[发明专利]基于模块化多电平变换器的直流电网及多层容错控制方法

说明书

本发明公开了一种基于模块化多电平变换器的直流电网及多层容错控制方法，直流电网架构中包含两条互为备用的中压直流母线，采用分区配电形式，每个配电区通过基于集成隔离四绕组中频变压器的MMC型直流变换器，在每个区域配电系统中提供两条互为备用的低压母线。通过基波环流抑制实现子模块容错运行，通过调整交流环节变压器结构与调制波的角度实现MMC两相运行，通过配电区内自备用低压直流母线实现母线故障隔离与功率自平衡。本发明所采用的直流电网架构可应用于海岛，船舶以及通信基站等领域，所提出的多层容错控制方法可以大大提高系统的稳定运行能力与容错能力。

技术领域

本发明涉及中压直流电网架构与电力电子领域，特别是一种基于模块化多电平变换器的直流电网及多层容错控制方法。

背景技术

随着研究的进展，研究人员注意到传统交流电网架构有以下不足之处：发电机组必须以固定的速度工作，从而限制了燃油效率的进一步提高。传统交流电网架构存在无功潮流和电能质量问题(例如，三相不平衡和谐波电流)，庞大的工频变压器。而且，当存在脉冲电负载时，存在系统崩解的潜在风险。

中压直流(MVDC)配电系统有望成为下一代中压配电系统，可应用于常规陆地配电系统，亦可应用于船舶海岛通信基站等封闭环境。在典型的MVDC配电系统中，MVDC直流母线通过DC-DC转换器连接到负载侧的低压直流(LVDC)母线。MVDC母线的使用使得典型的柴油发电装置，高速燃气轮机发电和可再生能源发电装置可以集成在一起，实现高效运行。

为了提高中压配电系统应用于海岛、船舶等较封闭环境的可靠性，目前已提出区域配电系统作为容错解决方案。在中压直流配电系统中，与LVDC母线和MVDC母线相连接的DC-DC变换器起到电气隔离，电压匹配和故障控隔离的关键作用。为了减小应DC-DC变换器的尺寸和重量，应该选择合适的变换器拓扑结构，如大功率双有源桥和双MMC型DC/DC转换器。

近年来，模块化多电平变换器(MMC)在高压直流系统，变频驱动器和电气化铁路供电等大功率和高压应用场合得到了广泛的关注。与中性点钳位和飞跨电容式多电平变换器相比，MMC具有较好的输出波形质量，高模块化程度，出色的EMI性能和高可靠性的特点，适用于MVDC电力系统。近年来，引进了基于MMC的新型功率变换器的电力电子化配电系统已逐渐引起关注，比如基于MMC的单相谐振DC-DC转换器，通过提高开关频率，可以在隔离型DC-DC转换器的中间交流环节使用中高频变压器来大幅减小系统的尺寸与重量以及桥臂电感值和子模块电容值，但是容错操作和故障控制方案的研究扔有待进一步深入。

由于MMC中使用了大量的半导体器件和电容器，子模块故障几乎是不可避免的，因此研究子模块故障下的MMC容错操作是必不可少的。值得注意的是，在中压直流系统中，MMC各桥臂的子模块数量通常很小(4-10个)，故子模块故障的影响要比在高压直流输电系统中更严重。同时，现有的MMC容错方案主要集中在SM水平。各种适用于高压直流输电场合的MMC故障诊断方法和容错策略都有比较成熟的研究和应用。然而，大部分容错策略需要复杂的调制重构和并且存在子模块数利用率较低的问题。另外，当故障的子模块数超过最大冗余或整个桥臂发生故障，MMC一般被停机，并启动备用MMC来维持供电，但对于较封闭的船舶，通信基站等应用领域而言，该法并不经济。

因此，本发明提出了一种基于MMC的中压直流电网架构及其多层容错控制方法，该直流电网架构中包含两条互为备用的中压直流母线，采用分区配电形式，每个配电区通过基于集成隔离四绕组中频变压器的MMC型直流变换器，在每个区域配电系统中提供两条互为备用的低压母线。通过基波环流抑制实现子模块容错运行，通过调整交流环节变压器结构与调制波的角度实现MMC两相运行，通过配电区内自备用低压直流母线实现母线故障隔离与功率自平衡。本发明所采用的直流电网架构可应用于海岛，船舶以及通信基站等领域，所提出的多层容错控制方法可以大大提高系统的稳定运行能力与容错能力。

发明内容