摘要 针对应用于交直流配电网的电力电子变压器（power electronic transformer, PET），分析了输入级MMC子模块电容电压波动的机理，结合电力电子变压器的特殊结构，提出了一种优化运行控制策略，通过在DC/DC变换器的控制环节上增加电流修正量，以减小输入级MMC子模块电容电压波动。利用Matlab建立了电力电子变压器的仿真模型，通过仿真验证了控制策略的有效性。 关键词 :?交直流配电网；电力电子变压器；MMC子模块电容电压；优化运行 0 引言 电力电子变压器（power electronic transformer，PET）将电力电子技术应用在电能变换的场合，是一种新型结构的变压器，与传统变压器相比，提高了系统智能化水平[1]。除了能像常规电力变压器那样实现电压等级变换、隔离，以及能量传输等功能之外，PET能有效隔离电压波动及谐波传递，对潮流来控制并调节电能质量，实现电网侧和负载侧解耦。PET兼具交直流端口，各种小容量分布式电源可经PET并网。除此之外，PET还具有体积重量小，无需变压器油等优点[2]。 Rainer Marquardt在文献[2]中首次提出模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）结构的拓扑，该结构适用于高压大功率场合，吸引了广泛关注。文献[3]提出了一种基于全桥子模块MMC的AC/AC结构PET。文献[4]提出了一种基于MMC的DC/AC/DC结构PET，介绍了基本拓扑结构及其在直流配电网中的应用。文献[5]提出了一种基于背靠背MMC的AC/DC/AC结构PET。文献[6]介绍了基于MMC的隔离DC/DC拓扑，该拓扑可作为不同电压等级直流电网之间的接口。这些基于MMC的PET结构中只使用一个中频或高频变压器，减少了变压器的数量，可实现PET的轻量化。  目前的PET一般会用如图1所示的三级结构。输入级为MMC变换器，将高压交流变换为高压直流；隔离级为输入串联、输出并联的DC/DC变换器，通过高频变压器实现隔离，将高压直流转换为低压直流；输出级为四桥臂DC/AC逆变器，将低压直流变换为低压交流，接入低压配电网络。? ??  ?? ? ? ? ? ??? 图1 电力电子变压器拓扑结构 Fig.1 Structure of power electronic transformer? 在高压大功率的场合，考虑到电力电子器件的能力，目前PET输入级电力电子变换器一般会用模块化级联结构。文献[7-8]对H桥级联式PET电压均衡控制策略进行了研究，由于输入级的直流输出电压或者各DAB（dual active bridges）模块传递的功率不均衡，可能会引起开关器件电压或电流应力分配不均，进而影响PET的安全可靠运行，所以要通过控制保证各整流模块的输出电压均衡和各DAB模块传递的功率均衡。文献[9-11]对基于MMC结构的PET工作原理和控制策略进行了研究，该方式对比H桥级联结构的输入级，能提高输出电压电能质量、大幅度减少高频隔离变压器和开关器件的用量。文献[12]提出了一种新型PET拓扑结构，将隔离级DC/DC变换器模块与MMC功率单元集成在一起，实现高度模块化。?  针对MMC拓扑结构特点，子模块电容电压的控制特别的重要。系统电流额度、模块电容选型都会直接影响子模块电容电压波动。因此，在一定输出容量基础上，有效减小子模块电容电压波动能够更好的降低系统成本，确保系统安全运作[13-14]。由于在每相桥臂内，子模块电容电压波动与桥臂环流相互耦合，因此，利用电流量对电容电压波动进行抑制的研究较多。文献[15]对电流控制中注入2次谐波，能够得到一个更小的电容纹波。文献[16]通过在参考信号中加入零序分量配合高频的环流成分来减小低频的电容纹波。但上述方法均存在计算量大，适用性不强等缺点。?? 本文在文献[12]提出的新型PET拓扑结构的基础上，对输入级MMC子模块电容电压波动进行了分析，针对拓扑结构的特殊性，提出了一种应用于PET的优化运行控制策略。通过在隔离型DC/DC变换器的控制环节上增加电流修正量，以达到减小子模块电容电压波动的目的，控制简单，计算量小。同时，由于增加电流修正量只改变了DAB的输入电流，不可能影响配电网各部分之间能量的传输，可以与MMC子模块电容均压并行运行，使子模块电容电压更稳定。 搭建了电力电子变压器的仿真模型，通过明了控制策略的有效性。? ? 1 PET结构及基本操控方法 新型模块化PET拓扑结构如图2所示。