CN103762582B - 一种立体式直流-直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种立体式直流-直流变换器，用于实现两直流电网之间的互联传输，其中该变换器包括第一换流器、第二换流器和第三换流器，其中，所述第一换流器的正极与第二直流电网的正极相连接，所述第一换流器的负极与第二换流器的正极相连接，第二换流器的负极与第三换流器的正极相连接，第三换流器的负极与第二直流电网的负极相连接，所述第二换流器的正极同时和第一直流电网的正极相连接，所述第二换流器的负极同时和第一直流电网的负极相连接。本发明的直流-直流变换器充分利用了第一直流电网已经存在的直流电压，相比于常规的直流/交流/直流形式的直流-直流变换器，其可以大大减少所使用的总的换流器容量从而减小成本和损耗。

Description

一种立体式直流-直流变换器
技术领域
本发明属于电力系统柔性输配电技术领域，具体涉及一种直流-直流变换器，适用于各个区域直流电网的互联。
背景技术
随着模块化多电平换流器的发展，利用模块化多电平换流器构成直流电网是电力工业界近年来备受关注的一个热点。各个区域直流电网的互联是一个亟待解决的问题。由于各个区域直流电网功能不同，所采用的技术不同，所建设的年代不同，各个区域直流电网的额定直流电压不会完全一致。为了互联不同额定直流电压的直流电网，需要采用直流-直流变换器。在配电网层面，直流微网也是目前的技术热点之一，互联不同额定直流电压的直流微网也需要用到直流-直流变换器。
在输电网层面上，传统的直流-直流变换器一般采用直流/交流/直流两级交/直变换的拓扑(王培波等“用于提高可再生能源发电系统电压稳定性的双向DC/AC/DC变换器研究”(华北电力大学学报，2009，36(5)，22～26))。其具体实施方式为建设两个换流器，两个换流器的直流端分别与待互联的第一直流电网和第二直流电网(此处记第一直流电网的额定直流电压低于第二直流电网的额定直流电压)的直流端连接，两个换流器的交流端通过一定的交流电路互联在一起。换流器一进行直流/交流变换从而把第一直流电网的直流电逆变为交流电，换流器二再进行交流/直流变换从而把第一直流电网逆变后的电能再重新整流成直流电馈入到第二直流电网。
上述传统的直流-直流变换器的一个显著特点是两个换流器的直流端没有直接的电气互联，因此两个直流电网之间没有直接的电气互联，两个直流电网是通过了中间的交流电路互联在一起。这样，首先，这种直流-直流变换器的换流器一和换流器二的额定直流电压分别与第一直流电网和第二直流电网的额定直流电压相等，使得换流器二没有充分利用第一直流电网已经存在的直流电压，换流器二的额定直流电压高从而导致成本高。其次，上述传统直流-直流变换器的所采用换流器一与换流器二的额定功率与第一直流电网和第二直流电网之间的互联功率相等，换流器容量总和为第一直流电网和第二直流电网之间的互联功率的2倍，导致换流器成本高；再次，该变换器所互联的功率需要经过两级全额交流/直流（或直流/交流）变换，功率损耗大；另外，互联交流电路的容量总和为互联功率的两倍，互联交流电路变压器，相电抗等的投资大。
发明内容
为了改进上述传统直流-直流变换器存在的缺点，降低直流-直流变换器总的变流容量从而降低成本，降低损耗，本发明提供了一种立体式直流-直流变换器，其充分利用第一直流电网已经存在的直流电压，在直流侧对第一直流电网和第二直流电网进行一定程度的直接电气互联，使得第一直流电网和第二直流电网之间传输的部分功率可以无需经过直流/交流/直流变换，而是直接经过第一直流电网和第二直流电网之间的电气互联进行传输。
为实现本发明的上述目的，采用的具体技术方案如下：
一种立体式直流-直流变换器，用于实现两直流电网之间的互联传输，其特征在于，该变换器包括第一换流器、第二换流器和第三换流器，其中，
所述第一换流器的正极与第二直流电网的正极相连接，所述第一换流器的负极与第二换流器的正极相连接，第二换流器的负极与第三换流器的正极相连接，第三换流器的负极与第二直流电网的负极相连接，所述第二换流器的正极同时和第一直流电网的正极相连接，所述第二换流器的负极同时和第一直流电网的负极相连接。
更进一步地，所述第一换流器，第二换流器和第三换流器的交流侧通过变压器支路或相电抗支路在交流侧互联在一起，该交流侧的互联点为交流母线。
更进一步地，所述第一换流器和第三换流器的交流变压器靠近直流侧的端口采用三角形接线方式，以消除第一换流器和第三换流器中性点不平衡问题，所述第二换流器的变压器靠近直流侧的端口以及第一换流器和第三换流器靠近交流母线侧的端口可以采用星形或三角形接线。
更进一步地，所述第一换流器和第三换流器用于控制各自的有功功率而第二换流器用于控制交流公共母线的交流电压，从而实现立体式直流-直流变换器的稳定运行。
更进一步地，所述第一换流器和第三换流器用于控制交流公共母线的交流电压，第二换流器用于控制第一直流电网和第二直流电网之间的互联功率，从而实现立体式直流-直流变换器的稳定运行。
更进一步地，所述第一换流器和第三换流器通过相电抗连接到交流母线，每相相电抗采用三角接线方式以消除该第一换流器，第三换流器中性点不平衡。
更进一步地，所述第一直流电网以及第二直流电网是一个或多个交流系统经过交流/直流变换后在直流侧互联构成的。
更进一步地，所述第一直流电网以及第二直流电网是一个或多个交流系统经过交流/直流变换后与本身即输出直流电的直流系统在直流侧互联而形成的。
