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CN107800298A - 基于分布式高频变换的模块化固态变压器及其控制方法 - Google Patents

基于分布式高频变换的模块化固态变压器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分布式高频变换的模块化固态变压器及其控制方法，包括多个级联的模块，每个模块包括两个子变换器SCi1和SCi2、高频变压器和辅助电感Li，其中i表示第i个模块。子变换器由四个功率子模块构成，功率子模块的结构可以是半桥型结构，也可以是全桥型结构。每个半桥结构包括一个电容、两个IGBT及与IGBT反向并联的二极管；每个全桥结构包括一个电容、四个IGBT及与IGBT反向并联的二极管。该变压器的输入端是高压，多个模块串联后作为输入端；该变压器的输出端是低压，多个模块并联后作为输出端。本发明可以通过控制SCi1的输出电压Vhi1和SCi2的输出电压Vhi2来控制电流ihi1的流向，即实现功率流向的控制，完成电压的变换和隔离。

Description

基于分布式高频变换的模块化固态变压器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于分布式高频变换的模块化固态变压器，适用于高压到低压双向变换的应用场合。
背景技术
由于新能源的大力开发利用与电力电子技术的发展及能源互联网的推动，直流电网技术发展迅速。现有研究表明，直流电网技术是解决跨区域、大范围电力传输及分配、大规模广域分布式新能源开发和利用等问题的有效途径，可极大缓解大电网与分布式能源之间的矛盾，充分发挥分布式能源的效益。发展直流电网已得到世界各国专家及学者的广泛关注与认可。
目前，国内外在高压直流电网方面的研究集中于柔性直流输电技术的开发及其在大规模可再生能源接入、非同步电网互联、多端直流电网的应用研究，当前，国内外也有多个柔性直流输电的实际工程投入运行。在低压直流电网方面，世界范围内也有多种应用于不同场景的小型直流电网实验或示范项目建成。随着直流电网的快速发展，作为高压直流电网和低压直流电网的联接枢纽、配电环节和过渡网络，中压直流电网的研究与应用也吸引了国内外专家、学者广泛的关注。高压、中压、低压直流电网的互联是直流电网发展的必然趋势。而作为柔性直流电网互联的关键运行设备—固态变压器(Solid StateTransformer,SST)应具备：大功率、全隔离、高低压输入输出等功能。传统的低压小容量DC/DC变换器已经研究的比较成熟，可以应用在低压直流微网中直流负荷，分布式电源等的接入。SST作为柔性直流配网中的关键环节，不仅实现不同交流、直流电压等级的变换，还实现高低压直流配电网的隔离和功率的灵活控制。进一步的，由于SST普遍采用高速电力电子器件、高频变压器和模块化的结构，使得SST具有动态响应快、功率密度高、易于冗余设计的优点。
目前主流的DCSST(Direct Current Solid State Transformer,DCSST)拓扑有两种，一种是基于双主动全桥(dual-active-bridge，DAB)的输入串联输出并联(ISOP)型DC/DC变换器的结构。由于该结构高压侧的H桥为电容直接串联，当某一个DC/DC变换器出现故障时，不能直接通过机械开关将此部分电路旁路，因为这会将该DC/DC变换器高压侧的直流电容短路，当故障解除后，需要对该电容重新充电，这就增加了故障的恢复时间，降低了系统的可靠性。但是，DCSST需要很高的可靠性，即当内部部分模块出现故障时应该具备自动旁路的功能，而不应该使得整个DCSST停止工作，故该类拓扑不能直接用于DCSST。
另外一种主流的拓扑是MMC型DCSST。因为MMC可以通过子模块的级联提高工作电压，使得其适合在高压DC/AC场合下的应用。为了使得该结构能够应用在DC/DC场合，有学者提出了使用两个MMC实现DC/AC-AC/DC变换的结构，该结构中间AC环节使用一个高频变压器进行隔离。一般来说，中间的高频环节可以使用采用正弦波调制，由于交流环节工作在高频下，载波移相后的开关频率通常要高于交流侧的输出频率，因此可以使用基于基波的最近电平调制策略，与其他调制策略相比，该调制方法可以略微提高功率因数，降低大功率高频变压器的制作难度。但是与正弦波调制相比，方波具有更高的直流电压利用率和更高的功率传输能力，因此，具有更小的电流应力，这种特性使得方波调制在DC/DC的高频环节上更有吸引力。