真双极隔离式模块化多电平直流变压器及控制方法与流程

1.本发明属于电力系统领域，更具体地，涉及一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器及控制方法。


背景技术：

2.在中高压直流配网领域，直流变压器需要实现直流电压的等级变换、电气隔离和电能双向可控的功能，为了使能量双向流动，双有源桥（dab）结构的直流变压器已经在广泛应用于此领域。然而开关管的耐压能力有限，为减轻开关管的电压应力，进一步提出了输入串联输出并联结构（isop），将多个dab结构的支流变压器的输入端串联、输出端并联来提高高压侧的耐压水平和低压侧的功率输出水平，但此结构由多个dab变换器组成，电能分配和绝缘设计都很复杂而且装置的体积较大。
3.因此，隔离性模块化多电平dc/dc变换器（isolated modular multilevel dc converter，immdc）应运而生。此拓扑结合了模块化多电平变流器和dab结构的优势，原边采用mmc结构，副边仍然为h桥结构，取消了直流侧的集中电容，具有功率双向传输、模块化设计、电压拓展容易、冗余设计简单等优点。
4.但是现在应用的immdc多为伪双极拓扑，伪双极结构可以提供正负极性的低压直流母线，但无法实现正负两极带不对称负荷运行；并且现在应用的immdc需要的高频变压器制造成本高，控制结构复杂，桥臂参数不对称，严重影响了immdc的正常运行。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器及控制方法。
6.本发明第一方面提供一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器，包括原边拓扑、四个两绕组中频变压器、副边拓扑；所述原边拓扑包括两个单相模块化多电平变流器，所述单相模块化多电平变流器包括两个并联连接的单相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，其中，每相的上桥臂和下桥臂通过两个桥臂电感或一个耦合电感串联连接；所述两个单相模块化多电平变流器串联组成正负真双极结构，其中，一个单相模块化多电平变流器的正极作为所述原边拓扑的正极，两个单相模块化多电平变流器的连接处接地，另一个单相模块化多电平变流器的负极作为所述原边拓扑的负极；所述副边拓扑包括四个交错连接的h桥结构；第一h桥结构的第一直流输出端与第三h桥结构的第一直流输出端连接后作为所述副边拓扑的第一低压直流输出端；第一h桥结构的第二直流输出端、第二h桥结构的第一直流输出端、第三h桥结构的第二直流输出端和第四h桥结构的第一直流输出端连接后接地，作为所述副边拓扑的第二低压直流输出端；
第二h桥结构的第二直流输出端和第四h桥结构的第二直流输出端连接；所述真双极模块化多电平直流变压器，电容串联两个反并联igbt开关管分别并联在低压侧正极端口和负极端口。
7.每两个两绕组中频变压器的原边同名端端口并联后连接至所述单相模块化多电平变流器的一个单相桥臂的两个桥臂电感的连接点或耦合电感的中间端子，每两个两绕组中频变压器的原边异名端串联后连接至所述单相模块化多电平变流器的另一个单相桥臂的两个桥臂电感的连接点或耦合电感的中间端子；每个两绕组中频变压器原边和副边绕组的变比为n：1；每个两绕组中频变压器的副边同名端口通过一传输电感连接每个h桥结构的交流出线端，四个传输电感的大小分别为四个两绕组中频变压器的漏感和外接电感之和。
8.本发明第二方面提供一种所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的控制方法，包括：包括低压侧正负双极电压控制环、桥臂内子模块电容电压平衡控制环、高压侧电网对地短路故障穿越控制环和低压侧电网短路故障穿越控制环；所述低压侧正负双极电压控制环用于调节低压侧正负双极电压的大小，所述桥臂内子模块电容电压平衡控制环用于平衡控制桥臂内子模块电容电压，所述高压侧电网对地短路故障穿越控制环用于在高压侧单极对地短路故障时维持低压侧电压恒定；所述低压侧电网单极短路故障穿越控制环用于在低压侧lvdc电网单极短路故障时维持低压侧非故障极电压恒定。
