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技术

本发明专利技术公开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，包括高频变压器、一次交流侧、二次交流侧以及直流侧，高频变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组；一次交流侧与高频变压器的第一绕组连接，二次交流侧与高频变压器的第二绕组连接，直流侧与高频变压器的第三绕组连接；控制方法包括一次交流侧的控制方法、二次交流侧的控制方法以及直流侧的控制方法。本发明专利技术变换器拓扑通过提供多个交流端口和直流端口，可用于连接柔性配电网中的多个交流馈线系统，且可对多个交流馈线系统进行电压和功率调节，实现对柔性配电网中多个交流馈线系统的连接以及对多个交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。体积。体积。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及变电
，具体是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。

技术介绍

[0002]随着分布式可再生能源并网的不断增加，给传统的交流配电网带来了一些问题，例如电网电压波动、功率分布不均、功率供给不稳定等。因此，传统的交流配电网需要配置一种电压和功率调节装置来实现对交流配电网电压和功率的柔性控制，该装置需要提供至少两个交流端口，用于连接交流配电网的两个不同馈线系统。且随着本地分布式能源以及直流负荷的增加，该装置还需要配置一个直流端口，用于满足对本地新能源并网以及负荷供电的需求。
[0003]现有的应用于柔性配电网的多端口变换器拓扑主要分为背靠背级联H桥型(BTB CHB型)和背靠背模块化多电平变换器型(BTB MMC型)。申请号为CN202010303221.1(一种非隔离型混合柔性合环装置及控制方法)的专利提出了一种背靠背电压源型变换器拓扑，两个电压源型变换器的直流端口相互连接，两个电压源型变换器的交流端口分别用于连接两个不同的交流馈线系统，而采用MMC(模块化多电平变换器，modular multilevel converter)作为电压源型变换器，会导致大量开关器件和无源元件的使用，从而进一步导致变换器的成本和体积增加。申请号为CN201910691416.5(一种柔性合环装置)，CN201710190342.8(配电网合环运行装置及其应用方法)和CN201710012054.3(一种星型、三角型及混合型拓扑结构的柔性合环装置)的专利均提出了BTB CHB型的多端口变换器拓扑，该拓扑采用两个背靠背CHB变换器的结构，用于连接交流配电网中的两个交流馈线系统，且两个CHB变换器之间采用多个DC
‑
DC变换器连接，可实现两个交流馈线系统之间的电气隔离。然而BTB CHB型的多端口变换器拓扑依然使用了大量的开关器件、高频变压器和无源元件，导致整个变换器的成本较高、体积较大。上述专利所提变换器拓扑仅提供了两个交流端口，没有提供直流端口。在此基础上，申请号为CN201710819005.0(高功率密度电力电子变压器拓扑结构及其控制方法)，CN201810039683.X(两级式多端口电力电子变压器的拓扑结构及其控制方法)和CN201710033847.3(模块化多电平全桥谐振型电力电子变压器拓扑)的专利均提出了基于CHB变换器结构的谐振型变换器拓扑，可同时提供交流端口和直流端口，并结合混频调制策略，可减少开关器件和无源元件的数量，降低变换器的成本和体积。但是该谐振型变换器拓扑仅提供一个交流端口和一个直流端口，无法满足对柔性配电网中多个交流馈线系统电压和功率调节的需求。因此，亟待一种多端口变换器拓扑，既可以提供多个交流端口和直流端口，也可以降低变换器的开关器件和无源元件数量，从而降低变换器的成本和体积。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供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，通过提供多个交流端口和直流端口，可用于连接柔性配电网中的多个交流馈线系统，且可对多个交流馈线系统进行电压和功率调节，实现对柔性配电网中多个交流馈线系统的连接以及对多个交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。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0006]一种应用于柔性配电网的多端口变换器拓扑，所述多端口变换器拓扑包括高频变压器、一次交流侧、二次交流侧以及直流侧。
