自耦式模块化多电平高压直流‑直流变压器及其控制方法

摘要

本发明涉及一种自耦式模块化多电平高压直流‑直流变压器及其控制方法，本发明变压器上部换流器采用全桥子模块、半桥子模块混合型模块化多电平换流器，下部换流器采用半桥子模块型模块化多电平换流器，上下换流器通过自耦形式实现能量交互。根据给定交流变压器的最优额定变比和子模块选取原则，在保留直流故障隔离能力的前提下，最大限度减少器件需求从而降低成本。基于精确反馈线性控制策略，可充分利用直流变压器交流侧部分没有电网扰动，系统参数可以精确测量等特点，取得良好的控制性能。本发明的直流故障快速隔离可有效防止两个直流电网间直流故障传递和扩大，具有传输容量大、直流电压等级高等优点，适用于高压大容量直流电网输电场合。

主权项

一种自耦式模块化多电平高压直流‑直流变压器的控制方法，其特征在于：所述自耦式模块化多电平高压直流‑直流变压器包括上部换流器、下部换流器和工频交流变压器；所述上部换流器交流侧经所述工频交流变压器与所述下部换流器连接；所述上部换流器高位直流端口H1和所述下部换流器低位直流端口L2构成高压直流输出口，所述上部换流器低位直流端口H2和所述下部换流器高位直流端口L1直接连接，所述下部换流器两个端口L1、L2构成低压直流输出口；所述上部换流器采用子模块混合型模块化多电平换流器，其包括三相桥臂，所述三相桥臂的中点位置连接所述工频交流变压器的三相电压端；每相桥臂均由电感、N个半桥子模块组成的阀段V1和M个箝位双子模块组成的阀段V2串联构成；每个所述半桥子模块均采用由两个绝缘栅双极型晶体管和一个电容构成的半桥单元，所述两个绝缘栅双极型晶体管串联，在第一个所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与第二个所述绝缘栅双极型晶体管的发射极之间连接所述电容；每个所述箝位双子模块都由两个半桥单元、一个引导绝缘栅双极型晶体管和两个二极管构成，所述两个半桥单元串联连接，位于所述两个半桥单元之间在第一个所述半桥单元正向输出端和负向输出端分别串联一个所述二极管，并在两个所述二极管之间连接所述引导绝缘栅双极型晶体管；所述下部换流器采用半桥子模块型模块化多电平换流器，其包括三相桥臂，所述三相桥臂的中点位置连接所述工频交流变压器的三相端；每相桥臂都由H个半桥子模块和一电感串联构成；所述工频交流变压器的额定变比n_t为：$n_t=\frac{U_{m1}}{U_{m2}}=\frac{k_1(U_{dc1}-U_{dc2})}{k_2{U}_{dc2}}=\frac{k_1}{k_2}(n-1),$式中，U_dc1为所述上部换流器的直流输出电压；U_dc2为所述下部换流器的直流输出电压；k₁、k₂分别为所述上、下部换流器交流输出电压调制比；U_m1为所述上部换流器的交流输出相电压幅值；U_m2为所述下部换流器的交流输出相电压幅值；n为所述工频交流变压器变比，n＝U_dc1/U_dc2；所述上部换流器桥臂内半桥子模块和箝位双子模块的数量关系如下：(N+2M)U_c＝U_dc1‑U_dc2，式中，N为半桥子模块的个数，M为箝位双子模块的个数，U_c为所述半桥子模块中的电容电压；所述控制方法包括上部换流器的控制方法和下部换流器的控制方法：所述上部换流器采用带环流抑制的控制结构，控制方式为定交流电压幅值和定频率，其具体控制方法如下：1)由交流电压幅值E_m和频率f确定第j相虚拟输出电压e_j，j＝a，b，c，表示三相电；其中，虚拟输出电压e_j由如下公式确定：式中，t为时间，f＝50赫兹；2)将上部换流器内上桥臂的桥臂电流测量值i_jp与下桥臂的桥臂电流测量值i_jn相加后经1/2运算后得到第j相环流分量，即内部不平衡电流i_jz：$i_{jz}=\frac{i_{jp}+i_{jn}}{2};$3)第j相的环流分量i_jz依次经abc/dq坐标变换、基于反馈线性化解耦的环流抑制控制器和dq/abc坐标变换后，会在上、下桥臂引起环流电势u_jz：$u_{jz}=L_0\frac{{\mathrm{di}}_{jz}}{dt}+R_0{i}_{jz};$上式中，L₀为桥臂电感，R₀为桥臂电阻；4)利用换流器内部运行机理，得出环流电势u_jz、虚拟输出电压e_j和上、下桥臂电压之间的关系，根据步骤1)中获得的虚拟输出电压e_j与步骤3)中获得的环流电势u_jz求和后，与直流电压U_dc进行运算得到上桥臂的调制电压参考值u_jp、下桥臂的调制电压参考值u_jn分别为：$u_{jp}=\frac{U_{dc}}{2}-e_j-u_{jz};$$u_{jn}=\frac{U_{dc}}{2}+e_j-u_{jz};$5)将上桥臂的调制电压参考值u_jp、下桥臂的调制电压参考值u_jn除以单个半桥单元中电容C的电压U_c，然后取整作为最终投入的电容个数N_L，其余电容处于旁通状态，以满足导通桥臂所需要的输出电平；最终投入的电容个数N_L为：$N_L=Round\left(\frac{u_{jk}}{U_c}\right);j=a,b,c;k=p,n;$式中，Round(x)表示取与变量x最接近的整数；6)实时监测桥臂电流方向，并对导通桥臂所有子模块电容电压从小到大进行排序，根据电容电压平衡策略，确定具体投入的子模块和旁通的子模块，进而形成各每个桥臂中的绝缘栅双极型晶体管的触发脉冲信号；所述电容电压平衡策略为：根据桥臂电流极性方向和子模块投切量，优先对电容电压高的模块电容放电，对电容电压低的模块电容充电；若当桥臂电流为正时，则正投入序号为1，2，…N_L为电容即进行充电，其余电容即被旁通；若桥臂电流为负时，则负投入序号为1，2，…N_子模块即进行充电，正投入序号为N+2M，N+2M‑1，…N+2M‑N_L+1电容进行放电，其余电容被旁路；所述下部换流器采用环流抑制的控制结构，控制方式为定有功功率和定无功功率，无功功率控制在0Mvar；所述下部换流器的控制方法中，所述下部换流器的控制方法与所述上部换流器的控制方法类似，所述下部换流器采用定无功功率控制方式，所述下部换流器控制方法中第j相虚拟输出电压e_j是根据给定的功率参考值P_ref、Q_ref，经过比例‑积分外环功率控制器得到d轴参考电流值i_dref、q轴参考电流值i_qref，并输入基于反馈线性化解耦的内环电流控制器，确定第j相的虚拟输出电压e_j。