9.在一个实施例中，所述低压侧正负双极电压控制环实时采集低压侧正极端口和负极端口的电压并与正极端口和负极端口的电压参考值比较；其中，低压侧正极端口的电压参考值与正极端口的电压实际值作差，通过第一pi调节器控制得到正极移相角，正极移相角将方波移相后驱动第一h桥结构和第三h桥结构的电力电子开关器件；低压侧负极端口的电压参考值与负极端口的电压实际值作差，通过第二pi调节器控制得到负极移相角，负极移相角将方波移相后驱动第二h桥结构和第四h桥结构的电力电子开关器件。
10.在一个实施例中，所述桥臂内子模块电容电压平衡控制环采用排序方法对桥臂内子模块电容电压进行平衡控制：将每相桥臂中级联的各个子模块的电容电压进行排序，同时计算实时工作模态下移相角不同的触发信号对应的，根据，将较大的触发信号分配到电容电压较低的子模块上；其中，准方波调制下，所述子模块的电容接入的半个周期内电荷变换量的计算公式为，其中为桥臂电流，为交流电流分量，为直流电流分量。
11.在一个实施例中，所述高压侧电网对地短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的高压侧出现单极对地短路故障，如正极出现对地短路故障后，封锁正极的模块化多电平变流器和低压侧第一h桥和第二h桥的驱动脉冲，以终止正极的模块化多电平变流器内每个子模块的电容放电，屏蔽故障高压侧对非故障低压侧的影
响，并清除故障电流。
12.同理，当高压侧负极出现对地短路故障后，则封锁负极的模块化多电平变流器和低压侧第三h桥和第四h桥的驱动脉冲，以终止负极的模块化多电平变流器内每个子模块的电容放电，屏蔽故障高压侧对非故障低压侧的影响，并清除故障电流。
13.在一个实施例中，所述低压侧电网短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的低压侧正极出现短路故障后，封锁低压侧第一h桥和第三h桥的驱动脉冲，以屏蔽故障低压侧对非故障侧高压侧的影响，并清除故障电流；同理，当所述低压侧电网短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的低压侧负极出现短路故障后，封锁低压侧第二h桥和第四h桥的驱动脉冲，以屏蔽故障低压侧对非故障侧高压侧的影响，并清除故障电流。
14.本发明还提供一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器的控制设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的控制程序，所述控制程序被所述处理器执行时实现如前述的控制方法的步骤。
15.与现有技术相比，本发明具有如下特点：（1）高压和低压直流端口都具备真双极结构。本发明提供的真双极隔离式模块化多电平直流变压器的高压侧采用两个模块化多电平变流器串联，从而在高压侧构造了正极和负极；低压侧采用四个h桥结构交错连接方式构造了低压直流正极和负极，拓展了新能源发电、直流负荷等接入的电压范围。
16.（2）抗干扰的能力变强。本发明高低压侧均为正负真双极结构，低压侧每个低压输出端口有自己独立的控制回路单独控制，即使其中一极故障也不影响另一极正常工作，可以保证对负载的不间断供电，大大提高了功率传输的可靠性和容错率。
17.（3）采用单极模块化变流器低压侧并联两个两绕组中频变压器和h桥的结构传输电感的放置位置和功率解耦方式，通过将传输电感放在两绕组中频变压器的副边，低压侧四个h桥的功率分别由四个两绕组中频变压器独自的漏感传输，实现了从高压侧传输到低压侧四个h桥的功率解耦。
18.（4）节省功率器件。本发明将同相的上、下桥臂子模块进行集成，节省了部分功率器件，同时上、下桥臂耦合还可以为子模块纹波功率提供流通通道，有利于降低子模块电容电压纹波，减少子模块容值需求。
19.（5）扩展了所接负载的电压范围。本发明根据实际需求扩容扩压，拓展了低压侧所接负载的电压范围，具有良好的普遍适用性。
附图说明
20.图1是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑示意图；图2是本发明提供的一种半桥拓扑示意图；图3是本发明提供的一种全桥拓扑示意图；图4是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑正负双极电压控制框图；图5是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑低压侧传输电感电流仿真结果图；
