多中压交流端口交直流混合电力电子变压器及控制方法

本发明涉及电力系统中交直流电网柔性互联、电力电子，具体地涉及一种多中压交流端口交直流混合电力电子变压器及控制方法。

背景技术：

1、近年来分布式发电、充电桩和储能装置的高渗透率需要大量的并网变流器，这对传统的交流配电网提出了很大的挑战。因此，直流配电网络直接连接这些直流设备的想法引起了人们的极大兴趣。为了满足交直流混合配电网的要求，在过去的几十年里，固态变压器(solid-state transformer,sst)被开发出来，用于在交流网络和直流网络之间传输电力。

2、与传统工频变压器和ac/dc变换器相比，基于sst的解决方案虽然在前级使用了大量半导体器件，但中频变压器(medium frequency transformer,mft)的电流隔离显著减少了铜的使用，从而降低了总体积和成本。基于级联h桥的固态变压器(cascaded h-bridgesolid state transformer,chb-sst)和基于模块化多电平变换器的固态变压器(multi-level modular converter solid state transformer,mmc-sst)由于其模块化、可扩展性和输出电压低谐波畸变等优点，已成为中压混合交直流应用中最受欢迎的两种拓扑结构。与mmc-sst相比，chb-sst由于成本和体积更小，因此更适合从交流馈线到低压直流供电。

3、但是，单个交流端口的sst无法支持数据中心和超充站等高容量低压直流负载的日益增长。为了充分利用交直流混合配电网的剩余容量，通常采用多台sst连接多条交流馈线的结构。每条交流馈线可以通过一台sst分别接入低压直流馈线，因此低压直流的电力需求可以灵活分配给交流馈线，实现低压直流负荷的协同供电。另外，当某一交流馈线发生故障时，可通过其他交流馈线供电，提高了供电的可靠性。然而，多chb-ssts方案继承了一个缺点，即使用多组具有大冗余容量的全功率器件，限制了其发展。因此，有必要提出一种新的拓扑结构来组合多个交流馈线和低压直流馈线。

4、近年来有研究人员提出了一种多中压交流端口固态变压器，通过增加小容量单相变换器模块，即可实现中压交流端口的拓展，但该方案存在公共直流母线电压等级过高导致常规开关器件耐压等级不够，难以应用于高压配电网，以及在轻载工况下且chb无需补偿无功功率时装置无法正常运行等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多中压交流端口交直流混合电力电子变压器及控制方法，其在对低压直流实现联合供给的基础上，解决常规开关器件耐压等级不够的问题，以及现有技术方案在运行范围上的缺陷问题。

2、根据本发明的一个方面，提供一种多中压交流端口交直流混合电力电子变压器，包括：

3、多交流端口柔性互联模块，用于多个交流端口柔性互联；

4、级联全桥变换器，所述级联全桥变换器的交流输入端串联接入所述多交流端口柔性互联模块；

5、多个隔离型直流变换器，一部分所述隔离型直流变换器的一端与所述级联全桥变换器的子模块的直流侧相连接，另一部分所述隔离型直流变换器的一端与所述多交流端口柔性互联模块的子模块的直流侧相连接；各个所述隔离型直流变换器的另一端相互并联构成低压直流母线。

6、优选地，所述多交流端口柔性互联模块包括多个小功率级联全桥变换器lpchb串联组成。

7、优选地，所述小功率级联全桥变换器lpchb交流侧输出电压与所有馈线串联。

8、优选地，所述小功率级联全桥变换器lpchb为电压源型单相变换器，其子模块拓扑为全桥型变换器。

9、优选地，所述馈线为n条馈线，分别为馈线1、馈线2……馈线n；

10、其中，所述馈线1为平衡馈线，馈线l的有功功率表示为：

11、

12、其中，p1为第1条馈线的有功功率表达式，pk为第l条馈线的有功功率表达式，pl为多中压交流端口交直流混合电力电子变压器低压直流端口功率，ploss为系统的有功损耗。

13、优选地，所述馈线1为平衡馈线，对馈线l起调节作用的功率δpl、δql分别为：

14、

15、其中，δpl为对馈线l起调节作用的有功功率，δql为对馈线l起调节作用的无功功率，vl∠θl为馈线的节点电压的幅值与相位，xl为各馈线等效阻抗，δvc1l∠θc1l为馈线1与馈线l相连的对应端口的功率调节模块即小功率级联全桥变换器lpchb的输出电压之差的幅值与相位。

16、优选地，所述级联全桥变换器为电压源型变换器，其子模块拓扑为全桥型变换器。

17、优选地，所述隔离型直流变换器包括中间带有中高频隔离变压器的dc-dc变换器，其拓扑为双有源全桥变换器、半桥型变换器或者功率可控的隔离型dc-dc变换器。

18、优选地，所述多交流端口柔性互联模块中的每一个全桥型变换器形成的子模块通过一个所述隔离型直流变换器与所述低压直流母线连接。

19、根据本发明的第二个方面，提供一种基于任一项所述的多中压交流端口交直流混合电力电子变压器的控制方法，包括：线路潮流控制环、级联全桥控制环、lpchb电压平衡控制环和低压直流母线电压平衡控制环；

