多相电压源型变换器拓扑及四相电压源型变换器控制方法

1.本发明属于电力电子装备拓扑与控制技术领域，具体涉及多相电压源型变换器拓扑，还涉及四相交流电力系统的电压源型变换器控制方法。


背景技术：

2.在“双碳”目标的驱动下，加快构建以新能源为主体的新型电力系统成为必然趋势，随着新能源装机容量大幅提升，新能源发电远距离送出面临着传输容量低、传输损耗大等关键问题亟待解决。相较于传统三相交流电力系统，四相交流电力系统具有高功率密度、节省线路走廊、线路布局紧凑等显著优势，适合应用于多种输配电场景。而低频四相输电系统在兼具上述优势的同时还具有降低传输线路压损与功损的功能，其将作为一种新型输电方式具有广阔的发展前景。因此，亟需对构建四相交流电力系统的关键变流装备展开深入研究。
3.四相交流电力系统能够提高功率密度、节省线路走廊、线路布局紧凑，适用于多种场景下的输配电系统，例如城市电网多端互联低频四相输配电系统、离岸海岛电网互联低频四相输配电系统、新型远海风电低频四相交流输配电系统、海底低频四相输配电系统等。
4.在传统的三相电压源型变换器的基础上，针对四相电压源型变换器展开研究，其在四相输配电系统中具有广阔的应用前景。目前针对四相电压源型变换器的研究相对较少，故亟需研究四相电压源型变换器的多模式控制策略以支撑四相交流电力系统的稳定运行。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供多相电压源型变换器拓扑，能够为四相电力系统与直流系统、三相电力系统之间提供能量传输的桥梁，实现四相电力系统与直流系统以及三相电力系统的互联互济。
6.本发明的第二个目的是提供四相电压源型变换器拓扑在四相交流电力系统的应用。
7.本发明的第三个目的是提供四相交流电力系统的电压源型变换器控制方法，以支撑四相交流电力系统的稳定运行。
8.本发明所采用的第一个技术方案是，多相电压源型变换器拓扑，包括n个相互并联的桥臂，n个相互并联的桥臂并联一个直流稳压电容，将直流稳压电容两端分别连接一个端口，形成直流侧端口，每个桥臂中点连接一个滤波电感一端，每个滤波电感另一端作为交流侧端口。
9.本发明的特点还在于：
10.桥臂为由开关管组成的半桥、全桥、中性点钳位三电平、模块化多电平中的一个。
11.n取值为4。
12.本发明所采用的第二个技术方案是，多相电压源型变换器拓扑在四相交流电力系
统的应用。
13.本发明所采用的第三个技术方案是，四相交流电力系统的电压源型变换器控制方法，电压源型变换器即为四相电压源型变换器拓扑，直流侧端口连接直流系统，将交流侧端口连接四相交流电力系统，四相电压源型变换器拓扑内环始终为网侧电流控制，具体按照以下步骤实施：
14.步骤1、设置参考数据：直流电压参考值u
dc_ref
、直流电流参考值i
ref
、交流电压参考值u
a_ref
、u
b_ref
；采集电路数据：直流稳压电容两端的电压的直流侧电压u
dc
、交流端口输出的交流侧电压ua和ub、交流侧电流ia和ib；
15.步骤2、根据实际需求选择参考数据与电路数据运算控制每个桥臂驱动信号，实现对电压源型变换器的控制。
16.步骤2中实际需求包括三种，具体为：
17.①
、直流侧电压由四相电压源型变换器控制时，直流电压参考值u
dc_ref
与采集回来的直流侧电压u
dc
作差，经过一个电压控制器产生交流侧电流参考幅值i
ref
，与交流侧电压ua锁相后得到的相角信息生成a相和b相的交流侧电流参考波i
a_ref
和i
b_ref
；
18.②
、交流侧电压由四相电压源型变换器控制时，交流电压参考波u
a_ref
、u
b_ref
与采集回来的交流电压ua、ub作差，经过电压控制器产生交流侧电流参考波i
a_ref
和i
b_ref
；
19.③
、通过给定电流参考幅值i
ref
与交流侧电压ua锁相后得到的相角信息生成a相和b相的交流侧电流参考波i
a_ref
和i
b_ref
。
20.步骤2具体过程为：通过多路开关选择器选择其中一种需求，将根据该需求得到的交流侧电流参考波i
a_ref
和i
b_ref
与采集的交流侧电流ia、ib作差，经过电流控制器得到脉冲宽度调制波，调制波经过pwm发生器生成pwm驱动信号驱动桥臂上的开关管。