更进一步地，所述交流公共母线与外部交流电网还有互联。
更进一步地，所述第一换流器，第二换流器和第三换流器分别连接到不同的交流电网上。
更进一步地，当交流公共母线不再与外部交流电网连接时，所述第一换流器和第三换流器的额定直流电压设计为第二直流电网和第一直流电网额定直流电压之差的1/2，所述第二换流器的额定直流电压与第一直流电网的额定直流电压相等，所述第一换流器和第三换流器的额定功率为0.5*P*(1-E1/E2)，所述第二换流器的额定功率为P*(1-E1/E2)，其中P为第一直流电网和第二直流电网之间的额定交换功率，E1为第一直流电网的额定直流电压（额定正极对负极电压），E2为第二直流电网的额定直流电压（额定正极对负极电压），以上额定直流电压和额定功率为设计参考值，实际使用时在上述参考值的基础上适当增大或减小额定值仍能使直流-直流变换器运行。
更进一步地，当交流公共母线与外部交流电网连接，或者第一换流器，第二换流器和第三换流器分别与不同的交流电网互联时，第二换流器的额定直流电压与第一直流电网额定直流电压相等，第一换流器和第三换流器的额定直流电压为第二直流电网额定直流电压与第一直流电网额定直流电压的差的一半，第一换流器，第二换流器和第三换流器的额定功率可以任意按需要设计，以上额定直流电压为设计参考值，实际使用时在上述参考值的基础上适当增大或减小额定值仍能使直流-直流变换器运行。
更进一步地，所述第一直流电网和第二直流电网可以采用对称双极，对称单极，不对称单极，不对称双极等多种结构。
更进一步地，所述第一换流器和第三换流器采用基于晶闸管的相控换流技术，所述第二换流器仍采用电压源型换流器，采用此种拓扑时，直流功率只能单向第从第一直流电网输送至第二直流电网或单相地从第二直流电网输送至第一直流电网。
更进一步地，本发明还提供了一种优化了直流断路器安装位置的直流-直流变换器，其特征为在第一换流器的负极与第二换流器的正极之间串联一个第一直流断路器，在第二换流器的负极与第三换流器的正极之间串联一个第二直流断路器，直流断路器安装在上述位置后，在第二直流电网发生直流故障时，第一直流电网不会给第二直流电网提供故障电流，第一直流电网发生直流故障时，第一直流断路器和第二直流器会与第一换流器和第三换流器串联在一起后共同承担第二直流电网的电压，从而不至于使第一换流器和第三换流器因为过电压而烧毁。
更进一步地，第一直流断路器和第二直流断路器的额定直流电压设计为第二换流器的额定直流电压的一半，第一直流断路器和第二直流断路器的额定电流设计为P/E1-P/E2，以上设计值为参考值，实际使用时可依此参考值适当增大或减小。
更进一步地，本发明还提供了一种立体式直流-直流变换器在第二直流电网发生直流故障时的保护方法，具体为检测到第二直流电网发生直流故障时，闭锁第一换流器，第二换流器和第三换流器的全控型电力电子器件(或晶闸管)的触发脉冲从而切断第一换流器，第二换流器和第三换流器通过各自的全控型电力电子器件（或晶闸管）给第二直流电网故障点提供直流故障电流的通路，与此同时，开断第一直流断路器和第二直流断路器从而切断第一直流电网通过第一换流器和第三换流器的二极管给第二直流电网故障点提供直流故障电流的通路。
更进一步地，本发明还提供了一种立体式直流-直流变换器在第一直流电网发生直流故障时的保护方法，具体为检测到第一直流电网发生直流故障时，闭锁第一换流器，第二换流器和第三换流器的全控型电力电子器件（或晶闸管）的触发脉冲从而切断第一换流器，第二换流器和第三换流器通过各自的电全控型电力电子器件（或晶闸管）给第一直流电网故障点提供直流故障电流，与此同时，开断第一直流断路器和第二直流断路器从而使得第二直流电网的电压施加在第一换流器，第一直流断路器，第二直流断路器和第三换流器构成的串联回路上，防止第一换流器和第三换流器因单独承担第二直流电网的直流电压而发生过电压，烧毁第一换流器和第三换流器。
总体而言，本发明的变换器相对于现有技术，具有如下技术效果：
（1）无需单独建设传统直流-直流变换器里的与第二直流电网额定直流电压相等的换流器二，而是通过低额定直流电压的第一换流器，第一直流电网和第三换流器串联后，实现换流器二的功能，由于串联了第一直流电网，本发明充分利用了第一直流电网已经存在的直流电压从而降低了第一换流器和第三换流器的额定直流电压，降低了成本。
（2）本发明第一换流器至第三换流器所需要的换流器的容量总和为2P*(1-E1/E2)，而传统直流-直流变换器所用换流器容量总和为2P，即网间联络功率的2倍，本发明所使用的换流器容量总和小于传统直流-直流变换器，本发明可以大大地节省换流器成本。
（3）本发明的变换器所互联的功率只有P*(1-E1/E2)的互联功率需要经过两级交流/直流（或直流/交流）变换，剩余的P*E1/E2的互联功率可以直接经过第一直流电网和第二直流电网之间的电气互联进行传输，而传统直流-直流变换器所有互联的功率P都需要经过两级交流/直流（或直流/交流）变换，为此该变换器的功率损耗低于传统直流-直流变换器的功率损耗，大大降低了运行成本。
（4）本发明中互联交流电路的总的容量为2P*(1-E1/E2)，而传统直流-直流变换器互联交流电路的总容量为2P，为此本发明能大大节省互联交流电路成本。
附图说明
图1是按照本发明一个实施例的立体式直流-直流变换器的原理结构图；
图2是现有技术中直流-直流变换器拓扑示意图；
图3是本发明另一实施例中第一换流器和第三换流器通过三角形连接的相电抗连接至交流公共母线的拓扑示意图；
