基于MMC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器：拓?fù)洹⒖刂婆c應(yīng)用的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，傳統(tǒng)能源逐漸向可再生能源過渡，新能源發(fā)電如太陽能、風(fēng)能等得到了廣泛應(yīng)用。這些新能源發(fā)電具有間歇性、波動性等特點，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了巨大挑戰(zhàn)。同時，隨著智能電網(wǎng)、分布式能源系統(tǒng)以及電動汽車等新型電力應(yīng)用的快速發(fā)展，對電力傳輸和分配設(shè)備的性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電磁式變壓器在面對這些新需求時，暴露出了諸多局限性，如體積龐大、重量較重、無法實現(xiàn)靈活的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和智能控制等。電力電子變壓器（PowerElectronicTransformer，PET）作為一種新型的變壓器技術(shù)，應(yīng)運而生。它融合了電力電子技術(shù)和電磁技術(shù)，通過電力電子器件的快速開關(guān)動作實現(xiàn)電能的變換和控制，具有體積小、重量輕、效率高、可實現(xiàn)靈活的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和智能控制等顯著優(yōu)點，能夠有效滿足新能源接入、智能電網(wǎng)建設(shè)以及各類新型電力應(yīng)用的需求。在新能源并網(wǎng)方面，電力電子變壓器可以實現(xiàn)對新能源發(fā)電的快速跟蹤和最大功率點跟蹤控制，提高新能源的利用效率；同時，能夠有效抑制新能源發(fā)電帶來的諧波、電壓波動等問題，保障電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定運行。在智能電網(wǎng)中，電力電子變壓器可以實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓、電流和功率的精確控制，提高電網(wǎng)的靈活性和可靠性；還可以作為分布式能源系統(tǒng)的接口設(shè)備，實現(xiàn)分布式能源的高效接入和協(xié)同運行。模塊化多電平換流器（ModularMultilevelConverter，MMC）結(jié)構(gòu)在電力電子變壓器中具有關(guān)鍵作用。MMC是一種新型的多電平換流器拓?fù)?，由多個子模塊級聯(lián)而成，每個子模塊包含儲能電容和開關(guān)器件。這種結(jié)構(gòu)具有輸出電壓諧波含量低、開關(guān)頻率低、效率高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點。將MMC結(jié)構(gòu)應(yīng)用于電力電子變壓器中，可以有效提升電力電子變壓器的性能。在高壓大容量的電力傳輸和變換場景中，MMC型電力電子變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)更高的電壓等級和更大的功率傳輸，同時保持較低的諧波污染和能量損耗；MMC的模塊化設(shè)計使其具有良好的擴(kuò)展性和冗余性，能夠提高電力電子變壓器的可靠性和可維護(hù)性，降低系統(tǒng)的運行成本和維護(hù)難度。研究基于MMC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。在理論方面，MMC型電力電子變壓器涉及到電力電子技術(shù)、電磁理論、自動控制理論等多個學(xué)科領(lǐng)域，對其進(jìn)行深入研究可以促進(jìn)這些學(xué)科的交叉融合和發(fā)展，豐富電力系統(tǒng)理論體系；通過對MMC型電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略、運行特性等方面的研究，可以揭示其內(nèi)在的工作機(jī)理和運行規(guī)律，為電力電子變壓器的優(yōu)化設(shè)計和性能提升提供理論依據(jù)。在實際應(yīng)用方面，MMC型電力電子變壓器在新能源并網(wǎng)、智能電網(wǎng)、軌道交通、工業(yè)電力系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，能夠有效解決傳統(tǒng)變壓器在這些領(lǐng)域中存在的問題，提高電力系統(tǒng)的運行效率和可靠性，推動能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展；研發(fā)高性能的MMC型電力電子變壓器可以促進(jìn)電力設(shè)備制造業(yè)的技術(shù)升級和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提升我國在電力電子領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力和國際競爭力。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1MMC結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀MMC結(jié)構(gòu)自被提出以來，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、子模塊設(shè)計、控制策略等方面取得了豐富的研究成果。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究方面，最初的MMC基本拓?fù)溆砂霕蜃幽K（Half-BridgeSub-Module，HBSM）級聯(lián)而成，這種結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)多電平輸出、降低諧波含量方面具有明顯優(yōu)勢，目前在中高壓電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著研究的深入，為了提高M(jìn)MC在故障情況下的穿越能力和可靠性，全橋子模塊（Full-BridgeSub-Module，F(xiàn)BSM）拓?fù)浔惶岢?，全橋子模塊能夠在直流側(cè)短路故障時，通過控制開關(guān)狀態(tài)，將電容電壓反向輸出，避免故障電流對系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性?；旌闲蚆MC拓?fù)湟渤蔀檠芯繜狳c，它結(jié)合了半橋子模塊和全橋子模塊的優(yōu)點，在正常運行時，利用半橋子模塊實現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換，降低成本和損耗；在故障情況下，切換到全橋子模塊工作模式，保障系統(tǒng)的不間斷運行，如在一些對供電可靠性要求極高的城市電網(wǎng)和工業(yè)電網(wǎng)中，混合型MMC拓?fù)湔宫F(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。在子模塊設(shè)計方面，研究主要集中在如何優(yōu)化子模塊的參數(shù)配置和電路結(jié)構(gòu)，以提高M(jìn)MC的性能。通過對電容參數(shù)的優(yōu)化選擇，能夠提高子模塊的儲能能力和電壓穩(wěn)定性，降低電容的電壓波動，減少開關(guān)器件的應(yīng)力，從而提高整個MMC系統(tǒng)的可靠性和效率；采用新型的功率開關(guān)器件，如碳化硅（SiC）器件，能夠顯著提高開關(guān)速度、降低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，提升MMC的性能和效率，在高壓大容量的電力傳輸場景中，SiC器件的應(yīng)用使得MMC能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度和更低的能量損耗。在控制策略方面，常見的有載波移相脈寬調(diào)制（CarrierPhase-ShiftedPulseWidthModulation，CPS-PWM）和最近電平逼近調(diào)制（NearestLevelModulation，NLM）。CPS-PWM通過將多個載波信號進(jìn)行移相，實現(xiàn)對MMC各子模塊的精確控制，能夠有效降低輸出電壓的諧波含量，提高電能質(zhì)量，在對諧波要求嚴(yán)格的電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用；NLM則根據(jù)參考電壓與各電平之間的距離，選擇最接近的電平輸出，具有計算簡單、實時性強(qiáng)的優(yōu)點，適用于對響應(yīng)速度要求較高的場合。為了進(jìn)一步提高M(jìn)MC的控制性能，模型預(yù)測控制（ModelPredictiveControl，MPC）、滑?？刂疲⊿lidingModeControl，SMC）等先進(jìn)控制策略也被引入MMC的控制研究中。MPC通過建立系統(tǒng)的預(yù)測模型，預(yù)測未來時刻的系統(tǒng)狀態(tài)，并根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)選擇最優(yōu)的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)對MMC的快速動態(tài)響應(yīng)和精確控制；SMC則通過設(shè)計滑模面，使系統(tǒng)狀態(tài)沿著滑模面滑動，具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力，在電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載變化等復(fù)雜工況下，能夠保障MMC的穩(wěn)定運行。1.2.2電力電子變壓器的研究現(xiàn)狀電力電子變壓器的研究涵蓋了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略、應(yīng)用領(lǐng)域等多個方面。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，早期的電力電子變壓器主要采用簡單的AC-DC-AC結(jié)構(gòu)，通過整流和逆變環(huán)節(jié)實現(xiàn)電壓的變換和電能的傳輸，這種結(jié)構(gòu)在一些小功率、對性能要求不高的場合有一定應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，為了滿足高壓大容量、高效率、高可靠性等要求，出現(xiàn)了多種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；诙嗬@組變壓器的電力電子變壓器拓?fù)?，通過增加繞組數(shù)量和合理設(shè)計繞組連接方式，能夠?qū)崿F(xiàn)多個電壓等級的輸出和靈活的電能變換，適用于復(fù)雜的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；級聯(lián)型電力電子變壓器拓?fù)鋵⒍鄠€電力電子變換單元級聯(lián)起來，提高了電壓變換能力和輸出電壓的質(zhì)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，在智能電網(wǎng)的分布式能源接入和中高壓電力傳輸中具有重要應(yīng)用價值。在控制策略方面，為了實現(xiàn)電力電子變壓器的精確控制和高效運行，學(xué)者們提出了多種控制方法。傳統(tǒng)的比例積分（Proportional-Integral，PI）控制在電力電子變壓器中得到廣泛應(yīng)用，通過調(diào)節(jié)PI控制器的參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出電壓、電流和功率的穩(wěn)定控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。然而，PI控制在面對復(fù)雜工況和動態(tài)變化時，控制性能存在一定局限性。因此，一些先進(jìn)的控制策略，如矢量控制、直接功率控制等被引入電力電子變壓器的控制中。