[發明專利]基于MMC高頻變換的模塊化直流變換系統及其控制方法

在審

• 申請號: 201710270187.0
• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN107800299A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 羅安;何志興;易偉浪;陳燕東;閔俊;周樂明;徐千鳴;周芊帆;王鋒;賀纖纖;郭鵬
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司43113
• 代理人: 馬強,王娟

技術領域

本發明涉及一種基于MMC高頻變換的模塊化直流變換系統，其輸入端采用變換模塊輸入串聯承受高壓，當輸出端采用變換模塊輸出串聯時適用于高壓到高壓雙向變換的應用場合，當輸出端采用變換模塊輸出并聯時適用于高壓到低壓的雙向變換應用場合。

背景技術

由于新能源的大力開發利用與電力電子技術的發展及能源互聯網的推動，直流電網技術發展迅速。現有研究表明，直流電網技術是解決跨區域、大范圍電力傳輸及分配、大規模廣域分布式新能源開發和利用等問題的有效途徑，可極大緩解大電網與分布式能源之間的矛盾，充分發揮分布式能源的效益。發展直流電網已得到世界各國專家及學者的廣泛關注與認可。

目前，國內外在高壓直流電網方面的研究集中于柔性直流輸電技術的開發及其在大規模可再生能源接入、非同步電網互聯、多端直流電網的應用研究，當前，國內外也有多個柔性直流輸電的實際工程投入運行。在低壓直流電網方面，世界范圍內也有多種應用于不同場景的小型直流電網實驗或示范項目建成。隨著直流電網的快速發展，作為高壓直流電網和低壓直流電網的聯接樞紐、配電環節和過渡網絡，中壓直流電網的研究與應用也吸引了國內外專家、學者廣泛的關注。高壓、中壓、低壓直流電網的互聯是直流電網發展的必然趨勢。而作為柔性直流電網互聯的關鍵運行設備—直流變換系統應具備：大功率、全隔離、高低壓輸入輸出等功能。傳統的低壓小容量DC/DC變換器已經研究的比較成熟，可以應用在低壓直流微網中直流負荷，分布式電源等的接入。大功率直流變換器作為柔性直流配網中的關鍵環節，不僅實現不同交流、直流電壓等級的變換，還實現高低壓直流配電網的隔離和功率的靈活控制。進一步的，由于直流變換器普遍采用高速電力電子器件、高頻變壓器和模塊化的結構，使得直流變換器具有動態響應快、功率密度高、易于冗余設計的優點。

目前主流的模塊化直流變換拓撲有兩種，一種是基于雙主動全橋(dual-active-bridge，DAB)的輸入串聯輸出并聯(ISOP)型DC/DC變換器的結構。由于該結構高壓側的H橋為電容直接串聯，當某一個DC/DC變換器出現故障時，不能直接通過機械開關將此部分電路旁路，因為這會將該DC/DC變換器高壓側的直流電容短路，當故障解除后，需要對該電容重新充電，這就增加了故障的恢復時間，降低了系統的可靠性。但是，直流變換系統需要很高的可靠性，即當內部部分模塊出現故障時應該具備自動旁路的功能，而不應該使得整個直流變換系統停止工作，故該類拓撲不能直接用于直流變換系統。

另外一種主流的拓撲是模塊化多電平結構的直流變換系統。因為模塊化多電平結構可以通過子模塊的級聯提高工作電壓，使得其適合在高壓DC/AC場合下的應用。為了使得該結構能夠應用在DC/DC場合，有學者提出了使用兩個MMC實現DC/AC-AC/DC變換的結構，該結構中間AC環節使用一個高頻變壓器進行隔離。一般來說，中間的高頻環節可以使用采用正弦波調制，由于交流環節工作在高頻下，載波移相后的開關頻率通常要高于交流側的輸出頻率，因此可以使用基于基波的最近電平調制策略，與其他調制策略相比，該調制方法可以略微提高功率因數，降低大功率高頻變壓器的制作難度。但是與正弦波調制相比，方波具有更高的直流電壓利用率和更高的功率傳輸能力，因此，具有更小的電流應力，這種特性使得方波調制在DC/DC的高頻環節上更有吸引力。但是，方波在上升和下降沿處會有很高的電壓變化率，這就意味著交流環節端口的高頻變壓器需要承受很高的dv/dt。為了解決這個問題，有學者提出了準兩電平的調制策略，該策略可以降低變壓器的dv/dt，使得MMC應用在超高壓的DC/DC成為可能。但是由于該方法提高電壓了電壓高低電平變化的過渡時間，所以與直接采用方波調制相比，會帶來一定的功率損失。同時，以目前的高頻變壓器生產工藝，很難開發出上百千伏的絕緣等級，但是有兆瓦級別的容量的高頻變壓器，通常只能通過降低工作頻率來獲得較高絕緣等級，這就限制了該拓撲在高壓直流(HVDC)輸電中的應用。為了解決這個問題，有學者提出了將多個小容量高頻變壓器串聯來替代單個高頻變壓器的結構，但是該結構使用了多個變壓器直接串聯，受變壓器參數影響容易造成每個高頻變壓器的輸入電壓不均。因此研究一個可靠且可行的直流變壓器拓撲結構具有十分重要意義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種基于MMC高頻變換的模塊化直流變換系統及其控制方法。