CN107565568A - 基于单星型mmc结构的混合型电力电子变压器及控制方法 - Google Patents

基于单星型mmc结构的混合型电力电子变压器及控制方法 Download PDF

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金成�
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Abstract

本发明公开了一种基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器及控制方法,三相变压器、单星型MMC、三相全桥逆变器、直流母线、LC滤波器和接触器;每一相的单星型MMC通过一个原边接触器并联在该相对应的变压器原边绕组线圈上,三相单星型MMC的输出并联连接在公共直流母线上;三相全桥逆变器的直流输入侧连接在公共直流母线上,交流输出侧经过LC滤波器后,通过副边接触器串联接入三相变压器副边绕组的星型连接中。本发明通过对电网输出电压进行动态补偿和输出电流进行无功电流补偿,实现电网电能质量的调节,保障电网运行的安全性、可靠性和经济性,具有一定的创新性和可行性及使用价值。

Description

基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器及控制方法
技术领域
本发明属于电力电子器件在电力***中的应用技术领域,尤其涉及一种基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器及控制方法。
背景技术
随着电力电子技术在电力***中的发展和应用,电力电子变压器由于具有良好的电能质量调节能力受到了人们的日益关注。电力***网络的不断扩大对电网中的无功补偿设备和电压恢复设备提出了更高的要求。
由于传统的电力电子变压器承受的电压等级较低、输出功率有限,传统的输电变压器不能调节电网电能质量,大量无功功率的存在既占用了输电变压器的容量,也增加了输电过程中电能的损耗。为了实现高电压等级的动态电压恢复和大容量的无功电流补偿,出现了单星型MMC的电力电子变压器拓扑结构。
发明内容
发明目的:针对以上问题,本发明提出一种基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器及控制方法,结合传统变压器传输容量大的优势和单星型MMC结构的电力电子变压器对电网质量调节能力强的特点。
技术方案:为实现本发明的目的,本发明所采用的技术方案是:一种基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器,三相变压器、原边接触器、三相单星型MMC、公共直流母线、三相全桥逆变器、LC滤波器和副边接触器;三相变压器原边绕组采用三角形连接,副边绕组采用星型连接;每一相的单星型MMC通过一个原边接触器并联在该相对应的变压器原边绕组线圈上,三相单星型MMC的输出并联连接在公共直流母线上;三相全桥逆变器的直流输入侧连接在公共直流母线上,交流输出侧经过LC滤波器后,通过副边接触器串联接入三相变压器副边绕组的星型连接中。
进一步地,每一相的单星型MMC由若干半桥模块串联而成,每个半桥模块包括半桥整流电路、直流滤波电容和DHB隔离型DC/DC变换器;半桥模块的输入侧串联半桥整流电路,经过半桥整流电路后通过直流滤波电容进行滤波,再通过DHB隔离型DC/DC变换器将高压直流电压降低,连接到公共直流母线上。
一种基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器的控制方法,所述控制方法包括无功电流补偿控制和动态电压补偿控制;对三相单星型MMC采用电流闭环控制的方法进行无功电流补偿;对三相逆变器采用电压电流双闭环控制的方法进行动态电压补偿。
进一步地,所述无功电流补偿控制包含无功功率计算、补偿电流计算、补偿电流闭环控制、直流母线电压闭环控制和PWM控制;计算输电变压器的无功功率,根据无功电流补偿比例和单星型MMC输出电流的限制计算无功补偿电流,通过电流闭环控制和直流母线电压闭环控制,控制信号经PWM调制控制开关器件,对无功电流进行补偿。
进一步地,所述动态电压补偿控制包含补偿电压计算、电压电流双闭环控制和PWM控制;计算补偿电压,通过电压电流双闭环控制和PWM调制控制开关器件,控制三相全桥逆变器的电压。