矢量控制通過對交流電機(jī)的磁場定向控制，實現(xiàn)對電力電子變壓器的解耦控制，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能和控制精度，在需要快速跟蹤和調(diào)節(jié)的電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用；直接功率控制則直接對電力電子變壓器的有功功率和無功功率進(jìn)行控制，簡化了控制結(jié)構(gòu)，提高了控制的實時性和準(zhǔn)確性，在新能源并網(wǎng)等對功率控制要求較高的應(yīng)用場景中具有良好的應(yīng)用效果。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，電力電子變壓器在新能源并網(wǎng)、智能電網(wǎng)、軌道交通、工業(yè)電力系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在新能源并網(wǎng)方面，電力電子變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)對新能源發(fā)電的最大功率點跟蹤控制，提高新能源的利用效率，同時有效抑制新能源發(fā)電帶來的諧波、電壓波動等問題，保障電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定運行，在大規(guī)模的太陽能、風(fēng)能發(fā)電場中，電力電子變壓器作為關(guān)鍵的接入設(shè)備，發(fā)揮著重要作用；在智能電網(wǎng)中，電力電子變壓器可以實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓、電流和功率的精確控制，提高電網(wǎng)的靈活性和可靠性，作為分布式能源系統(tǒng)的接口設(shè)備，實現(xiàn)分布式能源的高效接入和協(xié)同運行，促進(jìn)智能電網(wǎng)的智能化發(fā)展；在軌道交通領(lǐng)域，電力電子變壓器能夠為列車提供穩(wěn)定的供電，實現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)換和回收利用，降低列車的能耗和運行成本，提高軌道交通系統(tǒng)的運行效率和可靠性；在工業(yè)電力系統(tǒng)中，電力電子變壓器可以滿足工業(yè)生產(chǎn)對高品質(zhì)電能的需求，實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備的精確控制和保護(hù)，提高工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量，在鋼鐵、化工等對電力質(zhì)量要求較高的工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1.2.3MMC結(jié)構(gòu)在電力電子變壓器中的研究現(xiàn)狀將MMC結(jié)構(gòu)應(yīng)用于電力電子變壓器，能夠充分發(fā)揮MMC的優(yōu)勢，提升電力電子變壓器的性能。目前，國內(nèi)外學(xué)者在MMC型電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略、運行特性等方面開展了大量研究。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究方面，主要有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)。串聯(lián)型結(jié)構(gòu)中，MMC與DC-DC變換器串聯(lián)連接，MMC負(fù)責(zé)實現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)和電能質(zhì)量的改善，DC-DC變換器則實現(xiàn)電壓的變換，這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的電壓變換比和靈活的電能控制，適用于高壓輸電和大容量電力傳輸?shù)膱龊?；并?lián)型結(jié)構(gòu)中，MMC和DC-DC變換器并聯(lián)連接，共同完成電能的轉(zhuǎn)換和控制，這種結(jié)構(gòu)具有較好的冗余性和可靠性，在對供電可靠性要求較高的場合具有優(yōu)勢。一些新型的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不斷被提出，如將多個MMC模塊和DC-DC變換器進(jìn)行組合，形成更加靈活、高效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。在控制策略方面，需要綜合考慮MMC和DC-DC變換器的協(xié)同控制，以實現(xiàn)電力電子變壓器的最優(yōu)運行。一種常見的控制策略是采用分層控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)控制器根據(jù)系統(tǒng)的運行要求，如功率指令、電壓調(diào)節(jié)目標(biāo)等，計算出MMC和DC-DC變換器的參考信號；內(nèi)環(huán)控制器則根據(jù)參考信號，對MMC和DC-DC變換器的開關(guān)器件進(jìn)行控制，實現(xiàn)對電壓、電流和功率的精確跟蹤。在MMC的控制中，通常采用CPS-PWM、NLM等調(diào)制策略，結(jié)合電容電壓平衡控制算法，保證MMC各子模塊電容電壓的均衡；在DC-DC變換器的控制中，采用PWM控制、移相控制等策略，實現(xiàn)對輸出電壓和功率的穩(wěn)定控制。一些智能控制算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等也被嘗試應(yīng)用于MMC型電力電子變壓器的控制中，以提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和控制性能。在運行特性研究方面，學(xué)者們主要關(guān)注MMC型電力電子變壓器在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)下的性能表現(xiàn)。在穩(wěn)態(tài)運行時，研究其電壓、電流、功率的傳輸特性，以及效率、諧波含量等指標(biāo)；在暫態(tài)過程中，如電網(wǎng)電壓跌落、負(fù)載突變、故障等情況下，研究其動態(tài)響應(yīng)特性和故障穿越能力。通過理論分析、仿真研究和實驗驗證等手段，揭示MMC型電力電子變壓器的運行規(guī)律和性能特點，為其優(yōu)化設(shè)計和實際應(yīng)用提供依據(jù)。1.2.4研究不足與展望盡管國內(nèi)外在MMC結(jié)構(gòu)和電力電子變壓器方面取得了豐碩的研究成果，但仍存在一些不足之處。在MMC結(jié)構(gòu)方面，雖然拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略不斷發(fā)展，但在高壓大容量應(yīng)用中，子模塊數(shù)量的增加導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本大幅上升，如何在保證性能的前提下，降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度，是需要進(jìn)一步研究的問題；在子模塊電容電壓平衡控制方面，現(xiàn)有的控制算法在某些復(fù)雜工況下，仍難以實現(xiàn)電容電壓的完全均衡，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，需要進(jìn)一步優(yōu)化控制算法，提高電容電壓平衡控制的精度和魯棒性。在電力電子變壓器方面，目前的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略在應(yīng)對一些特殊應(yīng)用場景和復(fù)雜工況時，還存在一定的局限性，如在極端的電網(wǎng)環(huán)境下，電力電子變壓器的可靠性和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高；電力電子變壓器的成本相對較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用，需要在設(shè)計和制造工藝上進(jìn)行創(chuàng)新，降低成本，提高性價比。在MMC型電力電子變壓器方面，MMC與DC-DC變換器的協(xié)同控制還不夠完善，在動態(tài)響應(yīng)過程中，兩者之間可能存在相互影響，導(dǎo)致系統(tǒng)的性能下降，需要進(jìn)一步深入研究協(xié)同控制策略，實現(xiàn)兩者的高效配合；MMC型電力電子變壓器的實驗研究相對較少，尤其是在高壓大容量的實際應(yīng)用場景下，缺乏足夠的實驗驗證，需要加強(qiáng)實驗平臺的建設(shè)，開展更多的實驗研究，驗證理論和仿真結(jié)果的正確性。未來，MMC結(jié)構(gòu)和電力電子變壓器的研究可能會朝著以下方向發(fā)展：在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，繼續(xù)探索新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合新型電力電子器件和材料，實現(xiàn)更高的功率密度、更低的成本和更好的性能；在控制策略方面，引入人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)更加智能、自適應(yīng)的控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；在應(yīng)用領(lǐng)域方面，隨著新能源產(chǎn)業(yè)和智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，MMC型電力電子變壓器將在新能源并網(wǎng)、分布式能源系統(tǒng)、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，需要針對不同的應(yīng)用場景，開展針對性的研究和優(yōu)化設(shè)計；加強(qiáng)多學(xué)科交叉融合，促進(jìn)電力電子技術(shù)、電磁理論、自動控制理論、材料科學(xué)等學(xué)科的協(xié)同發(fā)展，為MMC結(jié)構(gòu)和電力電子變壓器的創(chuàng)新發(fā)展提供理論支持和技術(shù)保障。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容MMC結(jié)構(gòu)的深入分析：對MMC的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)剖析，包括半橋子模塊（HBSM）、全橋子模塊（FBSM）以及混合型子模塊等不同拓?fù)涞墓ぷ髟?、特點和適用場景。研究子模塊數(shù)量、電容參數(shù)、開關(guān)器件特性等因素對MMC性能的影響，通過建立數(shù)學(xué)模型，分析MMC在不同工況下的運行特性，如輸出電壓諧波含量、電流畸變率、功率損耗等。同時，探討MMC在高壓大容量應(yīng)用中的優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)，為MMC型電力電子變壓器的設(shè)計和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。MMC型電力電子變壓器的控制策略研究：針對MMC型電力電子變壓器，研究其整體控制策略，包括MMC與DC-DC變換器的協(xié)同控制。采用分層控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)控制器根據(jù)系統(tǒng)的運行要求，如功率指令、電壓調(diào)節(jié)目標(biāo)等，計算出MMC和DC-DC變換器的參考信號；內(nèi)環(huán)控制器則根據(jù)參考信號，對MMC和DC-DC變換器的開關(guān)器件進(jìn)行精確控制，實現(xiàn)對電壓、電流和功率的快速跟蹤和穩(wěn)定調(diào)節(jié)。在MMC的控制中，重點研究載波移相脈寬調(diào)制（CPS-PWM）、最近電平逼近調(diào)制（NLM）等調(diào)制策略，并結(jié)合電容電壓平衡控制算法，保證MMC各子模塊電容電壓的均衡；在DC-DC變換器的控制中，探索PWM控制、移相控制等策略，以及如何通過優(yōu)化控制參數(shù)，提高DC-DC變換器的效率和動態(tài)響應(yīng)性能。