高变比双向AC/DC变换器及其控制方法、预充电方法技术

本发明专利技术提供了一种高变比双向AC/DC变换器及其控制方法、预充电方法，高压子模块串支路包括上串联分压器子模块串和下串联分压器子模块串，低压交流端口串联于上串联分压器子模块串和下串联分压器子模块串之间，形成串联结构，谐振支路与串联结构并联连接；低压交流端口由三相支路并联构成，每一相支路中均包括上下桥臂，上桥臂与上串联分压器子模块串连接，下桥臂与下串联分压器子模块串连接。本发明专利技术能够不借助变压器实现高压直流到低压交流的变换，且输出交流电压对地不存在直流偏置；具备功率双向流动的能力，不但能够工作在逆变模式下，也可以工作在整流模式下；能够加快变换器可控整流阶段的充电速度，控制直流电流，减小其带来的冲击。

【技术实现步骤摘要】
高变比双向AC/DC变换器及其控制方法、预充电方法
本专利技术涉及电力系统中风力发电、柔性直流输电、电力电子
，具体地，涉及一种非隔离型高变比双向AC/DC变换器及其控制方法、预充电方法。
技术介绍
为了实现高压取电，需要能够实现高压DC到低压三相AC转换的变换器。模块化多电平变换器(ModularMultilevelConverter,MMC)采用子模块进行构建，是一种高压大容量AC/DC变换器。然而当MMC直流侧为高电压时，受限于其调制比，交流侧很难获得低电压三相交流电，必须添加变压器。且传统MMC模块数众多，因此用于高压DC到低压AC变换时成本较高。经过检索发现：1、申请号为201711288924.6，专利技术名称为《混合型海上风场直流换流器》，提出了一种混合型海上风电场直流换流器，主要用于海上直流输电，相比MMC换流方案较大程度的减小了成本。其中的辅助换流器即为一种高变比AC/DC变换器。该方案提出的二极管整流器与辅助换流器混合的拓扑用于海上直流输电，其辅助换流器主要用于控制交流电压的大小从而达到控制二极管整流器功率的目的，辅助换流器的直流侧采用电容为谐振支路，并且需要串联滤波电感到直流母线上。该方案不但导致电容电感成本较高，且对高频环流的抑制效果较差。更关键的是采用电容作为谐振支路，会导致变换器控制参数难于整定，稳定区间小，方案难以实施。该方案中的辅助换流器采用了不对称结构，而直流网络中的电压通常的是正负电位对称的，这使得辅助换流器的输出侧电压对地有较高的直流偏置，对交流侧变压器的绝缘强度要求较高。该方案仅给出了相应的拓扑结构，没有对其控制和设计方法进行介绍。也就是说，该专利技术专利提供的变换器，谐振支路采用电容器与交流端口进行谐振，这种方法设计出来的变换器对环流的抑制能力低、工作条件较为严格、控制参数难以整定、不利于工程实现。另外该变换器非对称的结构特点导致交流侧输出电压可能存在直流偏置，交流端口需要接入工频变压器经行隔离，并且对工频变压器的绝缘强度具有较高要求。2、申请号为201711080781.X，专利技术名称为《混合型海上风场直流换流器的辅助换流器及控制方法》，基于《混合型海上风场直流换流器》给出了辅助换流器的控制方法，包含两个部分：低压交流端口采用的是电压源型控制方法，建立一个稳定的三相交流电压；高压串联分压器采取的是通过子模块电容电压生成环流指令，并用于控制子模块串能量平衡。该方案提出了辅助换流器的控制方法，但针对子模块串的控制中没有考虑对直流侧输入电流的控制，会导致变换器交换有功功率时的控制效果较差。该方案仅针对混合换流器直流侧为直流电源，交流侧为负载的情况进行研究，没有考虑当交流侧为无穷大电网，直流侧为直流电源或是负载时，做功率传输控制的工况。也就是说，该专利技术专利由于低压交流端口采取的是开环控制，因此系统存在失稳风险，且不能够对输出端的扰动进行调节。高压串联分压器的控制没有考虑直流侧的输入功率，完全依靠实现子模块电容电压稳定来达到控制功率的目的，这导致对环流指令生成的控制精度要求非常高，同时也存在系统失稳的风险。综上所述，现有的AC/DC变换器，存在成本高、控制效果差、系统稳定性差、抗扰动能力弱、控制参数不易设计等缺陷，目前没有发现同本专利技术类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种高变比双向AC/DC变换器及其控制方法、预充电方法，其中高变比双向AC/DC变换器为一种非隔离型高变比双向AC/DC变换器。本专利技术是通过以下技术方案实现的。