图4是本发明又一个实施例的交流公共母线连接交流电网的示意图；
图5是本发明再一实施例的第一直流电网由多个交流电网经交流/直流变换后在直流侧互联构成的直流电网；
图6是本发明第五实施例的第一直流电网由多个交流电网经交流/直流变换后在直流侧与直流电网进一步并联构成的直流电网；
图7是本发明第六实施例的第一换流器，第二换流器，第三换流器分别接不通交流电网；
图8是本发明第七实施例的第一换流器，第三换流器采用相控换流器，第二换流器仍采用电压源型换流器，功率只能单向地从第一直流电网流向第二直流电网传输功率；
图9是本发明第八实施例的第一换流器，第三换流器采用相控换流器，第二换流器仍采用电压源型换流器，功率只能单向地从第二直流电网流向第一直流电网传输功率；
图10是本发明第九实施例的第一换流器，第三换流器采用电压源型换流器，第二换流器采用相控换流器，功率只能单向地从第一直流电网流向第二直流电网传输功率；
图11是本发明第十实施例的第一换流器，第三换流器采用不控整流桥，第二换流器采用电压源型换流器；
图12是本发明第十一实施例的第一换流器负极和第二换流器正极之间串联了第一直流断路器，第二换流器负极和第三换流器正极之间串联了第二直流断路器；
图13是在行业内通用仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建的验证本发明技术可行性的仿真算例示意图；
图14是仿真得到的直流功率曲线示意图。
具体实施方式
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施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的立体式直流-直流变换器用于互联两个额定直流电压不同的直流电网，能够解决现有的采用直流/交流/直流变换的传统直流-直流变换器所带来的换流器成本高，损耗大的缺点。
如图1所示，立体式直流-直流变换器由第一换流器1，第二换流器2和第三换流器3，第一换流器1的正极通过直流线路6与第二直流电网9的正极相连接，第一换流器1的负极与第二换流器2的正极相连接，第2换流器2的负极与第三换流器3的正极相连接，第三换流器3的负极通过直流线路6与第二直流电网9的负极相连接，第二换流器2的正极和负极还通过直流线路6分别与第一直流电网8的正极和负极相连接，第一换流器1的交流端通过变压器4与交流公共母校7连接，第二换流器2的交流端通过变压器5与交流公共母线7连接，第三换流器3的交流端通过变压器4与交流公共母线7相连接。本实施例中，换流器可选采用本行业内公知的电压源型换流器以实现功率的双向流动。
在图1所示实施例中，第一直流电网8和第二直流电网9优选都为双极对称的直流系统，为此变压器4采用星形/三角形接线方式以消除第一换流器1和第三换流器3的中性点不平衡问题，变压器5可以采用星形/星形接线或星形/三角形接线的任意接线形式。为了使图1所示的实施例能正常工作，一种优选的控制方式为使第二换流器2控制交流公共母线7的交流电压，第一换流器1和第三换流器3则用于控制各自传输的有功功率。
以下分析第一换流器1，第二换流器2和第三换流器3的额定直流电压与额定功率的设计。记第一直流电网8和第二直流电网9的额定直流电压分别为E1和E2，其中额定直流电压指额定正极对负极电压，E1和E2的量测点见图1，记第一直流电网8输出的直流电流为i1，第二直流电网9输入的直流电流为i2，第一直流电网8与第二直流电网9之间交换的功率为P。根据本领域公知知识，可以求得i1=P/E1,i2=P/E2,进一步求得，第二换流器2的额定功率为E1*(i1-i2)=(1-E1/E2)*P，而第一换流器1和第三换流器3的额定功率为(E2-E1)/2*i2=0.5*P*(1-E1/E2)。三个换流器的总容量为2*(1-E1/E2)*P。通过上述计算第一换流器1，第二换流器2和第三换流器3的额定功率，可以发现三个换流器的总容量始终小于2*P，当E1与E2越接近时，三个换流器的总容量越小。假设第一直流电网8的额定直流电压为±320kV，即E1=640kV，第二直流电网9的额定直流电压为±640kV，即E2=1280kV，可以求得三个换流器的总换流容量等于P，与第一直流电网8和第二直流电网9的额定交换功率相等，而传统的采用直流/交流/直流变换的直流-直流变换器所需要的总的换流容量为2*P，成本大大高于立体式直流-直流变换器。
为了对比本发明与现有技术的不同，图2给出了现有的传统直流-直流变换器拓扑。该传统直流-直流变换器由换流器10和换流器11通过内部交流电路12互联而成，对比图1和图2我们可以得到如下差别：
1）立体式直流-直流变换器的第一直流电网8与第二直流电网9之间有直接的电气互联，即第一直流电网8的正极和负极分别通过通过第一换流器1和第三换流器3与第二直流电网9的正极和负极相连接；而传统直流-直流变换器的第一直流电网8和第二直流电网9之间没有直接的电气互联，在传统直流-直流变换器中，第一直流电网8需要通过换流器10将直流电逆变为交流电，经内部交流电路12传输至换流器11的交流侧，再经由换流器11经过交流/直流变换与第二直流电网9相连接，其中内部交流电路12采用了交流变压器19连接换流器10和换流器11之间的交流电路，通过交流变压器16形成的联接称为磁耦合而非直接电气连接。