引入智能控制算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，對MMC型電力電子變壓器的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的自適應(yīng)能力和控制精度。MMC型電力電子變壓器的應(yīng)用案例分析：以新能源并網(wǎng)、智能電網(wǎng)等實際應(yīng)用場景為背景，分析MMC型電力電子變壓器的應(yīng)用效果和價值。在新能源并網(wǎng)方面，研究MMC型電力電子變壓器如何實現(xiàn)對新能源發(fā)電的最大功率點跟蹤控制，提高新能源的利用效率，同時有效抑制新能源發(fā)電帶來的諧波、電壓波動等問題，保障電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定運行；分析其在不同新能源發(fā)電系統(tǒng)，如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電中的具體應(yīng)用方案和運行特性。在智能電網(wǎng)中，探討MMC型電力電子變壓器作為分布式能源系統(tǒng)的接口設(shè)備，如何實現(xiàn)分布式能源的高效接入和協(xié)同運行，以及對電網(wǎng)電壓、電流和功率的精確控制，提高電網(wǎng)的靈活性和可靠性；研究其在智能電網(wǎng)的不同環(huán)節(jié)，如變電站、配電網(wǎng)中的應(yīng)用模式和技術(shù)要求。通過實際案例分析，總結(jié)MMC型電力電子變壓器在應(yīng)用過程中面臨的問題和挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的解決方案和改進(jìn)措施。MMC型電力電子變壓器的實驗研究：搭建MMC型電力電子變壓器的實驗平臺，對理論分析和仿真研究的結(jié)果進(jìn)行實驗驗證。設(shè)計實驗方案，確定實驗參數(shù)和實驗步驟，包括MMC和DC-DC變換器的參數(shù)設(shè)置、控制策略的實現(xiàn)方式等。在實驗過程中，測量MMC型電力電子變壓器的各項性能指標(biāo)，如輸入輸出電壓、電流、功率、諧波含量等，并與理論和仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證研究結(jié)果的正確性和有效性。通過實驗，進(jìn)一步研究MMC型電力電子變壓器在實際運行中的動態(tài)響應(yīng)特性、穩(wěn)定性和可靠性，發(fā)現(xiàn)潛在的問題并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。利用實驗平臺，開展不同工況下的實驗研究，如電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載突變、故障等情況下，MMC型電力電子變壓器的運行性能和故障穿越能力，為其實際應(yīng)用提供實驗依據(jù)。1.3.2研究方法理論分析：運用電力電子技術(shù)、電磁理論、自動控制理論等相關(guān)學(xué)科知識，對MMC結(jié)構(gòu)和MMC型電力電子變壓器進(jìn)行深入的理論分析。建立MMC的數(shù)學(xué)模型，包括電路模型、狀態(tài)空間模型等，分析其工作原理和運行特性；推導(dǎo)MMC型電力電子變壓器的電壓、電流和功率關(guān)系，研究其在不同工況下的運行規(guī)律?；诳刂评碚摚O(shè)計MMC型電力電子變壓器的控制策略，分析控制器的穩(wěn)定性、動態(tài)響應(yīng)性能和控制精度等。通過理論分析，為后續(xù)的仿真研究和實驗研究提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。仿真建模：利用專業(yè)的電力系統(tǒng)仿真軟件，如MATLAB/Simulink、PSCAD/EMTDC等，建立MMC型電力電子變壓器的仿真模型。在仿真模型中，詳細(xì)設(shè)置MMC和DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)以及控制策略，模擬其在不同工況下的運行情況。通過仿真，可以直觀地觀察MMC型電力電子變壓器的電壓、電流波形，分析其諧波含量、功率損耗、動態(tài)響應(yīng)等性能指標(biāo)，對理論分析的結(jié)果進(jìn)行驗證和補(bǔ)充。利用仿真模型，開展參數(shù)優(yōu)化和控制策略優(yōu)化研究，快速評估不同方案的優(yōu)劣，為實驗研究提供參考。實驗驗證：搭建MMC型電力電子變壓器的實驗平臺，采用實際的電力電子器件、控制器和測量設(shè)備，對理論分析和仿真研究的結(jié)果進(jìn)行實驗驗證。在實驗過程中，嚴(yán)格按照實驗方案進(jìn)行操作，測量MMC型電力電子變壓器的各項性能指標(biāo)，并與理論和仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。通過實驗驗證，不僅可以檢驗研究結(jié)果的正確性，還可以發(fā)現(xiàn)實際應(yīng)用中存在的問題，如電磁干擾、散熱問題、器件可靠性等，為進(jìn)一步改進(jìn)和完善MMC型電力電子變壓器提供依據(jù)。同時，實驗研究也可以為其工程應(yīng)用積累實踐經(jīng)驗。二、MMC結(jié)構(gòu)與電力電子變壓器基礎(chǔ)2.1MMC結(jié)構(gòu)詳解2.1.1MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由多個子模塊（Sub-Module，SM）級聯(lián)構(gòu)成，形成三相結(jié)構(gòu)。以三相MMC為例，每一相由上、下兩個橋臂組成，每個橋臂中包含若干個相同的子模塊以及一個橋臂電抗器L_{arm}。子模塊是MMC的核心組成單元，主要由開關(guān)器件和儲能電容構(gòu)成。MMC的工作原理基于子模塊電容電壓的投入與切除來合成多電平電壓。以半橋子模塊（HBSM）為例，當(dāng)子模塊中的上開關(guān)管導(dǎo)通、下開關(guān)管關(guān)斷時，子模塊電容電壓U_{C}被接入橋臂，此時子模塊輸出電壓為U_{C}；當(dāng)子模塊中的上開關(guān)管關(guān)斷、下開關(guān)管導(dǎo)通時，子模塊電容被旁路，輸出電壓為0。通過控制各子模塊的開關(guān)狀態(tài)，使不同數(shù)量的子模塊電容電壓依次投入或切除，從而在橋臂輸出端合成階梯狀的多電平電壓波形。假設(shè)每個橋臂含有N個子模塊，當(dāng)所有子模塊電容電壓都被切除時，橋臂輸出電壓為0；當(dāng)有1個子模塊電容電壓投入時，橋臂輸出電壓為U_{C}；當(dāng)有2個子模塊電容電壓投入時，橋臂輸出電壓為2U_{C}，以此類推，MMC最多可輸出N+1電平的電壓。通過對三相橋臂的協(xié)調(diào)控制，MMC能夠?qū)崿F(xiàn)交流電壓的精確調(diào)節(jié)和電能的高效變換。在實際運行中，通過載波移相脈寬調(diào)制（CPS-PWM）等調(diào)制策略，使各子模塊的開關(guān)信號相互配合，保證輸出電壓的諧波含量低、電能質(zhì)量高。在一個周期內(nèi)，各子模塊的開關(guān)信號按照一定的規(guī)律變化，使得輸出電壓波形接近正弦波，滿足電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量的嚴(yán)格要求。2.1.2子模塊類型分析半橋型子模塊（Half-BridgeSub-Module，HBSM）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：半橋型子模塊是MMC中最基本、應(yīng)用最廣泛的子模塊類型。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由兩個絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）及其反并聯(lián)二極管和一個儲能電容C組成。兩個IGBT呈半橋連接，電容C與其中一個IGBT及反并聯(lián)二極管并聯(lián)。工作特性：在工作過程中，半橋型子模塊具有兩種工作狀態(tài)。當(dāng)上面的IGBT導(dǎo)通、下面的IGBT關(guān)斷時，子模塊處于投入狀態(tài)，此時橋臂電流通過導(dǎo)通的IGBT對電容C進(jìn)行充電或放電，子模塊輸出電壓等于電容電壓U_{C}；當(dāng)上面的IGBT關(guān)斷、下面的IGBT導(dǎo)通時，子模塊處于切除狀態(tài)，電容C被旁路，子模塊輸出電壓為0。在交流信號的正半周，橋臂電流為正，當(dāng)子模塊投入時，電流對電容充電；在負(fù)半周，橋臂電流為負(fù)，當(dāng)子模塊投入時，電流對電容放電。優(yōu)缺點：半橋型子模塊的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，在正常運行時能夠有效地實現(xiàn)多電平輸出，降低輸出電壓的諧波含量，廣泛應(yīng)用于各類中高壓柔性直流輸電系統(tǒng)中。然而，其缺點是不具備直流故障穿越能力。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時，由于半橋型子模塊無法將電容電壓反向輸出，故障電流會迅速上升，需要依靠交流斷路器等外部設(shè)備快速切除故障，這可能會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性造成一定影響。在一些對供電可靠性要求極高的場合，半橋型子模塊的這一缺點限制了其應(yīng)用。全橋型子模塊（Full-BridgeSub-Module，F(xiàn)BSM）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：全橋型子模塊由四個IGBT及其反并聯(lián)二極管和一個儲能電容C組成，四個IGBT構(gòu)成全橋結(jié)構(gòu)，電容C連接在全橋的直流側(cè)。工作特性：全橋型子模塊具有四種工作狀態(tài)。除了與半橋型子模塊類似的投入（上管導(dǎo)通、下管關(guān)斷，輸出U_{C}）和切除（上管關(guān)斷、下管導(dǎo)通，輸出0）狀態(tài)外，還可以通過控制使下面兩個IGBT導(dǎo)通、上面兩個IGBT關(guān)斷，此時子模塊輸出電壓為-U_{C}；當(dāng)四個IGBT都關(guān)斷時，子模塊處于閉鎖狀態(tài)。在直流故障情況下，通過控制全橋型子模塊輸出-U_{C}，可以有效抑制故障電流的上升。優(yōu)缺點：全橋型子模塊的顯著優(yōu)點是具備出色的直流故障穿越能力。在直流側(cè)發(fā)生短路故障時，通過控制子模塊的開關(guān)狀態(tài)，將電容電壓反向輸出，能夠有效抑制故障電流，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，適用于對供電可靠性要求極高的場合，如城市核心電網(wǎng)、大型數(shù)據(jù)中心供電等。然而，由于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中包含四個IGBT，相比半橋型子模塊，成本較高，開關(guān)損耗也較大，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。雙箝位型子模塊（Dual-ClampedSub-Module，DCSM）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：雙箝位型子模塊由兩個IGBT、兩個二極管和一個電容組成，通過特殊的電路連接方式實現(xiàn)箝位功能。其結(jié)構(gòu)中，電容兩端分別連接到兩個二極管的陽極，兩個IGBT分別與二極管串聯(lián)，形成對電容電壓的箝位。工作特性：雙箝位型子模塊的工作狀態(tài)與半橋型子模塊有相似之處，但在故障情況下具有獨特的箝位特性。在正常運行時，通過控制IGBT的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)子模塊電容電壓的投入和切除，以合成多電平電壓。當(dāng)出現(xiàn)過電壓或過電流等異常情況時，二極管的箝位作用能夠限制子模塊兩端的電壓，保護(hù)IGBT等器件。優(yōu)缺點：雙箝位型子模塊的優(yōu)點是在一定程度上提高了子模塊的可靠性和故障耐受能力，通過箝位二極管的作用，能夠有效限制子模塊在異常工況下的電壓應(yīng)力，降低器件損壞的風(fēng)險。其結(jié)構(gòu)相對全橋型子模塊較為簡單，成本也相對較低。