一种三相混合隔离型直流变换器及其能量平衡控制方法

本发明涉及隔离型直流变换器领域，特别是涉及一种三相混合隔离型直流变换器及其能量平衡控制方法。

背景技术：

1、在风力发电中，相对于陆上风电，海上风电资源更加丰富，输出相对持续稳定，且可近距离接入沿海负荷中心，具有广阔的发展前景。

2、近年来，近海风电资源逐渐开发殆尽，目前海上风电场逐渐向着深远海区域进行探索。为降低建设成本，风电机组也趋于大型化、集群化。相应地，为解决海上风电大容量汇集、远距离传输的工程问题，基于直流汇集-直流传输的全直流风电场方案因其具有电力变换损耗低、避免使用笨重的交流变压器等优点，受到了广泛关注。

3、为降低电能汇集传输的高升压比要求，同时减少风机间耦合，降低损耗，海上全直流风电场多采用两级升压的组网结构，即风力发电机输出交流电压经整流后先进行一次升压，升至中压并在中压直流网汇聚，随后再经二次升压以便高压传输。在系统的二次升压侧，即海上换流站处，存在一个大容量直流变换器，将中压汇集的直流电升至几百千伏的高压输电线路侧进行电能送出。此变换器由于传输容量大、电压等级高，设计难度较高，也是全直流系统研发的关键之处。

4、传统隔离型直流变换器具有良好的电气隔离能力，可在故障发生时进行有效抑制，被广泛设计运用到海上风电直流送出环节中。目前隔离型高压直流变换器主要有面对面型模块化多电平变换器(front to front modular multilevel converter，ftf-mmc)以及模块组合型变换器两类，但前者会用到大量高频开关器件，增加了建设成本和运行损耗；后者拓扑结构复杂繁琐，不利于控制以及稳定运行。且在以往研究中，拓扑交流环节的中频变压器会承受很高的dv/dt值，也大幅提高了变压器设计难度和运行损耗。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种三相混合隔离型直流变换器及其能量平衡控制方法，可有效地减少开关器件使用数量，降低了控制的复杂程度，并减少中间交流环节输出波形中的谐波含量，降低传输损耗。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种三相混合隔离型直流变换器，包括：两个中压侧三相全桥逆变模块、两个三相中频变压器和高压侧三相模块化多电平变换器；

4、两个中压侧三相全桥逆变模块的上、下桥臂均采用igbt串联阀组；

5、两个中压侧三相全桥逆变模块的直流端并联，两个中压侧三相全桥逆变模块的交流端分别一一对应地接入两个三相中频变压器的一次侧；

6、两个三相中频变压器的二次侧出口端串联后与高压侧三相模块化多电平变换器的三相输入端连接。

7、一种三相混合隔离型直流变换器的能量平衡控制方法，所述能量平衡控制方法应用于前述的三相混合隔离型直流变换器，所述能量平衡控制方法包括：

8、在线分别提取高压侧三相模块化多电平变换器的单相上桥臂电容总电压和下桥臂电容总电压；

9、根据单相上桥臂电容总电压和下桥臂电容总电压，确定单相上下桥臂电容能量和以及单相上下桥臂电容能量差；

10、根据单相上下桥臂电容能量差，确定单相差模电流参考值的基频分量；

11、根据单相上下桥臂电容能量和，确定单相差模电流参考值的直流分量；

12、将单相差模电流参考值的基频分量与直流分量相加后得到的单相差模电流参考值与实际提取的单相差模电流值作比较，并经过pir控制后得到单相能量平衡控制指令；

13、利用单相能量平衡控制指令计算单相上桥臂sm子模块投入比和下桥臂sm子模块投入比；

14、根据单相上桥臂sm子模块投入比和下桥臂sm子模块投入比生成高压侧三相模块化多电平变换器中单相模块化多电平变换器子模块的投切调制信号。

15、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

16、本发明公开一种三相混合隔离型直流变换器及其能量平衡控制方法，该三相混合隔离型直流变换器包括：两个中压侧三相全桥逆变模块、两个三相中频变压器和高压侧三相模块化多电平变换器，将两电平全桥逆变器与三相模块化多电平变换器结合，相对于传统ftf-mmc变换器，大幅减少了开关器件的使用数量，降低了控制的复杂程度；且中压侧采用两个三相全桥逆变模块，基于二重化调制结构可以减少中间交流环节输出波形中的谐波含量，降低传输损耗。

17、针对交流环节输出的准正弦阶梯波，本发明设计的三相混合隔离型直流变换器的能量平衡控制方法能够在保证三相模块化多电平变换器内部能量平衡的同时，保证了直流变换器的稳定功率输出。

技术特征：

1.一种三相混合隔离型直流变换器，其特征在于，包括：两个中压侧三相全桥逆变模块、两个三相中频变压器和高压侧三相模块化多电平变换器；

2.根据权利要求1所述的三相混合隔离型直流变换器，其特征在于，所述中压侧三相全桥逆变模块中的直流电容通路中点接地。

3.根据权利要求1所述的三相混合隔离型直流变换器，其特征在于，其中一个三相中频变压器采用星三角形联结，其中一个三相中频变压器的一次侧和二次侧绕组匝数比为1:k，线电压比为

4.根据权利要求1所述的三相混合隔离型直流变换器，其特征在于，两个三相中频变压器的二次侧出口端串联后的单相输出电压的波形为准正弦阶梯波。

5.一种三相混合隔离型直流变换器的能量平衡控制方法，其特征在于，所述能量平衡控制方法应用于权利要求1-4任一项所述的三相混合隔离型直流变换器，所述能量平衡控制方法包括：

6.根据权利要求5所述的三相混合隔离型直流变换器的能量平衡控制方法，其特征在于，根据单相上桥臂电容总电压和下桥臂电容总电压，确定单相上下桥臂电容能量和以及单相上下桥臂电容能量差，具体包括：

7.根据权利要求6所述的三相混合隔离型直流变换器的能量平衡控制方法，其特征在于，根据单相上下桥臂电容能量差，确定单相差模电流参考值的基频分量，具体包括：

8.根据权利要求7所述的三相混合隔离型直流变换器的能量平衡控制方法，其特征在于，根据单相上下桥臂电容能量和，确定单相差模电流参考值的直流分量，具体包括：

9.根据权利要求8所述的三相混合隔离型直流变换器的能量平衡控制方法，其特征在于，单相上桥臂sm子模块投入比和下桥臂sm子模块投入比的计算公式为：

技术总结
本发明公开一种三相混合隔离型直流变换器及其能量平衡控制方法，属于隔离型直流变换器领域。该三相混合隔离型直流变换器包括：两个中压侧三相全桥逆变模块、两个三相中频变压器和高压侧三相模块化多电平变换器，将两电平全桥逆变器与三相模块化多电平变换器结合，相对于传统FTF‑MMC变换器，大幅减少了开关器件的使用数量，降低了控制的复杂程度；且中压侧采用两个三相全桥逆变模块，基于二重化调制结构可以减少中间交流环节输出波形中的谐波含量，降低传输损耗。并且本发明设计的三相混合隔离型直流变换器的能量平衡控制方法能够在保证三相模块化多电平变换器内部能量平衡的同时，保证了直流变换器的稳定功率输出。

技术研发人员：刘其辉,梁忠雨,刘懿欣,田鑫,袁振华
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16