图6是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑低压侧传输电感电流稳态时刻仿真结果图；图7是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑高压侧直流电流仿真结果图；图8是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑负载电流仿真结果图；图9是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑负载突变之后稳态的电流仿真结果图；图10是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑中频变压器原边交流端口电压仿真结果图；图11是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑中频变压器副边交流端口电压仿真结果图；图12是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑负载电压波形。
21.图13是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑高压侧正极发生对地短路故障，故障电流示意图和闭锁情况。
22.图14是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑高压侧正极发生短路故障时的仿真结果图。
23.图15是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑低压侧正极发生短路故障时，等效电路示意图。
24.图16是本发明提供的一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑低压侧正极发生短路故障时的仿真结果图。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.实施例1如图1-3所示，本实施例提供一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器，包括原边拓扑、四个两绕组中频变压器、副边拓扑；所述原边拓扑包括两个单相模块化多电平变流器，所述单相模块化多电平变流器包括两个并联连接的单相桥臂，记为a相桥臂和b相桥臂；每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，其中，每相的上桥臂和下桥臂通过两个桥臂电感或一个耦合电感串联连接；所述两个单相模块化多电平变流器串联组成正负真双极结构，其中，一个单相模块化多电平变流器的正极作为所述原边拓扑的正极，两个单相模块化多电平变流器的连接处接地，另一个单相模块化多电平变流器的负极作为所述原边拓扑的负极；所述副边拓扑包括四个交错连接的h桥结构；第一h桥结构的第一直流输出端与第三h桥结构的第一直流输出端连接后作为所述副边拓扑的第一低压直流输出端；
第一h桥结构的第二直流输出端、第二h桥结构的第一直流输出端、第三h桥结构的第二直流输出端和第四h桥结构的第一直流输出端连接后接地，作为所述副边拓扑的第二低压直流输出端；第二h桥结构的第二直流输出端和第四h桥结构的第二直流输出端连接；所述真双极模块化多电平直流变压器，电容串联两个反并联igbt开关管分别并联在低压侧正极端口和负极端口。
27.每两个两绕组中频变压器的原边同名端端口并联后连接至所述单相模块化多电平变流器的一个单相桥臂的两个桥臂电感的连接点或耦合电感的中间端子，每两个两绕组中频变压器的原边异名端串联后连接至所述单相模块化多电平变流器的另一个单相桥臂的两个桥臂电感的连接点或耦合电感的中间端子；每个两绕组中频变压器的副边同名端口通过一传输电感连接每个h桥结构的交流出线端，四个传输电感的大小分别为四个两绕组中频变压器的漏感和外接电感之和。
28.本实施例中，每个单相桥臂的上桥臂和下桥臂均由n个功率模块串联连接构成；所述功率模块采用半桥结构或全桥结构；其中，半桥结构的功率模块包括两个带反并联续流二极管的电力电子开关器件及一个电容，其中，两电力电子开关器件串联连接，电容并联在两电力电子开关器件的两端；全桥结构的功率模块由四个带反并联续流二极管的电力电子开关器件和电容组成；每相的上桥臂和下桥臂与两个电感或一个耦合电感串联连接。