然而，與全橋型子模塊相比，其直流故障穿越能力稍弱，在應(yīng)對嚴(yán)重直流故障時，可能無法像全橋型子模塊那樣有效地抑制故障電流。2.2電力電子變壓器工作原理2.2.1基本工作原理電力電子變壓器的基本工作原理基于電磁感應(yīng)定律和電力電子技術(shù)。它通過電力電子器件的快速開關(guān)動作，將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再將直流電轉(zhuǎn)換為所需電壓等級和頻率的交流電，實現(xiàn)電壓、電流的轉(zhuǎn)換以及電能的高效傳輸。以常見的AC-DC-AC型電力電子變壓器為例，其工作過程主要包括三個環(huán)節(jié)：整流環(huán)節(jié)、直流變換環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。在整流環(huán)節(jié)，采用二極管整流橋或可控整流電路，將輸入的三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電。以三相不可控整流橋為例，其由六個二極管組成，通過二極管的單向?qū)щ娦?，將三相交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。在理想情況下，若輸入三相交流電壓為u_{a}=U_{m}\sin(\omegat)，u_=U_{m}\sin(\omegat-120^{\circ})，u_{c}=U_{m}\sin(\omegat+120^{\circ})，則整流后的直流電壓U_z3jilz61osys為1.35U_{l}（U_{l}為輸入交流線電壓的有效值）。直流變換環(huán)節(jié)是電力電子變壓器實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過DC-DC變換器，如Buck變換器、Boost變換器、Buck-Boost變換器等，對整流后的直流電壓進(jìn)行升降壓處理，以滿足不同的電壓需求。以Buck變換器為例，其工作原理是通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，輸入電壓直接加在電感上，電感電流線性增加，儲存能量；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，電感通過續(xù)流二極管向負(fù)載放電，維持負(fù)載電流。根據(jù)電感電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作模式，其輸出電壓U_{o}與輸入電壓U_{in}的關(guān)系為U_{o}=DU_{in}（D為開關(guān)管的占空比，0\ltD\lt1）。逆變環(huán)節(jié)則是將經(jīng)過直流變換后的直流電再次轉(zhuǎn)換為交流電。采用三相全橋逆變器等電路結(jié)構(gòu)，通過控制逆變器中開關(guān)管的開關(guān)順序和導(dǎo)通時間，輸出所需頻率和電壓的三相交流電。在實際應(yīng)用中，通常采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，如正弦脈寬調(diào)制（SPWM）、空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）等，來控制逆變器的輸出電壓波形。以SPWM技術(shù)為例，通過將正弦波作為調(diào)制波，與三角波載波進(jìn)行比較，當(dāng)調(diào)制波大于載波時，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)調(diào)制波小于載波時，開關(guān)管關(guān)斷，從而得到一系列等幅不等寬的脈沖波形，這些脈沖波形的寬度按照正弦規(guī)律變化，通過低通濾波器后，可以得到近似正弦波的輸出電壓。在整個工作過程中，電力電子變壓器通過對各環(huán)節(jié)的精確控制，實現(xiàn)對電能的高效變換和靈活調(diào)節(jié)。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的升降、相位的調(diào)整，還可以對電能質(zhì)量進(jìn)行改善，如抑制諧波、補(bǔ)償無功功率等。在電網(wǎng)電壓波動時，通過調(diào)節(jié)電力電子變壓器的輸出電壓，使其保持穩(wěn)定，保障負(fù)載的正常運行；在負(fù)載變化時，能夠快速調(diào)整輸出電流，滿足負(fù)載的功率需求，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。2.2.2與傳統(tǒng)變壓器對比結(jié)構(gòu)對比傳統(tǒng)變壓器：傳統(tǒng)變壓器主要由鐵芯和繞組構(gòu)成。鐵芯通常采用高導(dǎo)磁率的硅鋼片疊壓而成，用于集中和引導(dǎo)磁場；繞組則由銅或鋁等導(dǎo)電材料繞制在鐵芯上，分為一次繞組和二次繞組，通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)電能從一次側(cè)到二次側(cè)的傳遞。這種結(jié)構(gòu)相對簡單，但體積和重量較大，尤其是在高壓大容量應(yīng)用中，需要使用大量的鐵芯和繞組材料，導(dǎo)致設(shè)備占地面積大、運輸和安裝困難。電力電子變壓器：電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，除了包含電磁元件（如高頻變壓器）外，還集成了大量的電力電子器件，如IGBT、MOSFET等，以及相應(yīng)的控制電路和保護(hù)電路。高頻變壓器在電力電子變壓器中起到電壓變換和電氣隔離的作用，與傳統(tǒng)變壓器相比，其工作頻率較高，可采用體積較小的鐵芯材料，如鐵氧體等，從而減小了變壓器的體積和重量。電力電子器件則通過快速開關(guān)動作實現(xiàn)電能的變換和控制，控制電路負(fù)責(zé)對電力電子器件的開關(guān)信號進(jìn)行精確控制，以實現(xiàn)各種功能。電力電子變壓器還可能包含濾波電路、儲能元件等，以改善電能質(zhì)量和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。性能對比電壓調(diào)節(jié)能力：傳統(tǒng)變壓器的電壓調(diào)節(jié)主要通過分接頭切換來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)范圍有限，且切換過程可能會產(chǎn)生電壓波動和沖擊，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。分接頭切換通常是在停電或輕載情況下進(jìn)行，操作相對復(fù)雜，無法實時滿足電網(wǎng)對電壓快速調(diào)節(jié)的需求。電力電子變壓器則可以通過靈活的控制策略，實現(xiàn)對輸出電壓的連續(xù)、快速調(diào)節(jié)，能夠適應(yīng)電網(wǎng)電壓的頻繁變化和負(fù)載的動態(tài)需求，有效提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。在電網(wǎng)電壓跌落時，電力電子變壓器能夠迅速調(diào)整輸出電壓，使其保持在正常范圍內(nèi)，保障負(fù)載的正常運行。電能質(zhì)量改善能力：傳統(tǒng)變壓器本身不具備對電能質(zhì)量進(jìn)行主動調(diào)節(jié)的能力，對于電網(wǎng)中的諧波、無功功率等問題，需要額外配置濾波裝置和無功補(bǔ)償設(shè)備來解決。電力電子變壓器則可以通過控制算法，實現(xiàn)對諧波的有效抑制和無功功率的動態(tài)補(bǔ)償。通過采用特定的PWM調(diào)制策略和控制算法，使電力電子變壓器輸出的電流波形接近正弦波，降低諧波含量；同時，根據(jù)電網(wǎng)的無功需求，實時調(diào)整輸出的無功功率，提高功率因數(shù)，改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量。效率：傳統(tǒng)變壓器在額定負(fù)載下具有較高的效率，但在輕載或過載情況下，效率會明顯下降。這是因為傳統(tǒng)變壓器的鐵芯損耗和繞組損耗與負(fù)載大小密切相關(guān)，在不同負(fù)載工況下，無法實現(xiàn)損耗的最優(yōu)控制。電力電子變壓器在一定程度上可以通過優(yōu)化控制策略和采用新型電力電子器件，提高在不同負(fù)載條件下的效率。采用軟開關(guān)技術(shù)，降低電力電子器件的開關(guān)損耗；通過智能控制算法，根據(jù)負(fù)載變化動態(tài)調(diào)整工作模式，實現(xiàn)損耗的最小化。然而，由于電力電子器件本身存在一定的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，電力電子變壓器在整體效率上可能略低于傳統(tǒng)變壓器，但在一些對電能質(zhì)量和靈活控制要求較高的應(yīng)用場景中，其優(yōu)勢更為突出?？刂品绞綄Ρ葌鹘y(tǒng)變壓器：傳統(tǒng)變壓器的控制方式較為簡單，主要通過手動或自動分接頭切換來調(diào)節(jié)電壓，缺乏對電網(wǎng)參數(shù)和負(fù)載變化的實時監(jiān)測和自適應(yīng)控制能力。在運行過程中，傳統(tǒng)變壓器基本處于被動工作狀態(tài)，無法根據(jù)電網(wǎng)的動態(tài)需求進(jìn)行靈活調(diào)整。電力電子變壓器：電力電子變壓器采用數(shù)字化控制方式，通過傳感器實時采集電網(wǎng)電壓、電流、功率等參數(shù)以及負(fù)載的狀態(tài)信息，經(jīng)過控制器的分析和處理，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略生成相應(yīng)的控制信號，對電力電子器件進(jìn)行精確控制。這種控制方式具有高度的靈活性和智能化，可以實現(xiàn)對電力電子變壓器的多種功能控制，如電壓調(diào)節(jié)、功率因數(shù)校正、故障診斷與保護(hù)等?？梢圆捎孟冗M(jìn)的控制算法，如矢量控制、直接功率控制、模型預(yù)測控制等，實現(xiàn)對電力電子變壓器的快速動態(tài)響應(yīng)和精確控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。三、基于MMC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器拓?fù)湓O(shè)計3.1典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹3.1.1常見的MMC型電力電子變壓器拓?fù)浯?lián)式拓?fù)洌涸诖?lián)式MMC型電力電子變壓器拓?fù)渲?，MMC與DC-DC變換器呈串聯(lián)連接。MMC通常作為前置變換器，負(fù)責(zé)將輸入的交流電壓進(jìn)行初步的整流和電壓調(diào)節(jié)，輸出直流電壓。其工作過程基于子模塊的級聯(lián)組合，通過控制子模塊中開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，實現(xiàn)對交流電壓的多電平轉(zhuǎn)換，有效降低輸出電壓的諧波含量，提高電能質(zhì)量。在一個三相MMC中，每一相由多個半橋子模塊（HBSM）或全橋子模塊（FBSM）級聯(lián)而成，通過合適的調(diào)制策略，如載波移相脈寬調(diào)制（CPS-PWM），使各子模塊協(xié)同工作，輸出接近正弦波的交流電壓，經(jīng)過整流后得到較為穩(wěn)定的直流電壓。DC-DC變換器則連接在MMC的直流輸出端，負(fù)責(zé)進(jìn)一步的電壓變換，以滿足不同的電壓需求。常見的DC-DC變換器拓?fù)溆懈綦x型和非隔離型，如雙有源橋（DualActiveBridge，DAB）變換器屬于隔離型DC-DC變換器，它通過高頻變壓器實現(xiàn)電氣隔離，能夠靈活地調(diào)節(jié)輸出電壓，并且具備雙向功率傳輸能力。在串聯(lián)式拓?fù)渲?，DAB變換器接收MMC輸出的直流電壓，通過控制其開關(guān)管的導(dǎo)通時間和相位，調(diào)節(jié)高頻變壓器原副邊的電壓比，從而實現(xiàn)對輸出直流電壓的精確控制。MMC和DC-DC變換器之間通過直流母線連接，實現(xiàn)電能的連續(xù)傳輸。在整個系統(tǒng)中，MMC主要負(fù)責(zé)交流電壓的調(diào)節(jié)和電能質(zhì)量的改善，DC-DC變換器則專注于電壓的變換，兩者串聯(lián)協(xié)同工作，共同完成電力電子變壓器的功能。