CN111900884A - 一种直流配网的电力电子变压设备及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流配网的电力电子变压设备及其控制方法，属于电力电子变压技术领域，包括输入级、隔离级和输出级顺序串联连接构成，输入级由高压交流侧的钳位双子组成，隔离级由N个并联的隔离型DC‑DC变换器组成，输出级由低压侧DC‑DC模块串联连接而成；隔离型DC‑DC变换器的接受高压直流侧的电压，转换至DC‑DC模块使用的低压直流侧的电压，采用拓扑可以与半桥模块相同，能够进行正常的稳态运行，为后续直流故障测试提供了依据，提高输出电压质量；满***直流配电网的需求；一方面可以输出高质量的直流电，另一方面可以更好的适应交直流混合配电网的应用环境；新型PET拓扑结构在直流侧发生故障时，实现直流故障自清除。

Description

一种直流配网的电力电子变压设备及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变压技术领域，特别涉及一种直流配网的电力电子变压设备及其控制方法。
背景技术
随着大功率电力电子技术的发展，电力电子变压器PET作为一种新型的电压变换、能量传递电器，正得到了越来越多的关注，具有广阔的应用前景。它通过电力电子器件和电力电子变流技术，对电力***中的能量进行转换和控制，以替代配电***中的传统电力变压器。
目前电力电子变压器的核心拓扑多采用双有源全桥双向DC-DC变换器，采用的控制方法通常有：单移相控制、双重移相控制、三重移相控制、PWM加移相控制、非对称占空比移相控制。上述控制方法在不同程度上减小了回流功率，但均不能完全消除回流功率，同时软开关范围较窄，造成电力电子变压器效率低下，并且控制算法比较复杂，不易实现，且稳定性及可靠性不能完全保证，对于大规模的推广应用存在较大难度。
用于直流配网的电力电子变压器是一种基于电力电子变换技术、具备高频链路环节、软开关技术，能够实现直流变压、变流与电气隔离的电能变换装置。用于直流配网的电力电子变压器具备如下特点：
1)中间交流环节采用高频变压器代替了传统的工频变压器，减小了变压器的体积和重量；
2)原副边电压、电流精确可控，与传统配电变压器比较，在很大程度上提高了电能质量；
3)电力电子变压器的核心拓扑为模块化结构设计，便于模块的拆卸与维护，并且对于不同的应用场景，易于自由组合来适应不同的电压等级要求及***容量要求；
4)可用于不同的中、低压直流母线的互联，且低污染、高效率、智能化等优势为智能电网的建设提供了一定的保障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流配网的电力电子变压设备及其控制方法，一方面可以输出高质量的直流电，另一方面可以更好的适应交直流混合配电网的应用环境；新型PET拓扑结构在直流侧发生故障时，实现直流故障自清除，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种直流配网的电力电子变压设备，包括输入级、隔离级和输出级顺序串联连接构成，输入级由高压交流侧的钳位双子组成，隔离级由N个并联的隔离型DC-DC变换器组成，输出级由低压侧DC-DC模块串联连接而成；
隔离型DC-DC变换器的接受高压直流侧的电压，转换至DC-DC模块使用的低压直流侧的电压。
进一步地，钳位双子由两个半桥子模块通过两个钳位二极管Vdc和一个双极型晶体管Vt0组成，半桥子模块由双极型晶体管Vt1、双极型晶体管Vt2和电容C1组成，双极型晶体管Vt1的源极和双极型晶体管Vt2的漏极串联，并且还并联高压的A端接口，双极型晶体管Vt1的漏极和双极型晶体管Vt2的源极与电容C1和钳位二极管Vdc并联，并且多个半桥子模块两端接在双极型晶体管Vt0的漏极和源极的两端，工作状态下，中间的双极型晶体管Vt0会一直连通，保证两个半桥子模块相连，输出电压两倍。
