模塊化h橋級聯多電平電力電子變壓器控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種電力電子變換器系統。
【背景技術】
[0002] 電力電子變壓器又稱為固態變壓器或柔性變壓器，它是以電力電子變流技術和電 磁感應技術為基礎的新型變壓器，它徹底的改變了傳統變壓器的系統結構，在實現常規電 力變壓器電壓等級變換、電氣隔離和能量傳遞等基本功能的基礎上，還可以實現雙向潮流 控制、電能質量控制等許多額外功能，是下一代智能電網建設的關鍵裝備。目前的電力電子 變壓器有多種拓撲結構，一般包含高壓級、隔離級和低壓級三個部分，其中高壓級一般采用 級聯多電平的結構，隔離級一般采用多個DC/DC模塊并聯的結構。然而，目前這些電力電子 變壓器其控制器結構復雜，不具備各級三相電能自動互平衡的能力，而且動態響應性能不 理想，同時不能滿足在并網電壓不對稱跌落的情況下的故障穿越控制。
【發明內容】
[0003] 為解決上述問題，本發明提出一種模塊化Η橋級聯多電平電力電子變壓器控制系 統，該系統簡化了控制器設計，提高了變壓器系統的穩定性和可靠性。
[0004] 本發明解決上述技術問題的方案如下：
[0005] 模塊化Η橋級聯多電平電力電子變壓器控制系統，包括:連接至輸入網側的多個單 相Η橋整流器級聯組成的高壓級整流電路單元、與單相Η橋整流器數量對應連接的多個高頻 DC/DC隔離變換器并聯組成的隔離級變換電路單元、連接于隔離級變換電路單元輸出端的 低壓逆變電路單元，以及分別用于控制高壓級整流電路單元、隔離級變換電路單元和低壓 逆變電路單元的高壓側控制器、隔離級控制器和低壓級逆變控制器，其特征在于，高壓側控 制器采用高壓級整流控制模塊控制高壓級整流電路單元;隔離級控制器采用隔離級雙環控 制模塊控制各個高頻DC/DC隔離變換器的輸出和功率平衡;低壓級逆變控制器采用雙環逆 變控制模塊控制低壓逆變電路單元輸出低壓工頻交流電壓。
[0006] 其中，所述的高壓級整流控制模塊控制高壓級整流電路單元的方法為一種雙環控 制方法，控制步驟如下：
[0007] 2.1)電壓外環控制，由高壓側控制器分別采集各相輸入網側中各級聯單相Η橋整 流器的整流電壓值，并求和，得到各相直流電壓，以各相直流電壓為反饋值，與各相參考電 壓值比較后，經比例積分計算得到三相并網功率參考值，輸入至電流內環；
[0008] 2.2)電流內環控制，由高壓側控制器分別采集三相輸入網側的并網電壓和并網電 流，然后通過雙旋轉坐標系鎖相環進行坐標變換和正負序分離后，得到電網相位和并網電 壓的正負序分量，再根據電網相位對并網電流進行坐標變換和正負序分離后，得到并網電 流的正負序分量，根據并網功率參考值和并網電壓的正負序分量計算得到并網電流的正負 序參考值，然后將并網電流的正負序參考值與并網電流的正負序分量比較和比例積分后， 算得旋轉坐標系下的調制電壓參考信號，再將其進行反變換、相加得到靜止坐標系下的三 相電壓調制信號；
[0009] 2.3)高壓側控制器中的調制模塊根據靜止坐標系下的三相電壓調制信號生成整 流脈沖。
[0010] 其中，所述的隔離級控制器采用隔離級雙環控制模塊控制各個高頻DC/DC隔離變 換器的步驟如下：
[0011] 3.1)外環控制，隔離級控制器采集高頻DC/DC隔離變換器輸出端的母線電壓和母 線電流，根據母線電壓和母線電流計算得到各高頻DC/DC隔離變換器的變換功率，同時，將 母線電壓與參考母線電壓比較后，經比例積分計算得到隔離變換功率，然后根據高頻DC/DC 隔離變換器的個數算得各高頻DC/DC隔離變換器的變換功率平均參考值；
[0012] 3.2)內環功率移相控制，將各高頻0(：/1)(：隔離變換器的變換功率和各高頻0(：/1)(：隔 離變換器的變換功率平均參考值進行比較，然后經比例積分得到控制各高頻DC/DC隔離變 換器的移相角，隔離級控制器中的移相調制模塊根據得到的移相角生成移相脈沖。
[0013] 其中，所述的雙環逆變控制模塊控制低壓逆變電路單元的步驟如下：
[0014] 4.1)濾波電壓外環控制，低壓級逆變控制器采集逆變輸出端電容端電壓并將其進 行坐標變換，得到旋轉坐標系下的電容端電壓，并將其作為反饋值，與逆變輸出電壓參考值 比較，然后經比例積分計算，得到電感電流參考值，輸入至電感電流內環；