该拓扑可分为前级和后级两部分，前级是在MMC输入级结构的基础上，将隔离级的隔离DC/DC变换器与MMC子模块整合在一起，组成新型功率子模块，并将子模块的输出并联到一起，得到低压直流输出，连接输出级。子模块结构如图3所示。子模块输入仍采用传统MMC的级联结构。文献[17]详细的介绍了适用于MMC结构的载波移相（CPSSPWM）调制策略，给出了一种子模块电容电压平衡的控制策略，能确保各子模块电容电压处于相同的范围，以及电压变化的一致性，并以此控制直流电压的稳定，完成功率的动态调节。文献[18]利用通用环流抑制策略，省去了相间解耦与负序坐标变换，实现简单，适用于任意级数的MMC拓扑。  ?? 图2 PET拓扑结构图Fig.2 Topology of the PET?? ?? 图3 子模块结构Fig.3 Structure of sub-module（SM）? ? DC/DC变换器将MMC功率单元的直流输出电压E调制成为高频交流，通过高频隔离变压器隔离后，经副边H桥同步解调，还原成低压直流电压Vd。DC/DC变换器采用桥间移相控制策略，原副边电路均输出一个频率固定、占空比为50%的高频方波，但同一变换器中的前后两个全桥输出错开一定的相位角，以实现能量传输的大小、方向可调。后级采用四桥臂PWM逆变器，将低压直流电，逆变为400V等级工频交流电。四桥臂PWM逆变器采用传统双闭环控制，实现低压交直流配电网能量的双向传输。?  该拓扑主要有以下优势：1）MMC、DC/DC变换器以及四桥臂换流器的基本操控方法可分别应用于PET的输入级、隔离级以及输出级的控制，操控方法可使用传统方案，实现简单。2）由于MMC子模块通过均压控制已实现电容电压均衡，故DC/DC变换器无需像输入串联输出并联系统那样，要输入串联均压控制。3）DC/DC变换器只连接一个MMC功率单元，故IGBT电流要求低，高频隔离变压器容量小，设计相对容易。4）MMC功率单元输出能量直接输入DC/DC变换器，不流经高压直流母线，在高压直流母线空载的情况下，MMC桥臂电流无直流分量，器件损耗小，效率高。 2 PET等效电路和电压波动分析 图4为PET前级等效电路，将新型子模块中MMC功率单元和隔离型DC/DC变换器分别等效为电压源和电流源。图中，Rα、Lα分别为PET输入级的桥臂等效电阻和等效电感；ix 为系统输入的交流电流 （x = a,b,c）；ux为输入的交流电压；upx、unx 分别为上、下桥臂的电压（p为上桥臂，n为下桥臂）；ipx、inx 分别为上、下桥臂的电流；Udc、Idc分别为高压直流侧的电压、电流。 ?? ?? ?? 图4 PET等效电路Fig.4 Equivalent circuit of PET???? PET的子模块电容电压均压策略可以借鉴MMC的子模块均压控制策略，由于均压控制，单个桥臂内部的各子模块电容电压可以认为是相等的。假设PET各相单元参数完全相同，可认为输入能量在三相中平分；同样，由于系统上、下桥臂参数完全对称，可认为输入交流电流在上、下桥臂中平分。桥臂电流以直流分量，基频分量和2倍频分量为主[19]，忽略高次谐波的影响，PET的桥臂电压和桥臂电流可以分别表示为：  ?? 式中：U、θx分别为PET中压交流输出相电压幅值、初相角；I、φx分别为中压交流输出电流幅值、初相角；I2、φ2分别为电流2倍频分量幅值、初相角；ω为系统角频率。以A相为例对子模块电容电压波动做多元化的分析，上、下桥臂的开关函数分别为： ?? 式中m= 2U/Udc为电压调制比。因此，上、下桥臂子模块平均电流ipa_avg、ina_avg分别为： ?? 由式（1）、（2）可得： ? 假设DC/DC变换器的输入电流为直流，即A12=A22=A32=0，此时，桥臂电流中的基频分量、2倍频分量均流过子模块电容，此时A相上、下桥臂子模块电压波动表达式为： ?? 式中C为子模块电容值。通过式（10）可知，PET功率单元的电容电压存在1、2、3倍频的脉动，且以工频脉动和2倍频脉动为主。? 3 优化运行控制策略 针对电容电压的波动能够使用传统的抑制方式，即在输入级MMC的控制中，加入电容电压均衡控制与电容电压平衡控制，来维持电容电压恒定。该方式虽然能取得一定的效果，但其根本原理是通过MMC子模块的投切，限制交流功率在子模块电容上的充放电，其抑制效果有限，而且也增加了输入级MMC控制管理系统的运算

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