应用于交直流配电网的电力电子变压器（学习笔记）

该电力电子变压器与传统电力电子变压器的优势在于为直流电源及直流负荷提供了接口，具备直流故障穿越能力，能够显著减少网络中换流器的数量，提高供电可靠性。

电力电子变压器（Powerelectronictransformer，PET）是一种结合了电力电子变换器和高频变压器的新型电力变换装置。

电力电子变压器具有以下优势：

(1)采用高频变压器后，可以减小设备的重量和体积，降低对环境的污染;

(2)保证原边电流和功率因数可控，具备无功补偿能力;

(3)确保负载电压不会因负载的变化而改变，提高供电质量，同时减少对电网的无功和谐波污染;

(4)具备高、低压交直流接口，适用于直流源、荷的接入;

(5)电力电子器件具有瞬时关断能力，可在故障情况下进行自保护。

在交直流配电网中使用电力电子变压器的好处：

可以减少换流器的数目；

协调功率分配；提高供配电的效率；

提升电网运行的经济性和可靠性。

图2-1PET新型拓扑结构

如图2-1所示，该拓扑采用三级结构，包括输入级的钳位双子模块（clamping double sub-module, CDSM）、隔离级DC-DC变换器以及输出级的DC-AC和DC-DC模块。

三种MMC模块状态分析

图2-2半桥子模块

半桥子模块有三种工作状态：投入状态、切除状态和闭锁状态。

图2-3半桥子模块工作状态

闭锁状态：（非正常工作状态）对应于VT1和VT2都关断，是模式1还是模式4取决于电流方向。这种状态是非正常工作状态，正常运行时不允许出现这种工作状态，有两种作用：1、启动时向子模块充电；2、故障时将子模块电容器旁路。

投入状态：对应于VT1开通和VT2关断，此时电容投入电路，但是模式2还是模式5取决于电流方向。此时可以看到，电容是投入状态，但电容的工作状态并不一定是放电，也可能是充电。所以可以注意到，MMC子模块的电容电压其实会在工作状态中改变。

切除状态：对应于VT1关断和VT2开通，此时电容切除出电路，但是模式3还是模式6取决于电流方向。此时输出的电压一定为0。

图2-4全桥子模块

如图2-4所示，全桥子模块由四个带反并联二极管的IGBT和储能电容组成。有四种工作状态：a)正投入状态b）负投入状态c）旁路状态d)闭锁状态。根据电流方向不同，每种工作状态有两种运行方式。

图2-5全桥子模块工作状态

前面三种工作状态是正常工作状态，最后一种闭锁状态一般用于清障和系统启动。闭锁状态中，子模块的状态是确定的，即电容一定是在桥臂当中，这其实就保证了在故障发生时，能够使用MMC自身的电容来吸收故障电流，清除故障电流，保证不产生震荡。

图2-6钳位双子模块

如图2-6所示，钳位双子模块由两个半桥子模块通过两个钳位二极管和一个引导IGBT组成。共包含五个IGBT。

图2-7钳位双子模块等效电路图

工作状态下，中间的引导IGBT会一直连通，保证两个子模块相连，输出电压是原来的两倍。

所以钳位双子模块其实就是全桥子模块整体提升了了一个U_c。另外在实际工程中，一般不使用输出仅为U_c的模式，所以正常模式其实只有2U_c（投入状态）和0（切除状态）两个状态。

另外在闭锁模式时，不管电流的方向，桥臂中始终有电容存在，所以可以起到清除故障电流的功能。

图2-8 CDSM 拓扑

正常工作时，CDSM相当于2 个级联的半桥子模块，用于将10 kV交流电压转化成±10kV直流电压。

与传统的H桥级联型的三相PET,PET新型拓扑结构的优势：

减少高频变压器数量，有利于提高PET的功率密度，降低系统造价；

提高输出电压质量；

满足交直流配电网的需求；

新型PET拓扑结构可以引出共同的直流母线，一方面可以输出高质量的直流电，另一方面可以更好的适应交直流混合配电网的应用环境；

新型PET拓扑结构在±10KV直流侧发生故障时，通过闭锁输入级CDSM实现直流故障自清除。

PET控制及调制策略设计

输入级C-MMC控制采用直接电流控制方式，控制器为双环控制结构；调制策略采用最*电*逼*调制（nearest level modulation， NLM）

隔离级DC-DC变换器的控制常用的方法有（1）：占空比控制；（2）：通过开环控制将输入级得到的直流电压变换为占空比为50%的高频方波。

输出级DC/AC模块采用三相四线制逆变器结构，控制策略采用双闭环控制，电压外环采用比例谐振（proportional resonant，PR控制），电流内环采用PI控制；DC/DC模块采用Buck-Boost电路，控制方式主要由电压模式控制和电流模式控制，本次采用电流模式控制策略。