进一步地，钳位双子与三相线连接的之间串联电感L，电感L产生感应电流抵消三相线上的电流。
进一步地，隔离型DC-DC变换器包括电容C1、第一H桥整流、第二H桥整流、电容C2和电容C3，第一H桥整流和第二H桥整流之间通过变压器T耦合，电容C1并联接在第一H桥整流上，电容C2和电容C3串联接在第二H桥整流的另一端，隔离型DC-DC变换器的两路H桥整流并且配合变压器T将高压直流电压降压至低压直流电压，中间隔离级的隔离型DC-DC变换器也实现了高压测与低压侧的电气隔离功能。
进一步地，DC-DC模块与隔离型DC-DC变换器的低压侧并联。
本发明提出的另一种技术，包括一种直流配网的电力电子变压设备的控制方法，包括以下步骤：
S1：高压交流侧的钳位双子将高压三相交流电压HVAC变换成高压直流HVDC，采集输入级网侧的电压和电感电流；
S2：中间隔离级的隔离型DC-DC变换器将得到的高压直流电压HVDC变换成LVDC；
S3：采集隔离级的滤波电感电流和输出电压；
S4：稳定低压的经过两路H桥整流并且配合变压器T将高压直流电压降压至低压直流电压，中间隔离级的隔离型DC-DC变换器也实现了高压测与低压侧的电气隔离功能为直流电采集量输入到输出级；
S5：输出电压经过反馈电路与设定好的比较电压进行比较，并同时产生差错电压信号，该差错电压信号将会通过DC-DC模块的内部电路输入到PWM模块，然后PWM根据差错电压的大小来进行占空比的调节，经调节得到负载侧的恒压、恒频的交流电压。
进一步地，针对S5中，低压级只需要单相交流电或只需要直流电，则将DC-DC模块替换为相应功能的变流器或直流负载。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种直流配网的电力电子变压设备及其控制方法，直流配网的电力电子变压设备及其控制方法，钳位双子与三相线连接的之间串联电感L，电感L产生感应电流抵消三相线上的电流，柔性直流输电因其采用了可单独控制导通/关断的而非传统直流输电中的晶闸管，使得柔性直流输电可以工作在无源换流状态，独立控制有功和无功，无需额外的无功补偿，整个过程直流电压，直流母线电压能够很好跟踪指令电压投入无功后电网电压及电流波形，电流能够较快跟踪指令信号，拓扑子模块可以正常进行电压均衡控制，采用拓扑可以与半桥模块相同，能够进行正常的稳态运行，为后续直流故障测试提供了依据，提高输出电压质量；满***直流配电网的需求；一方面可以输出高质量的直流电，另一方面可以更好的适应交直流混合配电网的应用环境；新型PET拓扑结构在直流侧发生故障时，实现直流故障自清除。
附图说明
图1为本发明的变压工作原理；
图2为本发明的变压设备拓扑图；
图3为本发明的钳位双子原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，一种直流配网的电力电子变压设备，包括输入级、隔离级和输出级顺序串联连接构成，输入级由高压交流侧的钳位双子组成，隔离级由N个并联的隔离型DC-DC变换器组成，输出级由低压侧DC-DC模块串联连接而成。
隔离型DC-DC变换器的接受高压直流侧的电压，转换至DC-DC模块使用的低压直流侧的电压。
隔离型DC-DC变换器包括电容C1、第一H桥整流、第二H桥整流、电容C2和电容C3，第一H桥整流和第二H桥整流之间通过变压器T耦合，电容C1并联接在第一H桥整流上，电容C2和电容C3串联接在第二H桥整流的另一端，隔离型DC-DC变换器的两路H桥整流并且配合变压器T将高压直流电压降压至低压直流电压，中间隔离级的隔离型DC-DC变换器也实现了高压测与低压侧的电气隔离功能。
