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技术

本发明专利技术提供一种应用于直交流混合配电网的固态变压器拓扑族，其中：模块化多电平换流器的子模块直流端和隔离型双有源桥变换器的输入端互联形成模块化结构，多个隔离型双有源桥变换器的输出端并联形成低压直流母线，低压直流母线上接入三相全桥逆变器，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。本发明专利技术还提供一种上述固态变压器拓扑族的设计方法，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。

Topology family and design method of solid-state transformer applied to AC-DC hybrid distribution network

The invention provides a solid-state transformer topology family applied to the DC-AC hybrid distribution network, wherein: the sub module DC end of the modular multilevel converter and the input end of the isolated double active bridge converter are interconnected to form a modular structure, the output ends of the multiple isolated double active bridge converters are connected in parallel to form a low-voltage DC bus, and the low-voltage DC bus is connected to a three-phase full bridge inverter, Provide four types of ports, i.e. medium voltage DC, medium voltage AC, low voltage DC and low voltage AC, to apply to the interconnection of multi voltage level and multi-mode AC / DC hybrid distribution network. The invention also provides a design method of the solid-state transformer topology family, so as to reduce the number of sub modules and high-frequency transformers in the solid-state transformer device and reduce the volume and cost on the premise of obtaining the solid-state transformer device suitable for the specific scene requirements.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：根据本专利技术的第一方面，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。根据本专利技术的第二方面，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于直交流混合配电网的固态变压器拓扑，其特征在于：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，/n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，低压直流侧功率经由所述模块化电平换流器(MMC)子模块直流端流入所述隔离型双有源桥变换器(DAB)；其中：/n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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.一种应用于直交流混合配电网的固态变压器拓扑，其特征在于：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，低压直流侧功率经由所述模块化电平换流器(MMC)子模块直流端流入所述隔离型双有源桥变换器(DAB)；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。


2.根据权利要求1所述的一种应用于直交流混合配电网的固态变压器拓扑，其特征在于：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；
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。


3.根据权利要求2所述的一种应用于直交流混合配电网的固态变压器拓扑族，其特征在于：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。


4.根据权利要求3所述的一种应用于直交流混合配电网的固态变压器拓扑族，其特征在于：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。


5.根据权利要求2所述的一种应用于直交流混合配电网的固态变压器拓扑族，其特征在于：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。


6.根据权利要求5所述的一种应用于直交流混合配电网的固态变压器拓扑族，其特征在于：所述模块化多电平换流器(MMC)子模块和所述隔离型双有源桥变换器(DAB)子单元的输入端变换器拓扑在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建文，章一新，施刚，周剑桥，蔡旭，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31