并聯(lián)式拓?fù)洌翰⒙?lián)式MMC型電力電子變壓器拓?fù)渲?，MMC和DC-DC變換器并聯(lián)連接在同一直流母線上。MMC在該拓?fù)渲械淖饔门c串聯(lián)式類似，通過子模塊的級聯(lián)實現(xiàn)交流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換，并對電壓進(jìn)行初步調(diào)節(jié)。它可以采用不同類型的子模塊，根據(jù)實際應(yīng)用需求選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如在對成本較為敏感的場合，可采用半橋子模塊；在對直流故障穿越能力要求較高的場合，則采用全橋子模塊。DC-DC變換器同樣連接在直流母線上，其主要功能是對直流電壓進(jìn)行進(jìn)一步的變換和調(diào)節(jié)。在并聯(lián)式拓?fù)渲?，DC-DC變換器與MMC共同分擔(dān)負(fù)載電流，根據(jù)負(fù)載的需求動態(tài)調(diào)整各自的輸出功率。當(dāng)負(fù)載較輕時，DC-DC變換器可以減少輸出功率，甚至停止工作，由MMC單獨為負(fù)載供電；當(dāng)負(fù)載較重時，DC-DC變換器和MMC同時工作，共同滿足負(fù)載的功率需求。這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)具有較好的冗余性和可靠性。當(dāng)MMC或DC-DC變換器中的某一個出現(xiàn)故障時，另一個可以承擔(dān)全部或部分負(fù)載，保證系統(tǒng)的不間斷運行。在實際應(yīng)用中，通過合理的控制策略，實現(xiàn)MMC和DC-DC變換器之間的功率分配和協(xié)同工作，是并聯(lián)式拓?fù)湓O(shè)計的關(guān)鍵?；旌鲜酵?fù)洌夯旌鲜組MC型電力電子變壓器拓?fù)涫菍⒋?lián)式和并聯(lián)式拓?fù)涞膬?yōu)點相結(jié)合，形成更為復(fù)雜和靈活的結(jié)構(gòu)。一種常見的混合式拓?fù)涫窃贛MC的交流側(cè)或直流側(cè)增加多個DC-DC變換器分支。在MMC的直流側(cè)連接多個不同類型的DC-DC變換器，其中一個DC-DC變換器負(fù)責(zé)為主要負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電壓，另一個DC-DC變換器則可以用于連接儲能設(shè)備，實現(xiàn)電能的存儲和釋放，以應(yīng)對負(fù)載的波動和電網(wǎng)的異常情況。這種混合式拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)多種功能的集成。在新能源并網(wǎng)應(yīng)用中，MMC可以實現(xiàn)對新能源發(fā)電的高效整流和電壓調(diào)節(jié)，將其接入直流母線；而不同的DC-DC變換器分支可以分別為不同電壓等級的負(fù)載供電，同時還能實現(xiàn)與儲能系統(tǒng)的連接，提高新能源發(fā)電的穩(wěn)定性和可靠性。在智能電網(wǎng)中，混合式拓?fù)淇梢愿鶕?jù)電網(wǎng)的需求，靈活地調(diào)節(jié)功率分配，實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓、電流和功率的精確控制?；旌鲜酵?fù)湟裁媾R著控制復(fù)雜、成本較高等問題，需要通過優(yōu)化控制策略和合理的電路設(shè)計來解決。3.1.2不同拓?fù)涞奶攸c與適用場景串聯(lián)式拓?fù)涮攸c與適用場景電壓轉(zhuǎn)換能力：串聯(lián)式拓?fù)溆捎贛MC和DC-DC變換器依次工作，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的電壓變換比。MMC可以將輸入的中高壓交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，DC-DC變換器在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行電壓變換，滿足不同電壓等級的需求。在高壓輸電場景中，將110kV的交流電壓通過MMC轉(zhuǎn)換為直流電壓后，再經(jīng)過DC-DC變換器可以將電壓降低至合適的中低壓等級，如10kV，以滿足配電網(wǎng)的接入要求。功率傳輸特性：在功率傳輸方面，串聯(lián)式拓?fù)涞墓β蕚鬏斅窂捷^為清晰，MMC和DC-DC變換器依次承擔(dān)功率的轉(zhuǎn)換和傳輸任務(wù)。這種拓?fù)溥m用于大功率傳輸?shù)膱龊?，因為每個變換器可以專注于自己的功能，有利于提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。在大型工業(yè)用電場景中，需要傳輸大功率的電能，串聯(lián)式拓?fù)淠軌蚩煽康貙崿F(xiàn)電能的高效傳輸和變換。成本：然而，串聯(lián)式拓?fù)溆捎诎鄠€變換器，且每個變換器都需要獨立的控制和保護(hù)電路，導(dǎo)致系統(tǒng)的成本相對較高。MMC的子模塊數(shù)量較多，需要大量的開關(guān)器件和電容，增加了硬件成本；DC-DC變換器也需要相應(yīng)的功率器件和磁性元件，進(jìn)一步提高了成本。因此，在對成本較為敏感的小型電力系統(tǒng)中，串聯(lián)式拓?fù)涞膽?yīng)用可能受到一定限制。適用場景：串聯(lián)式拓?fù)溥m用于高壓輸電、大容量電力傳輸?shù)葘﹄妷鹤儞Q比和功率傳輸要求較高的場景。在新能源發(fā)電場的并網(wǎng)輸電中，如大型風(fēng)電場或太陽能電站，需要將大量的電能從發(fā)電端傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，串聯(lián)式拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)高壓大功率的電能轉(zhuǎn)換和傳輸，滿足電網(wǎng)接入的要求。并聯(lián)式拓?fù)涮攸c與適用場景電壓轉(zhuǎn)換能力：并聯(lián)式拓?fù)渲?，MMC和DC-DC變換器并聯(lián)工作，其電壓轉(zhuǎn)換能力主要取決于各自的設(shè)計。MMC負(fù)責(zé)交流-直流的轉(zhuǎn)換和初步電壓調(diào)節(jié)，DC-DC變換器進(jìn)行進(jìn)一步的直流電壓變換。在一些對電壓變換比要求不是特別高，但需要靈活調(diào)節(jié)電壓的場合，并聯(lián)式拓?fù)淇梢酝ㄟ^合理控制MMC和DC-DC變換器的工作狀態(tài)來實現(xiàn)。在城市配電網(wǎng)中，需要根據(jù)不同區(qū)域的用電需求靈活調(diào)節(jié)電壓，并聯(lián)式拓?fù)淠軌蜉^好地滿足這一要求。功率傳輸特性：在功率傳輸上，并聯(lián)式拓?fù)渚哂辛己玫娜哂嘈院涂煽啃?。?dāng)某一個變換器出現(xiàn)故障時，另一個變換器可以承擔(dān)部分或全部負(fù)載功率，保證系統(tǒng)的不間斷運行。這種拓?fù)溥m用于對供電可靠性要求較高的場合，如醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心等重要負(fù)荷的供電。在數(shù)據(jù)中心中，一旦停電將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并聯(lián)式拓?fù)涞娜哂嗵匦阅軌蛴行ПＵ蠑?shù)據(jù)中心的持續(xù)供電。成本：由于并聯(lián)式拓?fù)渲蠱MC和DC-DC變換器可以根據(jù)負(fù)載需求動態(tài)調(diào)整工作狀態(tài)，在一定程度上可以降低系統(tǒng)的損耗，從而降低運行成本。在輕載情況下，部分變換器可以停止工作，減少不必要的能量損耗。然而，并聯(lián)式拓?fù)湫枰鼜?fù)雜的控制策略來實現(xiàn)功率的合理分配和協(xié)同工作，這增加了控制成本。適用場景：并聯(lián)式拓?fù)溥m用于對供電可靠性要求高、負(fù)載波動較大的場合，如城市配電網(wǎng)、重要商業(yè)和工業(yè)用戶的供電等。在城市配電網(wǎng)中，不同時間段的用電負(fù)荷波動較大，并聯(lián)式拓?fù)淠軌蚋鶕?jù)負(fù)載變化靈活調(diào)整功率分配，提高供電的可靠性和穩(wěn)定性?；旌鲜酵?fù)涮攸c與適用場景電壓轉(zhuǎn)換能力：混合式拓?fù)浣Y(jié)合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點，具有很強(qiáng)的電壓轉(zhuǎn)換靈活性。通過合理配置不同的變換器分支，可以實現(xiàn)多種電壓等級的輸出，滿足不同用戶的需求。在一個包含多種電壓等級負(fù)載的工業(yè)園區(qū)中，混合式拓?fù)淇梢酝ㄟ^不同的DC-DC變換器分支為不同電壓等級的工業(yè)設(shè)備供電，同時通過MMC實現(xiàn)與電網(wǎng)的高效連接。功率傳輸特性：在功率傳輸方面，混合式拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)功率的靈活分配和優(yōu)化?？梢愿鶕?jù)不同的功率需求和運行工況，動態(tài)調(diào)整各個變換器的工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的整體效率。在新能源并網(wǎng)和儲能系統(tǒng)結(jié)合的場景中，當(dāng)新能源發(fā)電充足時，部分功率可以存儲到儲能設(shè)備中；當(dāng)新能源發(fā)電不足或負(fù)載需求增加時，儲能設(shè)備中的電能可以釋放出來，與新能源發(fā)電一起為負(fù)載供電，混合式拓?fù)淠軌蚝芎玫貙崿F(xiàn)這種功率的動態(tài)管理。成本：混合式拓?fù)溆捎诮Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含多個變換器和控制電路，硬件成本相對較高。其多功能集成的特點可以在一定程度上降低系統(tǒng)的整體成本。在一個同時需要實現(xiàn)新能源并網(wǎng)、電能存儲和多電壓等級供電的系統(tǒng)中，采用混合式拓?fù)淇梢员苊舛鄠€獨立系統(tǒng)的建設(shè)，減少設(shè)備投資和占地面積，從而降低綜合成本。適用場景：混合式拓?fù)溥m用于對功能要求復(fù)雜、需要實現(xiàn)多種電能轉(zhuǎn)換和管理功能的場景，如智能電網(wǎng)中的分布式能源接入、儲能系統(tǒng)集成以及多電壓等級的電力分配等。在智能電網(wǎng)的分布式能源接入中，混合式拓?fù)淇梢詫崿F(xiàn)對不同類型分布式能源的高效接入和協(xié)同運行，同時實現(xiàn)電能的存儲和靈活分配，提高電網(wǎng)的智能化水平和可靠性。3.2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計3.2.1優(yōu)化目標(biāo)與原則優(yōu)化目標(biāo)：降低成本：電力電子變壓器的成本是影響其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過減少不必要的電力電子器件和磁性元件的使用數(shù)量，選擇性價比高的器件型號，能夠有效降低硬件成本。減少子模塊中開關(guān)器件的數(shù)量，或選用價格更為合理的開關(guān)器件，同時優(yōu)化磁性元件的設(shè)計，降低其材料和制造費用，從而降低整個電力電子變壓器的制造成本。提高效率：提升效率是電力電子變壓器拓?fù)鋬?yōu)化的重要目標(biāo)。通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，減少能量在轉(zhuǎn)換過程中的損耗，提高電能的傳輸效率。采用軟開關(guān)技術(shù)，降低開關(guān)器件的開關(guān)損耗；優(yōu)化電路的布線和布局，減小線路電阻和電感，降低導(dǎo)通損耗和電磁損耗，使電力電子變壓器在不同負(fù)載工況下都能保持較高的效率。增強(qiáng)可靠性：可靠性是電力電子變壓器在實際運行中的關(guān)鍵性能指標(biāo)。