应用于交直流混合配电网的固态变压器拓扑族及设计方法与流程

本发明涉及电力系统中智能配电网技术、电力电子技术等领域，具体地，涉及一种应用于交直流混合配电网的模块化固态变压器拓扑族及设计方法。

背景技术：

未来配电系统具有高比例分布式电源及柔性负荷(电动汽车、分布式储能)接入、用户高电能质量及多种电能形式的定制需求等特点，而泛在电力物联网的提出，使得以电网为核心的多种能源高效融合的新一代能源系统对配电网的灵活可控、弹性坚强提出了更高的要求。然而，传统配电网的运行模式基本是以供方主导、单向辐射状供电为主，其配电一次控制设备(有载调压器、联络开关等)调控能力欠缺，难以满足可再生能源和负荷频繁波动时配电网的高精度实时运行优化需求，且在配网的规划设计阶段和运行管理中，均未考虑分布式电源的接入。随着分布式电源接入量的不断增加，更有电动汽车的快速普及，储能和可控负荷的持续增多，现有配电网架构已很难满足新能源消纳、灵活可控、弹性坚强及用户对环境保护、供电可靠性、电能质量和优质服务的要求。

由于单一的交流或直流配网都存在其局限性，以新型全控柔性化配电装置为核心的柔性交直流混合配电系统是未来配电网的发展趋势之一。和传统配电网相比，交直流混合配电网具有如下优势：具备大规模消纳分布式电源和柔性负荷的能力；具备电压变换、电能质量综合控制、电能转换与存取、电能交换选择、能量平滑优化和信息交换等多种自适应控制特性，降低了配电网系统构成的复杂性；减少了分散的设备种类、数量，提高了运行可控性和维护性。固态变压器作为交直流混合配电网的核心装置，将在交直流混合配电网的关键节点处取代传统的配电变压器，需要满足多端口、高变比、多电压形态、故障隔离、高效电能传输等基本需求，并实现多向功率可控、提供多种即插即用接口等高级功能。

经检索，李子欣等发表的“面向中高压智能配电网的电力电子变压器研究”，《电网技术》(2013)，提出了一种基于模块化多电平换流器(mmc)和隔离型双有源桥变换器(dab)的电力电子变压器拓扑结构，实现多种交直流配电网的互联。该电力电子变压器拓扑有高压交流侧模块化多电平换流器(mmc)、中间输入串联输出并联的隔离型dc-dc变换器以及低压侧的三相四桥臂逆变器构成。模块化多电平换流器将高压侧三相交流电变换成高压直流；中间的输入串联输出并联型dc-dc变换器将mmc变换器的高压直流电压变换为低压直流电压，以供低压侧三相逆变器使用，同时，中间的dc-dc变换器也实现了高压侧和低压侧的电气隔离功能。相比于三相半桥级联型电力电子变压器，该拓扑提高了直流输出电压质量，显著减少了高频变压器和电力电子开关器件的用量，但该拓扑的中压网络和低压网络间需通过中压直流母线实现功率传递，导致mmc开关器件的电流应力较大。此外，中压直流母线上需额外串联电容以实现mmc和dab，增加了装置成本。因此该拓扑存在较大的优化空间。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种应用于交直流混合配电网的固态变压器拓扑族及设计方法，采用模块化多电平换流器(mmc)的子模块单元和隔离型双有源桥变换器(dab)单元互联的方式以实现中低压配电网间的功率传递，提供中压直流，中压交流，低压直流，低压交流四类端口，以适用于多电压等级多形态交直流混合配电网互联。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的第一方面，提供一种应用于直交流混合配电网的固态变压器拓扑族，包括模块化多电平换流器(mmc)、多个隔离型双有源桥变换器(dab)以及三相全桥逆变器，其中，

所述模块化多电平换流器(mmc)的子模块直流端和所述隔离型双有源桥变换器(dab)的输入端互联形成模块化结构，多个所述隔离型双有源桥变换器(dab)的输出端并联形成低压直流母线，所述低压直流母线上接入所述三相全桥逆变器，其中：

所述模块化多电平换流器(mmc)提供中压直流端口和中压交流端口，所述中压交流端口用于连接中压交流配电网，所述中压直流端口用于连接中压直流负载及实现中压直流配电网间柔性互联；