但是，方波在上升和下降沿处会有很高的电压变化率，这就意味着交流环节端口的高频变压器需要承受很高的dv/dt。为了解决这个问题，有学者提出了准两电平的调制策略，该策略可以降低变压器的dv/dt，使得MMC应用在超高压的DC/DC成为可能。但是由于该方法提高电压了电压高低电平变化的过渡时间，所以与直接采用方波调制相比，会带来一定的功率损失。同时，以目前的高频变压器生产工艺，很难开发出上百千伏的绝缘等级，但是有兆瓦级别的容量的高频变压器，通常只能通过降低工作频率来获得较高绝缘等级，这就限制了该拓扑在高压直流(HVDC)输电中的应用。为了解决这个问题，有学者提出了将多个小容量高频变压器串联来替代单个高频变压器的结构，但是该结构使用了多个变压器直接串联，受变压器参数影响容易造成每个高频变压器的输入电压不均。因此研究一个可靠且可行的直流变压器拓扑结构具有十分重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于分布式高频变换的模块化固态变压器及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于分布式高频变换的模块化固态变压器，包括多个级联的模块，每个模块包括两个子变换器SCi1和SCi2、高频变压器和辅助电感Li，其中i表示第i个模块。子变换器由四个功率子模块构成，功率子模块的结构可以是半桥型结构，也可以是全桥型结构。若子模块采用半桥结构，则输入是直流；每个半桥结构包括一个电容、两个IGBT及与IGBT反向并联的二极管。半桥结构特征在于，当半桥模块上IGBT即Six1或Six3(x＝a,b,c,d)导通时，表示该半桥模块的电容投入，此时半桥模块的输出等于电容电压Cixy上的电压Ucixy(y＝1,2,3,4)，当半桥模块下IGBT即Six2或Six4导通时，表示该半桥模块的电容旁路，此时半桥模块的输出等于0；每4个半桥结构构成一个子变换器SC，该变换器相当于一个电压型变换器，对于SCi1，当SMia1和SMib2旁路，SMia2和SMib1投入时，SCi1的输出端相当于Cia2和Cib1的并联，输出电压Vhi1等于Ucia2和Ucib1的并联的电压，为正电平；当SMia2和SMib1旁路，SMia1和SMib2投入时，SCi1的输出端相当于Cia1和Cib2的并联，输出电压Vhi1等于负的Ucia1和Ucib2的并联的电压，为负电平；当SMia1和SMib1旁路或者SMia2和SMib2旁路，此时SMia2和SMib2投入或者SMia1和SMib1投入，输出电压Vhi1等于0，为0电平；对于SCi2同理可以输出正，负和0三种电平，输出为Vhi2。本发明可以通过控制SCi1的输出电压Vhi1和SCi2的输出电压Vhi2来控制电流ihi1的流向，即实现功率流向的控制，完成电压的变换和隔离。
若子模块采用全桥结构，则输入可以是交流或者直流，每个全桥子模块包括一个电容、四个IGBT及与IGBT反向并联的二极管。每个子模块可以输出三种电平，以SMia1为例，可以输出正负Ucia1和零电平，具体的，当Sia1和Sia4开通，当Sia2和Sia3关闭时，SMia1输出正电平；当Sia2和Sia3开通，当Sia1和Sia4关闭时，SMia1输出负电平；当Sia1和Sia3开通Sia2和Sia4关闭，或者当Sia2和Sia4开通，Sia1和Sia3关闭时，SMia1输出0电平；通过控制SCi1的4个功率子模块的输出从而控制SCi1的输出Vhi1。对于SCi2同理可以输出正，负和0三种电平，输出为Vhi2。本发明可以通过控制SCi1的输出电压Vhi1和SCi2的输出电压Vhi2来控制电流ihi1的流向，即实现功率流向的控制，完成电压的变换和隔离。
该变压器的输入端是高压(High Voltage,HV)，多个模块串联后作为输入端；该变压器的输出端是低压(Low Voltage,LV)，多个模块并联后作为输出端。输入端的高压和输出端的低压可以是交流也可以是直流。
相应的，本发明还提供了一种分布式高频变换的模块化直流固态变压器控制方法，其特征在于，对于运行在不同的状态，有不同的控制方式，包括以下3种：
当该SST运行在LV()电压控制模式中，HV母线电压固定，控制器采用电压电流双闭环控制，通过将LV的电压参考值Vi2ref与采样的电压Vi2做差后送入控制器，此处及以下的控制器可以是PI，P，无差拍，PR控制和预测控制等，得到Ii2ref，将Ii2ref和Ii2做差后送入控制器后得到Vhi1和Vhi2之间的相位移相角D2，D2与给定的D1共同送入PWM调制得到开关信号，完成控制，其中D1是Vhi1和Vhi2自身的高低电平之间的移相角。