有益效果:本发明基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器具有无功电流补偿能力和动态电压补偿能力,可直接适用于不同电压等级电网之间连接;单星型MMC结构整流前级采用半桥结构减少了IGBT的数量,总体上降低了开关器件的数量,降低成本;可以在实现大容量传输功率的同时实现电能质量的综合治理。
附图说明
图1是本发明基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器拓扑结构图;
图2是本发明单星型MMC控制框图;
图3是本发明DHB电压平衡控制框图;
图4是本发明三相全桥逆变器控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示是本发明所述的基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器拓扑图,应用于输电***中,该混合型电力电子变压器拓扑结构包括三相变压器、三相单星型MMC、原边接触器、公共直流母线、三相全桥逆变器、LC滤波器、副边接触器等。
三相变压器包含原边绕组和副边绕组,其中,变压器原边绕组采用三角形连接,连接高压侧网络,副边绕组采用星型连接。
A、B、C三相高压侧分别与三相单星型MMC并联,每一相的单星型MMC并联在该相对应的原边绕组线圈上,通过原边接触器1连接。每一相的单星型MMC由若干半桥模块串联而成,每个半桥模块由前级半桥整流电路、直流滤波电容、DHB隔离型DC/DC变换器组成。半桥模块的输入级由半桥整流电路串联,经过半桥整流电路后通过一个直流滤波电容进行滤波,再通过DHB隔离型DC/DC变换器将高压直流电压降低,连接到公共直流母线上,三相所有半桥模块DHB输出侧并联连接在公共直流母线上,即低压侧网络三相单星型MMC所有半桥模块的直流侧连接构成一个稳定的公共直流母线。
A、B、C三相单星型MMC拓扑结构,是三个独立的分相结构。每相单星型MMC的两端并联在变压器原边线圈绕组侧和中性点之间。三相单星型MMC单元实现无功电流的补偿和维持直流母线电压稳定的功能。三相单星型MMC上端通过接触器1连接到变压器的高压侧,下端相互连接在一起。
三相全桥逆变器的直流侧连接在公共直流母线上,交流输出侧串联接入三相变压器副边绕组的星型连接中,通过向输电变压器的副边绕组中注入正序、负序和零序电压实现动态电压补偿的功能。三相全桥逆变器作为动态电压补偿模块,其直流侧连接在公共直流母线上,交流侧经过LC滤波器串联接入变压器副边绕组中。
三相全桥逆变器结构包含6个IGBT、6个反向并联二极管、LC滤波器。三相全桥逆变器的输出电压经过LC滤波器后串联接入变压器副边三相星型绕组,通过副边接触器2连接,动态补偿电压故障。
建立单星型MMC数学模型和三相全桥逆变器数学模型,对单星型MMC采用电流闭环控制的方法,维持直流侧母线电压稳定和实现无功电流的补偿,对三相逆变器采用电压电流双闭环控制的方法,控制三相逆变器的输出电压。
电压电流检测环节包含检测变压器副边线圈输出的三相相电压ua、ub、uc,副边线圈输出的三相相电流ia、ib、ic,三相单星型MMC的输入电流isa、isb、isc,三相全桥逆变器输出电流iLa、iLb、iLc,三相全桥逆变器经过LC滤波器后输出电流ioa、iob、ioc,半桥模块整流侧直流电压udcxi(x=a、b、c,i=1、2、3),直流母线电压udc
如图2和图3所示,在abc静止坐标系下,单星型MMC的数学模型为:
其中,ix(x=a、b、c)是单星型MMC的输入电流,ux(x=a、b、c)是单星型MMC的靠近电网侧输入电压,usx(x=a、b、c)是单星型MMC的经过滤波电容后的输入电压,Lh是滤波电感,Ch是直流侧滤波电容,udc是直流侧电压,ihx(x=a、b、c)是直流侧等效输出电流,r是三相单星型MMC内部并联等效电阻,n是每相中半桥模块的数量。
将检测得到的abc三相静止坐标系下的电压电流转换到dq旋转坐标系下得到三相相电压ud、uq,三相相电流id、iq三相单星型MMC的输入电流isd、isq,三相全桥逆变器输出电流iLd、iLq,LC滤波器输出电流iod、ioq
将三相单星型MMC在abc三相静止坐标系下的数学模型进行park变换可以得到三相单星型MMC在dq旋转坐标系下的数学模型:
其中,id、iq是ix(x=a、b、c)dq坐标系下的值,ud、uq是ux(x=a、b、c)dq坐标系下的值,usd、usq是usx(x=a、b、c)在dq坐标系下的值,isd、isq是ihx(x=a、b、c)在dq坐标系下的值。
由三相单星型MMC逆变器的在dq坐标系下的数学模型,可以设计直流母线电压稳定和无功电流补偿控制器。控制器的控制方程为:
其中,khp是电流环比例系数,khi是电流环积分系数。
将该控制方程带入单星型MMC的数学模型中可以得到解耦后的控制方程:
该单星型MMC的控制方程可以实现单星型MMC的可靠控制,实现三相单星型MMC输出电压的稳定,依据单星型MMC控制器的控制方程设计控制器。其中,单星型MMC的有功电流控制逆变器直流侧直流电压值,所以以整流侧额定电压uref dc为指令值,三相前级整流半桥输出平均电压为反馈值进行PI调节,PI调节的结果作为有功电流指令值iref d。单星型MMC输出的无功电流实现了对变压器无功功率的补偿,由当前输出的无功功率Q计算得来,当前输出无功功率Q根据当前变压器副边绕组的电压ud、uq和电流id、iq计算得到。
无功电流补偿环节包含无功功率计算、补偿电流计算、补偿电流闭环控制、直流母线电压闭环控制、PWM五个部分。根据电压电流检测环节得到的dq坐标系下变压器副边绕组电压ud、uq和电流id、iq可以计算得到输电变压器的无功功率Q,根据无功电流补偿比例和单星型MMC输出电流的限制计算无功补偿电流,通过电流闭环控制对无功电流进行补偿。通过闭环控制稳定半桥模块输出侧的直流母线电压,维持三相逆变器直流侧电压稳定。
如图4所示,在abc静止坐标系下,三相全桥逆变器的数学模型为:
其中,umx(x=a、b、c)是逆变器输出的电压,Δux(x=a、b、c)是经过LC滤波器后输出的电压,iLx(x=a、b、c)是经过滤波电感的电流值,iox(x=a、b、c)是经过LC滤波器后输出的电流值,Ls是LC滤波器电感值,Cs是LC滤波器电容值。
将三相全桥变换器从abc三相静止坐标系下数学模型经过park变换得到dq两相旋转坐标系下数学模型:
其中,umd、umq是umx(x=a、b、c)在dq坐标系下的值,Δud、Δuq是Δux(x=a、b、c)在dq坐标系下的值,iLd、iLq是iLx(x=a、b、c)在dq坐标系下的值,iod、ioq是iox(x=a、b、c)在dq坐标系下的值。
由三相全桥逆变器数学模型,建立控制器电压闭环和电流闭环的控制方程:
其中,ksup是电压环比例系数,ksui是电压环积分系数,ksip是电流环比例系数。
通过三相全桥电路电压闭环控制方程和电流闭环控制方程,实现向变压器中注入正序、负序和零序电流的功能,动态调节逆变器的补偿电压实现动态电压补偿的功能。
电压故障检测环节包含电网基波电压锁相、电压矢量求和、电压比较三个部分。由电压电流检测环节得到的dq坐标系下三相相电压ud、uq可以求得电压在dq坐标系下的矢量和udq,比较电压矢量和udq和额定电压u0,得到补偿电压Δu,当补偿电压Δu超过设定的阈值时,判断发生电压故障,对输出电压进行补偿。
动态电压补偿补偿环节包含补偿电压计算、park反变换、PWM三个部分。由电压故障检测环节中得到的dq坐标系下电压矢量和额定电压矢量u0对比,得到补偿电压Δu,通过电压电流双闭环控制和PWM得到三相全桥逆变器的控制电压Δuga、Δugb、Δugc
基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器其无功电流补偿部分各单元独立、易于模块化的水平扩展,其动态电压补偿部分输出电压与变压器副边星型连接的绕组相串联,实现电压动态补偿。
基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器实现了传统输电变压器基础上大功率的无功电流补偿和动态电压补偿。通过控制混合型变压器中的电力电子装置可以优化电网潮流路径、降低电网功率损耗、提高电网的电能传输效率和电能质量,增强输电网的稳定性。通过传统变压器和单星型MMC结构的组合,即克服了传统变压器对电网电能质量调控能力不足的缺陷,也弥补了电力电子变压器无法实现大功率输电的弱点。
相比于现有的混合型电力电子变压器,本发明中无功电流补偿模块采用单星型MMC结构,其输入电压和输入电流的等级较高,可以实现高变比变压器的功能,实现高压大容量的无功补偿。