21.本发明有益效果是：
22.1)本发明提出的多相电压源型变换器拓扑能够用于三相变四相背靠背型变换器，为四相电力系统与直流系统之以及三相电力系统间提供能量传输的桥梁，实现四相电力系统与直流系统以及三相电力系统的互联互济；
23.2)本发明设计的四相电压源型变换器在四相电力系统中，通过选择不同工作模式的控制方法能够为四相电力系统安全稳定运行提供有力支撑；
24.3)本发明提出的四相-三相转换模式提高了电力系统安全稳定运行的能力，在四相系统发生单相故障或者进行逐相检修时，能够将四相系统切换到三相系统运行，有效提高了供电可靠性和检修安全性。
附图说明
25.图1是本发明多相电压源型变换器拓扑；
26.图2是本发明中变换器可供选择的桥臂类型；
27.图3是本发明中m相-n相背靠背型变换器拓扑示意图；
28.图4是使用多相电压源型变换器拓扑的永磁风电机组送出系统示意图；
29.图5是使用多相电压源型变换器拓扑的双馈风电机组送出系统示意图；
30.图6是本发明n＝4时，多相电压源型变换器拓扑结构图；
31.图7是本发明四相电压源型变换器控制方法的控制框图；
32.图8是本发明控制方法中不同控制模式的波形图。
33.其中，1-风电机组、2-3(4)相变-4相背靠背型变换器，3-第一低频四相升压变压器，4-第二低频四相升压变压器，5-海底电缆，6-陆上变压变频变相站。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
35.本发明多相电压源型变换器拓扑，如图1所示，包括n个相互并联的桥臂，n个相互并联的桥臂并联一个直流稳压电容，将直流稳压电容两端分别连接一个端口，形成直流侧端口，每个桥臂中点连接一个滤波电感一端，每个滤波电感另一端作为交流侧端口；本发明在三相电压源型变换器的基础上，改变桥臂数量，实现直流到n相交流的变换，进而构建m相-n相背靠背型变换器拓扑，实现三相交流到四相交流的变换，并且存在直流解耦端口，同时实现频率的变换，应用在低频四相输电领域，可以提升输送容量，降低线路压损与功损；也适用于建立三相系统与四相系统之间能量传输的桥梁，实现能量互济。
36.本发明多相电压源型变换器拓扑子模块，如图2所示，可以采取
①‑
半桥结构、
②‑
全桥结构、
③‑
中性点钳位三电平结构、
④‑
模块化多电平结构。
37.如图3所示，为本发明一种多相电压源型变换器拓扑构建的一种m相-n相背靠背型变换器拓扑，具有m相交流端口、直流端口和n相交流端口，u
3a
、u
3b
到u
3m
为m相交流电压，i
3a
、i
3b
～i
3m
为m相交流电流，u
4a
、u
4b
、u
4c
～u
4n
为n相交流电压，i
4a
、i
4b
、i
4c
～i
4n
为n相交流电流，u
dc
为直流端口电压，建立m相交流电力系统与直流系统、n相交流电力系统之间能量传输的桥梁。
38.对于风电机组，在不改造现有三相发电机的基础上，结合3相-4相背靠背型变换器拓扑即可实现低频四相输电系统，如图4所示，包括1-风电机组、2-3(4)相-4相背靠背型变换器、3-第一低频四相升压变压器、4-低频四相升压变压器、5-海底电缆、6-陆上变压变频变相站，提高输电容量、降低线路压损与功损。风电机组1包括永磁电机组或双馈风电机组，永磁电机组通过配备3相变-4相背靠背型变换器将风电机组发出的工频三相电转换成低频四相电，通过第一低频四相升压变压器3将风机出口电压提升到汇集母线的电压等级，汇集母线电压通过第二低频四相升压变压器4升到更高的电压等级外送，最后通过陆上变压变频变相站6连接陆上电网，实现海上风电源源不断的输送到陆上用电区。
39.永磁风电机组也可换成双馈风电机组1，改变其转子与定子相数，结合4相-4相背靠背型变换器拓扑即可实现低频四相输电系统，如图5所示，包括1-双馈风电机组、2-4相变-4相背靠背型变换器、3-低频四相升压变压器
①
、4-低频四相升压变压器
②
、5-海底电缆、6-陆上变压变频变相站，提高输电容量、降低线路压损与功损。
40.双馈风电机组通过配备4相-4相背靠背型变换器直接输出低频四相电，通过低频四相升压变压器
①
将风机出口电压提升到汇集母线的电压等级，汇集母线电压通过低频四相升压变压器
②