[0007]所述高频变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组。
[0008]所述一次交流侧与高频变压器的第一绕组连接，二次交流侧与高频变压器的第二绕组连接，直流侧与高频变压器的第三绕组连接。
[0009]进一步的，所述一次交流侧为单相电路结构时，高频变压器为一个，二次交流侧和直流侧均为单相电路结构。
[0010]所述一次交流侧包括一次交流电源、一次滤波电感和一次级联全桥子模块桥臂，一次滤波电感的输入端连接在一次交流电源的正极，一次滤波电感的输出端连接在一次级联全桥子模块桥臂的输入端。
[0011]所述高频变压器第一绕组的同名端与一次级联全桥子模块桥臂的输入端之间连接有一次串联谐振支路，高频变压器第一绕组的异名端连接在一次级联全桥子模块桥臂的输出端。
[0012]所述二次交流侧包括二次交流电源、二次滤波电感和二次级联全桥子模块桥臂，二次滤波电感的输入端连接在二次交流电源的正极，二次滤波电感的输出端连接在二次级联全桥子模块桥臂的输入端，二次级联全桥子模块桥臂的输入端与高频变压器第二绕组的同名端之间连接有二次串联谐振支路，二次级联全桥子模块桥臂的输出端连接在高频变压器第二绕组的异名端。
[0013]所述高频变压器第三绕组的同名端和异名端分别与全桥电路的两个输入端口连接，全桥电路的电容正、负端口分别与直流端口的正、负端连接。
[0014]所述一次串联谐振支路是由一次谐振电感与一次谐振电容串联而成，一次串联谐振支路的谐振频率为f
r1
。
[0015]所述一次级联全桥子模块桥臂由N1个全桥子模块级联构成，其中，N1为大于1的整数。
[0016]所述二次串联谐振支路是由二次谐振电感与二次谐振电容串联而成，二次串联谐振支路的谐振频率为f
r2
。
[0017]所述二次级联全桥子模块桥臂由N2个全桥子模块级联构成，其中，N2为大于1的整数。
[0018]进一步的，所述一次交流侧为三相电路结构时，高频变压器为三个，二次交流侧和直流侧均为三相电路结构，连接三相电路结构中a相、b相和c相的高频变压器分别表示为T
ra
、T
rb
和T
rc
，一次交流侧、二次交流侧和直流侧中的三相电路结构的各相分别与一次交流侧、二次交流侧和直流侧的单相结构相同。
[0019]其中，在三相电路结构中，a相、b相和c相的一次交流电源分别表示为V
ga1
、V
gb1
和V
gc1
，一次滤波电感分别表示为L
ga1
、L
gb1
和L
gc1
，一次谐振电感分别表示为L
ra1
、L
rb1
和L
rc1
，一次谐振电容分别表示为C
ra1
、C
rb1
和C
rc1
，二次交流电源分别表示为V
ga2
、V
gb2
和V
gc2
，二次滤波
电感分别表示为L
ga2
、L
gb2
和L
gc2
，二次谐振电感分别表示为L
ra2
、L
rb2
和L
rc2
，二次谐振电容分别表示为C
ra2
、C
rb2
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于柔性配电网的多端口变换器拓扑，其特征在于，所述多端口变换器拓扑包括高频变压器、一次交流侧、二次交流侧以及直流侧；所述高频变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组；所述一次交流侧与高频变压器的第一绕组连接，二次交流侧与高频变压器的第二绕组连接，直流侧与高频变压器的第三绕组连接。2.