DC-DC模块与隔离型DC-DC变换器的低压侧并联。
请参阅图3，钳位双子由两个半桥子模块通过两个钳位二极管Vdc和一个双极型晶体管Vt0组成，半桥子模块由双极型晶体管Vt1、双极型晶体管Vt2和电容C1组成，双极型晶体管Vt1的源极和双极型晶体管Vt2的漏极串联，并且还并联高压的A端接口，双极型晶体管Vt1的漏极和双极型晶体管Vt2的源极与电容C1和钳位二极管Vdc并联，并且多个半桥子模块两端接在双极型晶体管Vt0的漏极和源极的两端，工作状态下，中间的双极型晶体管Vt0会一直连通，保证两个半桥子模块相连，输出电压两倍，即电容一定是在桥臂当中，这其实就保证了在故障发生时，能够使用MMC自身的电容来吸收故障电流，清除故障电流，保证不产生震荡。
钳位双子与三相线连接的之间串联电感L，电感L产生感应电流抵消三相线上的电流，柔性直流输电因其采用了可单独控制导通/关断的而非传统直流输电中的晶闸管，使得柔性直流输电可以工作在无源换流状态，独立控制有功和无功，无需额外的无功补偿，整个过程直流电压，直流母线电压能够很好跟踪指令电压投入无功后电网电压及电流波形，电流能够较快跟踪指令信号，拓扑子模块可以正常进行电压均衡控制，采用拓扑可以与半桥模块相同，能够进行正常的稳态运行，为后续直流故障测试提供了依据。
本发明提出的另一种技术，包括一种直流配网的电力电子变压设备的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：高压交流侧的钳位双子将高压三相交流电压HVAC变换成高压直流HVDC，采集输入级网侧的电压和电感电流；
步骤二：中间隔离级的隔离型DC-DC变换器将得到的高压直流电压HVDC变换成LVDC；
步骤三：采集隔离级的滤波电感电流和输出电压；
步骤四：稳定低压的经过两路H桥整流并且配合变压器T将高压直流电压降压至低压直流电压，中间隔离级的隔离型DC-DC变换器也实现了高压测与低压侧的电气隔离功能为直流电采集量输入到输出级；
步骤五：输出电压经过反馈电路与设定好的比较电压进行比较，并同时产生差错电压信号，该差错电压信号将会通过DC-DC模块的内部电路输入到PWM模块，然后PWM根据差错电压的大小来进行占空比的调节，经调节得到负载侧的恒压、恒频的交流电压，低压级只需要单相交流电或只需要直流电，则将DC-DC模块替换为相应功能的变流器或直流负载。
输入级C-MMC控制采用直接电流控制方式，控制器为双环控制结构；调制策略采用最近电平逼近调制
隔离级DC-DC变换器的控制常用的方法有：占空比控制和通过开环控制将输入级得到的直流电压变换为占空比为50％的高频方波，输出级DC/AC模块采用三相四线制逆变器结构，控制策略采用双闭环控制，电压外环采用比例谐振，电流内环采用PI控制；输入的高压交流电经过初级变化调制为高压直流电，在通过高平的变压器的绕组将高平直流耦合降压至低压的直流电压，DC/DC模块采用Buck-Boost电路，控制方式主要由电压模式控制和电流模式控制，采用电流模式控制，用于高压交流电转变为高压直流并且整流为低压交流电。
减少高频变压器数量，有利于提高PET的功率密度，降低***造价；提高输出电压质量；满***直流配电网的需求；新型PET拓扑结构可以引出共同的直流母线，一方面可以输出高质量的直流电，另一方面可以更好的适应交直流混合配电网的应用环境；新型PET拓扑结构在直流侧发生故障时，通过闭锁输入级实现直流故障自清除。
