基于MMC结构的电力电子变压器拓扑结构及控制策略研究_孙广星

1AC-ACFig.1AC-ACpowerelectronictransformer2AC-DC-ACFig.2AC-DC-ACpowerelectronictransformerMMC孙广星，苟锐锋，孙伟（，710065）：电力电子变压器是一种多功能的智能变压器，其特点是体积小重量轻，且具备改善电能质量等功能，是智能电网的重要设备之一。首先介绍了电力电子变压器的基本概念和发展趋势；之后分析了电力电子变压器的几种典型拓扑结构并简要介绍了对应的控制策略。选定了一种三相四线制电力电子变压器的拓扑结构，分析了其基本原理和控制策略，并在PSIM软件中建立了其仿真模型。对电力电子变压器变压和电能质量调节这两个主要功能进行了仿真和物理试验验证，结果证明了所用拓扑结构和控制策略的正确性和有效性。：电力电子变压器；三相四线制；拓扑结构；控制及调制策略；电能质量ResearchonTopologyandControlStrategyofPowerElectronicTransformerBasedonMMCStructureSUNGuangxingGOURuifengSUNWeiXi’anXDPowerSystemCo.Ltd.Xi’an710065ChinaAbstract:PowerelectronictransformerPETisakindofmulti-functionalintelligenttransformerwhichischaracterizedbysmallvolumeandlightweightandhasthefunctionofimprovingpowerquality.PETisoneoftheimportantdevicesinsmartgrid.FirstlythebasicconceptsanddevelopmenttrendofthePETareintroduced.ThenseveraltypicaltopologiesofthePETareanalyzedthecorrespondingcontrolstrategiesarebrieflyintroduced.Akindofthree-phasefour-wirePETtopologyisselectedandwhichthebasicprincipleandcontrolandmodulationstrategyareanalyzed.ThenthePETsimulationmodelisestablishedbythePSIMsoftware.InordertocheckthePETtwomainfunctionswhicharethevoltagechangeandpowerqualityregulationthispapermakesthesimulationandphysicalexperiment.TheresultsshowthattheeffectivenessandvalidityofthetopologyandcontrolstrategyofthePET.Keywords:powerelectronictransformerthree-phasefour-wiretopologystructurecontrolandmodulationstrategypowerquality0(powerelectronictransformer，PET)。[1]，AC-ACAC-DC-AC，1、2。1、2PET，，5210142-01472016116HighVoltageApparatusVol.52No.10142-0147Jan.162016DOI:10.13296/j.1001-1609.hva.2016.01.024：2015-06-26；：2015-07-183MMCPETFig.3PETtopologybasedonMMC，，。，，；，，，。PETPET。PET，。，，，、、、。，、，、，、。：，，。：。，PET，，[2]。，，。HMMC，，。MMCPET，PET，MMCPET，PSIM。，MMCPET，。1MMCPET3，AC-DC-ACPET。MMC，H、3[3]。PET、3。1.1PET，PET。PET，。3，MMC，，，。MMCn(submodule，SM)L0，。，.MMC143··20161521uj1、uj2(j=a，b，c)，4。MMC，，uj1+uj2=Udc，，。an1a，n2a，n1a+n2a=n。(1)(1)，，。：uAN=-ua1+Udc/2；(2)uA′N=ua2-Udc/2=Udc-ua1-Udc/2=uAN。(3)，AA′，uA=uA′，，L0。，b、c。45，LL0。5MMC，PETMMC。、、[4]。1.2，，。3，DC20kV；，。DC-DC，IGBT6500V，m，m=5。PET。，400Hz~15kHz。，，。，，。，，PET，，PET，[5]。1.3PET，，。，，3。4，3，。，。，。，，THD。2MMCPET，PET，MMC；PET，，。PET。2.1MMC。5PET4MMC1Fig.4MMCequivalentcircuit15MMC2Fig.5MMCequivalentcircuit2144··[4]，。6。6：id、iq5ia、ib、icdq；ud、uq5ua、ub、ucdq；idref、iqref；νdref、νqrefdq，dq-abcPET。MMC，。7，P。idref。MMC，，，(SHE)、(SVC)(NLC)。，，PWM，PWM、PWMPWM。MMC12，，NLC，8，[6]：ν，Uc。n()，，n。n、，0。8，0，，，。，NLCMMC±Uc/2。2.2PET，，，50%。，，。，。，H，H，，。，。2.3，。，，、、。，9。