所述隔离型双有源桥变换器(dab)输出端并联，形成低压直流端口，所述低压直流端口用于连接所述三相全桥逆变器与低压直流电网；

所述低压直流母线通过所述三相全桥逆变器构成低压交流端口，所述低压交流端口用于与低压交流配电网相连；

通过上述四种端口能适用于多电压等级多形态交直流混合配电网互联。

优选的，所述模块化多电平换流器(mmc)包括一个或多个模块化电平换流器(mmc)子模块，当为多个模块化电平换流器(mmc)子模块时，所述多个模块化多电平换流器(mmc)子模块输入端串联构成模块化多电平换流器桥臂，每个子模块直流端口与对应隔离型双有源桥变换器子单元相连。

优选的，所述隔离型双有源桥变换器(dab)包括一个或多个隔离型双有源桥变换器(dab)子单元，当采用多个隔离型双有源桥变换器(dab)子单元时，每个所述隔离型双有源桥变换器(dab)子单元的输入端与对应模块化多电平换流器(mmc)直流端相连，输出端并联形成所述低压直流母线。

优选的，所述模块化电平换流器(mmc)子模块拓扑采用两电平拓扑或多电平拓扑，其中，所述两电平拓扑包括全桥型拓扑以及半桥型拓扑，所述多电平拓扑采用单极型多电平拓扑或双极型多电平拓扑。

优选的，所述单极型多电平拓扑通过在交流侧串联隔直电容转换为所述双极型多电平拓扑。

优选的，所述隔离型双有源桥变换器(dab)子单元由输入端变换器、高频隔离变压器、输出端换流器组成，所述高频隔离变压器连接在所述输入端变换器、所述输出端换流器之间。

优选的，所述模块化多电平换流器(mmc)子模块和隔离型双有源桥变换器(dab)子单元的输入端变换器拓扑在直流侧互联，两者拓扑电平数相匹配；其中：通过所述模块化电平换流器(mmc)子模块的电容实现所述模块化多电平换流器(mmc)的子模块和所述隔离型双有源桥变换器(dab)的互联。

优选的，所述输入端变换器拓扑采用两电平全桥拓扑或多电平拓扑，其中，所述多电平拓扑包括隔直电容型多电平拓扑或双极型多电平拓扑。

优选的，所述高频隔离变压器采用单相高频隔离变压器或三相高频隔离变压器。

优选的，所述隔离型双有源桥变换器(dab)模块拓扑的所述输出端换流器拓扑并联形成低压直流母线，所述输出端换流器拓扑可采用两电平全桥拓扑或多电平拓扑，其中，所述多电平拓扑包括隔直电容型多电平拓扑或双极型多电平拓扑；所述低压直流母线根据端口需要采用真双极或伪双极接线方式。

根据本发明的第二方面，提供一种上述应用于直交流混合配电网的固态变压器拓扑族的设计方法，包括：

s1,根据模块化电平换流器(mmc)子模块电平数量的不同，将子模块分为两电平子模块和多电平子模块；其中，

所述两电平子模块分为半桥模块和全桥模块；

所述多电平子模块分为单极型多电平拓扑、双极型多电平拓扑以及隔直电容型多电平拓扑三类；

对于所述模块化电平换流器(mmc)子模块而言，采用两电平拓扑或单极型多电平拓扑；

对于所述隔离型双有源桥变换器(dab)子模块而言，输入端和输出端采用全桥型拓扑、隔直电容型多电平拓扑或双极型多电平拓扑；

根据以上分类及固态变压器设计需求确定所述模块化电平换流器(mmc)子模块和所述隔离型双有源桥变换器(dab)输入输出端具体拓扑，其中，所述模块化电平换流器(mmc)子模块和隔离型双有源桥变换器(dab)单元输入端在直流侧实现互联，为保证开关管耐压等级一致，两者的拓扑电平数需要匹配，所述隔离型双有源桥变换器(dab)的输出端并联形成低压直流母线；

s2,根据所述隔离型双有源桥变换器(dab)中高频隔离变压器相数，将所述高频隔离变压器分(dab)分为单相高频隔离变压器和三相高频隔离变压器，其中，所述三相高频隔离变压器所连三个输入端分别连接a、b、c三相模块化电平换流器(mmc)桥臂子模块；

根据以上分类及固态变压器设计需求确定所述隔离型双有源桥变换器(dab)中高频隔离变压器种类；

s3,根据确定的所述模块化电平换流器(mmc)子模块拓扑、所述隔离型双有源桥变换器(dab)输入输出端拓扑及高频隔离变压器种类，组合得到完整的固态变压器拓扑，并根据固态变压器设计需求完成相关电气参数的设计，确定端口接线方式(低压直流侧真双极或伪双极)，完成开关器件选型；

从而完成应用于直交流混合配电网的固态变压器拓扑族设计。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种有益效果：