根据本专利技术的一个方面，提供了一种高变比双向AC/DC变换器，包括：谐振支路、高压子模块串支路以及低压交流端口；其中：所述高压子模块串支路包括上串联分压器子模块串和下串联分压器子模块串，所述低压交流端口串联于上串联分压器子模块串和下串联分压器子模块串之间，形成串联结构，所述谐振支路与串联结构并联连接；所述低压交流端口由三相支路并联构成，每一相支路均包括相互连接的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂与所述上串联分压器子模块串连接，所述下桥臂与所述下串联分压器子模块串连接。优选地，所述谐振支路包括电感和电容，所述电感和电容之间串联连接。优选地，所述电感与上串联分压器子模块串连接；所述电容与下串联分压器子模块串连接。优选地，所述上串联分压器子模块串和下串联分压器子模块串均包括若干个分压器子模块HSM，多个分压器子模块HSM之间串联连接；每一个所述分压器子模块HSM采用半桥拓扑结构或全桥拓扑结构。优选地，所述上桥臂和下桥臂均由若干个桥臂子模块LSM与对应的桥臂电感串联构成。优选地，所述桥臂子模块LSM采用半桥拓扑结构或全桥拓扑结构。优选地，所述高变比双向AC/DC变换器，还包括控制系统，所述控制系统包括高压子模块串控制部分和低压交流端口控制部分；其中：所述高压子模块串控制部分包括：环流电压信号生成模块、环流指令信号生成模块、环流控制器模块以及直流侧电流控制模块，分别用于获得环流电压、环流控制电压以及直流侧电压调制量；根据获得的环流电压、环流控制电压以及直流侧电压调制量，得到总的调制电压，进而得到高压子模块串支路产生的电压；所述低压交流端口控制部分，用于获得低压交流端口的直流电压与环流电压，进而得到低压交流端口中上、下桥臂的调制电压。优选地，所述环流电压信号生成模块，将给定的环流电压幅值与标准正弦信号相乘，获得环流电压。优选地，所述环流指令生成模块，采集变换器的输出功率，利用变换器的输出功率得到环流电流的幅值，对环流电流的幅值进行误差补偿，得到值a；采集高压子模块串支路中分压器子模块与低压交流端口中桥臂子模块电容电压，将分压器子模块电容电压平均值减去桥臂子模块电容电压平均值后乘以ku，得到值b，值b通过PI控制器获得环流电流幅值的调节量；将值a和环流电流幅值的调节量相加后与标准正弦信号相乘，获得环流电流的指令值；其中，ku为分压器子模块电容电压与桥臂子模块电容电压的比值。优选地，所述环流控制器模块，将直流侧输入电流与分压器子模块输入电流相减获得环流电流实际值，将环流电流实际值与环流电流指令值相减，经过比例控制器获得环流控制电压。优选地，所述直流侧电流控制模块，根据变换器输出功率与直流电压得到直流电流指令值的稳态部分；将低压交流端口中桥臂子模块电容电压平均值乘以ku，并与高压子模块串支路中分压器子模块电容电压平均值相加后除以2，得到的值和高压子模块串支路的额定电压指令值相减，并通过PI控制器获得直流电流的调节量；将直流电流指令值的稳态部分和直流电流的调节量相加获得直流侧电流指令；直流侧电流指令值与直流侧电流实际值相减，通过PI控制器得到直流电压的控制量，将高压子模块串支路电压直流分量与直流电压的控制量相减，得到直流侧电压调制量；其中，ku为分压器子模块电容电压与桥臂子模块电容电压的比值。优选地，所述总的调制电压useries为：useries＝ucir+Δu+U1-Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高变比双向AC/DC变换器，其特征在于，包括：谐振支路、高压子模块串支路以及低压交流端口；其中：/n所述高压子模块串支路包括上串联分压器子模块串和下串联分压器子模块串，所述低压交流端口串联于上串联分压器子模块串和下串联分压器子模块串之间，形成串联结构，所述谐振支路与串联结构并联连接；/n所述低压交流端口由三相支路并联构成，每一相支路均包括相互连接的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂与所述上串联分压器子模块串连接，所述下桥臂与所述下串联分压器子模块串连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种高变比双向AC/DC变换器，其特征在于，包括：谐振支路、高压子模块串支路以及低压交流端口；其中：
所述高压子模块串支路包括上串联分压器子模块串和下串联分压器子模块串，所述低压交流端口串联于上串联分压器子模块串和下串联分压器子模块串之间，形成串联结构，所述谐振支路与串联结构并联连接；
所述低压交流端口由三相支路并联构成，每一相支路均包括相互连接的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂与所述上串联分压器子模块串连接，所述下桥臂与所述下串联分压器子模块串连接。