当该SST运行在HV电压控制模式中，LV母线电压固定，控制器采用电压电流双闭环控制，通过将HV的电压参考值Vi1ref与采样的电压Vi1做差后送入控制器，得到Ii1ref，将Ii1ref和Ii1做差后送入控制器后得到Vhi1和Vhi2之间的相位移相角D2，D2与给定的D1共同送入PWM调制得到开关信号，完成控制，其中D1是Vhi1和Vhi2自身的高低电平之间的移相角。
当该SST运行在功率控制模式中，LV和HV母线均电压固定，控制器采用功率闭环控制，通过将传输功率的参考值Piref，与采样的电压Vi1和Ii1乘积做差后，送入控制器，得到Vhi1和Vhi2之间的相位移相角D2，D2与给定的D1共同送入PWM调制得到开关信号，完成控制，其中D1是Vhi1和Vhi2自身的高低电平之间的移相角。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明采用的是分布式的高频逆变，降低了单个变压器上的dv/dt。高频侧采用的是高频方波，与正弦波相比提高了功率传输能力。与高频变压器直接串联的拓扑相比，具有变压器输入电压钳位功能，变压器的功率分配更均匀，且单个变压器故障时，可以直接旁路该模块，不会直接短路掉模块的电容，也不会使得整个变压器停止工作，提高了可靠性。
附图说明
图1为基于分布式高频变换的模块化固态变压器结构示意图；
图2(a)LV电压控制模式；图2(b)HV电压控制模式；图2(c)功率控制模式。
具体实施方式
首先根据需求选择该SST的运行模式，图2为基于分布式高频变换的模块化直流固态变压器控制框图，当该SST运行在LV电压控制模式中，HV母线电压固定，控制器采用电压电流双闭环控制，通过将LV的电压参考值Vi2ref与采样的电压Vi2做差后送入控制器，此处及以下的控制器可以是PI，P，无差拍，PR控制和预测控制等，得到Ii2ref，将Ii2ref和Ii2做差后送入控制器后得到Vhi1和Vhi2之间的相位移相角D2，D2与给定的D1共同送入PWM调制得到开关信号，完成控制，其中D1是Vhi1和Vhi2自身的高低电平之间的移相角。当该SST运行在HV电压控制模式中，LV母线电压固定，控制器采用电压电流双闭环控制，通过将HV的电压参考值Vi1ref与采样的电压Vi1做差后送入控制器，得到Ii1ref，将Ii1ref和Ii1做差后送入控制器后得到Vhi1和Vhi2之间的相位移相角D2，D2与给定的D1共同送入PWM调制得到开关信号，完成控制，其中D1是Vhi1和Vhi2自身的高低电平之间的移相角。当该SST运行在功率控制模式中，LV和HV母线均电压固定，控制器采用功率闭环控制，通过将传输功率的参考值Piref，与采样的电压Vi1和Ii1乘积做差后，送入控制器，得到Vhi1和Vhi2之间的相位移相角D2，D2与给定的D1共同送入PWM调制得到开关信号，完成控制，其中D1是Vhi1和Vhi2自身的高低电平之间的移相角。
图1为基于分布式高频变换的模块化固态变压器结构示意图，包括多个级联的模块，每个模块包括两个子变换器SCi1和SCi2、高频变压器和辅助电感Li，其中i表示第i个模块。子变换器由四个功率子模块构成，功率子模块的结构可以是半桥型结构，也可以是全桥型结构。若子模块采用半桥结构，则输入是直流；每个半桥结构包括一个电容、两个IGBT及与IGBT反向并联的二极管。半桥结构特征在于，当半桥模块上IGBT即Six1或Six3(x＝a,b,c,d)导通时，表示该半桥模块的电容投入，此时半桥模块的输出等于电容电压Cixy上的电压Ucixy(y＝1,2,3,4)，当半桥模块下IGBT即Six2或Six4导通时，表示该半桥模块的电容旁路，此时半桥模块的输出等于0；每4个半桥结构构成一个子变换器SC，该变换器相当于一个电压型变换器，对于SCi1，当SMia1和SMib2旁路，SMia2和SMib1投入时，SCi1的输出端相当于Cia2和Cib1的并联，输出电压Vhi1等于Ucia2和Ucib1的并联的电压，为正电平；当SMia2和SMib1旁路，SMia1和SMib2投入时，SCi1的输出端相当于Cia1和Cib2的并联，输出电压Vhi1等于负的Ucia1和Ucib2的并联的电压，为负电平；当SMia1和SMib1旁路或者SMia2和SMib2旁路，此时SMia2和SMib2投入或者SMia1和SMib1投入，输出电压Vhi1等于0，为0电平；对于SCi2同理可以输出正，负和0三种电平，输出为Vhi2。本发明可以通过控制SCi1的输出电压Vhi1和SCi2的输出电压Vhi2来控制电流ihi1的流向，即实现功率流向的控制，完成电压的变换和隔离。
