[發明專利]面向港口供電的電力電子變壓器拓撲及其控制方法

有效

• 申請號: 202010155939.0
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111371117B
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 孫毅超;鄢寅宇;張金龍;曹澤宇
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;H02M7/483;H02M3/335
• 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

本發明公開了一種面向港口供電的基于模塊化多電平矩陣型電力電子變壓器拓撲及其控制方法。該拓撲以M3C為基礎，可分為輸入級、中間級和輸出級，輸入級是M3C，中間級由并接在輸入級的每個子模塊電容后的雙有源橋式電路組成，輸出級是一個三相四橋臂逆變器，接在中間級的直流端口后。此外，針對上述拓撲結構，為實現拓撲功能，保證其安全可靠運行，本發明為該結構的輸入級M3C和中間級DAB分別設計了雙閉環控制方法，實現了輸入級M3C和中間級多個DAB之間的能量平衡控制。本發明在高壓低頻海上風電并網應用中能夠降低運行成本，提高了港口供電的可靠性，且避免了傳統岸電變頻環節效率低、故障率高的問題。

技術領域

本發明屬于高壓大功率電力電子技術領域，主要涉及一種面向港口供電的基于模塊化多電平矩陣型(Modular Multilevel Matrix Converter，M3C)電力電子變壓器拓撲和相應的控制方法。

背景技術

船舶靠港時使用燃油發電產生的污染大，且岸電的頻率與船舶用電頻率有時并不統一，因此不能夠直接給船舶進行供電，設計一種能提供與船舶用電頻率同頻的交流電源意義重大。考慮到港口位置的特殊性，將海上風電廠的并網與港口供電相結合，完全具有可行性。

目前低頻海上風電并網多是使用模塊化多電平變換器(modular multilevelconverter，MMC)，但這種變換器并不能直接實現頻率的變換，需要先整流再逆變。一種新型的模塊化多電平矩陣變換器則具有直接頻率變換的能力，且與MMC 相比，這種結構的橋臂數目減少了1/4，經濟性更好，因此在高壓低頻交流風電并網中有著廣闊的應用前景。針對基于M3C的電力電子變壓器的拓撲結構，在《電工技術學報》2016年第31卷第18期108-115頁刊登的“基于模塊化多電平矩陣變換器的電力電子變壓器控制策略”一文(作者王婷等)，提出了一種基于單相M3C的電力電子變壓器結構，這種結構的輸入級是一個單相的M3C，其輸入級的輸入端連接的是一個單相工頻電網，輸入級的輸出端輸出的是一個單相交流電壓，這種結構在單相鐵道動力牽引系統中有著優異的性能，但不能夠用在三相的海上風電并網中。

發明內容

發明目的：本發明針對現有技術存在的問題和不足，提出了一種面向港口供電的電力電子變壓器的拓撲及其控制方法，該拓撲不僅能夠實現海上風電的并網，同時還能實現對港口不同類型、不同頻率的負載供電。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明的面向港口供電的電力電子變壓器拓撲包括輸入級、中間級和輸出級；(1)拓撲輸入級為M3C結構，其三相輸入和三相輸出分別連接了海上風電廠與港口電網；在M3C的各相輸入和各相輸出端口上串聯了電感，分別用L_i和L_o表示；M3C的三相輸入與三相輸出之間通過 9個橋臂連接，每個橋臂的結構相同，包括n個子模塊和一個橋臂電感L，橋臂中的子模塊首尾相連，電感L串聯在橋臂中；每一子模塊是由4個絕緣柵雙極型晶體管IGBT、4個續流二級管和一個并聯電容構成的H橋式電路。(2)拓撲的中間級包括多個雙有源全橋電路(Dual Active Bridge，DAB)，構成中間級的DAB 單元也是一個三級結構，其輸入級是由4個IGBT構成的H橋式逆變電路，將高壓直流電壓逆變成交流電；輸出級是由4個IGBT構成的H橋式整流電路；中間級是一個高頻隔離變壓器，連接起輸入級和輸出級；拓撲中間級中各DAB的H 橋式逆變電路的輸入端并接在輸入級M3C中子模塊的并聯電容之后，拓撲中間級的輸出端是所有的DAB中H橋式整流電路的直流輸出并聯構成。(3)輸出級是三相四橋臂逆變器結構，它接在中間級的直流輸出端之后，包括4條并聯支路8個IGBT，每條并聯支路是由兩個IGBT首尾相連構成。

上述面向港口供電的基于模塊化多電平矩陣型電力電子變壓器的控制方法包括如下步驟：

(1)對拓撲結構的輸入級M3C的能量平衡采用雙閉環控制，所述雙閉環控制為電壓外環控制和電流內環控制；通過所述電壓外環控制實現所述M3C結構的整體能量平衡，得到各橋臂電流的參考值；通過所述電流內環控制得到各橋臂電壓參考值；基于各橋臂電壓的參考值，進而得到控制所述拓撲的輸入級的各子模塊中各IGBT開通關斷的PWM信號；