通過采用冗余設(shè)計，當(dāng)部分器件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍能正常運行，提高系統(tǒng)的容錯能力；選擇可靠性高的電力電子器件和磁性元件，降低器件的故障率；優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)，確保器件在正常溫度范圍內(nèi)工作，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在一些對供電可靠性要求極高的場合，如醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心等，增強(qiáng)電力電子變壓器的可靠性尤為重要。提高功率密度：隨著電力系統(tǒng)對設(shè)備緊湊化的需求不斷增加，提高電力電子變壓器的功率密度成為重要目標(biāo)。通過采用新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和高性能的電力電子器件，減小變壓器的體積和重量，同時提高其功率輸出能力，實現(xiàn)更高的功率密度。采用高頻變壓器和新型的功率半導(dǎo)體器件，如碳化硅（SiC）器件，能夠在減小體積的同時提高功率密度，滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對設(shè)備小型化和高效化的要求。優(yōu)化原則：減少器件數(shù)量：在滿足電力電子變壓器功能和性能要求的前提下，盡量減少電力電子器件和磁性元件的數(shù)量。過多的器件不僅會增加成本和損耗，還會降低系統(tǒng)的可靠性。在設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，通過合理的電路設(shè)計和功能整合，避免使用冗余的器件，簡化電路結(jié)構(gòu)。在一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，可以通過巧妙的電路連接方式，用較少的器件實現(xiàn)相同的功能，減少器件數(shù)量，降低系統(tǒng)復(fù)雜度。降低損耗：損耗的降低對于提高電力電子變壓器的效率和性能至關(guān)重要。在優(yōu)化過程中，應(yīng)從多個方面考慮降低損耗。選擇低導(dǎo)通電阻和低開關(guān)損耗的電力電子器件，減少器件自身的損耗；優(yōu)化磁性元件的設(shè)計，降低磁滯損耗和渦流損耗；合理設(shè)計電路的工作頻率和調(diào)制策略，減少開關(guān)頻率過高帶來的損耗。在選擇開關(guān)器件時，對比不同型號器件的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗參數(shù)，選擇損耗最低的器件；通過優(yōu)化磁性材料的選擇和磁路設(shè)計，降低磁性元件的損耗。提高靈活性：電力電子變壓器需要適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和運行工況，因此提高其靈活性是優(yōu)化的重要原則之一。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)具備靈活的電壓調(diào)節(jié)能力和功率控制能力，能夠根據(jù)電網(wǎng)和負(fù)載的變化，快速調(diào)整輸出電壓和功率。采用多種控制策略相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對電力電子變壓器的靈活控制；設(shè)計具有多種工作模式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使其能夠在不同的條件下選擇最優(yōu)的工作模式，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性。在智能電網(wǎng)中，電力電子變壓器需要根據(jù)電網(wǎng)的實時需求，靈活調(diào)整輸出電壓和功率，以保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，這就要求其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有高度的靈活性。增強(qiáng)可擴(kuò)展性：隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和需求的變化，電力電子變壓器可能需要進(jìn)行擴(kuò)容或升級。因此，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的可擴(kuò)展性，便于增加功率模塊或改變電路連接方式，以滿足未來的發(fā)展需求。采用模塊化設(shè)計的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個模塊具有獨立的功能和接口，便于在需要時進(jìn)行擴(kuò)展和升級；設(shè)計易于調(diào)整的電路連接方式，使得在增加或減少模塊時，不會對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能產(chǎn)生較大影響。在新能源發(fā)電場中，隨著發(fā)電規(guī)模的擴(kuò)大，電力電子變壓器需要具備可擴(kuò)展性，以便能夠適應(yīng)不斷增加的發(fā)電功率需求。3.2.2優(yōu)化方法與策略改進(jìn)子模塊設(shè)計：優(yōu)化子模塊拓?fù)洌簩ΜF(xiàn)有的子模塊拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，以提高其性能和可靠性。在半橋子模塊的基礎(chǔ)上，通過增加輔助電路，使其具備一定的故障穿越能力，在直流側(cè)短路故障時，輔助電路能夠快速動作，限制故障電流，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；蛘咴O(shè)計新型的子模塊拓?fù)?，結(jié)合多種子模塊的優(yōu)點，如將半橋子模塊和全橋子模塊的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，形成一種新的子模塊，在正常運行時具有半橋子模塊成本低、效率高的優(yōu)點，在故障情況下又能展現(xiàn)出全橋子模塊的故障穿越能力。優(yōu)化電容參數(shù)：子模塊中的電容是儲能元件，其參數(shù)對MMC的性能有重要影響。通過優(yōu)化電容的容量、耐壓值等參數(shù)，能夠提高子模塊的儲能能力和電壓穩(wěn)定性。根據(jù)MMC的工作電壓和功率等級，合理選擇電容的容量，確保在不同工況下，電容都能提供足夠的能量支持；選擇耐壓值合適的電容，提高電容的可靠性和使用壽命，同時避免因耐壓值過高導(dǎo)致成本增加。在高壓大容量的MMC應(yīng)用中，通過優(yōu)化電容參數(shù)，能夠有效降低電容的電壓波動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。調(diào)整連接方式：優(yōu)化橋臂連接：在MMC的橋臂連接方式上進(jìn)行優(yōu)化，以改善系統(tǒng)的性能。采用不同的橋臂電抗配置方式，調(diào)整橋臂電抗器的參數(shù)和連接位置，能夠有效抑制相間環(huán)流和橋臂電流的波動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過合理選擇橋臂電抗器的電感值，使其既能有效抑制環(huán)流，又不會對系統(tǒng)的功率傳輸產(chǎn)生過大的影響；優(yōu)化橋臂電抗器的連接位置，使其能夠更好地發(fā)揮作用，提高系統(tǒng)的性能。優(yōu)化MMC與DC-DC變換器連接：對于MMC與DC-DC變換器的連接方式，根據(jù)實際應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化。在串聯(lián)式拓?fù)渲?，?yōu)化兩者之間的直流母線參數(shù)，如母線電容的容量和電感的大小，能夠提高電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率。通過調(diào)整母線電容的容量，使其能夠有效平滑直流電壓，減少電壓波動；合理選擇母線電感，抑制電流的突變，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。在并聯(lián)式拓?fù)渲?，?yōu)化MMC和DC-DC變換器的功率分配方式，使其能夠根據(jù)負(fù)載的變化自動調(diào)整輸出功率，提高系統(tǒng)的可靠性和效率。采用智能控制算法，根據(jù)負(fù)載的實時需求，動態(tài)調(diào)整MMC和DC-DC變換器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)功率的最優(yōu)分配。采用新型器件：采用碳化硅（SiC）器件：SiC器件具有高開關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻、耐高溫等優(yōu)點，將其應(yīng)用于MMC型電力電子變壓器中，能夠顯著提高系統(tǒng)的性能。SiC器件的高開關(guān)速度可以降低開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的效率；低導(dǎo)通電阻可以減小導(dǎo)通損耗，進(jìn)一步提高效率；耐高溫特性使得器件在高溫環(huán)境下仍能穩(wěn)定工作，提高系統(tǒng)的可靠性。在高壓大容量的MMC型電力電子變壓器中，采用SiC器件可以有效減小設(shè)備的體積和重量，提高功率密度，同時降低能量損耗，具有重要的應(yīng)用價值。采用新型磁性材料：新型磁性材料的應(yīng)用可以優(yōu)化變壓器的性能。一些高磁導(dǎo)率、低損耗的磁性材料，能夠降低變壓器的磁滯損耗和渦流損耗，提高變壓器的效率。采用納米晶軟磁材料制作變壓器的鐵芯，其磁導(dǎo)率高，能夠有效增強(qiáng)磁場的傳輸效率，同時損耗低，能夠降低變壓器在運行過程中的能量損耗。新型磁性材料還可以減小變壓器的體積和重量，提高電力電子變壓器的功率密度。在設(shè)計高頻變壓器時，選用新型磁性材料，能夠在提高變壓器性能的同時，減小其體積，滿足電力電子變壓器小型化的需求。四、基于MMC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器控制策略4.1控制策略概述4.1.1分層控制架構(gòu)基于MMC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器通常采用分層控制架構(gòu)，這種架構(gòu)將控制任務(wù)分為多個層次，每個層次負(fù)責(zé)不同的控制目標(biāo)，通過各層次之間的協(xié)同工作，實現(xiàn)電力電子變壓器的穩(wěn)定運行和精確控制。外環(huán)控制主要負(fù)責(zé)直流電壓和功率的控制。在直流電壓控制方面，外環(huán)控制器通過監(jiān)測直流母線電壓，將其與給定的參考電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生電壓誤差信號。該誤差信號經(jīng)過比例積分（PI）控制器等調(diào)節(jié)算法處理后，得到相應(yīng)的控制信號，用于調(diào)整電力電子變壓器的輸入或輸出功率，以維持直流母線電壓的穩(wěn)定。在新能源并網(wǎng)應(yīng)用中，當(dāng)新能源發(fā)電功率發(fā)生波動時，直流母線電壓可能會出現(xiàn)變化，外環(huán)控制器通過調(diào)整電力電子變壓器與電網(wǎng)之間的功率交換，使直流母線電壓保持在設(shè)定值附近，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在功率控制方面，外環(huán)控制器根據(jù)系統(tǒng)的功率需求指令，如有功功率和無功功率的給定值，結(jié)合當(dāng)前電力電子變壓器的運行狀態(tài)，計算出相應(yīng)的控制信號。對于一個需要向電網(wǎng)輸送一定有功功率并保持功率因數(shù)為1的電力電子變壓器，外環(huán)控制器會根據(jù)有功功率給定值和當(dāng)前的功率因數(shù)，計算出需要調(diào)整的有功功率和無功功率量，然后將這些控制信號傳遞給內(nèi)環(huán)控制器。內(nèi)環(huán)控制則主要關(guān)注電流控制和環(huán)流抑制。在電流控制中，內(nèi)環(huán)控制器接收外環(huán)控制器傳來的控制信號，將其轉(zhuǎn)換為電流參考值。通過實時監(jiān)測電力電子變壓器的輸入和輸出電流，與電流參考值進(jìn)行比較，產(chǎn)生電流誤差信號。