2）由于立体式直流-直流变换器采用了上述改进拓扑，立体式直流-直流变换器中第一直流电网8除了通过4，5，7构成的交流电路向第二直流电网9传输功率外，还可以通过第一换流器1和第三换流器3的直接电气连接部分传输功率，为此立体式直流-直流变换器所采用的总的变流器容量小于第一直流电网和第二直流电网之间的互联功率的2倍，而传统直流-直流变换器所需的变流器总容量始终为互联功率的2倍。
图3给出了本发明的另一种实施方式，图3与图1类似，区别在于第一换流器1和第三换流器3不是通过变压器与交流公共母线7连接，而是通过三角形连接的相电抗13和常规相电抗16再与交流公共母线7连接。由于相电抗无法实现交流电压的升压/降压功能，因此图3实施方式要求交流公共母线7的交流电压与第一换流器1和第三换流器3输出的交流电压基本一致，但第二换流器2的输出交流电压幅值并不一定与第一换流器1和第三换流器3输出的交流电压幅值一致，为此图3方案中，第二换流器2仍通过变压器5与公共母线7相连，从而使得第二换流器2的输出交流电压的幅值经变压器5的升压/降压功能后与第一换流器1和第三换流器3的交流电压幅值一致。
图4给出了本发明的又一种实施方式，图4与图1基本类似，区别在于交流公共母线7还与交流电网14相连接。
图5给出了本发明的又一种实施方式，图5与图4基本类似，区别在于图5给出了第一直流电网的一种实现方式，即多个交流电网14经换流器15进行交流/直流变换后，在直流侧互联而成。
图6给出了本发明的又一种实施方式，其中第一直流电网8由多个不同的交流电网14经过换流器15的交流/直流变换后再与直流电网18在直流侧互联而成，第二直流电网9可以采用类似的构成方式。
图7给出了本发明的又一种实施方式，图7中第一换流器1，第二换流器2和第三换流器3的交流侧分别与不同的交流电网14连接。
图8给出了本发明的又一种实施方式，其中第一换流器1和第三换流器3采用相控换流器而非电压源型换流器，这种实施方式中，功率只能通过第一直流电网8向第二直流电网9流动，适用于只需要单向功率交换的两个直流电网的互联，由于相控换流器的额定电压目前远高于电压源型换流器的额定电压，且相同额定功率和相同额定电压的相控换流器成本低于电压源型换流器，为此图8可以通过较低成本将实现将功率从第一直流电网8传输给第二直流电网9，所述相控换流器是一种基于晶闸管的换流器，其技术细节为行业公知技术，不赘述。
图9给出了本发明的又一种实施方式，该实施方式与图8类似，区别在于第一换流器1和第三换流器3的接线方式与图8中第一换流器1和第三换流器3的接线方式相反，图9实施例中功率只能单向第从第二直流电网9向第一直流电网8传输。
图10给出了本发明的又一种实施方式，该实施方式与图8类似，区别在于第一换流器1和第三换流器3采用电压源型换流器而第二换流器2采用相控换流器。
图11给出了本发明的又一种实施方式，其中第二换流器2采用电压源型换流器，第一换流器1和第三换流器3采用不控整流桥，不控整流桥是本行业内公知常识，其技术细节不赘述，该实施方式的优点在于可以大大节省第一换流器1和第三换流器3的成本并提高第一换流器1和第三换流器3的可靠性，缺点在于控制性能较差。
图12给出了本发明的又一种实施方式，其中第一换流器1的负极和第二换流器2的正极之间串联了第一直流断路器20，第二换流器2的负极和第三换流器3的正极之间串联了第二直流断路器25。第一换流器1，第二换流器2和第三换流器3采用半桥型的模块化多电平换流器。半桥型的模块化多电平换流器是本行业公知的一种电压源型换流器，其技术细节不再赘述。关于直流断路器的技术可以参考（JACOBSON″ProactiveHybridHVDCBreakers-AkeyinnovationforreliableHVDCgrids″,CIGRE2011BolognaSymp.,Bologna,Italy,paper264,Sep.2011.）。本发明实施例指出了直流断路器的最佳安装位置，即第一直流断路器20安装在第一换流器1和第二换流器2之间，第二直流断路器25安装在第二换流器2和第3换流器之间。当第二直流电网9发生直流故障时，可以通过闭锁第一换流器1，第二换流器2和第三换流器3的全控型电力电子器件26的触发脉冲从而防止第一换流器1，第二换流器2和第三换流器3通过各自的全控型电力电子器件26给第二直流电网9的故障点提供直流故障电流，与此同时，开断第一直流断路器20和第二直流断路器25从而切断第一直流电网通过第一换流器1和第三换流器3的二极管27给第二直流电网故障点提供直流故障电流的通路。
当第一直流电网8发生直流故障时，可以通过闭锁第一换流器1，第二换流器2和第三换流器3的全控型电力电子器件26的触发脉冲从而防止第一换流器1，第二换流器2和第三换流器3通过各自的全控型电力电子器件26给第一直流电网8的故障点提供直流故障电流，与此同时，开断第一直流断路器20和第二直流断路器25从而使得第二直流电网的电压施加在第一换流器1，第一直流断路器20，第二直流断路器25和第三换流器3构成的串联回路上，防止第一换流器1和第三换流器3因为单独承担第二直流电网9的直流电压而发生过电压，烧毁第一换流器1和第三换流器3。
由以上分析可知，若第一直流断路器20和第二直流断路器25安装在图12所示的位置就可以保证无论是第一直流电网8还是第二直流电网9发生直流故障，立体式直流-直流变换器都不会因为过电压或过电流而损毁。
图12中第一直流断路器20和第二直流断路器25流过的额定电流为i1-i2=(P/E1-P/E2)，为此第一直流断路器20和第二直流断路器25的额定直流电流设计为(P/E1-P/E2)。