1、现有的基于模块化多电平换流器(mmc)的电力电子变压器拓扑通过中压直流母线进行中低压网络间的功率传递，而本发明优化了能量传输路径，低压直流侧功率经由模块化多电平换流器子模块直流侧流入隔离型双有源桥变换器(dab)，从而有效降低mmc的桥臂电流直流分量，进而降低了mmc开关器件的电流应力。

2、现有拓扑通过在中压直流侧额外设置输入串联输出并联的隔离型dc-dc变换器实现中低压直流转换，而本发明通过mmc子模块电容实现所设计模块化多电平换流器(mmc)的子模块和隔离型双有源桥变换器(dab)的互联，从而形成新的固态变压器结构单元，模块化程度更高，成本更低。

3、本发明为基于模块化多电平换流器的新型固态变压器拓扑提供了一套完整的拓扑构造方法，在不同应用场景下可以依据该构造方法进行固态变压器内部子模块构造方案的设计，从而完成应用于直交流混合配电网的固态变压器拓扑族设计。

4、本发明所构造的多电平子模块拓扑结构及三相高频隔离变压器均可以用于降低固态变压器拓扑中子模块单元数量和所需的高频变压器数量，降低装置成本和体积。

5、本发明通过在dab单元输出端采用双极型多电平拓扑，只需单个装置即可实现低压直流母线端口的真双极接线方式，显著提高低压直流侧可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的固态变压器基本架构示意图；

图2为本发明一实施例中模块化多电平换流器(mmc)子模块拓扑及隔离型双有源桥(dab)单元拓扑分类示意图；

图3为本发明一实施例中高频隔离变压器拓扑分类示意图；

图4为本发明一实施例中两电平子模块拓扑组合方式一；

图5为本发明一实施例中两电平子模块拓扑组合方式二；

图6为本发明一实施例中三电平子模块拓扑组合方式一；

图7为本发明一实施例中三电平子模块拓扑组合方式二；

图8为本发明一实施例中三电平子模块拓扑组合方式三；

图9为本发明一实施例中三电平子模块拓扑组合方式四。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提出了一种应用于交直流混合配电网的固态变压器拓扑族，该拓扑族通过子模块直流侧进行中低压网络间功率传递，降低了模块化多电平换流器(mmc)的桥臂直流分量，优化了开关应力；模块化多电平换流器(mmc)的子模块单元和隔离型双有源桥变换器(dab)单元直接互联，省去了中压直流侧的串联电容，降低了装置体积和成本；提供中压直流，中压交流，低压直流，低压交流四类端口，以适用于多电压等级多形态交直流混合配电网互联。

如图1所示，一具体实施例中的应用于交直流混合配电网的固态变压器拓扑族的基本架构示意图。该实施例中的固态变压器拓扑族由模块化多电平换流器(mmc)，多个隔离型双有源桥变换器(dab)和三相全桥逆变器构成。该拓扑族首先通过模块化多电平换流器(mmc)提供中压直流端口和中压交流端口实现中压交流配电网和中压直流配电网的连接，其次通过模块化多电平换流器(mmc)的子模块单元和隔离型双有源桥变换器(dab)连接并将隔离型双有源桥变换器(dab)输出端并联以提供低压直流端口，实现中压网络和低压直流配电网的互联，最后通过连接三相全桥逆变器提供低压交流端口，实现低压直流配电网和低压交流配电网的互联。通过本实施例中拓扑族的应用，可实现多电压等级及多种交直流形态的配电网互联，为未来智能配电网的构建打下装备基础。

在优选实施例中，隔离型双有源桥变换器(dab)子单元由输入端变换器、高频隔离变压器、输出端换流器组成，高频隔离变压器连接在输入端变换器、输出端换流器之间。模块化多电平换流器(mmc)子模块和隔离型双有源桥变换器(dab)子单元的输入端变换器拓扑在直流侧互联，两者拓扑电平数相匹配；通过模块化电平换流器(mmc)子模块的电容实现模块化多电平换流器(mmc)的子模块和隔离型双有源桥变换器(dab)的互联。进一步的，输入端变换器拓扑可以采用两电平全桥拓扑或多电平拓扑，其中，多电平拓扑包括隔直电容型多电平拓扑或双极型多电平拓扑。高频隔离变压器可以采用单相高频隔离变压器或三相高频隔离变压器。隔离型双有源桥变换器(dab)模块拓扑的输出端换流器并联形成低压直流母线，输出端换流器拓扑采用两电平全桥拓扑或多电平拓扑，其中，多电平拓扑包括隔直电容型多电平拓扑或双极型多电平拓扑；低压直流母线根据端口采用真双极或伪双极接线方式。