根据权利要求1所述的一种应用于柔性配电网的多端口变换器拓扑，其特征在于，所述一次交流侧为单相电路结构时，高频变压器为一个，二次交流侧和直流侧均为单相电路结构；所述一次交流侧包括一次交流电源、一次滤波电感和一次级联全桥子模块桥臂，一次滤波电感的输入端连接在一次交流电源的正极，一次滤波电感的输出端连接在一次级联全桥子模块桥臂的输入端；所述高频变压器第一绕组的同名端与一次级联全桥子模块桥臂的输入端之间连接有一次串联谐振支路，高频变压器第一绕组的异名端连接在一次级联全桥子模块桥臂的输出端；所述二次交流侧包括二次交流电源、二次滤波电感和二次级联全桥子模块桥臂，二次滤波电感的输入端连接在二次交流电源的正极，二次滤波电感的输出端连接在二次级联全桥子模块桥臂的输入端，二次级联全桥子模块桥臂的输入端与高频变压器第二绕组的同名端之间连接有二次串联谐振支路，二次级联全桥子模块桥臂的输出端连接在高频变压器第二绕组的异名端；所述高频变压器第三绕组的同名端和异名端分别与全桥电路的两个输入端口连接，全桥电路的电容正、负端口分别与直流端口的正、负端连接；所述一次串联谐振支路是由一次谐振电感与一次谐振电容串联而成，一次串联谐振支路的谐振频率为f
r1
；所述一次级联全桥子模块桥臂由N1个全桥子模块级联构成，其中，N1为大于1的整数；所述二次串联谐振支路是由二次谐振电感与二次谐振电容串联而成，二次串联谐振支路的谐振频率为f
r2
；所述二次级联全桥子模块桥臂由N2个全桥子模块级联构成，其中，N2为大于1的整数。3.根据权利要求2所述的一种应用于柔性配电网的多端口变换器拓扑，其特征在于，所述一次交流侧为三相电路结构时，高频变压器为三个，二次交流侧和直流侧均为三相电路结构，连接三相电路结构中a相、b相和c相的高频变压器分别表示为T
ra
、T
rb
和T
rc
，一次交流侧、二次交流侧和直流侧中的三相电路结构的各相分别与一次交流侧、二次交流侧和直流侧的单相结构相同；其中，在三相电路结构中，a相、b相和c相的一次交流电源分别表示为V
ga1
、V
gb1
和V
gc1
，一次滤波电感分别表示为L
ga1
、L
gb1
和L
gc1
，一次谐振电感分别表示为L
ra1
、L
rb1
和L
rc1
，一次谐振电容分别表示为C
ra1
、C
rb1
和C
rc1
，二次交流电源分别表示为V
ga2
、V
gb2
和V
gc2
，二次滤波电感分别表示为L
ga2
、L
gb2
和L
gc2
，二次谐振电感分别表示为L
ra2
、L
rb2
和L
rc2
，二次谐振电容分别表示为C
ra2
、C
rb2
和C
rc2
；三相电路结构中的一次级联全桥子模块桥臂的输出端相互连接，二次级联全桥子模块桥臂的输出端相互连接；
在三相电路结构中，一次交流侧的V
ga1
、V
gb1
和V
gc1
的负极相互连接，低压直流侧的全桥电路之间的直流侧并联连接，直流端口电压为V
dcl
，二次交流侧的V
ga2
、V
gb2
和V
gc2
的负极相互连接。4.根据权利要求1所述的一种应用于柔性配电网的多端口变换器拓扑，当所述一次交流侧和二次交流侧为三相电路结构时，一次交流侧、二次交流侧以及直流侧可共用一个高频变压器。5.基于权利要求1
‑
4任意一项所述的一种应用于柔性配电网的多端口变换器拓扑的控制方法，所述控制方法包括一次交流侧的控制方法、二次交流侧的控制方法以及直流侧的控制方法；所述一次交流侧的控制方法包括基于dq坐标系的双闭环控制、高频调制信号控制、桥臂电压平衡控制以及桥臂内子模块电容电压平衡控制；所述二次交流侧的控制方法包括基于dq坐标系的双闭环控制、高频调制信号控制、桥臂电压平衡控制以及桥臂内子模块电容电压平衡控制；所述直流侧的控制包括直流侧全桥电路的调制信号控制。6.根据权利要求5所述的一种应用于柔性配电网的多端口变换器拓扑的控制方法，其特征在于，所述的一次交流侧的控制方法，包括以下步骤：S11：基于dq坐标系的双闭环控制采用一次交流侧所有全桥子模块电容电压的平均值v
SM1_ave
作为电压外环控制对象，并与给定值V
SM1_ref
进行比较，得到的差值通过PI控制后得到电流内环的给定I
gd1_ref
；并采用一次交流侧的交流端口电流作为电流内环的控制对象，通过PI控制以及坐标变换后，得到一次交流侧三相基本正弦工频调制信号v
x1
，其中，x表示a，b，c相；S12：高频调制信号控制采用直流端口电压V
dcL
作为电压环的控制对象，通过PI控制后，将控制结果与第一基本高频调制信号的幅值V
mf1
相加，得到最终高频调制信号的幅值，并乘以单位高频调制信号，得到最终高频调制信号v
mf1
，将最终高频调制信号v
mf1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈武，马大俊，舒良才，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：