該誤差信號經(jīng)過內(nèi)環(huán)控制器的調(diào)節(jié)，如采用比例積分微分（PID）控制器等，生成PWM脈沖信號，用于控制電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)，從而實現(xiàn)對電流的精確跟蹤。當(dāng)電力電子變壓器的負(fù)載發(fā)生變化時，內(nèi)環(huán)控制器能夠快速調(diào)整電流，使輸出電流滿足負(fù)載的需求，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。環(huán)流抑制是內(nèi)環(huán)控制的重要任務(wù)之一。在MMC型電力電子變壓器中，由于各相之間以及橋臂之間存在電氣耦合，會產(chǎn)生環(huán)流。環(huán)流不僅會增加系統(tǒng)的損耗，還可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。內(nèi)環(huán)控制器通過特定的環(huán)流抑制算法，如基于數(shù)學(xué)模型的環(huán)流抑制策略，實時計算環(huán)流分量，并通過調(diào)整電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)，產(chǎn)生與環(huán)流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，以抵消環(huán)流，降低系統(tǒng)損耗，提高系統(tǒng)的可靠性和效率。分層控制架構(gòu)中的各層之間通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和協(xié)調(diào)工作。外環(huán)控制器將計算得到的控制信號發(fā)送給內(nèi)環(huán)控制器，內(nèi)環(huán)控制器根據(jù)這些信號以及實時監(jiān)測的電流等信息，對電力電子器件進(jìn)行精確控制。各層控制器之間的數(shù)據(jù)交互需要具備快速性和準(zhǔn)確性，以確保整個控制策略的實時性和有效性。采用高速通信總線，如控制器局域網(wǎng)（CAN）總線或以太網(wǎng)等，實現(xiàn)各層控制器之間的數(shù)據(jù)快速傳輸，保證控制信號的及時傳遞和反饋信息的準(zhǔn)確獲取。4.1.2常見控制方法分類矢量控制：矢量控制的基本原理是基于電機(jī)的磁場定向控制理論，將交流量轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系下進(jìn)行分析和控制。對于基于MMC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器，通過坐標(biāo)變換將三相交流電流和電壓轉(zhuǎn)換到d-q坐標(biāo)系中，將其解耦為相互獨立的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量（在電力電子變壓器中可類比為有功和無功分量）。通過分別控制d軸電流（通常與勵磁或無功相關(guān)）和q軸電流（通常與轉(zhuǎn)矩或有功相關(guān)），實現(xiàn)對電力電子變壓器有功功率和無功功率的獨立控制。在一個需要向電網(wǎng)輸送特定有功功率并調(diào)節(jié)無功功率以改善電網(wǎng)功率因數(shù)的場景中，矢量控制可以精確地調(diào)節(jié)d軸和q軸電流，使電力電子變壓器按照要求輸出有功和無功功率。矢量控制具有精確控制和動態(tài)響應(yīng)快的特點。它能夠?qū)崿F(xiàn)對電力電子變壓器有功功率和無功功率的精確調(diào)節(jié)，滿足不同的功率需求。在負(fù)載發(fā)生快速變化時，矢量控制能夠迅速調(diào)整電流，使電力電子變壓器快速適應(yīng)負(fù)載變化，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。矢量控制也存在一些缺點，如需要精確的電機(jī)參數(shù)和復(fù)雜的坐標(biāo)變換計算，對控制器的運算能力要求較高，參數(shù)的不準(zhǔn)確可能會影響控制性能。2.直接功率控制：直接功率控制直接對電力電子變壓器的有功功率和無功功率進(jìn)行控制，省略了復(fù)雜的電流內(nèi)環(huán)控制。它通過實時檢測電力電子變壓器的輸入輸出電壓和電流，根據(jù)功率的計算公式直接計算出有功功率和無功功率。然后將計算得到的功率值與給定的功率參考值進(jìn)行比較，通過功率滯環(huán)控制器等調(diào)節(jié)策略，直接生成控制電力電子器件開關(guān)狀態(tài)的信號，實現(xiàn)對功率的快速跟蹤和控制。在一個需要快速響應(yīng)功率指令變化的應(yīng)用中，當(dāng)功率指令發(fā)生突變時，直接功率控制能夠迅速調(diào)整開關(guān)信號，使電力電子變壓器快速輸出符合要求的功率。直接功率控制的優(yōu)點是控制結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快，能夠快速跟蹤功率指令的變化。由于直接對功率進(jìn)行控制，避免了復(fù)雜的電流內(nèi)環(huán)控制，減少了計算量和控制器的設(shè)計難度。然而，直接功率控制也存在一些不足，如功率波動較大，特別是在低功率因數(shù)或負(fù)載變化劇烈的情況下，功率的波動可能會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；開關(guān)頻率不固定，會導(dǎo)致諧波含量增加，對濾波器的設(shè)計要求較高。3.模型預(yù)測控制：模型預(yù)測控制的原理是建立電力電子變壓器的預(yù)測模型，通過預(yù)測模型預(yù)測未來時刻系統(tǒng)的狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)的控制目標(biāo)和約束條件，如功率輸出要求、電流限制等，在每個控制周期內(nèi)，對未來多個時刻的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測和評估。從眾多可能的控制動作中選擇使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的控制策略，作為當(dāng)前時刻的控制信號，用于控制電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)。在一個考慮電力電子變壓器效率和功率質(zhì)量的控制場景中，模型預(yù)測控制可以在每個控制周期內(nèi)，預(yù)測不同開關(guān)狀態(tài)下的功率損耗、諧波含量等指標(biāo)，選擇使綜合目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)，以實現(xiàn)高效和高質(zhì)量的功率傳輸。模型預(yù)測控制具有控制性能好、能夠處理多目標(biāo)優(yōu)化和約束條件等優(yōu)點。它可以同時考慮多個控制目標(biāo)，如功率控制、電流限制、諧波抑制等，并在滿足各種約束條件的前提下，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。模型預(yù)測控制需要精確的系統(tǒng)模型和大量的計算，計算量較大，對控制器的運算速度要求較高；模型的準(zhǔn)確性對控制效果影響較大，實際系統(tǒng)中存在的參數(shù)變化和不確定性可能會降低控制性能。4.2關(guān)鍵控制技術(shù)研究4.2.1子模塊電容電壓均衡控制在基于MMC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器運行過程中，子模塊電容電壓不均衡是一個常見且影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題。導(dǎo)致電容電壓不均衡的原因是多方面的。電力電子器件的特性差異是重要因素之一，不同的IGBT或二極管在導(dǎo)通電阻、開關(guān)時間等參數(shù)上存在微小差異，這些差異會導(dǎo)致子模塊在充放電過程中的電流不一致，進(jìn)而造成電容電壓的不均衡。在一個包含多個子模塊的MMC橋臂中，由于各子模塊所使用的IGBT導(dǎo)通電阻不同，當(dāng)橋臂電流流過時，電阻大的子模塊電容充電或放電速度會相對較慢，從而使得該子模塊的電容電壓與其他子模塊產(chǎn)生偏差。子模塊的投入與切除順序也會對電容電壓均衡產(chǎn)生影響。在MMC的調(diào)制過程中，如果子模塊的投入和切除順序不合理，會導(dǎo)致某些子模塊頻繁工作，而另一些子模塊工作較少，使得各子模塊電容的充放電次數(shù)和時間不同，最終導(dǎo)致電容電壓不均衡。在采用最近電平逼近調(diào)制（NLM）策略時，若參考電壓的計算和子模塊選擇算法不完善，可能會使部分子模塊長期處于高電壓或低電壓狀態(tài)，加劇電容電壓的不平衡。為了解決電容電壓不均衡問題，眾多均壓控制策略被提出并不斷發(fā)展。最近電平逼近調(diào)制（NLM）策略在均壓控制中具有獨特的工作原理。NLM根據(jù)參考電壓與各電平之間的距離，選擇最接近的電平輸出。在實現(xiàn)電容電壓均衡時，通過實時監(jiān)測各子模塊電容電壓，在選擇輸出電平時，優(yōu)先選擇電容電壓較低的子模塊投入工作，使這些子模塊電容得到充電；優(yōu)先選擇電容電壓較高的子模塊切除，使其電容停止充電或進(jìn)行放電，從而逐漸實現(xiàn)各子模塊電容電壓的均衡。在某一時刻，當(dāng)參考電壓接近某一電平，且有多個子模塊可以合成該電平，NLM策略會優(yōu)先選擇電容電壓較低的子模塊來合成該電平，以調(diào)整電容電壓的分布。NLM策略的優(yōu)點是計算簡單、實時性強(qiáng)，能夠快速響應(yīng)參考電壓的變化，適用于對響應(yīng)速度要求較高的場合。然而，其缺點是在子模塊數(shù)量較多時，可能會出現(xiàn)電平選擇的局限性，導(dǎo)致均壓效果不夠理想，且輸出電壓的諧波含量相對較高。載波移相調(diào)制（CPS-PWM）策略在電容電壓均衡控制方面也發(fā)揮著重要作用。CPS-PWM通過將多個載波信號進(jìn)行移相，實現(xiàn)對MMC各子模塊的精確控制。在一個包含N個子模塊的橋臂中，每個子模塊對應(yīng)一個載波信號，這些載波信號的相位依次相差360^{\circ}/N。通過這種方式，使得各子模塊的開關(guān)信號相互錯開，從而實現(xiàn)多電平輸出。在電容電壓均衡控制中，CPS-PWM能夠使各子模塊的開關(guān)頻率相同，且在一個周期內(nèi)，每個子模塊的導(dǎo)通和關(guān)斷時間相對均衡，有利于電容電壓的均衡。由于各子模塊的開關(guān)信號相位不同，在交流信號的一個周期內(nèi)，每個子模塊都有相同的機(jī)會參與工作，使得各子模塊電容的充放電過程更加均勻，有效減小了電容電壓的偏差。CPS-PWM策略的優(yōu)點是輸出電壓諧波含量低，電能質(zhì)量高，均壓效果較好；缺點是需要較多的載波信號和復(fù)雜的同步控制，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。4.2.2環(huán)流抑制控制在基于MMC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器中，環(huán)流的產(chǎn)生會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生諸多不利影響，深入分析環(huán)流產(chǎn)生的原因和影響，并采取有效的抑制措施至關(guān)重要。環(huán)流產(chǎn)生的原因主要包括以下幾個方面。MMC各相之間以及橋臂之間存在電氣耦合，這是環(huán)流產(chǎn)生的內(nèi)在因素。在三相MMC中，由于三相電路之間存在互感，當(dāng)某一相的電流發(fā)生變化時，會通過互感在其他相產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而引發(fā)環(huán)流。在實際運行中，由于電網(wǎng)電壓的不平衡或負(fù)載的不對稱，會導(dǎo)致三相電流的大小和相位不一致，這種不平衡的電流會在各相之間產(chǎn)生環(huán)流。子模塊電容電壓的不均衡也會導(dǎo)致環(huán)流的產(chǎn)生。當(dāng)子模塊電容電壓不均衡時，會使橋臂電壓出現(xiàn)偏差，進(jìn)而在橋臂之間形成電位差，促使環(huán)流產(chǎn)生。在一個橋臂中，若部分子模塊電容電壓過高，而另一部分過低，會導(dǎo)致該橋臂的等效電阻和電感發(fā)生變化，與其他橋臂之間形成電壓差，引發(fā)環(huán)流。