29.每个h桥结构包括四个带反并联续流二极管的电力电子开关器件和一个稳压电容，两个电力电子开关器件串联连接后与另两个电力电子开关器件组成的串联结构并联。在具体实施时，所述电力电子开关器件包括igbt开关管。
30.实施例2本实施例提供一种控制方法，应用于实施例1所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器，实施例1中所述所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器中，四个传输电感一端分别连接到四个中频变压器副边的同名端口，另一端分别连接到四个h桥的交流出线端，四个传输电感的大小分别为四个中频变压器的漏感和外接电感之和；通过将传输电感放在中频变压器的副边，低压侧四个h桥的功率分别由四个中频变压器独自的漏感传输，实现了从高压侧传输到低压侧四个h桥的功率解耦。
31.所述控制方法包括低压侧正负双极电压控制环、桥臂内子模块电容电压平衡控制环、高压侧电网对地短路故障穿越控制环和低压侧电网短路故障穿越控制环；所述低压侧正负双极电压控制环用于调节低压侧正负双极电压的大小，所述桥臂内子模块电容电压平衡控制环用于平衡控制桥臂内子模块电容电压，所述高压侧电网对地短路故障穿越控制环用于在高压侧单极对地短路故障时维持低压侧电压恒定；所述低压侧电网单极短路故障穿越控制环用于在低压侧lvdc电网单极短路故障时维持低压侧非故障极电压恒定。
32.具体的，所述低压侧正负双极电压控制环的控制步骤如图4所示，包括：实时采集低压侧正极端口和负极端口的电压并与正极端口和负极端口的电压参考值比较；其中，低压侧正极端口的电压参考值v
outc,ref
与正极端口的电压实际值v
outc
作差，通过第一pi调节器控制得到正极移相角φ1，正极移相角φ1将方波移相后驱动第一h桥结构和第三h桥结构的
电力电子开关器件；低压侧负极端口的电压参考值v
outd,ref
与负极端口的电压实际值v
outd
作差，通过第二pi调节器控制得到负极移相角φ2，负极移相角φ2将方波移相后驱动第二h桥结构和第四h桥结构的电力电子开关器件。
33.具体的，在加入子模块移相后，移相角度会导致各个子模块电容充电时间不一致，从而导致子模块电容电压不均衡，而电容的平衡是系统稳定运行的前提条件，因此需要设计一个桥臂内子模块电容电压平衡控制环，以控制桥臂内子模块电容电压的平衡。
34.进一步的，所述桥臂内子模块电容电压平衡控制环采用排序方法对桥臂内子模块电容电压进行平衡控制：将每相桥臂中级联的各个子模块的电容电压进行排序，同时计算实时工作模态下移相角不同的触发信号对应的，根据，将较大的触发信号分配到电容电压较低的子模块上；其中，准方波调制下，模块电容接入的半个周期内电荷变换量的计算公式为，其中为桥臂电流，为交流电流分量，为直流电流分量。
35.具体的，所述高压侧电网对地短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的高压侧出线正极对地短路故障后，封锁正极的模块化多电平变流器和低压侧第一h桥和第二h桥的驱动脉冲，终止正极的模块化多电平变流器内每个子模块的电容放电，屏蔽故障侧对非故障侧影响，并清除故障电流。
36.如高压侧正极短路故障时，通过阻塞原边拓扑正极模块化多电平变流器四桥臂上子模块的脉冲信号和副边拓扑第一h桥和第二h桥上igbt的脉冲信号来实现闭锁，此时负极模块化多电平变流器正常工作，功率经由第三h桥和第四h桥传递到低压侧正极端口和负极端口，即高压侧负极模块化多电平变流器正常工作，和低压侧正极和负极端口之间进行功率传输。
37.同理，所述高压侧电网对地短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的高压侧负极出现对地短路故障后，封锁负极的模块化多电平变流器和低压侧第三h桥和第四h桥的驱动脉冲，以终止负极的模块化多电平变流器内每个子模块的电容放电，屏蔽故障高压侧对非故障低压侧的影响，并清除故障电流。
38.如高压侧负极短路故障时，通过阻塞原边拓扑负极模块化多电平变流器四桥臂上子模块的脉冲信号和副边拓扑第三h桥和第四h桥上igbt的脉冲信号来实现闭锁，此时正极模块化多电平变流器正常工作，功率经由第一h桥和第二h桥传递到低压侧正极端口和负极端口，即高压侧正极模块化多电平变流器正常工作，和低压侧正极和负极端口之间进行功率传输。
