模块化多电平变流器三级互联隔离型电力电子变压器的结构与控制.docx

模块化多电平变流器三级互联隔离型电力电子变压器的结构与控制 摘要：该文在分析了模块化多电平变流器、电力电子变压器优劣势的基础上，设计了适用于光储一体化系统的三级互联隔离型电力电子变压器的结构和控制策略。结合光储一体化系统的实际应用情况，将电力电子变压器的整体结构设计成输入级多模块级联、隔离级CLLLC谐振变换器和输出级三电平逆变器的三级互联结构，并在10 kV配电网的整体设计方案下单独对每一级进行了结构及其控制策略的分析，最后在Simulink中进行了仿真，仿真结果表明：该结构中各级均可稳定、可靠运行，且系统整体暂稳态性能良好。 在“十四五”期间，我国为实现“30·60”的双碳目标，加大力度推广可再生能源的使用与开发，积极完成能源清洁化的转型，同时也需要从能源系统的全局角度出发，进行统筹规划，实现多能互补、源网荷储协调支撑清洁能源消纳。对于可再生能源中的光伏发电而言，一方面，其输出功率受太阳辐射强度、温度以及环境因素的影响较大；另一方面，光伏输出的直流电需要经过逆变器转换为交流电后才可接入电网，而在逆变过程中会产生谐波。由于存在光伏电力功率不稳定和谐波的问题，使得光伏电力的接入将会对电网造成冲击。因此，有学者延伸出了“光储一体化”的新概念，即搭配储能实现光储的互补。作为“新一代”电网设备，储能就像一个大容量的“充电宝”，在用电低谷时为用电负荷充满电能，在用电高峰时，则当作发电电源释放电能，从而有效地填补了电能缺口，为缓解用电量高速增长与电网高质量发展带来的电力供需矛盾提供了绿色环保的解决方式。光储一体化不仅能有效地削峰填谷、减轻供电压力，还能增加供电可靠性、平滑光伏电力输出和提升光伏电力质量。在清洁可再生能源大力发展的当下，传统变压器的弊端开始显露出来，比如功能单一、不能灵活调节电压以及无法调节电压质量，最重要的是，不能协调接入多种能源。因此，传统的配电网变压器已经不能完全适应分布式交直流混合接入电网的应用现状，于是电力电子变压器（powerelectronictransformer,PET）开始出现电力电子变压器在配电网中也被称作“能量路由器”，是未来能源互联网络的中枢部分，对分布式能源的利用与传输起着非常关键的作用。电力电子变压器虽然体积较小、潮流可控，且其高低压直流母线具有新能源并网和直流供电的条件，但因为没有储能系统，无法应对电压深度跌落，也就不利于光伏接入。模块化多电平变流器（modular multilevel converter,MMC）使用了模块化的设计方法，其整体结构中以低压分散的形式存在，电压等级范围增大整合了模块化多电平变流器技术的电力电子变压器，可直接通过直流母线接入光储系统，通过协调控制实现光储互补功能，解决光伏系统间隙性发电对配电网的影响以提高新能源的利用率本文在现有光储MMC-PET研究的基础上，继续把光储一体化系统的MMC-PET分解为3级，分别对输入级MMC、隔离级CLLLC谐振变换器、输出级三电平的结构及其基本原理进行了研究，并分析了每一级的控制策略，其中重点研究了中间隔离级的参数设计和控制策略，最后在统一的整体控制参数下得出了仿真和实验结果，验证了这种结构适用于光储一体化系统的接入。1 光储一体化的MMC-PET结构储能系统、光伏发电系统和配电网模块化电力电子变压器这3大部分构成了光储一体化的MMC-PET，其中光储系统的接入是通过MMC-PET的低压直流母线完成的，MMC-PET系统总体结构如图1所示。2 MMC-PET拓扑及基本工作原理模块化电力电子变压器的系统总体原理如图2所示，其总体的拓扑结构如图3所示。由图3可知，MMC-PET两侧都包括高低压直流环节，能对交流电网进行电流调节，所以其结构灵活，更方便直流形式的光储结构接入，即可直接在图3拓扑低压直流母线处接入光储系统。这种结构的缺点是功率器件较多、体积与运行损耗较大，但非常适合在配电网中应用，这样既能够使电网中高压大容量这一需求得到满足，还可以满足其中的多功能控制需求和交直流多端口控制需求。同时，为了消弱耐高压以及传统两电平电力电子变压器输出电压波形质量欠佳所带来的影响，本文所提MMC-PET的输入级采用三相MMC变流器，隔离级采用CLLLC谐振变换器，输出级采用三电平变流器。2.1 MMC部分三相模块化多电平变流器（MMC）的每相均包括2个桥臂，分别是上桥臂和下桥臂；2个电抗器L，其可以用来抑制高频环流，起到一个缓冲的作用，如果是直流侧发生短路还可以抑制冲击电流。其中，每个桥臂由n个完全相同的子模块（SM）串联而成。MMC子模块的拓扑结构如图4所示，其输出只能为0或VMMC子模块有如下3种工作状态：1)T此状态下，子模块的输出电压为电容上的电压，其电容的充、