環(huán)流的存在會增加系統(tǒng)的損耗，降低系統(tǒng)的效率。環(huán)流在MMC的橋臂和子模塊中流動，會產(chǎn)生額外的功率損耗，這些損耗不僅會使電力電子器件發(fā)熱增加，降低器件的使用壽命，還會導(dǎo)致系統(tǒng)整體效率下降。環(huán)流還可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)環(huán)流過大時，會使系統(tǒng)的電流和電壓出現(xiàn)波動，嚴(yán)重時甚至可能引發(fā)系統(tǒng)振蕩，威脅系統(tǒng)的安全運行。為了抑制環(huán)流，基于數(shù)學(xué)模型的環(huán)流抑制方法被廣泛研究和應(yīng)用。通過建立MMC的數(shù)學(xué)模型，如考慮互感和電容電壓不均衡影響的電路模型，能夠準(zhǔn)確分析環(huán)流的特性和產(chǎn)生機(jī)制。在建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，采用合適的控制算法，如比例積分（PI）控制、比例積分微分（PID）控制等，對環(huán)流進(jìn)行抑制。PI控制器通過對環(huán)流信號進(jìn)行比例和積分運算，產(chǎn)生控制信號，調(diào)節(jié)電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)，使環(huán)流得到抑制。在實際應(yīng)用中，將實時檢測到的環(huán)流信號輸入PI控制器，PI控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)，計算出控制信號，調(diào)整MMC的工作狀態(tài)，以抵消環(huán)流的影響?；跀?shù)學(xué)模型的環(huán)流抑制方法具有理論基礎(chǔ)堅實、控制效果穩(wěn)定等優(yōu)點，但對數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性要求較高，實際系統(tǒng)中的參數(shù)變化和不確定性可能會影響其抑制效果。智能算法在環(huán)流抑制中也展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。模糊控制是一種基于模糊邏輯的智能控制算法，它不需要精確的數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)經(jīng)驗和專家知識制定模糊規(guī)則。在環(huán)流抑制中，模糊控制通過實時監(jiān)測環(huán)流、電容電壓、電流等信號，根據(jù)預(yù)設(shè)的模糊規(guī)則，生成控制信號，調(diào)節(jié)MMC的工作狀態(tài)，以抑制環(huán)流。當(dāng)檢測到環(huán)流增大時，模糊控制器根據(jù)模糊規(guī)則，調(diào)整電力電子器件的開關(guān)時間或?qū)樞颍弓h(huán)流減小。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制則是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，對環(huán)流進(jìn)行抑制。通過對大量的環(huán)流數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠自動調(diào)整權(quán)重和閾值，以適應(yīng)不同的運行工況，實現(xiàn)對環(huán)流的有效抑制。智能算法在環(huán)流抑制中具有適應(yīng)性強(qiáng)、能夠處理復(fù)雜非線性問題等優(yōu)點，但算法的設(shè)計和優(yōu)化較為復(fù)雜，需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和計算資源。五、基于MMC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器仿真分析5.1仿真模型建立5.1.1仿真軟件選擇在研究基于MMC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器時，選擇合適的仿真軟件至關(guān)重要。MATLAB/Simulink和PSCAD/EMTDC是兩款在電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的軟件，它們在MMC型電力電子變壓器仿真中各有優(yōu)劣。MATLAB/Simulink具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計算和可視化功能。其豐富的工具箱，如SimPowerSystems（電力系統(tǒng)模塊庫），為電力電子和電力系統(tǒng)的建模與仿真提供了便利。在MMC型電力電子變壓器仿真中，利用Simulink的模塊搭建功能，可以快速構(gòu)建MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過設(shè)置模塊參數(shù)來模擬不同的子模塊類型、橋臂電抗器參數(shù)等。Simulink的圖形化界面使得模型的搭建和調(diào)試過程直觀易懂，用戶可以方便地觀察各個模塊的輸入輸出信號以及系統(tǒng)的整體運行情況。MATLAB本身強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計算能力，能夠?qū)Ψ抡娼Y(jié)果進(jìn)行深入分析和處理，例如進(jìn)行諧波分析、功率計算等。然而，MATLAB/Simulink在處理大規(guī)模電力系統(tǒng)仿真時，可能會面臨計算效率較低的問題。由于其采用的是基于時間步長的離散化仿真方法，對于復(fù)雜的MMC型電力電子變壓器模型，隨著子模塊數(shù)量的增加和系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，計算量會顯著增大，導(dǎo)致仿真時間延長。MATLAB/Simulink的一些電力系統(tǒng)模型庫可能與實際設(shè)備的特性存在一定差異，在進(jìn)行精確仿真時，可能需要對模型進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化。PSCAD/EMTDC是專業(yè)的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件，在處理電力電子器件和復(fù)雜電力系統(tǒng)的動態(tài)特性方面具有獨特優(yōu)勢。它能夠精確模擬電力電子器件的開關(guān)過程和電磁暫態(tài)特性，對于MMC型電力電子變壓器中IGBT等開關(guān)器件的仿真精度較高，能夠準(zhǔn)確反映其在不同工況下的動態(tài)行為。PSCAD/EMTDC還具備強(qiáng)大的自定義模型功能，用戶可以根據(jù)實際需求自定義電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，提高了仿真的靈活性和針對性。PSCAD/EMTDC的缺點在于其圖形化界面的操作相對復(fù)雜，學(xué)習(xí)成本較高，對于初學(xué)者來說，需要花費一定的時間和精力來掌握軟件的使用方法。PSCAD/EMTDC的后處理功能相對較弱，在對仿真結(jié)果進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和可視化展示方面，不如MATLAB/Simulink方便。綜合考慮，由于本研究重點關(guān)注MMC型電力電子變壓器的動態(tài)特性和控制策略的驗證，對電力電子器件的開關(guān)過程仿真精度要求較高，且需要具備一定的自定義模型能力，因此選擇PSCAD/EMTDC作為主要的仿真軟件。在仿真結(jié)果的后處理階段，可以將PSCAD/EMTDC的仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和可視化功能，對仿真結(jié)果進(jìn)行深入分析和展示。5.1.2模型搭建與參數(shù)設(shè)置在PSCAD/EMTDC軟件中，依據(jù)實際電路參數(shù)搭建MMC型電力電子變壓器仿真模型。以一個典型的三相MMC型電力電子變壓器為例，其基本結(jié)構(gòu)包括三相MMC、DC-DC變換器以及交流側(cè)和直流側(cè)的相關(guān)電路元件。在搭建MMC部分時，首先構(gòu)建三相橋臂。每一相橋臂由多個子模塊級聯(lián)而成，根據(jù)實際需求選擇子模塊類型，如半橋子模塊（HBSM）。在PSCAD/EMTDC中，通過調(diào)用相應(yīng)的子模塊模型庫，設(shè)置子模塊的參數(shù)，如電容值、IGBT的開關(guān)頻率、導(dǎo)通電阻等。假設(shè)每個橋臂包含20個子模塊，子模塊電容值設(shè)置為5000μF，IGBT的開關(guān)頻率為1kHz，導(dǎo)通電阻為0.01Ω。在橋臂中還需串聯(lián)橋臂電抗器，橋臂電抗器的電感值根據(jù)系統(tǒng)的要求和實際情況進(jìn)行設(shè)置，例如設(shè)置為5mH，用于限制橋臂電流的變化率，抑制環(huán)流。DC-DC變換器部分，選擇雙有源橋（DualActiveBridge，DAB）變換器作為示例。在PSCAD/EMTDC中搭建DAB變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括高頻變壓器、全橋變換器等元件。設(shè)置高頻變壓器的變比、漏感、勵磁電感等參數(shù)，假設(shè)變比為1:2，漏感為10μH，勵磁電感為1mH。設(shè)置全橋變換器中開關(guān)管的參數(shù)，如開關(guān)頻率、導(dǎo)通電阻等，開關(guān)頻率設(shè)置為50kHz，導(dǎo)通電阻為0.02Ω。在交流側(cè)，連接三相交流電源，設(shè)置電源的電壓幅值、頻率和相位等參數(shù)。假設(shè)電源電壓幅值為380V（線電壓有效值），頻率為50Hz，相位依次相差120°。在交流側(cè)還需配置濾波電路，以濾除MMC輸出的諧波，提高交流側(cè)電能質(zhì)量。選擇LC濾波電路，設(shè)置電感值為10mH，電容值為10μF。在直流側(cè)，設(shè)置直流母線電容，用于平滑直流電壓。假設(shè)直流母線電容為10000μF。根據(jù)實際應(yīng)用場景，連接負(fù)載或其他直流設(shè)備，設(shè)置負(fù)載的電阻值和電感值等參數(shù)，假設(shè)負(fù)載電阻為100Ω，電感為10mH。在模型搭建完成后，還需設(shè)置仿真的時間步長、仿真時長等參數(shù)。為了保證仿真的精度和計算效率，時間步長設(shè)置為1μs，仿真時長根據(jù)研究目的進(jìn)行設(shè)置，例如設(shè)置為0.1s，以觀察MMC型電力電子變壓器在不同工況下的動態(tài)響應(yīng)特性。通過合理設(shè)置這些參數(shù)，能夠在PSCAD/EMTDC中搭建出準(zhǔn)確反映實際電路運行情況的MMC型電力電子變壓器仿真模型，為后續(xù)的仿真分析提供基礎(chǔ)。5.2仿真結(jié)果分析5.2.1穩(wěn)態(tài)運行特性分析通過仿真得到的穩(wěn)態(tài)運行數(shù)據(jù)，對基于MMC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器的性能進(jìn)行深入分析。在正常運行工況下，觀察到電力電子變壓器的輸入輸出電壓和電流波形穩(wěn)定，接近理想的正弦波。以三相交流輸入電壓為例，其有效值為380V，頻率為50Hz，經(jīng)過MMC型電力電子變壓器變換后，輸出的直流電壓穩(wěn)定在設(shè)定值，如1000V，紋波電壓較小，滿足系統(tǒng)對直流電壓穩(wěn)定性的要求。在功率方面，仿真結(jié)果顯示，電力電子變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)高效的功率傳輸。在額定負(fù)載下，有功功率的傳輸效率較高，達(dá)到了95%以上。通過對功率因數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)電力電子變壓器在控制策略的作用下，能夠有效地調(diào)節(jié)無功功率，使功率因數(shù)保持在較高水平，接近1。這表明電力電子變壓器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的變換，還能對電能質(zhì)量進(jìn)行有效改善，提高了電力系統(tǒng)的運行效率。對MMC各子模塊電容電壓的穩(wěn)定