升到更高的电压等级外送，最后通过陆上变压变频变相站连接陆上电网，实现海上风电源源不断的输送到陆上用电区。
41.如图6所示，当n取值为4时，多相电压源型变换器拓扑即为四相电压源型变换器拓扑，即包括四个桥臂：桥臂a、桥臂b、桥臂c和桥臂d，桥臂，u
dc
为直流侧电压，ua、ub、uc和ud为交流侧电压，ia、ib、ic和id为交流侧电流，sa、sb、sc和sd为四个桥臂上开关管驱动信号，s
a’、sb’、s
c’和s
d’为四个桥臂下开关管驱动信号，该n＝4时，该相电压源型变换器拓扑在四相交流电力系统的应用。
42.本发明四相交流电力系统的电压源型变换器控制方法，电压源型变换器即为多相电压源型变换器拓扑，直流侧端口连接直流系统，将交流侧端口连接四相交流电力系统，控制框图如图7所示，控制模式包括
①‑
直流电压控制、
②‑
交流电压控制、
③‑
交流电流指令、
④‑
交流电流控制，多相电压源型变换器拓扑内环始终为网侧电流控制，根据不同的控制需求选择不同的外部控制环，具体按照以下步骤实施：
43.步骤1、设置参考数据：直流电压参考值u
dc_ref
、直流电流参考值i
ref
、交流电压参考值u
a_ref
、u
b_ref
；采集电路数据：直流稳压电容两端的电压的直流侧电压u
dc
、交流端口输出的交流侧电压ua和ub、交流侧电流ia和ib；
44.步骤2、根据实际需求选择参考数据与电路数据运算控制每个桥臂驱动信号，实现对电压源型变换器的控制。
45.步骤2中实际需求控制模式包括三种，具体为：
46.①
、直流侧电压由四相电压源型变换器控制时(整流模式、并网模式)，直流电压参考值u
dc_ref
与采集回来的直流侧电压u
dc
作差，经过一个电压控制器产生交流侧电流参考幅值i
ref
，与交流侧电压ua锁相后得到的相角信息生成a相和b相的交流侧电流参考波i
a_ref
和i
b_ref
；
47.②
、交流侧电压由四相电压源型变换器控制时(孤岛模式)，交流电压参考波u
a_ref
、u
b_ref
与采集回来的交流电压ua、ub作差，经过电压控制器产生交流侧电流参考波i
a_ref
和i
b_ref
；
48.③
、直流侧电压和交流侧电压均不需要四相电压源型变换器控制，只控制交流侧与直流侧的功率流动时(并网模式)，通过给定电流参考幅值i
ref
与交流侧电压ua锁相后得到的相角信息生成a相和b相的交流侧电流参考波i
a_ref
和i
b_ref
。
49.步骤2具体过程为：通过多路开关选择器选择其中一种需求，将根据该需求得到的交流侧电流参考波i
a_ref
和i
b_ref
与采集的交流侧电流ia、ib作差，经过电流控制器得到脉冲宽度调制波，调制波经过pwm发生器生成pwm驱动信号驱动桥臂上的开关管。
50.在四相平衡工况下，a相与c相相差180度，b相与d相相差180度，所以控制上可以采取双h桥控制策略简化控制；调制策略采取正弦脉宽调制策略，a、b、c、d四相的调制波依次相差90度。
51.对于本发明控制方法的验证，搭建了一套四相电压源型变换器的仿真模型，分别验证了整流模式、孤岛模型、并网模式以及四相-三相转换模式控制方法的有效性，直流电压等级定为750v，交流电压等级定为220v(相电压有效值)，各工况波形图如图8所示，a)整流模式波形图：交流侧给源(220v/15hz)，直流侧电压控制到750v，0.3s负载突增，直流电压跌落，0.35s回复到750v稳定运行；b)孤岛模式波形图：直流侧给源(750v)，交流侧电压控制到220v/15hz，0.3s负载突增，交流侧电压经过短暂的暂态过程重新被控制到220v/15hz；c)并网模式波形图：直流侧给源(750v)，交流侧给源(220v/15hz)，并网电流幅值控制在50a，0.3s并网电流幅值指令突变到100a，电流环响应速度较快，0.305s就达到了新的稳态。d)四相-三相转换模式波形图：以孤岛模式为例，0.3s前工作在四相模式，0.3s时刻断开一相，切换到三相模式运行，经过半个周波的暂态，互差90度的四相模式切换到了互差120度的三相
模式运行。
52.在输电线路检修时，四相-三相工作模式的切换创造了逐相不带电检修的环境，使检修工作更加安全可靠进行；或者在单相故障情况下快速切除故障相，切换到三相工作模式运行，提高供电可靠性。