本发明属于电力电子技术领域,涉及一种多端口电能路由器及其控制方法,具体涉及一种基于mmc和sst集成技术的中低压交直流混联电能路由器及其控制方法。
背景技术:
电能路由器,也称电力电子变压器、能量路由器等,是能源互联网的关键部件,随着多种形式的新能源接入、电动汽车数量的不断攀升、大量的数据中心负荷接入等原因,交直流电网互联、多种电压等级的电网互联是未来能源互联网的必然要求。因此,电能路由器需提供多端口、多电压等级、交直流混联的功能。
在此背景下,mmc(modularmultilevelconverter,模块化多电平换流器)、sst(solid-statetransformer,固态变压器)等新型电力电子拓扑及其控制方法不断涌现,利用mmc可方便地进行交直流混联以及不同电压等级的转换,而sst则便于对直流电压进行变压。然而,面对当前电能路由器的多端口、多电压等级、交直流混联的功能需求,利用多电平变换器、mmc或sst进行电能路由器的开发,仍存在性能不强、集成度低、结构和控制复杂、效率低以及成本高的问题。现有技术(比如cn105610336b)通常利用mmc和两电平dc/dc变换器结合,发明了一种多端口电力电子变压器,实现高低压电网的连接,但需使用大量的变压器、dc/dc变换器以及不可避免的桥臂电抗器,使得系统结构及控制方法变得很复杂,制约了技术的应用。
为此,新型多端口电能路由器技术的研究和开发,显然是非常有必要而且是迫在眉睫的。
技术实现要素:
本发明针对现有电能路由器技术和产品存在的集成度低、结构和控制复杂、效率低以及成本高的问题,提供了一种多端口电能路由器及其控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种多端口电能路由器,包括双向电能端口、三相mmc-sst混合电路和电抗器lg,其中:
所述双向电能端口包括中压交流mvac端口、中压直流mvdc端口、低压直流lvdc端口;
所述三相mmc-sst混合电路中,a相、b相和c相均由上桥臂子模块串、下桥臂子模块串和mmc-sst集成模块组成;
所述上桥臂子模块串和下桥臂子模块串分别由子模块sm1~smn串联构成;
所述a相、b相和c相中,每一相的上桥臂子模块串的第一个子模块sm1的正极均连接到中压直流mvdc端口的“+”端,第n个子模块smn的负极连接到各相内的mmc-sst集成模块的tp端;
所述a相、b相和c相中,每一相的下桥臂子模块串的第一个子模块sm1的正极均连接到各相内的mmc-sst集成模块的tn端,第n个子模块smn的负极均连接到中压直流mvdc端口的“-”端;
所述a相、b相和c相中,每一相的mmc-sst集成模块的to端经电抗器lg连接到中压交流mvac端口;
所述mmc-sst集成模块的内部均包括一个三绕组变压器、一个谐振电容cr和一个ac/dc双向变换器;
所述mmc-sst集成模块中的变压器绕组n1与谐振电容cr串联后连接到ac/dc双向变换器的一端,ac/dc双向变换器的另一端连接到低压直流lvdc端口;
所述mmc-sst集成模块中的mmc桥臂侧两个绕组n2和n3分别串联在mmc上桥臂和下桥臂中,绕组n2的同名端连接到tp,绕组n2的异名端和绕组n3的同名端连接到to,绕组n3的异名端则连接到tn,一方面,可以和低压直流lvdc侧绕组n1进行电能的交换,实现mmc与低压直流lvdc端口的电能交换,另一方面,n2和n3绕组的漏感ll和励磁电感lm可用于构成mmc的桥臂电感,也即变压器同时实现隔离、电能交换和集成桥臂电感的功能。对于mmc交流回路,mmc桥臂等效电感leq=ll/2,对于mmc直流回路,mmc桥臂电感larm=ll+lm。
本发明中,所述mmc-sst集成模块中的变压器,只要便于实现mmc上下桥臂电感的集成和实现mmc与低压直流lvdc端口的能量交换,可以采用不同形式的变压器绕组结构,这些不同结构形式的共性是:在tp和tn之间有两个一样的绕组(n2和n3绕组)串联,这两个绕组的连接处为to,低压侧绕组通过谐振电容串联接入ac/dc双向变换器。
本发明中,所述mmc-sst集成模块中的谐振电容cr与变压器漏感构成谐振腔,可实现谐振变换器,如果将谐振电容cr替换成导线(即cr两端短路,删除cr),则mmc-sst集成模块可实现dab(双有源桥式变换器)。