综上所述：本发明的直流配网的电力电子变压设备及其控制方法，钳位双子与三相线连接的之间串联电感L，电感L产生感应电流抵消三相线上的电流，柔性直流输电因其采用了可单独控制导通/关断的而非传统直流输电中的晶闸管，使得柔性直流输电可以工作在无源换流状态，独立控制有功和无功，无需额外的无功补偿，整个过程直流电压，直流母线电压能够很好跟踪指令电压投入无功后电网电压及电流波形，电流能够较快跟踪指令信号，拓扑子模块可以正常进行电压均衡控制，采用拓扑可以与半桥模块相同，能够进行正常的稳态运行，为后续直流故障测试提供了依据，提高输出电压质量；满***直流配电网的需求；一方面可以输出高质量的直流电，另一方面可以更好的适应交直流混合配电网的应用环境；新型PET拓扑结构在直流侧发生故障时，实现直流故障自清除。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直流配网的电力电子变压设备，其特征在于，包括输入级、隔离级和输出级顺序串联连接构成，输入级由高压交流侧的钳位双子组成，隔离级由N个并联的隔离型DC-DC变换器组成，输出级由低压侧DC-DC模块串联连接而成；
隔离型DC-DC变换器的接受高压直流侧的电压，转换至DC-DC模块使用的低压直流侧的电压。
2.如权利要求1所述的一种直流配网的电力电子变压设备，其特征在于，其中，钳位双子由两个半桥子模块通过两个钳位二极管Vdc和一个双极型晶体管Vt0组成，半桥子模块由双极型晶体管Vt1、双极型晶体管Vt2和电容C1组成，双极型晶体管Vt1的源极和双极型晶体管Vt2的漏极串联，并且还并联高压的A端接口，双极型晶体管Vt1的漏极和双极型晶体管Vt2的源极与电容C1和钳位二极管Vdc并联，并且多个半桥子模块两端接在双极型晶体管Vt0的漏极和源极的两端，工作状态下，中间的双极型晶体管Vt0会一直连通，保证两个半桥子模块相连，输出电压两倍。
3.如权利要求2所述的一种直流配网的电力电子变压设备，其特征在于，钳位双子与三相线连接的之间串联电感L，电感L产生感应电流抵消三相线上的电流。
4.如权利要求1所述的一种直流配网的电力电子变压设备，其特征在于，隔离型DC-DC变换器包括电容C1、第一H桥整流、第二H桥整流、电容C2和电容C3，第一H桥整流和第二H桥整流之间通过变压器T耦合，电容C1并联接在第一H桥整流上，电容C2和电容C3串联接在第二H桥整流的另一端，隔离型DC-DC变换器的两路H桥整流并且配合变压器T将高压直流电压降压至低压直流电压，中间隔离级的隔离型DC-DC变换器也实现了高压测与低压侧的电气隔离功能。
5.如权利要求1所述的一种直流配网的电力电子变压设备，其特征在于，DC-DC模块与隔离型DC-DC变换器的低压侧并联。
6.一种如权利要求1所述的直流配网的电力电子变压设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：高压交流侧的钳位双子将高压三相交流电压HVAC变换成高压直流HVDC，采集输入级网侧的电压和电感电流；
S2：中间隔离级的隔离型DC-DC变换器将得到的高压直流电压HVDC变换成LVDC；
S3：采集隔离级的滤波电感电流和输出电压；
S4：稳定低压的经过两路H桥整流并且配合变压器T将高压直流电压降压至低压直流电压，中间隔离级的隔离型DC-DC变换器也实现了高压测与低压侧的电气隔离功能为直流电采集量输入到输出级；
S5：输出电压经过反馈电路与设定好的比较电压进行比较，并同时产生差错电压信号，该差错电压信号将会通过DC-DC模块的内部电路输入到PWM模块，然后PWM根据差错电压的大小来进行占空比的调节，经调节得到负载侧的恒压、恒频的交流电压。
7.如权利要求6所述的一种直流配网的电力电子变压设备的控制方法，其特征在于，针对S5中，低压级只需要单相交流电或只需要直流电，将DC-DC模块替换为相应功能的变流器或直流负载。
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