39.具体的，所述低压侧电网短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的低压侧出现正极短路故障后，封锁低压侧第一h桥和第三h桥的驱动脉冲，屏蔽故障侧对非故障侧影响，并清除故障电流。
40.如低压侧正极端口短路故障时，通过阻塞第一h桥和第三h桥上igbt的脉冲信号来闭锁第一h桥和第三h桥，此时正极和负极模块化多电平变流器正常工作，功率经由第二和
第四h桥传递到低压侧负极端口，即正极和负极模块化多电平变流器正常工作，和低压侧负极端口之间进行功率传输。
41.同理，所述低压侧电网短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的低压侧负极出现短路故障后，封锁低压侧第二h桥和第四h桥的驱动脉冲，以屏蔽故障低压侧对非故障侧高压侧的影响，并清除故障电流。
42.具体的，当低压侧负极端口短路故障时，通过阻塞第二h桥和第四h桥上igbt的脉冲信号来闭锁第二h桥和第四h桥，此时正极和负极模块化多电平变流器正常工作，功率经由第一h桥和第三h桥传递到低压侧负极端口，即正极和负极模块化多电平变流器正常工作，和低压侧负极端口之间进行功率传输。
43.实施例3本实施例在matlab软件中对实施例1和实施例2所述的变压器拓扑结构和控制方法进行了仿真验证。
44.仿真参数如表1所示：表1 仿真参数设计一次侧额定电压为20kv（
±
10kv），二次侧额定电压为750v；考虑耐压等级，每半个桥臂由5个模块级联而成，额定电容电压为2kv，桥臂电感的自感设置为1.5mh，互感设置为1.495mh，传输电感设计为10uh，中频变压器的变比设置为n：1，其中n=10000/750，控制电路中pi参数，比例环节设置为4，积分环节设置为150，负载电阻设置为2ω，另外仿真过程中0.3s处电阻突变，电阻由原来的2突变为6/7ω。仿真时间设置为0.8s。
45.图5是所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑低压侧传输电感电流仿真结果图；图6是所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑低压侧传输电感电流稳态时刻仿真结果图；图7是所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑高压侧直流电流仿真结果图；图8是所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑负载电流仿真结果图；图9是所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑负载突变之后稳态的电流仿真结果图；图10是所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑中频变压器原边交流端口电压仿真结果图；图11是所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑中频变压器副边交流
端口电压仿真结果图；图12是所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器拓扑负载电压波形。
46.（1）真双极隔离式模块化多电平直流变压器在高压侧正极端口发生对地短路故障时的仿真图13给出了在高压侧正极端口发生单极对地短路故障时真双极隔离式模块化多电平直流变压器的故障电流示意图和闭锁情况。图14给出了高压侧正极端口发生对地短路故障时的仿真结果图。由图14可知，在0.1s高压直流电网的正极发生接地故障后，高压直流正极电压跌落为0，通过封锁正极的模块化多电平变流器和低压的第一h桥和第二h桥的驱动脉冲后，高压负极的模块化多电平变流器仍能正常运行，且控制低压直流正极和负极端口电压维持在额定电压。该仿真结果表明本发明的真双极隔离式模块化多电平直流变压器具备高压侧短路故障穿越能力。
47.（2）真双极隔离式模块化多电平直流变压器在低压侧正极端口发生短路故障的仿真图15给出了在低压侧正极端口发生单极短路故障时真双极隔离式模块化多电平直流变压器的等效电路示意图。图16给出了低压侧正极端口发生短路故障时真双极隔离式模块化多电平直流变压器的仿真结果。