若子模块采用全桥结构，则输入可以是交流或者直流，每个全桥子模块包括一个电容、四个IGBT及与IGBT反向并联的二极管。每个子模块可以输出三种电平，以SMia1为例，可以输出正负Ucia1和零电平，具体的，当Sia1和Sia4开通，当Sia2和Sia3关闭时，SMia1输出正电平；当Sia2和Sia3开通，当Sia1和Sia4关闭时，SMia1输出负电平；当Sia1和Sia3开通Sia2和Sia4关闭，或者当Sia2和Sia4开通，Sia1和Sia3关闭时，SMia1输出0电平；通过控制SCi1的4个功率子模块的输出从而控制SCi1的输出Vhi1。对于SCi2同理可以输出正，负和0三种电平，输出为Vhi2。本发明可以通过控制SCi1的输出电压Vhi1和SCi2的输出电压Vhi2来控制电流ihi1的流向，即实现功率流向的控制，完成电压的变换和隔离。
该变压器的输入端是高压(High Voltage,HV)，多个模块串联后作为输入端；该变压器的输出端是低压(Low Voltage,LV)，多个模块并联后作为输出端。输入端的高压和输出端的低压可以是交流也可以是直流。
当控制器输出各IGBT的驱动信号，控制SCi1的输出电压Vhi1和SCi2的输出电压Vhi2之间的相位来控制电流ihi1的流向，即实现功率流向和大小的控制，完成直流电压的变换。

Claims (4)

1.一种基于分布式高频变换的模块化固态变压器，其特征在于，包括多个级联的模块，每个模块包括两个子变换器；第一子变换器依次通过辅助电感、高频变压器与第二子变换器连接；所述两个子变换器均包括四个功率子模块，其中两个功率子模块串联后，与另外两个串联的功率子模块并联。
2.根据权利要求1所述的基于分布式高频变换的模块化固态变压器，其特征在于，所述功率子模块为半桥型结构，其输入是直流；每个半桥型结构包括一个电容、两个串联的IGBT及与每个IGBT反向并联的二极管；所述电容与IGBT所在支路并联；当半桥型结构的上IGBT导通时，表示该半桥模块的电容投入，此时半桥型结构的输出等于电容电压Cixy上的电压Ucixy，当半桥型结构的下IGBT导通时，表示该半桥型结构的电容旁路，此时半桥型结构的输出等于0。
3.根据权利要求1所述的基于分布式高频变换的模块化固态变压器，其特征在于，所述功率子模块为全桥结构，则其输入为交流或者直流，每个全桥结构包括一个电容、两个并联的桥臂；每个桥臂包括两个串联的IGBT及与IGBT反向并联的二极管；所述电容与桥臂并联。
4.一种权利要求1～3之一所述模块化固态变压器的控制方法，其特征在于，包括以下3种控制模式：
当模块化固态变压器运行在LV电压控制模式中，HV母线电压固定，控制器采用电压电流双闭环控制，通过将LV的电压参考值Vi2ref与采样的第i个模块的第二子变换器直流侧电压电压Vi2做差后送入控制器，得到Ii2ref，将Ii2ref和第i个模块的第二子变换器直流侧电流Ii2做差后送入控制器后得到第一子变换器的输出电压Vhi1和第二子变换器的输出电压Vhi2之间的相位移相角D2，D2与给定的D1共同送入PWM调制得到开关信号，控制功率子模块中IGBT的通断，完成控制，其中D1是Vhi1和Vhi2自身的高低电平之间的移相角；
当模块化固态变压器运行在HV电压控制模式中，LV母线电压固定，控制器采用电压电流双闭环控制，通过将HV的电压参考值Vi1ref与采样的第i个模块的第一子变换器直流侧电压Vi1做差后送入控制器，得到Ii1ref，将Ii1ref和第i个模块的第一子变换器直流侧电流Ii1做差后送入控制器后得到Vhi1和Vhi2之间的相位移相角D2，D2与给定的D1共同送入PWM调制得到开关信号，控制功率子模块中IGBT的通断，完成控制，其中D1是Vhi1和Vhi2自身的高低电平之间的移相角；
当模块化固态变压器运行在功率控制模式中，LV和HV母线电压固定，控制器采用功率闭环控制，将采样电压Vi1和电流Ii1相乘后，再用传输功率的参考值Piref减去Vi1和Ii1的乘积得到差值，将差值送入控制器，得到Vhi1和Vhi2之间的相位移相角D2，D2与给定的D1共同送入PWM调制得到开关信号，控制功率子模块中IGBT的通断，完成控制，其中D1是Vhi1和Vhi2自身的高低电平之间的移相角。
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