当第一直流电网8发生直流故障时，第一换流器1和第三换流器3在各自的全控型电力电子器件闭锁后所能承受的电压为（E2-E1）/2，而第二直流电网9的额定电压为E2，为了保证第一换流器1和第三换流器3在第二直流电网9发生直流故障时不会因为过电压而烧毁，第一直流断路器20和第二直流断路器25的额定电压推荐值为E1/2。
由于第一直流断路器20和第二直流断路器25只需在第二直流电网发生直流故障时具有开断直流故障电流的能力因此第一直流断路器20和第二直流断路器25推荐选择为图12所示的单向断路器从而减小断路器的成本。该单向断路器只需要切断第二直流电网9发生直流故障时，第一直流电网8给第二直流电网9提供的直流故障电流，当第一直流电网8发生直流故障时，通过闭锁第一换流器1和第三换流器3的全控型电力电子器件26的触发脉冲，第一直流断路器20和第二直流断路器25上不会流经故障电流，为此第一直流断路器20和第二直流断路器25无需具备开断方向为从第二直流电网9流向第一直流电网8的故障电流的能力。
若图12中的第一换流器1，第二换流器2或第三换流器3的一个或两个换流器采用相控换流器或不控整流桥，图12的位置配置第一直流断路器20和第二直流断路器25仍可以实现在第二直流电网9发生直流故障时，使得第一换流器1和第三换流器3免于流过过电流而烧毁，在第一直流电网8发生直流故障时，为第二换流器2提供过电压保护。
为了验证本发明的技术可行性，在国际通用电磁暂态仿真软件PSCAD/ETMDC中搭建了图13所示的仿真算例，第一直流电网8的额定直流电压为±320kV，第二直流电网9的额定直流电压为±640kV，两个直流电网之间的互联功率为2000MW。图14为对应的仿真结果。0.2～0.7秒时，第二直流电网9向第一直流电网8输送的功率从0MW上升到2000MW，1.0秒时发生功率反转，由第一直流电网8向第二直流电网9输送2000MW功率。图14表明本发明能实现两个互联直流电网的功率传输。图13还表明，第一换流器1（VSC1），第二换流器2（VSC2）和第三换流器3（VSC3）稳态时传输的有功功率的绝对值分别为499.7MW，999.5MW和499.7MW。为此三个换流器的功率总和约为2000MW，与互联功率相等，而传统直流-直流变换器则需要总共4000MW的换流器。
本发明中第一换流器1，第二换流器2和第三换流器3优选采用电压源型换流器以实现功率的双向流动，电压源型换流器是本领域的公知知识，可以有两电平换流器，三电平换流器，模块化多电平换流器等多种拓扑结构。
本发明的用于连接两个不同额定直流电压的直流电网的直流-直流变换器相比于传统的直流-直流变换器，优势在于：
（1）所需要的总的换流器容量小于2倍的互联功率，而传统的直流-直流变换器所需要的总的换流容量为互联功率的2倍，为此本发明相比于现有技术，能大大地减小所需要的换流器的容量。
（2）按照国际大电网会议组织公布的数据，每1GW的换流器的成本为1.1亿欧元，以互联典型的±320kV直流电网和±640kV直流电网为例，每互联1GW的直流功率，立体式直流-直流变换器相比于传统直流-直流变换器能节省1GW的变流器容量，而未来中国范围以及世界范围内需要互联的直流电网容量高达数百GW，为此本发明的经济性相比于传统的直流-直流变换器是相当明显的。
（3）由于本发明所采用的总的换流器容量少于传统直流-直流变换器所采用换流器容量，本发明也能节省所采用的交流变压器，相电抗等的容量。
以上所述仅为本领域的技术人员容易理解的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。

Claims (40)

1.一种立体式直流-直流变换器，用于实现两直流电网(8，9)之间的互联传输，其特征在于，该变换器包括第一换流器(1)、第二换流器(2)和第三换流器(3)，其中，
所述第一换流器(1)的正极与第二直流电网(9)的正极相连接，所述第一换流器(1)的负极与第二换流器(2)的正极相连接，第二换流器(2)的负极与第三换流器(3)的正极相连接，第三换流器(3)的负极与第二直流电网(9)的负极相连接，所述第二换流器(2)的正极同时和第一直流电网(8)的正极相连接，所述第二换流器(2)的负极同时和第一直流电网(8)的负极相连接；
其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)的交流侧通过变压器支路与交流电网连接，所述第二换流器(2)通过变压器支路或相电抗支路与交流电网连接，或者所述第一换流器(1)和第三换流器(3)的交流侧均通过相电抗支路与交流电网连接，而第二换流器(2)通过变压器支路与交流电网连接。
2.根据权利要求1所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)、第二换流器(2)和第三换流器(3)的交流侧通过一公共的交流母线(7)互联在一起，或各自分别连接到不同的交流电网上。
3.根据权利要求1或2所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)的变压器支路(4，5)上的交流变压器靠近直流侧的端口采用三角形接线方式，以消除第一换流器(1)和第三换流器(3)中性点不平衡问，所述第二换流器(2)的变压器支路(4，5)上的变压器靠近直流侧的端口以及第一换流器(1)和第三换流器(3)靠近交流侧的端口采用星形或三角形接线。
