[發明專利]基于MMC的電力電子配電變壓器及其控制方法

有效

• 申請號: 201710525852.6
• 申請日: 2017-06-30
• 公開（公告）號: CN107134930B
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 付周興;童永利;付佩祺;蔡文龍;張明露;趙東強
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: H02M5/458
• 分類號: H02M5/458;H02M3/335
• 代理公司: 西安創知專利事務所61213
• 代理人: 譚文琰

1.基于MMC的電力電子配電變壓器的控制方法，所述基于MMC的電力電子配電變壓器包括依次連接的MMC整流器模塊(1)、DC-DC隔離器(2)和DC-AC逆變器(3)，所述MMC整流器模塊(1)的輸入端與高壓交流電網(4)連接，所述DC-AC逆變器(3)的輸出端與低壓交流電網(5)連接；所述DC-DC隔離器(2)包括多個DC-DC隔離子單元，多個所述DC-DC隔離子單元的電壓輸入端依次串聯連接在MMC整流器模塊(1)的直流輸出端之間，多個所述DC-DC隔離子單元的輸出端并聯連接在DC-AC逆變器(3)的直流輸入端之間；所述DC-DC隔離子單元包括依次連接的子逆變器(2-1)、子中頻變壓器(2-2)和子整流器(2-3)，所述子逆變器(2-1)包括由上橋臂電容、上橋臂IGBT、下橋臂電容和下橋臂IGBT組成的單相全橋逆變電路，所述單相全橋逆變電路的輸入端并聯接有分壓電容，所述子整流器(2-3)為二極管不控橋式整流器，其特征在于，該控制方法包括以下步驟：

步驟一、高壓交流電的整流，過程如下：

步驟101、實時測量高壓交流電網(4)的A相電流瞬時值i_A、A相電壓瞬時值u_SA、B相電流瞬時值i_B、B相電壓瞬時值u_SB、C相電流瞬時值i_C和C相電壓瞬時值u_SC；

步驟102、根據公式計算高壓交流電網(4)的A相瞬時電流的正序分量i_A⁺、B相瞬時電流的正序分量i_B⁺和C相瞬時電流的正序分量i_C⁺；

根據公式計算高壓交流電網(4)的A相電流負序分量i_A^-、B相電流的負序分量i_B^-和C相電流的負序分量i_C^-；

根據公式計算高壓交流電網(4)的A相瞬時電壓的正序分量u_SA⁺、B相瞬時電壓的正序分量u_SB⁺和C相瞬時電壓的正序分量u_SC⁺；其中,ω為高壓交流電網(4)電壓的角頻率；

根據公式計算高壓交流電網(4)的A相瞬時電壓的負序分量u_SA^-、B相瞬時電壓的負序分量u_SB^-和C相瞬時電壓的負序分量u_SC^-；

步驟103、對i_A⁺、i_B⁺和i_C⁺進行dq變換可得q軸正序電流i_q⁺和d軸正序電流i_d⁺，對i_A^-、i_B^-和i_C^-進行dq變換可得q軸負序電流i_q^-和d軸負序電流i_d^-；

對u_SA⁺、u_SB⁺和u_SC⁺進行dq變換可得q軸正序高壓交流電網瞬時電壓u_Sq⁺和d軸正序高壓交流電網瞬時電壓u_Sd⁺，對u_SA^-、u_SB^-和u_SC^-進行dq變換可得q軸負序高壓交流電網瞬時電壓u_Sq^-和d軸負序高壓交流電網瞬時電壓u_Sd^-；

步驟104、采用第一PI調節器對MMC整流器模塊輸出高壓直流電壓進行調節，獲取d軸正序電流參考值i^*_d⁺，其中，u_DC^*為MMC整流器模塊輸出高壓直流電壓設定值，u_DC為MMC整流器模塊輸出高壓直流電壓實時測量值，K_p¹為所述第一PI調節器的比例系數，K_i¹為所述第一PI調節器的積分系數；

所述MMC整流器模塊(1)為三相六橋臂電路，所述三相六橋臂電路中每相均包括上橋臂和下橋臂，所述上橋臂和所述下橋臂均包括一個限流電抗器和M個串聯連接的MMC子模塊，所述M個串聯連接的子模塊的一端與限流電抗器的一端相接，所述限流電抗器的另一端與所述高壓交流電網相接，所述串聯連接的子模塊的另一端與所述子逆變器(2-1)相接，所述子模塊包括半橋電路(1-1)和子模塊電容(1-2)，所述子模塊電容(1-2)與所述半橋電路(1-1)信號輸出端并聯；