本发明的工作原理和控制方法如下:
在a、b、c各相的每个桥臂上,控制生成
相比于现有技术,本发明具有如下优点:
(1)在mmc的桥臂上集成变压器,利用变压器漏感和励磁电感构成桥臂电感,提高系统的集成度,减小体积和成本,同时,通过变压器隔离提高系统的安全性。
(2)使用单个mmc即可实现mvdc、mvac和lvdc端口互联,在lvdc端口利用传统dc/ac变换器可轻易实现(低压交流端口)lvac,因此本发明可实现中压和低压交直流电网互联,结构简单,控制简便,功能强,安全性高。
(3)连接方式多样,可适应不同应用场景,与现有技术和产品相比,具有更广泛的应用前景。
附图说明
图1为多端口电能路由器的电路结构;
图2为mmc-sst集成模块的两种衍生结构;
图3为低压直流lvdc1-lvdc3端口独立使用示意图;
图4为低压直流lvdc1-lvdc3端口并联使用示意图;
图5为多端口电能路由器的控制方法;
图6为多端口电能路由器的另一种控制方法;
图7为mmc电容电压波形;
图8为低压直流端口电压和电流波形;
图9为中压直流端口电压和电流波形;
图10为中压交流端口电压和电流波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
图1展示了多端口电能路由器的电路结构的一个具体实施例,该电路结构由3个上桥臂子模块串、3个下桥臂子模块串、mmc-sst集成模块1、mmc-sst集成模块2、mmc-sst集成模块3、电抗器lg、中压交流mvac端口、中压直流mvdc端口、低压直流lvdc1-lvdc3端口组成。上桥臂子模块串和下桥臂子模块串分别由n个子模块(sm1~smn)串联构成。mmc-sst集成模块1、mmc-sst集成模块2和mmc-sst集成模块3内部均由1个三绕组中频变压器、1个谐振电容cr和1个ac/dc双向变换器组成,中频变压器的三个绕组分别为n1、n2和n3,优选n2和n3绕组参数(匝数、漏感、励磁电感)相同,作为一个优选实施例,变压器绕组可选择n1:n2:n3=3:8:8。谐振电容cr的取值可通过中频变压器的工作频率fm和n1绕组侧的等效漏感lr来确定。在本实施例中,设计n1绕组侧的等效漏感lr=20μh,设定中频变压器的工作频率fm为5khz,则可计算
上桥臂子模块串的第一个子模块sm1的正极均连接到中压直流mvdc端口的“+”端,第n个子模块smn的负极则连接到各相内的mmc-sst集成模块的tp端,每一相的下桥臂子模块串的第一个子模块sm1的正极均连接到各相内的mmc-sst集成模块的tn端,第n个子模块smn的负极则连接到中压直流mvdc端口的“-”端。a、b和c各相mmc-sst集成模块的to端经电抗器lg连接到中压交流mvac端口;mmc-sst集成模块中的变压器绕组n1与谐振电容cr串联后连接到ac/dc双向变换器的交流端,ac/dc双向变换器的直流端则连接到低压直流lvdc端口,绕组n2的同名端连接到tp,绕组n2的异名端和绕组n3的同名端连接到to,绕组n3的异名端则连接到tn。
图1所示的多端口电能路由器的电路结构中,mmc-sst集成模块1、mmc-sst集成模块2、mmc-sst集成模块3内部电路有多种衍生结构,作为一个具体实施例,图2展示了5种衍生结构。衍生结构1由两个双绕组变压器、两个谐振电容和两个ac/dc双向变换器组成,变压器绕组n1和n3分别与谐振电容cr串联后连接到ac/dc双向变换器,两个ac/dc双向变换器的输出端可以并联或者串联。在本实施例中,两个ac/dc双向变换器的输出端串联使用;绕组n2的同名端连接到tp,绕组n2的异名端和绕组n4的同名端连接到to,绕组n4的异名端则连接到tn。结构2由一个四绕组变压器、两个谐振电容和两个ac/dc双向变换器组成,变压器绕组n1和n3分别与谐振电容cr串联后连接到ac/dc双向变换器,两个ac/dc双向变换器的输出端可以并联或者串联。在本实施例中,两个ac/dc双向变换器的输出端串联使用;绕组n2的同名端连接到tp,绕组n2的异名端和绕组n4的同名端连接到to,绕组n4的异名端则连接到tn。