：νref，νoPI，PI，9Fig.9Blockdiagramofcontrolsystemwithdoubleclosed-loop6Fig.6Blockdiagramofinnerloopcurrentcontrol7Fig.7BlockdiagramofouterloopDCvoltagecontrol8NLCFig.8NLCmodulationstrategy.MMC145··2016152110Fig.10Maincircuitmodel，PWM。，，；，。3。(νMA，νMB，νMC)3，4(νMN)：νMA=Msin(ωt)+Ksin(3ωt)νMB=Msin(ωt+120°)+Ksin(3ωt)νMC=Msin(ωt+240°)+Ksin(3ωt)νMN=Ksin(3ωt!####$)。(4)(4)：M；K。(4)，33，。，，，[7]。3PET，PSIM。：10kV，MMCn=12，CSM=8.5mF，L0=8mH；CH=400μF，CL=400μF，k=5，/DC-DCm=5；380V，Lp=0.3mH、C0=500μF；Z=0.2+j0.157Ω，ZA=0.3Ω，ZB=0.3+j0.628Ω，ZC=0.3Ω。10，11-13。11PET，、dq；。11，PET380V，10kVq0，，PET。121、，4000V/800V，11PET10kV380VPET。13PET，。0.2s，，，PET。PETMMC，MMC。、14、15。146··11Fig.11Simulationwaveformforthebalancedload12、Fig.12Voltagewaveformforthehighfrequencytransformerprimaryandsecondaryside13Fig.13Simulationwaveformfortheunbalancedload1410kV/12.5MVAMMCFig.1410kV/12.5MVAMMCrectifier15MMC/Fig.15AC/DCvoltageofMMCrectifier15。4PET、、、()。MMC，PET、。PET，。10kV/380VPET，，10kV、35kVPET，。：[1]，，，．[J]．，2004，24(12)：24-35．CHENGJianpeng，MAOChengxiong，FANPeng，etal.Prin-cipleandsimulationresearchofelectronictransformer[J].ElectricPowerAutomationEquipment，2004，24(12)：24-35.[2]．[D]．：，2013．ZHAOLili.Researchoncascadedthree-phase-bridgecon-verteranditsapplicationinpowerelectronictransformer[D].Chongqing:ChongqingUniversity，2013.[3]，，，．[J]．，2013，37(9)：2592-2601．LIZixin，WANGPing，CHUZunfang，etal.Researchonmedium-andhigh-voltagesmartdistributiongridorientedpowerelectronictransformer[J].PowerSystemTechnology，2013，37(9)：2592-2601.[4]，．[J]．，2010，34(19)：64-68．GUANMinyuan，XUZheng.ModelingandcontrolforHVDCbasedonmodularmultilevelconverter[J].AutomationofElectricPowerSystems，2010，34(19)：64-68.(下转第153页).MMC147··[5]，．[J]．，2010，47(2)：12-15．SONGXiaobing，MEIJianwei.Developmentofpulsetrans-formerwithamorphouscore[J].Transformer，2010，47(2)：12-15.[6]KOUROS，BERNALR，MIRANDAH，etal.High-perfor-mancetorqueandfluxcontrolformultilevelinverterfedinductionmotors[J].IEEETransactionsonPowerElectron-ics，2007，22(6)：2116-2123.[7]，，．[J]．，2005，20(12)：43-52．GUANEryong，SONGPinggang，YEManyuan.Three-phaseinverterwithfourbridgelegsbasedonthreeharmonicin-jectionmethod[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2005，20(12)：43-52.孙广星(1983—)，男，硕士，工程师，主要从事柔性交/直流输配电用电力电子设备的研究工作。苟锐锋(1959—)，男，教授级高工，主要从事绝缘配合、高压直流/柔性直流输电系统研究工作。孙伟(1962—)，男，教授级高工，主要从事高压直流输电、柔性交流输配电系统研究与相关设备研究工作。[J]．，2004，40(5)：376-378．SUNZhenquan，ZHANGWenyuan.Thecurrentsituationandthefutureofdevelopingelectroniccurrenttransducer[J].HighVoltageApparatus，2004，40(5)：376-378.[2]，，．[J]．，2011，39(5)：776-777．LIHuaihai，LIFeng，HUAXiaobing.Theprinciplesandapplicationresear