4.根据权利要求1或2所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)的相电抗支路(13，16)上的每相相电抗采用三角接线方式以消除该第一换流器(1)和第三换流器(3)中性点不平衡。
5.根据权利要求3所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)的相电抗支路(13，16)上的每相相电抗采用三角接线方式以消除该第一换流器(1)和第三换流器(3)中性点不平衡。
6.根据权利要求1、2和5中任一项所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)，第二换流器(2)和第三换流器(3)采用电压源型换流器、相控换流器或不控整流桥。
7.根据权利要求3所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)，第二换流器(2)和第三换流器(3)采用电压源型换流器、相控换流器或不控整流桥。
8.根据权利要求4所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)，第二换流器(2)和第三换流器(3)采用电压源型换流器、相控换流器或不控整流桥。
9.根据权利要求1、2、5、7和8中任一项所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)采用基于晶闸管的相控换流器，使得功率只能在两直流电网(8，9)之间单向流动，实现单向功率交换的两个直流电网的互联。
10.根据权利要求3所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)采用基于晶闸管的相控换流器，使得功率只能在两直流电网(8，9)之间单向流动，实现单向功率交换的两个直流电网的互联。
11.根据权利要求4所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)采用基于晶闸管的相控换流器，使得功率只能在两直流电网(8，9)之间单向流动，实现单向功率交换的两个直流电网的互联。
12.根据权利要求6所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)采用基于晶闸管的相控换流器，使得功率只能在两直流电网(8，9)之间单向流动，实现单向功率交换的两个直流电网的互联。
13.根据权利要求1、2、5、7-8和10-12中任一项所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)的负极和第二换流器(2)的正极之间串联了第一直流断路器(20)，第二换流器(2)的负极和第三换流器(3)的正极之间串联了第二直流断路器(25)，可以保证所述在第一直流电网(8)和/或第二直流电网(9)发生直流故障时，立体式直流-直流变换器不会因为过电压或过电流而损毁。
14.根据权利要求3所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)的负极和第二换流器(2)的正极之间串联了第一直流断路器(20)，第二换流器(2)的负极和第三换流器(3)的正极之间串联了第二直流断路器(25)，可以保证所述在第一直流电网(8)和/或第二直流电网(9)发生直流故障时，立体式直流-直流变换器不会因为过电压或过电流而损毁。
15.根据权利要求4所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)的负极和第二换流器(2)的正极之间串联了第一直流断路器(20)，第二换流器(2)的负极和第三换流器(3)的正极之间串联了第二直流断路器(25)，可以保证所述在第一直流电网(8)和/或第二直流电网(9)发生直流故障时，立体式直流-直流变换器不会因为过电压或过电流而损毁。
16.根据权利要求6所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)的负极和第二换流器(2)的正极之间串联了第一直流断路器(20)，第二换流器(2)的负极和第三换流器(3)的正极之间串联了第二直流断路器(25)，可以保证所述在第一直流电网(8)和/或第二直流电网(9)发生直流故障时，立体式直流-直流变换器不会因为过电压或过电流而损毁。
17.根据权利要求9所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)的负极和第二换流器(2)的正极之间串联了第一直流断路器(20)，第二换流器(2)的负极和第三换流器(3)的正极之间串联了第二直流断路器(25)，可以保证所述在第一直流电网(8)和/或第二直流电网(9)发生直流故障时，立体式直流-直流变换器不会因为过电压或过电流而损毁。
18.根据权利要求13所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，通过闭锁第一换流器(1)，第二换流器(2)和第三换流器(3)的全控型电力电子器件或晶闸管的触发脉冲以切断第一换流器(1)，第二换流器(2)和第三换流器(3)通过各自的全控型电力电子器件(26)或晶闸管给第二直流电网(9)故障点提供直流故障电流的通路，同时开断所述第一直流断路器(20)和第二直流断路器(25)以切断第一直流电网(8)通过第一换流器(1)和第三换流器(3)的二极管给第二直流电网(9)故障点提供直流故障电流的通路，从而实现在第二直流电网(9)发生直流故障时对变换器的保护。