结构3由一个三绕组变压器和一个ac/dc双向变换器组成,变压器绕组n1连接到ac/dc双向变换器,绕组n2的同名端连接到tp,绕组n2的异名端和绕组n3的同名端连接到to,绕组n3的异名端则连接到tn。结构4由两个双绕组变压器和两个ac/dc双向变换器组成,变压器绕组n1和n3分别连接到ac/dc双向变换器,两个ac/dc双向变换器的输出端可以并联或者串联,在本实施例中,两个ac/dc双向变换器的输出端串联使用;绕组n2的同名端连接到tp,绕组n2的异名端和绕组n4的同名端连接到to,绕组n4的异名端则连接到tn。结构5由一个四绕组变压器和两个ac/dc双向变换器组成,变压器绕组n1和n3分别连接到ac/dc双向变换器,两个ac/dc双向变换器的输出端可以并联或者串联,在本实施例中,两个ac/dc双向变换器的输出端串联使用;绕组n2的同名端连接到tp,绕组n2的异名端和绕组n4的同名端连接到to,绕组n4的异名端则连接到tn。
图3和图4是本发明的lvdc端口两种连接方式,图3是将低压直流lvdc1-lvdc3端口独立使用,构成3个低压直流双向端口;图4是低压直流lvdc1-lvdc3端口并联,形成单个低压直流双向端口使用。
图5为本发明控制方法的一个实施例,本实施例是针对mmc-sst集成模块中有谐振电容cr的情况,其原理如下:
步骤1:实施桥臂平衡控制模块运算,即分别采集各相上、下桥臂子模块电容电压平均值uc_avg_ux、uc_avg_lx,将uc_avg_ux和uc_avg_lx做差运算后输入pi控制器,pi控制器输出信号与cos(ωt)相乘得到基频环流参考信号
步骤2:实施相平衡控制模块和总能量平衡控制模块。
步骤2.1:实施相平衡控制模块,即分别采集各相子模块电容平均值uc_avg_x,然后计算三相子模块电容平均值
步骤2.2:实施总能量平衡控制模块,即采集中压直流mvdc端的电压umvdc,mmc电容电压平均值uc_avg,将umvdc/n与uc_avg做差运算后输入pi控制器,pi控制器输出中压直流母线电流的期望值
步骤2.3:将步骤2.1和步骤2.2得到的
步骤3:将步骤1得到的基频环流参考信号
步骤4:实施环流抑制模块,即采集各相环流icx,icx经低通滤波器lpf后的输出与步骤3得到的环流参考信号
步骤5:实施中频注入控制模块1,具体是,采集低压直流lvdc端口电压ulvdc,将ulvdc与低压直流lvdc端口电压期望值
步骤6:将umx、ucx和
步骤7:实施差模信号产生模块,得到mmc的差模控制信号usx,特别指出的是,差模信号产生模块中的控制方法与常规mmc控制方法一致,即本发明与常规mmc控制方法具有兼容性,因此对于差模信号产生模块内部原理不再详述。
步骤8:将共模控制信号ucom和差模控制信号usx做差运算后得到上桥臂的调制信号mu,将共模控制信号ucom和差模控制信号usx相加后得到下桥臂调制信号ml,调制信号mu和ml输入调制模块后即可得到mmc的最终开关信号。
步骤9:重复步骤1-步骤8,即可实现本发明的功能,即:实现中压和低压电网互联、交直流电网互联。
本发明控制方法的另一个实施例,是针对mmc-sst集成模块中没有谐振电容cr的情况,其控制原理是:将上述步骤1-步骤9中的中频注入控制模块1换成中频注入控制模块2。其中,中频注入控制模块2,具体是,采集低压直流lvdc端口电压ulvdc,将ulvdc与低压直流lvdc端口电压期望值
在一个实施例中,多端口电能路由器工作在3.8mw,电压24kv,低压直流lvdc1-lvdc3端口总功率0.5mw,电压750v,中压交流mvac相电压有效值10kv的工况下,mmc上下桥臂的电流波形如图6所示。
在一个实施例中,多端口电能路由器工作在1.6mw的工况下,其中,中压直流mvdc功率1mw,电压20kv,低压直流lvdc1-lvdc3端口总功率0.6mw,电压750v,中压交流mvdc端口功率1.6mw,相电压有效值8kv,其工作电压电流波形如图7-图10所示。由图7可知,电容电压达到了很好的平衡,波动率为5%以内;图8、图9分别展示了低压直流lvdc端口和中压直流mvdc端口的电压和电流波形,由图可见,电压电流波动很小,非常稳定;图10则展示了中压交流mvac端口的电压电流波形,三相电压电流信号均为稳定的正弦波。上述波形验证了本发明的有效性和优越性。