2.根据权利要求1所述的高变比双向AC/DC变换器，其特征在于，所述谐振支路包括电感和电容，所述电感和电容之间串联连接；
所述电感与上串联分压器子模块串连接；所述电容与下串联分压器子模块串连接。


3.根据权利要求1所述的高变比双向AC/DC变换器，其特征在于，所述上串联分压器子模块串和下串联分压器子模块串均包括若干个分压器子模块HSM，多个分压器子模块HSM之间串联连接；每一个所述分压器子模块HSM采用半桥拓扑结构或全桥拓扑结构。


4.根据权利要求1所述的高变比双向AC/DC变换器，其特征在于，所述上桥臂和下桥臂均由若干个桥臂子模块LSM与对应的桥臂电感串联构成。


5.根据权利要求4所述的高变比双向AC/DC变换器，其特征在于，所述桥臂子模块LSM采用半桥拓扑结构或全桥拓扑结构。


6.根据权利要求1-5任一项所述的高变比双向AC/DC变换器，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括高压子模块串控制部分和低压交流端口控制部分；其中：
所述高压子模块串控制部分包括：环流电压信号生成模块、环流指令信号生成模块、环流控制器模块以及直流侧电流控制模块，分别用于获得环流电压、环流控制电压以及直流侧电压调制量；根据获得的环流电压、环流控制电压以及直流侧电压调制量，得到总的调制电压，进而得到高压子模块串支路产生的电压；
所述低压交流端口控制部分，用于获得低压交流端口的直流电压与环流电压，进而得到低压交流端口中上、下桥臂的调制电压。


7.根据权利要求6所述的高变比双向AC/DC变换器，其特征在于，所述控制系统还包括如下任意一项或任意多项：
-所述环流电压信号生成模块，将给定的环流电压幅值与标准正弦信号相乘，获得环流电压；
-所述环流指令生成模块，采集变换器的输出功率，利用变换器的输出功率得到环流电流的幅值，对环流电流的幅值进行误差补偿，得到值a；采集高压子模块串支路中分压器子模块与低压交流端口中桥臂子模块电容电压，将分压器子模块电容电压平均值减去桥臂子模块电容电压平均值后乘以ku，得到值b，值b通过PI控制器获得环流电流幅值的调节量；将值a和环流电流幅值的调节量相加后与标准正弦信号相乘，获得环流电流的指令值；其中，ku为分压器子模块电容电压与桥臂子模块电容电压的比值；
-所述环流控制器模块，将直流侧输入电流与分压器子模块输入电流相减获得环流电流实际值，将环流电流实际值与环流电流指令值相减，经过比例控制器获得环流控制电压；
-所述直流侧电流控制模块，根据变换器输出功率与直流电压得到直流电流指令值的稳态部分；将低压交流端口中桥臂子模块电容电压平均值乘以ku，并与高压子模块串支路中分压器子模块电容电压平均值相加后除以2，得到的值和高压子模块串支路的额定电压指令值相减，并通过PI控制器获得直流电流的调节量；将直流电流指令值的稳态部分和直流电流的调节量相加获得直流侧电流指令；直流侧电流指令值与直流侧电流实际值相减，通过PI控制器得到直流电压的控制量，将高压子模块串支路电压直流分量与直流电压的控制量相减，得到直流侧电压调制量；其中，ku为分压器子模块电容电压与桥臂子模块电容电压的比值。