19.根据权利要求14-17中任一项所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，通过闭锁第一换流器(1)，第二换流器(2)和第三换流器(3)的全控型电力电子器件或晶闸管的触发脉冲以切断第一换流器(1)，第二换流器(2)和第三换流器(3)通过各自的全控型电力电子器件(26)或晶闸管给第二直流电网(9)故障点提供直流故障电流的通路，同时开断所述第一直流断路器(20)和第二直流断路器(25)以切断第一直流电网(8)通过第一换流器(1)和第三换流器(3)的二极管给第二直流电网(9)故障点提供直流故障电流的通路，从而实现在第二直流电网(9)发生直流故障时对变换器的保护。
20.根据权利要求13所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，通过闭锁所述第一换流器(1)、第二换流器(2)和第三换流器(3)的全控型电力电子器件(26)或晶闸管的触发脉冲从而切断该第一换流器(1)、第二换流器(2)和第三换流器(3)通过各自的电全控型电力电子器件(26)或晶闸管给第一直流电网(8)故障点提供直流故障电流，同时，开断第一直流断路器(20)和第二直流断路器(25)从而使得第二直流电网(9)的电压施加在第一换流器(1)、第一直流断路器(20)、第二直流断路器(25)和第三换流器(3)构成的串联回路上，防止第一换流器(1)和第三换流器(3)因单独承担第二直流电网(9)的直流电压而发生过电压，烧毁第一换流器(1)和第三换流器(3)，实现在第一直流电网(8)发生直流故障时对变换器的保护。
21.根据权利要求14-18中任一项所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，通过闭锁所述第一换流器(1)、第二换流器(2)和第三换流器(3)的全控型电力电子器件(26)或晶闸管的触发脉冲从而切断该第一换流器(1)、第二换流器(2)和第三换流器(3)通过各自的电全控型电力电子器件(26)或晶闸管给第一直流电网(8)故障点提供直流故障电流，同时，开断第一直流断路器(20)和第二直流断路器(25)从而使得第二直流电网(9)的电压施加在第一换流器(1)、第一直流断路器(20)、第二直流断路器(25)和第三换流器(3)构成的串联回路上，防止第一换流器(1)和第三换流器(3)因单独承担第二直流电网(9)的直流电压而发生过电压，烧毁第一换流器(1)和第三换流器(3)，实现在第一直流电网(8)发生直流故障时对变换器的保护。
22.根据权利要求19所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，通过闭锁所述第一换流器(1)、第二换流器(2)和第三换流器(3)的全控型电力电子器件(26)或晶闸管的触发脉冲从而切断该第一换流器(1)、第二换流器(2)和第三换流器(3)通过各自的电全控型电力电子器件(26)或晶闸管给第一直流电网(8)故障点提供直流故障电流，同时，开断第一直流断路器(20)和第二直流断路器(25)从而使得第二直流电网(9)的电压施加在第一换流器(1)、第一直流断路器(20)、第二直流断路器(25)和第三换流器(3)构成的串联回路上，防止第一换流器(1)和第三换流器(3)因单独承担第二直流电网(9)的直流电压而发生过电压，烧毁第一换流器(1)和第三换流器(3)，实现在第一直流电网(8)发生直流故障时对变换器的保护。
23.根据权利要求13所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一直流断路器(20)和第二直流断路器(25)的额定直流电压为第二换流器(2)的额定直流电压的一半，第一直流断路器(20)和第二直流断路器(25)的额定电流为P/E1-P/E2，其中P为第一直流电网(8)和第二直流电网(9)之间的额定交换功率，E1为第一直流电网(8)的额定直流电压，E2为第二直流电网(9)的额定直流电压。
24.根据权利要求14-18、20和22中任一项所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一直流断路器(20)和第二直流断路器(25)的额定直流电压为第二换流器(2)的额定直流电压的一半，第一直流断路器(20)和第二直流断路器(25)的额定电流为P/E1-P/E2，其中P为第一直流电网(8)和第二直流电网(9)之间的额定交换功率，E1为第一直流电网(8)的额定直流电压，E2为第二直流电网(9)的额定直流电压。
25.根据权利要求19所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一直流断路器(20)和第二直流断路器(25)的额定直流电压为第二换流器(2)的额定直流电压的一半，第一直流断路器(20)和第二直流断路器(25)的额定电流为P/E1-P/E2，其中P为第一直流电网(8)和第二直流电网(9)之间的额定交换功率，E1为第一直流电网(8)的额定直流电压，E2为第二直流电网(9)的额定直流电压。