基于上述的模块化固态变压器拓扑架构，通过将不同子模块拓扑单元分类，分析mmc子模块和dab单元的特性需求，并选择恰当的组合，构造出适用于交直流混合配电网的固态变压器拓扑族。具体的，包括以下设计方法：

首先根据子模块电平数量的不同，将子模块分为两电平子模块和多电平子模块。其中，两电平子模块可以分为半桥模块和全桥模块；多电平子模块根据交流输出极性的不同，可以分为单极型和双极型，此外，单极型的多电平拓扑可以通过在交流侧串联隔直电容，转换为双极型拓扑，因此总共可以分类为单极型多电平拓扑、双极型多电平拓扑以及隔直电容型多电平拓扑三类。对于mmc子模块而言，从模块升压需求上来说，不需要双极型拓扑，但也可根据实际情况的需要，采用双极型拓扑，因此mmc子模块可采用两电平拓扑或单极型多电平拓扑。对于dab子模块而言，其交流侧接入高频变压器，若交流电压带有直流偏置，将会降低变压器利用率，因此dab输入端需采用全桥型拓扑、隔直电容型多电平拓扑或双极型多电平拓扑。mmc子模块和dab单元输入端在直流侧实现互联，为保证开关管耐压等级一致，两者的拓扑电平数需要匹配，例如，三电平mmc子模块需和三电平dab互联，五电平mmc子模块需和五电平dab互联，以此类推。dab的输出端并联形成低压直流母线，可采用传统的全桥结构，也可采用隔直电容型多电平拓扑或双极型多电平拓扑，后者只需一套装置即可以提供真双极型接线方式。

其次，根据隔离型双有源桥变换器(dab)中高频隔离变压器相数，可以将高频隔离变压器分为单相高频隔离变压器和三相高频隔离变压器，其中，三相高频隔离变压器所连三个输入端分别连接a、b、c三相mmc桥臂子模块。采用三相高频隔离变压器控制复杂，但能有效降低高频隔离变压器数量，提高功率密度。

对于采用两电平子模块的固态变压器拓扑，模块化多电平换流器(mmc)子模块可选用半桥型拓扑或全桥型拓扑，隔离型双有源桥变换器输入输出端拓扑需选用全桥子模块，高频隔离变压器可选用单相或者三相变压器，三相变压器原边输入端分别接在a、b、c三相子模块处。

对于采用多电平子模块的固态变压器拓扑，以三电平子模块的固态变压器拓扑构造为例。首先将常见的几种三电平拓扑分为三类，单极型拓扑包括半桥级联型拓扑，二极管钳位型三电平拓扑；隔直电容型拓扑包括串联隔直电容的半桥级联型拓扑；双极型拓扑包括二极管钳位型三电平拓扑(中性点输出)。

随后，确定mmc子模块拓扑采取单极型拓扑，dab输入端拓扑采取双极型拓扑和隔直电容型拓扑，dab输出端拓扑可根据需要采取全桥结构或三电平拓扑，全桥拓扑器件更少，三电平拓扑可实现真双极接线方式。

采用更多的三电平拓扑，可以构造出更多的固态变压器子模块拓扑。

采用五电平或其他电平的拓扑，亦可采用本实施例上述方法实现固态变压器拓扑构造。

具体的，本发明上述实施例通过在dab单元输出端采用双极型多电平拓扑，可以实现低压直流母线端口的真双极接线方式，显著提高低压直流侧可靠性。

对于固态变压器内部子模块拓扑及高频变压器拓扑，其各自优势如下：

两电平半桥子模块通常用于mmc子模块，其优势在于所用开关管数量较少，损耗低，降低了成本和体积；

两电平全桥子模块可用于mmc子模块和dab输入输出端，相比于半桥子模块，其优势在于具备良好的故障穿越能力，可以通过闭锁来阻断直流故障电流。

单极型多电平子模块拓扑包括半桥级联型拓扑和二极管钳位型三电平拓扑，通常用于mmc子模块，可以有效降低mmc子模块个数。

双极型多电平子模块拓扑包括二极管钳位型三电平拓扑(中性点输出)，通常用于dab输入输出端，其优势在于减小了du/dt，从而降低了谐波失真率；拓扑中开关器件的电压应力直流电压的一半，因此可以提高单个dab模块电压等级，从而减少dab模块个数。