8.根据权利要求6所述的高变比双向AC/DC变换器，其特征在于，所述总的调制电压useries为：
useries＝ucir+Δu+U1-ΔU1
其中，ucir为环流电压，Δu为环流控制电压，U1为高压子模块串支路电压直流分量，ΔU1为直流电压的控制量；
将得到的总的调制电压useries除以2，分别得到上、下串联分压器子模块串的调制电压useriesP和useriesN，即上、下串联分压器子模块串产生的电压相同，共同构成高压子模块串支路产生的电压。


9.根据权利要求6所述的高变比双向AC/DC变换器，其特征在于，所述低压交流端口控制部分，获得低压交流端口的直流电压与环流电压，进而得到低压交流端口中上桥臂和下桥臂的调制电压的方法，包括如下任意一种：
第一种，变换器交流侧为负载或功率源，直流侧为直流电压源，此时，低压交流端口的d、q轴电压指令给定，同时采集实际d、q轴电压做闭环控制，对输出电压进行调节；2πf经过时间t进行积分获得坐标变换所需的相角信息，其中f为变换器交流输出电压频率；获得三相调制参考电压va、vb、vc后，根据低压交流端口的直流电压与环流电压计算出上、下桥臂的调制电压；
第二种，变换器交流侧为三相交流电压源，直流侧为直流电压源：此时，有功电流指令idref由有功功率闭环产生，无功电流指令idref由无功功率闭环产生或直接根据无功功率计算给定；通过对交流侧三相电压进行锁相获得坐标变换所需的相角信息；将有功电流指令idref与有功电流id相减，经过PI控制器即获得控制电压，叠加交流侧三相电压d、q轴分量，得到变换器输出交流电压d、q轴分量；经过反变换获得三相调制参考电压va、vb、vc后，根据低压交流端口的直流电压与环流电压计算出上、下桥臂的调制电压；
第三种，变换器交流侧为三相交流电压源，直流侧为负载或功率源：有功电流指令idref由直流电压闭环产生，无功电流指令idref由无功功率闭环产生或直接根据无功功率计算给定；通过对交流侧三相电压进行锁相获得坐标变换所需的相角信息；将有功电流指令idref与有功电流id相减，经过PI控制器即获得控制电压，叠加交流侧三相电压d、q轴分量，得到变换器输出交流电压d、q轴分量；经过反变换获得三相调制参考电压va、vb、vc后，根据低压交流端口的直流电压与环流电压计算出上、下桥臂的调制电压。


10.根据权利要求6所述的高变比双向AC/DC变换器，其特征在于，所述高压子模块串支路与低压交流端口中各参数通过以下方式确定：
-谐振支路中电感Lbp与电容Cbp满足如下关系：



其中，fcir为环流频率；则所述谐振支路位于环流电流频率处谐振；
-设桥臂电感为Lm，则高压子模块串支路环流控制电压Δu为：



其中，Icir为环流电流幅值，ωcir为环流电流角速度；
-设高压子模块串支路与低压交流端口的直流电压满足以下关系：



其中，Udc为直流侧电压，U1为高压子模块串支路电压直流分量，U2为低压交流端口电压直流分量，k为低压交流端口直流电...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡旭，方梓熙，史先强，饶芳权，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31