26.根据权利要求21所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一直流断路器(20)和第二直流断路器(25)的额定直流电压为第二换流器(2)的额定直流电压的一半，第一直流断路器(20)和第二直流断路器(25)的额定电流为P/E1-P/E2，其中P为第一直流电网(8)和第二直流电网(9)之间的额定交换功率，E1为第一直流电网(8)的额定直流电压，E2为第二直流电网(9)的额定直流电压。
27.根据权利要求1、2、5、7、8、10-12、14-18、20、22-23和25-26中任一项所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)用于控制各自的有功功率而第二换流器(2)用于控制与其连接的交流电网的交流电压，从而实现立体式直流-直流变换器的稳定运行。
28.根据权利要求3所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)用于控制各自的有功功率而第二换流器(2)用于控制与其连接的交流电网的交流电压，从而实现立体式直流-直流变换器的稳定运行。
29.根据权利要求4所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)用于控制各自的有功功率而第二换流器(2)用于控制与其连接的交流电网的交流电压，从而实现立体式直流-直流变换器的稳定运行。
30.根据权利要求6所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)用于控制各自的有功功率而第二换流器(2)用于控制与其连接的交流电网的交流电压，从而实现立体式直流-直流变换器的稳定运行。
31.根据权利要求9所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)用于控制各自的有功功率而第二换流器(2)用于控制与其连接的交流电网的交流电压，从而实现立体式直流-直流变换器的稳定运行。
32.根据权利要求13所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)用于控制各自的有功功率而第二换流器(2)用于控制与其连接的交流电网的交流电压，从而实现立体式直流-直流变换器的稳定运行。
33.根据权利要求19所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)用于控制各自的有功功率而第二换流器(2)用于控制与其连接的交流电网的交流电压，从而实现立体式直流-直流变换器的稳定运行。
34.根据权利要求21所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)用于控制各自的有功功率而第二换流器(2)用于控制与其连接的交流电网的交流电压，从而实现立体式直流-直流变换器的稳定运行。
35.根据权利要求1、2、5、7、8、10-12、14-18、20、22-23和25-26中任一项所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)用于控制与其连接的交流电网的交流电压，第二换流器(2)用于控制第一直流电网(8)和第二直流电网(9)之间的互联功率，从而实现立体式直流-直流变换器的稳定运行。
36.根据权利要求1、2、5、7、8、10-12、14-18、20、22-23和25-26中任一项所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一直流电网(8)和/或第二直流电网(9)是一个或多个交流系统经过交流/直流变换后在直流侧互联构成。
37.根据权利要求1、2、5、7、8、10-12、14-18、20、22-23和25-26中任一项所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一直流电网(8)和/或第二直流电网(9)是一个或多个交流系统经过交流/直流变换后与本身即输出直流电的直流系统在直流侧互联而形成的。
38.根据权利要求1、2、5、7、8、10-12、14-18、20、22-23和25-26中任一项所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一直流电网或第二直流电网可以采用对称双极，对称单极，不对称单极或不对称双极结构。
39.根据权利要求1、2、5、7、8、10-12、14-18、20、22-23和25-26中任一项所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)的额定直流电压为第二直流电网(9)和第一直流电网(8)额定直流电压之差的1/2，所述第二换流器(2)的额定直流电压与第一直流电网(8)的额定直流电压相等。
40.根据权利要求1、2、5、7、8、10-12、14-18、20、22-23和25-26中任一项所述的一种立体式直流-直流变换器，其中，所述第一换流器(1)和第三换流器(3)的额定功率为0.5*P*(1-E1/E2)，所述第二换流器(2)的额定功率为P*(1-E1/E2)，其中P为第一直流电网(8)和第二直流电网(9)之间的额定交换功率，E1为第一直流电网(8)的额定直流电压，E2为第二直流电网(9)的额定直流电压。
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