48.由图16可知，在0.3s低压直流电网的正极发生接地短路故障后，低压侧正极电压大幅跌落，此时闭锁第一h桥和第三h桥开关管的驱动信号，屏蔽故障侧对非故障侧影响，并清除故障电流。通过本发明真双极隔离式模块化多电平直流变压器之后，高压正极和负极的直流电流始终保持一致。此时低压侧非故障极电压仍然稳定在750v，该仿真结果表明本发明的真双极隔离式模块化多电平直流变压器具备低压侧短路故障穿越能力。
49.实施例4本实施例提供一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器的控制设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的控制程序，所述控制程序被所述处理器执行时实现如实施例2所述的控制方法的步骤。
50.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器，其特征在于：包括原边拓扑、四个两绕组中频变压器、副边拓扑；所述原边拓扑包括两个单相模块化多电平变流器，所述单相模块化多电平变流器包括两个并联连接的单相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，其中，每相的上桥臂和下桥臂通过两个桥臂电感或一个耦合电感串联连接；所述两个单相模块化多电平变流器串联组成正负真双极结构，其中，一个单相模块化多电平变流器的正极作为所述原边拓扑的正极，两个单相模块化多电平变流器的连接处接地，另一个单相模块化多电平变流器的负极作为所述原边拓扑的负极；所述副边拓扑包括四个交错连接的h桥结构；第一h桥结构的第一直流输出端与第三h桥结构的第一直流输出端连接后作为所述副边拓扑的第一低压直流输出端；第一h桥结构的第二直流输出端、第二h桥结构的第一直流输出端、第三h桥结构的第二直流输出端和第四h桥结构的第一直流输出端连接后接地，作为所述副边拓扑的第二低压直流输出端；第二h桥结构的第二直流输出端和第四h桥结构的第二直流输出端连接；所述真双极模块化多电平直流变压器，电容串联两个反并联igbt开关管分别并联在低压侧正极端口和负极端口；每两个两绕组中频变压器的原边同名端端口并联后连接至所述单相模块化多电平变流器的一个单相桥臂的两个桥臂电感的连接点或耦合电感的中间端子，每两个两绕组中频变压器的原边异名端串联后连接至所述单相模块化多电平变流器的另一个单相桥臂的两个桥臂电感的连接点或耦合电感的中间端子；每个两绕组中频变压器原边和副边绕组的变比为n：1；每个两绕组中频变压器的副边同名端口通过一传输电感连接每个h桥结构的交流出线端，四个传输电感的大小分别为四个两绕组中频变压器的漏感和外接电感之和。2.根据权利要求1所述的真双极隔离式模块化多电平直流变压器，其特征在于，每个单相桥臂的上桥臂和下桥臂均由n个级联的功率模块构成；所述功率模块采用半桥结构或全桥结构；其中，半桥结构的功率模块包括两个带反并联续流二极管的电力电子开关器件及一个稳压电容，两电力电子开关器件串联连接，所述稳压电容并联在两电力电子开关器件的两端；全桥结构的功率模块包括四个带反并联续流二极管的电力电子开关器件和一个稳压电容，两个电力电子开关器件串联连接后与另两个电力电子开关器件组成的串联结构并联，所述稳压电容并联在任意一个串联结构的两端。3.根据权利要求1所述的真双极隔离式模块化多电平直流变压器，其特征在于：每个h桥结构包括四个带反并联续流二极管的电力电子开关器件，两个电力电子开关器件串联连接后与另两个电力电子开关器件组成的串联结构并联。4.根据权利要求2或3所述的真双极隔离式模块化多电平直流变压器，其特征在于：所述电力电子开关器件包括igbt开关管。5.一种权利要求1至4任一项所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的控制方法，