Claims (8)

1.一种基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器,其特征在于:三相变压器、原边接触器、三相单星型MMC、公共直流母线、三相全桥逆变器、LC滤波器和副边接触器;
三相变压器原边绕组采用三角形连接,副边绕组采用星型连接;
每一相的单星型MMC通过一个原边接触器并联在该相对应的变压器原边绕组线圈上,三相单星型MMC的输出并联连接在公共直流母线上;
三相全桥逆变器的直流输入侧连接在公共直流母线上,交流输出侧经过LC滤波器后,通过副边接触器串联接入三相变压器副边绕组的星型连接中。
2.根据权利要求1所述的基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器,其特征在于:每一相的单星型MMC由若干半桥模块串联而成,每个半桥模块包括半桥整流电路、直流滤波电容和DHB隔离型DC/DC变换器;
半桥模块的输入侧串联半桥整流电路,经过半桥整流电路后通过直流滤波电容进行滤波,再通过DHB隔离型DC/DC变换器将高压直流电压降低,连接到公共直流母线上。
3.根据权利要求1所述的基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器,其特征在于:三相全桥逆变器结构包含6个场效应晶体管和6个反向并联二极管。
4.一种基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器的控制方法,其特征在于:所述控制方法包括无功电流补偿控制和动态电压补偿控制;对三相单星型MMC采用电流闭环控制的方法进行无功电流补偿;对三相逆变器采用电压电流双闭环控制的方法进行动态电压补偿。
5.根据权利要求4所述的基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器,其特征在于:所述无功电流补偿控制包含无功功率计算、补偿电流计算、补偿电流闭环控制、直流母线电压闭环控制和PWM控制;
计算输电变压器的无功功率,根据无功电流补偿比例和单星型MMC输出电流的限制计算无功补偿电流,通过电流闭环控制和直流母线电压闭环控制,控制信号经PWM调制控制开关器件,对无功电流进行补偿。
6.根据权利要求5所述的基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器,其特征在于:所述无功功率计算:检测三相静止坐标系下的电压电流,转换得到dq坐标系下变压器副边绕组电压电流,计算得到输电变压器的无功功率。
7.根据权利要求4所述的基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器,其特征在于:所述动态电压补偿控制包含补偿电压计算、电压电流双闭环控制和PWM控制;
计算补偿电压,通过电压电流双闭环控制和PWM调制控制开关器件,控制三相全桥逆变器的电压。
8.根据权利要求7所述的基于单星型MMC结构的混合型电力电子变压器,其特征在于:所述补偿电压计算:检测三相静止坐标系下的电压电流,转换得到dq坐标系下的三相相电压,求得电压在dq坐标系下的矢量和,比较电压矢量和与额定电压,得到补偿电压。
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