成1组。5.根据权利要求4所述的一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器，其特征在于：所述的模块a由两个带有反并联二极管的IGBT组成的半桥结构和直流电容组成。6.根据权利要求4所述的一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器，其特征在于：所述的模块b由四个带有反并联二极管的IGBT组成的全桥结构和直流电容组成。7.根据权利要求3所述的一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器，其特征在于：所述的AC/DC变换器和DC/AC变换器通过直流侧相连，将直流侧引出可作为直流输入/输出端口；AC/DC变换器通过LC滤波器与绕组b连接，DC/AC变换器则通过LC滤波器与绕组a相连。8.根据权利要求1所述的一种基于MMC的多端口混合型电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括MMC的电压平衡和环流抑制控制、无功功率补偿控制和动态电压恢复控制；所述的MMC的电压平衡和环流抑制控制包括能量均衡控制和电压均衡控制，通过控制有功功率，维持直流侧电压稳定，保证变换器能够正常工作，能量均衡控制控...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘君，曾华荣，陈沛龙，肖勇，马晓红，杨涛，曾鹏，杨斌，王建华，季振东，赵剑锋，
申请(专利权)人：贵州电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：贵州;52