20、所述线路潮流控制环通过控制小功率级联全桥变换器lpchb的输出电压实现所连全部交流馈线的有功及无功功率解耦控制；

21、所述级联全桥控制环通过控所述制级联全桥变换器的输出电压以调节级联全桥子模块即全桥变换器内部电容电压恒定；

22、所述lpchb电压平衡控制环通过控制与小功率级联全桥变换器lpchb子模块，即全桥变换器相连接的隔离型直流变换器流入小功率级联全桥变换器lpchb子模块电容的有功功率，维持其电容电压的稳定；

23、所述低压直流母线电压平衡控制环通过控制与所述级联全桥变换器子模块，即全桥变换器相连接的所述隔离型直流变换器流入低压直流母线的有功功率，从而维持其电容电压的稳定。

24、优选地，在所述潮流控制环中，为确定小功率级联全桥变换器lpchb输出电压的幅值和相位，充分利用小功率级联全桥变换器lpchb的调制度，取所有小功率级联全桥变换器lpchb输出电压幅值最小，即：

25、

26、是指第1条馈线上小功率级联全桥变换器lpchb输出电压的幅值和相位，是指第2条馈线上小功率级联全桥变换器lpchb输出电压的幅值和相位，是指第l条馈线上小功率级联全桥变换器lpchb输出电压的幅值和相位。

27、的选择使用最小包围圆算法；从线路潮流控制环得到的矢量在同一参考框架中描述，并且具有相同的起始原点；得到l个点的最小覆盖圆，所求是从起始原点到圆心的矢量；

28、则其他馈线对应的小功率级联全桥变换器lpchb电压参考值为：

29、

30、优选地，小功率级联全桥变换器lpchb自身能量平衡满足的基本条件方程，为：

31、

32、其中，为多中压交流端口交直流混合电力电子变压器在第k条馈线上等效串联的电压源交流分量的矢量表达式，为多中压交流端口交直流混合电力电子变压器在第1条馈线路上等效串联的电压源交流分量的矢量表达式，为第k条馈线上的交流电流的共枙矢量表达式，plpchb_ibdc为所述多交流端口柔性互联模块与小功率级联全桥变换器lpchb相连的隔离型双向dc-dc变换器的传输功率表达式，l为通过所述多交流端口柔性互联模块互联的馈线数量。

33、优选地，所述电力电子变压器内部能量平衡满足的基本条件方程，为

34、

35、简化得到，小功率级联全桥变换器lpchb电压平衡本质上利用级联全桥变换器来进行能量平衡：

36、

37、其中，级联全桥的输出电压为vp∠θp，流入级联全桥的电流为ip∠ρp，第k条馈线输出电压为vck∠θck，第k条馈线电流为ik∠ρk，plpchb_ibdc为所述多交流端口柔性互联模块与小功率级联全桥变换器lpchb相连的隔离型双向dc-dc变换器的传输功率表达式，pchb_ibdc为所述级联全桥变换器与隔离型双向dc-dc变换器的传输功率表达式，pl为所述多中压交流端口交直流混合电力电子变压器低压直流端口功率，l为通过所述多交流端口柔性互联模块互联的馈线数量。

38、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

39、本发明实施例中的多中压交流端口交直流混合电力电子变压器及控制方法，通过多交流端口柔性互联模块，实现了多个交流端口柔性互联，通过调节小功率级联全桥变换器lpchb输出电压幅值和相位，实现了馈线间的潮流控制，为多交流馈线独立解耦、灵活可控运行提供了保障。

40、本发明实施例中的多中压交流端口交直流混合电力电子变压器及控制方法，多交流端口柔性互联模块与级联全桥变换器通过隔离型直流变换器实现了对低压直流侧的联合供给，为低压直流侧接入大容量负载提供了可靠的支撑。

41、本发明实施例中的多中压交流端口交直流混合电力电子变压器及控制方法，通过增加小功率级联全桥变换器lpchb模块，可实现对交流端口的扩展，实现了对交流端口扩展的快速性与经济性。

42、本发明实施例中的多中压交流端口交直流混合电力电子变压器及控制方法，通过低压直流母线形成内部能量通路，实现了装置的全范围运行，有利于面对配电网中各种复杂的运行工况。

43、本发明实施例中的多中压交流端口交直流混合电力电子变压器及控制方法，通过多交流端口柔性互联模块使用单相级联全桥的方式，降低了直流侧电容电压，同时提高了交流侧输出电压，为开关器件的选择提供更多的裕度，同时也可以应用于更高电压等级的配电网中。