步驟105、采用第二PI調節器對d軸正序電流參考值、q軸正序電流參考值、d軸負序電流參考值和q軸負序電流參考值進行調節，并根據公式計算MMC整流器模塊d軸正序輸入電壓u_Md⁺和MMC整流器模塊q軸正序輸入電壓u_Mq⁺，根據公式計算d軸負序MMC整流器模塊輸入電壓u_Md^-和q軸負序MMC整流器模塊輸入電壓u_Mq^-，其中，i_q^+*為q軸正序電流的參考值且i_q^+*＝0，i_d^-*為d軸負序電流的參考值且i_d^-*＝0，i_q^-*為q軸負序電流的參考值且i_q^-*＝0，K_p²為第二PI調節器的比例系數，K_i²為第二PI調節器的積分系數，L為所述限流電抗器的電感值；

步驟106、對u_Md⁺和u_Mq⁺進行dq反變換得到MMC整流器模塊A相正序輸入電壓u_MA⁺、B相正序輸入電壓u_MB⁺和C相正序輸入電壓u_MC⁺；對u_Md^-和u_Mq^-進行dq反變換得到MMC整流器模塊A相負序輸入電壓u_MA^-、B相負序電壓輸入u_MB^-和C相負序輸入電壓u_MC^-；根據公式計算MMC整流器模塊A相輸入電壓u_MA、MMC整流器模塊B相輸入電壓u_MB和MMC整流器模塊C相輸入電壓u_MC；

步驟107、獲取三相六橋臂電路各橋臂投入MMC子模塊的數量：對三相六橋臂電路中每相的MMC子模塊投入數量分別進行確定，且三相六橋臂電路中任意一相上的MMC子模塊投入數量的確定方法均相同；

對三相六橋臂電路中每相的MMC子模塊投入數量進行確定時，過程如下：

步驟I、根據公式計算三相六橋臂電路中每相下橋臂上的投入數目D₁，其中，ceil(·)為向上取整函數，u_M為MMC整流器模塊三相電壓中任意一相輸入電壓，u_mmc為子模塊電容額定電壓；

步驟II、根據公式D₂＝M-D₁，計算三相六橋臂電路中每相上橋臂上的投入數目D₂；

步驟108、MMC整流器模塊(1)的輸出高壓直流電壓實時測量值u_DC的穩壓：通過MMC子模塊電容電壓排序法確定各橋臂被投入的子模塊完成對MMC整流器模塊(1)的輸出高壓直流電壓u_DC的穩壓；

步驟109、循環步驟101至步驟108，對MMC整流器模塊(1)的輸出高壓直流電壓實時測量值u_DC進行輸出；

步驟二、MMC整流器模塊的輸出高壓直流電壓的降壓，過程如下：

步驟201、分壓：采用多個DC-DC隔離子單元對MMC整流器模塊(1)的輸出高壓直流電壓進行分壓，利用子逆變器(2-1)中的所述分壓電容和所述橋臂電容對MMC整流器模塊(1)的輸出高壓直流電壓進行兩級分壓，得到分壓直流電壓u_FC；

步驟202、逆變：利用子逆變器(2-1)中的兩個IGBT分別導通50％對分壓直流電壓u_FC進行逆變，得到方波交流電壓；

步驟203、降壓：子中頻變壓器(2-2)對方波交流電壓進行降壓得到低壓方波交流電壓；

步驟204、整流及濾波：子整流器(2-3)對所述低壓方波交流電壓進行整流得到低壓直流電壓，并對低壓直流電壓進行濾波去噪；

步驟三、低壓直流電壓的逆變，過程如下：

步驟301、采用DC-AC逆變器(3)對低壓直流電壓進行逆變，同時測量DC-AC逆變器(3)輸出側A相瞬時電壓u_va、B相瞬時電壓u_vb和C相瞬時電壓u_vc；

步驟302、對A相瞬時電壓u_va、B相瞬時電壓u_vb和C相瞬時電壓u_vc進行dq變換得到DC-AC逆變器d軸輸出電壓u_vd和DC-AC逆變器q軸輸出電壓u_vq；

步驟303、采用第三PI調節器對DC-AC逆變器d軸輸出電壓u_vd和DC-AC逆變器q軸輸出電壓u_vq進行調節，得到DC-AC逆變器d軸輸出電壓調整值u_vd'和DC-AC逆變器q軸輸出電壓調整值u_vq'，其中，u_vd^*為DC-AC逆變器d軸輸出電壓設定參考值，u_vq*為DC-AC逆變器q軸輸出電壓設定參考值，K_p³為第三PI調節器的比例系數，K_i³為第三PI調節器的積分系數；

步驟304、對u_vd′和u_vq′進行dq逆變換，得到三相正弦調制波；

步驟305、對所述三相正弦調制波進行空間矢量控制，得到三相全橋逆變電路中的觸發脈沖，根據所述觸發脈沖控制三相全橋逆變器中IGBT，輸出對稱的三相正弦交流電壓；

步驟306、循環步驟301至步驟305，實現低壓直流電壓的逆變。