[發明專利]基于MMC矩陣變換器的多功能混合型電力電子變壓器及控制方法

有效

• 申請號: 201710761418.8
• 申請日: 2017-08-28
• 公開（公告）號: CN107579666B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 王建華;趙劍鋒;宋杰;季振東;楊斌;許勝
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02M5/293
• 分類號: H02M5/293;H02J3/12
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種基于MMC矩陣變換器的多功能混合型電力電子變壓器及控制方法，電力電子變壓器包括電力變壓器和MMC矩陣變換器，電力電子變壓器的初級繞組與電網連接，次級繞組采用星型連接，連接MMC矩陣變換器輸入端，MMC矩陣變換器輸出端通過LC濾波器后連接隔離變壓器，隔離變壓器一端與次級繞組相連，另一端連接負載。本發明提高了電力電子變壓器的電能轉化效率，提高了裝置的緊湊型；變壓器拓撲中的MMC矩陣變換器基于模塊化多電平結構，使得裝置能夠應用于高壓大功率場合；當電網發生故障時能夠進行電壓補償，提高電網的電能質量；同時，矩陣變換器結構各橋臂支路相對獨立，提高了控制策略的靈活性。

技術領域

本發明屬于電力電子技術領域，尤其涉及一種基于MMC矩陣變換器的多功能混合型電力電子變壓器及控制方法。

背景技術

傳統電力變壓器作為電力系統的基本設備，具有結構簡單、可靠性高的特點。然而隨著電網系統的不斷發展，傳統電力變壓器設備體積大、易產生諧波問題、電能質量無法保證等缺陷日益凸顯。近年來，由于電力電子技術尤其是電力電子器件技術的高速發展，電力電子變壓器(Power Electronic Transformer，PET)作為一種新型的電力變壓器受到越來越多國內外學者的關注和重視。電力電子變壓器不僅兼具傳統變壓器隔離、變換電壓、傳遞能量等功能，還可實現對潮流的控制以及電能質量的治理，其應用領域將十分廣闊。但現有拓撲結構的電力電子變壓器存在一些問題，特別是在電能質量的治理方面。

隨著電網中設備裝置種類、數量的不斷增加，電能質量問題日益嚴重。因此，使用控制特性優良、輸出電流質量較高的變換器顯得尤為重要。在電力電子變壓器的拓撲結構中，其變換器主要有AC-DC-AC變換器和AC-AC變換器兩種。相比于AC-DC-AC多級型變換器，AC-AC變換器是一種單極型變換器，具有潛在的優勢：(1)具有較高的電能轉化效率；(2)中間沒有直流環節，結構緊湊，易于模塊化；(3)控制相對靈活；(4)可實現能量雙向流動；(5)可控制輸入側為單位功率因數，不會產生諧波。

目前，兩種變換器結構在電力電子變壓器拓撲中均有研究。對于現有采用AC-DC-AC變換器的技術方案，由于其應用于中高壓、大功率場合，其輸入側多采用H橋級聯結構或模塊化多電平變換器，其電容電壓平衡控制十分復雜。同時，隔離環節需要多個DC-DC變換器以及中高頻變壓器，對電力電子變壓器的功率密度不利。另一方面，對于現有采用AC-AC變換器的技術方案，受制于變換器中功率開關器件的耐壓值，使其不適用于高壓大容量的場合，限制了其應用范圍。

發明內容

發明目的：針對以上問題，本發明提出一種基于MMC矩陣變換器的多功能混合型電力電子變壓器及控制方法。

技術方案：為實現本發明的目的，本發明所采用的技術方案是：一種基于MMC矩陣變換器的多功能混合型電力電子變壓器，包括電力變壓器、MMC矩陣變換器、LC濾波器和隔離變壓器；電力變壓器的初級繞組與電網連接，次級繞組采用星型連接；次級繞組連接MMC矩陣變換器輸入端，MMC矩陣變換器輸出端經LC濾波器后連接隔離變壓器，隔離變壓器一端與次級繞組相連，另一端連接負載。

MMC矩陣變換器包含四個相同的橋臂，每個橋臂中包含串聯的若干相同的H橋子模塊，并串聯一電感；每兩個橋臂串聯形成一組，兩個橋臂分別構成上下橋臂，上下橋臂相連作為MMC矩陣變換器的輸入端，引出每組上下橋臂的中點作為MMC矩陣變換器的輸出端。

一種基于MMC矩陣變換器的多功能混合型電力電子變壓器的控制方法，包括MMC矩陣變換器基本控制以及電壓補償控制，所述電壓補償控制主要包括電壓檢測及補償電壓計算和電壓電流雙環控制；當檢測到電網發生故障時，將電壓檢測及補償電壓計算得到的補償電壓作為參考值，通過電壓電流雙環控制得到控制信號；電壓電流雙環控制中電壓環采用PR控制器，電流環采用P控制器；將電壓電流雙環控制得到的控制信號與MMC矩陣變換器基本控制得到的控制信號結合，通過PWM調制生成功率器件的開關信號，實現動態電壓補償。