隔直电容型多电平子模块包括串联隔直电容的半桥级联型拓扑，通常用于dab输入输出端，其优势在于减小了du/dt，从而降低了谐波失真率；拓扑中开关器件的电压应力直流电压的一般，因此可以提高单个dab模块电压等级，从而减少dab模块个数；交流侧加入了隔直电容，可以消除高频变压器中的直流分量。

高频隔离变压器相比于传统变压器，工作频率更高，体积更小，广泛应用于固态变压器中。其中，单相高频隔离变压器控制较为简单；三相高频隔离变压器控制相对复杂，但是可以减少高频隔离变换器数量。

具体的，参照图1-9所示，在一具体实施例中：

如图1所示，为本实施例中的固态变压器基本架构示意图，其中：sm是指mmc变换器中的子模块，dab是指dab变换器单元，两者在直流侧实现互联，dab输出端并联形成低压直流母线，可在该母线上接入逆变器形成低压交流母线。因此，通过mmc和dab的组合，该固态变压器可形成中压交流，中压直流，低压交流，低压直流四个端口。

如图2所示，为本实施例的子模块拓扑分类示意图，其中：mmc的子模块sm可采用两电平拓扑与单极型三电平拓扑，两电平拓扑包括半桥型拓扑和全桥型拓扑，单极型三电平拓扑包括半桥级联型拓扑，二极管钳位型三电平拓扑。而dab变换器输入端与输出端换流器可采用全桥型拓扑、隔直电容型多电平拓扑和双极型多电平拓扑，隔直电容型多电平拓扑包括串联隔直电容的半桥级联型拓扑，双极型多电平拓扑包括二极管钳位型三电平拓扑(中性点输出)。

如图3所示，为本实施例的高频隔离变压器拓扑分类示意图，高频隔离变压器可以分为单相高频隔离变压器和三相高频隔离变压器，其中，三相高频隔离变压器所连三个输入端分别连接a、b、c三相桥臂子模块。

如图4所示，为本实施例的两电平子模块拓扑组合方式一示意图，其中：mmc子模块sm侧采用半桥型两电平或全桥型两电平拓扑，dab变换器采用单相高频隔离变压器，输入端与输出端均采用全桥型拓扑。

如图5所示，为本实施例的两电平子模块拓扑组合方式二示意图，其中：mmc子模块sm侧采用半桥型两电平或全桥型两电平拓扑，dab变换器采用三相高频隔离变压器，输入端与输出端均采用全桥型拓扑，采用三相高频隔离变压器。

如图所6示，为本实施例的三电平子模块拓扑组合方式一示意图，其中：mmc子模块sm侧采用半桥级联型三电平拓扑或二极管钳位型三电平拓扑，dab变换器采用单相高频隔离变压器，输入端采用串联隔直电容的半桥级联三电平拓扑或二极管钳位型三电平拓扑(中性点输出)，输出端采用全桥型拓扑。

如图所7示，为本实施例的三电平子模块拓扑组合方式二示意图，其中：mmc子模块sm侧采用半桥级联型三电平拓扑或二极管钳位型三电平拓扑，dab变换器采用单相高频隔离变压器，输入端和输出端均采用串联隔直电容的半桥级联三电平拓扑或二极管钳位型三电平拓扑(中性点输出)，输出端中点提供出线，实现真双极接线方式。

如图所8示，为本实施例的三电平子模块拓扑组合方式三示意图，其中：mmc子模块sm侧采用半桥级联型三电平拓扑或二极管钳位型三电平拓扑，dab变换器采用三相高频隔离变压器，输入端采用串联隔直电容的半桥级联三电平拓扑或二极管钳位型三电平拓扑(中性点输出)，输出端采用全桥型拓扑。

如图所9示，为本实施例的三电平子模块拓扑组合方式四示意图，其中：mmc子模块sm侧采用半桥级联型三电平拓扑或二极管钳位型三电平拓扑，dab变换器采用三相高频隔离变压器，输入端和输出端均采用串联隔直电容的半桥级联三电平拓扑或二极管钳位型三电平拓扑(中性点输出)，输出端中点提供出线，实现真双极接线方式。

由上述实施例可见，本实施例从模块化多电平(mmc)子模块和隔离型双有源桥变换器(dab)拓扑两个维度出发，通过排列组合的方式，构造出适用于交直流混合配电网的固态变压器拓扑族，从而在得到契合于特定场景需求的固态变压器装置前提下，减少固态变压器装置内子模块数量和高频变压器数量，减少体积与成本，为不同应用场景下的模块化固态变压器拓扑的选型打下基础。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。