多端口电能路由器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多端口电能路由器及其控制方法，所述多端口电能路由器包括中压交流MVAC端口、中压直流MVDC端口、低压直流LVDC端口、三相MMC‑SST混合电路和电抗器L

【技术实现步骤摘要】
多端口电能路由器及其控制方法
本专利技术属于电力电子
，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。
技术介绍
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，专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术中，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。本专利技术中，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)。本专利技术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usx、ucx和umx，其中x＝a、b和c，分别表示信号属于A相、B相和C相，上桥臂对应的生成电压是下桥臂对应生成的电压是是中压直流MVDC端的电压期望值，理想情况下取值为中压直流MVDC端的电压额定值；usx是中压交流MVAC端口电流的控制信号；ucx是MMC内部电容能量平衡的控制信号；umx是低压直流LVDC端口电压的控制信号，特别地，umx信号的频率fm远高于电网电压频率，依实际需要通常取几kHz或几十kHz。通过控制usx，可实现中压交流MVAC端口的电能交换；通过控制usx可实现中压直流MVDC端口的电能交换；通过控制umx，可实现低压直流LVDC端口的电能交换。综上，本专利技术能实现中压交流MVAC、中压直流MVDC、低压直流LVDC等多端口双向交直流混联功能，是一种新型多端口电能路由器。相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：(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，因此本专利技术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专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。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、电抗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多端口电能路由器，其特征在于所述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L

【技术特征摘要】
1.一种多端口电能路由器，其特征在于所述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；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；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。


2.根据权利要求1所述的多端口电能路由器，其特征在于所述MMC-SST集成模块替换为：
MMC-SST集成模块由两个双绕组变压器、两个谐振电容Cr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并联或者串联；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的异名端连接到TN。


3.根据权利要求1所述的多端口电能路由器，其特征在于所述MMC-SST集成模块替换为：
MMC-SST集成模块由一个四绕组变压器、两个谐振电容Cr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并联或者串联；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的异名端连接到TN。


4.根据权利要求1所述的多端口电能路由器，其特征在于所述A相、B相和C相中，每一相的低压直流LVDC端口独立使用，构成3个低压直流双向端口。


5.根据权利要求1所述的多端口电能路由器，其特征在于所述A相、B相和C相中，每一相的低压直流LVDC端口并联，形成单个低压直流双向端口使用。


6.一种权利要求1-5任一项所述多端口电能路由器的控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
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其中，x＝a、b和c，分别表示信号属于A相、B相和C相，ω为电网基频角频率；
步骤2：实施相平衡控制模块和总能量平衡控制模块，具体方法如下：
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将UC_avg_x和UC_avg做差运算后输入PI控制器，PI控制器输出
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乘以1/3后得到
步骤2.3：将步骤2.1和步骤2.2得到的和进行求和运算，得到各相的环流直流分量
步骤3：将步骤1得到的基频环流参考信号和步骤2得到的进行求和运算，得到环流参考信号
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做差运算，运算结果分别输入PI控制器、PR控制器，PI控制器和PR控制器的输出相加后得到电容能量平衡的控制信号ucx；
步骤5：实施中频注入控制模块，采集低压直流LVDC端口电压Ulvdc，将Ulvdc与低压直流LVDC端口电压期望值做差运算后输入PI控制器，PI控制器的输出与中频信号up相乘，得到各相注入中频信号umx；其中，up是三路相位差为120°的中频周期信号；
步骤6：将umx、ucx和相加后，得到MMC的共模控制信号ucom；
步骤7：实施差模信号产生模块，得到MMC的差模控制信号usx；
步骤8：将共模控制信...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彬彬，廖志贤，赵晓东，毛舒凯，付勤天，徐殿国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23