[0015] 4.2)電感電流內環控制，低壓級逆變控制器采集低壓逆變電路單元的電感電流， 并將其與電感電流參考值相比較，將比較值經比例積分計算，然后將計算結果與電感電流 解耦值及電容端電壓相加后得到逆變調制電壓；
[0016] 4.3)低壓級逆變控制器中的逆變脈沖調制模塊根據逆變調制電壓生成逆變脈沖。
[0017] 相較于現有技術，本發明的有益效果在于：
[0018] A)由于本發明采用三個獨立的控制器：高壓側控制器、隔離級控制器和低壓級逆 變控制器分別對高壓級整流電路單元、隔離級變換電路單元和低壓逆變電路單元進行獨立 控制，大大降低了各控制器設計的復雜度；
[0019] B)由于各獨立控制器均使用雙環控制方式，動態響應性能好，調節時間和超調量 均大大減少；
[0020] C)高壓級整流控制模塊采用的雙環控制方法在雙旋轉坐標系下對高壓級整流電 路單元進行控制，能夠在電網電壓不對稱跌落的情況下對并網功率進行控制，有利于在電 網故障時進行故障穿越控制；
[0021] D)隔離級雙環控制模塊采用母線電壓外環、功率內環的雙環控制策略對各高頻 DC/DC隔離變換器進行控制，在同步各模塊輸出電壓的同時實現了各模塊之間的功率均衡。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發明實施例中模塊化Η橋級聯多電平電力電子變壓器控制系統的系統結 構框圖；
[0023] 圖2為單個高壓級整流電路和隔離級變換電路的硬件拓撲結構圖；
[0024]圖3為低壓逆變電路單元的硬件拓撲結構圖；
[0025]圖4為高壓級整流控制系統框圖；
[0026]圖5為隔尚級雙環控制系統框圖；
[0027]圖6為低壓級逆變控制系統框圖；
[0028]圖7~圖8分別為C相電網電壓發生50%跌落時，A相參考電壓值波形、各單相!1橋整 流器實際輸出電容電壓波形
[0029] 圖9為高頻DC/DC隔離變換器輸出端的母線電壓波形；
[0030] 圖10為低壓逆變電路負載電壓、電流波形圖。
【具體實施方式】
[0031] 例1
[0032] 下面結合附圖對本發明進行具體的介紹：
[0033] 如圖1所示，本例提供的模塊化Η橋級聯多電平電力電子變壓器控制系統，其系統 結構包括:連接至三相輸入電網的多個單相Η橋整流器級聯組成的高壓級整流電路單元、與 單相Η橋整流器數量對應連接的多個高頻DC/DC隔離變換器并聯組成的隔離級變換電路單 元，其中單個高壓級整流電路和隔離級變換電路的硬件拓撲結構圖如圖2所示、連接于隔離 級變換電路單元輸出端的低壓逆變電路單元，其硬件拓撲結構圖如圖3所示，以及分別用于 控制高壓級整流電路單元、隔離級變換電路單元和低壓逆變電路單元的高壓側控制器、隔 離級控制器和低壓級逆變控制器。其中，高壓側控制器采用高壓級整流控制模塊控制高壓 級整流電路單元；隔離級控制器采用隔離級雙環控制模塊控制各個高頻DC/DC隔離變換器 的輸出和功率平衡;低壓級逆變控制器采用雙環逆變控制模塊控制低壓逆變電路單元輸出 低壓工頻交流電壓。本例中，級聯的單相Η橋整流器和高頻DC/DC隔離變換器的數量為15個。
[0034] 參見圖4,所述的高壓級整流控制模塊控制高壓級整流電路單元的方法為一種雙 環控制方法，控制步驟如下：
[0035] 2.1)電壓外環控制，由高壓側控制器分別采集各相輸入網側中各級聯單相Η橋整 流器的整流輸出電壓值，并求和，得到各相直流電壓uch，以各相直流電壓uch為反饋值，與各 相參考電壓值4,比較后，經比例積分計算得到三相并網功率參考值P'輸入至電流內環； [0036] 2.2)電流內環控制，由高壓側控制器分別采集三相輸入網側的并網電壓uabc和并 網電流Iab。，然后通過雙旋轉坐標系鎖相環進行坐標變換和正負序分離后，得到電網相位和 并網電壓的正負序分量<、< 和再根據電網相位對并網電流Iab。進行坐標變換 和正負序分離后，得到并網電流的正負序分量匕、《和4、$，根據并網功率參考值產和 并網電壓的正負序分量4、<計算得到并網電流的正負序參考值和C，然 后按下式I)將并網電流的正負序參考值與并網電流的正負序分量比較和比例積分后，算得 旋轉坐標系下的調制電壓參考信號〃<1，uh抑么uUt,
[0039] 式I)中Kip和Κπ分別為比例系數和積分系數，匕為輸入濾波電感值，〃L/和〃&/1是正 序電流環輸出的調制參考信號，和是負