應用於交直流配電網的電力電子變壓器（學習筆記）

該電力電子變壓器與傳統電力電子變壓器的優點在於爲直流電源及直流負荷提供了接口，具有直流故障穿越能力，可以顯著減小網絡中換流器的數量，提升供電可靠性。

電力電子變壓器（Powerelectronictransformer，PET）是一種結合了電力電子變換器和高頻變壓器的新型電力變換裝置。

電力電子變壓器具備如下優點：

(1)採用高頻變壓器後，能夠減少設備的重量和體積，下降對環境的污染;

(2)保證原邊電流和功率因數可控，具有無功補償能力;

(3)確保負載電壓不會因負載的變化而改變，提升供電質量，同時減小對電網的無功和諧波污染;

(4)具有高、低壓交直流接口，適用於直流源、荷的接入;

(5)電力電子器件具備瞬時關斷能力，可在故障狀況下進行自保護。

在交直流配電網中使用電力電子變壓器的好處：

能夠減小換流器的數目；

協調功率分配；提升供配電的效率；

提高電網運行的經濟性和可靠性。

圖2-1PET新型拓撲結構

如圖2-1所示，該拓撲採用三級結構，包括輸入級的鉗位雙子模塊（clamping double sub-module, CDSM）、隔離級DC-DC變換器以及輸出級的DC-AC和DC-DC模塊。

三種MMC模塊狀態分析

圖2-2半橋子模塊

半橋子模塊有三種工做狀態：投入狀態、切除狀態和閉鎖狀態。

圖2-3半橋子模塊工做狀態

閉鎖狀態：（非正常工做狀態）對應於VT1和VT2都關斷，是模式1仍是模式4取決於電流方向。這種狀態是非正常工做狀態，正常運行時不容許出現這種工做狀態，有兩種做用：一、啓動時向子模塊充電；二、故障時將子模塊電容器旁路。

投入狀態：對應於VT1開通和VT2關斷，此時電容投入電路，可是模式2仍是模式5取決於電流方向。此時能夠看到，電容是投入狀態，但電容的工做狀態並不必定是放電，也多是充電。因此能夠注意到，MMC子模塊的電容電壓其實會在工做狀態中改變。

切除狀態：對應於VT1關斷和VT2開通，此時電容切除出電路，可是模式3仍是模式6取決於電流方向。此時輸出的電壓必定爲0。

圖2-4全橋子模塊

如圖2-4所示，全橋子模塊由四個帶反並聯二極管的IGBT和儲能電容組成。有四種工做狀態：a)正投入狀態b）負投入狀態c）旁路狀態d)閉鎖狀態。根據電流方向不一樣，每種工做狀態有兩種運行方式。

圖2-5全橋子模塊工做狀態

前面三種工做狀態是正常工做狀態，最後一種閉鎖狀態通常用於清障和系統啓動。閉鎖狀態中，子模塊的狀態是肯定的，即電容必定是在橋臂當中，這其實就保證了在故障發生時，可以使用MMC自身的電容來吸取故障電流，清除故障電流，保證不產生震盪。

圖2-6鉗位雙子模塊

如圖2-6所示，鉗位雙子模塊由兩個半橋子模塊經過兩個鉗位二極管和一個引導IGBT組成。共包含五個IGBT。

圖2-7鉗位雙子模塊等效電路圖

工做狀態下，中間的引導IGBT會一直連通，保證兩個子模塊相連，輸出電壓是原來的兩倍。

因此鉗位雙子模塊其實就是全橋子模塊總體提高了了一個U_c。另外在實際工程中，通常不使用輸出僅爲U_c的模式，因此正常模式其實只有2U_c（投入狀態）和0（切除狀態）兩個狀態。

另外在閉鎖模式時，無論電流的方向，橋臂中始終有電容存在，因此能夠起到清除故障電流的功能。

圖2-8 CDSM 拓撲

正常工做時，CDSM至關於2 個級聯的半橋子模塊，用於將10 kV交流電壓轉化成±10kV直流電壓。

與傳統的H橋級聯型的三相PET,PET新型拓撲結構的優點：

減小高頻變壓器數量，有利於提升PET的功率密度，下降系統造價；

提升輸出電壓質量；

知足交直流配電網的需求；

新型PET拓撲結構能夠引出共同的直流母線，一方面能夠輸出高質量的直流電，另外一方面能夠更好的適應交直流混合配電網的應用環境；

新型PET拓撲結構在±10KV直流側發生故障時，經過閉鎖輸入級CDSM實現直流故障自清除。

PET控制及調製策略設計

輸入級C-MMC控制採用直接電流控制方式，控制器爲雙環控制結構；調製策略採用最近電平逼近調製（nearest level modulation， NLM）

隔離級DC-DC變換器的控制經常使用的方法有（1）：佔空比控制；（2）：經過開環控制將輸入級獲得的直流電壓變換爲佔空比爲50%的高頻方波。

輸出級DC/AC模塊採用三相四線制逆變器結構，控制策略採用雙閉環控制，電壓外環採用比例諧振（proportional resonant，PR控制），電流內環採用PI控制；DC/DC模塊採用Buck-Boost電路，控制方式主要由電壓模式控制和電流模式控制，本次採用電流模式控制策略。