其特征在于，包括低压侧正负双极电压控制环、桥臂内子模块电容电压平衡控制环、高压侧电网单极对地短路故障穿越控制环和低压侧电网单极短路故障穿越控制环；所述低压侧正负双极电压控制环用于调节低压侧正负双极电压的大小，所述桥臂内子模块电容电压平衡控制环用于平衡控制桥臂内子模块电容电压，所述高压侧电网对地短路故障穿越控制环用于在高压侧单极对地短路故障时维持低压侧电压恒定；所述低压侧电网单极短路故障穿越控制环用于在低压侧lvdc电网单极短路故障时维持低压侧非故障极电压恒定。6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述低压侧正负双极电压控制环的控制步骤包括：实时采集低压侧正极端口和负极端口的电压并与正极端口和负极端口的电压参考值比较；其中，低压侧正极端口的电压参考值与正极端口的电压实际值作差，通过第一pi调节器控制得到正极移相角，正极移相角将方波移相后驱动第一h桥结构和第三h桥结构的电力电子开关器件；低压侧负极端口的电压参考值与负极端口的电压实际值作差，通过第二pi调节器控制得到负极移相角，负极移相角将方波移相后驱动第二h桥结构和第四h桥结构的电力电子开关器件。7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述桥臂内子模块电容电压平衡控制环采用排序方法对桥臂内子模块电容电压进行平衡控制：将每相桥臂中级联的各个子模块的电容电压进行排序，同时计算实时工作模态下移相角不同的触发信号对应的，根据，将较大的触发信号分配到电容电压较低的子模块上；其中，准方波调制下，所述子模块的电容接入的半个周期内电荷变换量的计算公式为，其中为桥臂电流，为交流电流分量，为直流电流分量。8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述高压侧电网对地短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的高压侧正极出现对地短路故障后，封锁正极的模块化多电平变流器和低压侧第一h桥和第二h桥的驱动脉冲，以终止正极的模块化多电平变流器内每个子模块的电容放电，屏蔽故障高压侧对非故障低压侧的影响，并清除故障电流；所述高压侧电网对地短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的高压侧负极出现对地短路故障后，封锁负极的模块化多电平变流器和低压侧第三h桥和第四h桥的驱动脉冲，以终止负极的模块化多电平变流器内每个子模块的电容放电，屏蔽故障高压侧对非故障低压侧的影响，并清除故障电流。9.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述低压侧电网短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的低压侧正极出现短路故障后，封锁低压侧第一h桥和第三h桥的驱动脉冲，以屏蔽故障低压侧对非故障侧高压侧的影响，并清除故障电流；所述低压侧电网短路故障穿越控制环在采集到所述真双极隔离式模块化多电平直流变压器的低压侧负极出现短路故障后，封锁低压侧第二h桥和第四h桥的驱动脉冲，以屏蔽
故障低压侧对非故障侧高压侧的影响，并清除故障电流。10.一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器的控制设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的控制程序，所述控制程序被所述处理器执行时实现如权利要求5-9中任一项所述的控制方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种真双极隔离式模块化多电平直流变压器及控制方法，包括两个单相模块化多电平变流器组成的原边拓扑、四个H桥结构组成的副边拓扑以及四个两绕组中频变压器；原边拓扑的正极单相模块化多电平变流器或负极单相模块化多电平变流器通过两个中频变压器以并联的方式与副边拓扑连接；每个两绕组中频变压器的副边绕组通过一传输电感连接到每个H桥结构的交流侧。电容串联两个反并联IGBT开关管分别并联在低压侧正极端口和负极端口。本发明中高、低压侧均为正负双极端口，正负双极端口都有自己独立的闭合回路单独控制，单极结构故障不影响另一极的功率传输，提高了故障时的容错，同时拓展了直流电压的范围和所接负载的范围。范围。范围。


技术研发人员：董亮辉 牛昶 赖锦木 王要强 李宝伟 尹项根 陈卫 侯星宇 刘阳 尹越 陈俊宏
受保护的技术使用者：许继电气股份有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/9