CN103887788B - 一种多端口直流-直流自耦变压器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多端口直流-直流自耦变压器，用于实现多个电压等级不同的直流系统之间的互联传输，该自耦变压器包括2N-1个换流器，该2N-1个换流器在直流侧依次串联连接，并在交流侧连接到交流线路，且所述依次串联的所述2N-1个换流器中的第i个换流器的正极和第2N-i换流器的负极分别与第i个直流系统的正负极对应连接；其中，N为直流系统的个数，i为换流器的序号。本发明还公开了上述自耦变压器中换流器的容量设计方法以及上述自耦变压器的控制方法。本发明可以使得各直流系统之间传输的大部分功率可以无需经过直流-交流-直流变换，而是直接经过各直流系统之间的电气互联进行传输，大大降低各换流器的额定电压和运行损耗，从而降低运行成本。

Description

一种多端口直流-直流自耦变压器及其应用

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，适用于互联多个电压等级不同的直流系统。

背景技术

随着越来越多的风力发电，太阳能发电等新能源发电接入电网以及直流输电技术的发展，将多条直流输电线路互联构成多端直流输电系统以及直流系统从而解决大规模新能源发电的接入问题成为工业界广泛关注的技术方案。为了形成直流系统，各个区域直流系统的互联是一个亟待解决的问题。由于各个区域直流系统功能不同，所采用的技术不同，所建设的年代不同，各个区域直流系统的额定直流电压不会完全一致。为了互联多个（大于等于3个）不同额定直流电压的直流系统，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，互联多个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。

一种互联多个不同电压等级直流系统的方案是利用多个两端口直流-直流变换器将不同电压等级的直流系统两两互联在一起。但这种方案需要较多的两端口直流-直流变换器，成本高，损耗大。另一种方案是采用多端口直流-直流变换器技术。

现有技术中存在一种采用电感-电容-电感(LCL)电路的多端口直流-直流变换技术，该方案中，每个直流系统直流侧与各自的换流器直流侧连接在一起，每个换流器的交流侧经电感-电容(LC)电路连接到交流公共母线上。该方案中，每个LC电路的电感和电容的取值经过特殊设计从而能确保不同电压等级的直流系统不需要变压器也能直接互联在一起。

SixifoFalcones等人的“Adc-dcmultiport-converter-basedsolid-statetransformerintegratingdistributedgenerationandstorage”(IEEETransactionsonPowerElectronics,2013,28(5),2192～2203)披露了一种采用多端口高频变压器的多端口直流-直流变换技术，其技术细节为每个直流系统经电压源型换流器在交流侧与多端口交流变压器的某个端口连接在一起，多端口交流变压器用于匹配各电压源型换流器的不同输出交流电压从而达到互联不同电压等级直流系统的目的。

上述采用LCL电路的多端口直流-直流变换技术以及采用多端口高频变压器的多端口直流-直流变换技术的一个显著共同点是各互联的直流系统直流侧没有直接的互联，为此多端口直流-直流变换技术没有充分利用各个直流系统已经存在的直流电压，所有传输的功率都要经过直流-交流-直流变换，所需要的换流器总容量为互联容量的两倍，带来换流器成本高，交流链路成本高，运行损耗大的缺陷。

本申请的发明人在先申请的发明专利CN201410024869.X中提出了一种立体式直流-直流变换器技术，该技术通过将三个换流器串联，能充分利用低电压直流系统已经存在的直流电压从而可以极大地降低所使用的总的换流器，降低交流链路成本，降低运行损耗，

但201410024869X中的方案只能连接两个电压等级不同的直流系统，其并没有提出相应的方案以连接3个及3个以上的电压等级不同的直流系统，也没有指明如何设计含3个以上换流器的立体式直流-直流变换器中各个换流器的额定电压和额定功率。

发明内容

为了改进上述传统多端口直流-直流变换器存在的缺点，降低多端口直流-直流变换器总的变流容量从而降低成本，降低损耗，本提供了一种多端口直流-直流自耦变压器，其充分利用了各直流系统已经存在的直流电压，在直流侧对各直流系统进行一定程度的直接电气互联，使得各直流系统之间传输的大部分功率可以无需经过直流-交流-直流变换，而是直接经过各直流系统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：

一种多端口直流-直流自耦变压器，用于实现N个直流系统之间的互联传输(N≥3)，其特征在于，该直流-直流自耦变压器由2N-1个换流器在直流侧依次串联，在交流侧并联连接到一点，其中，

所述第1换流器的负极与第2换流器的正极相连接，第2换流器的负极与第3换流器的正极相连接，依次类推，第j换流器的正极与第j-1换流器的负极相连接，第j换流器的负极与第j+1换流器的正极相连接，第2N-1换流器的正极与第2N-2换流器的负极相连接，j为介于2和2N-2之间的任意正整数；

完成上述各换流器的直流侧依次串联后，第1换流器的正极和第2N-1换流器的负极分别与第1直流系统的正负极对应连接，第1换流器的正极和第2N-2换流器的负极分别与第2直流系统的正负极对应连接，依次类推，第i换流器的正极和第2N-i换流器的负极分别与第i直流系统的正负极对应连接，第N换流器的正负极分别和第N直流系统的正负极对应连接；

完成上述各换流器的直流侧与各直流系统对应连接后，各换流器的交流侧经过一定的交流链路连接在一公共点，本发明记此交流公共点为公共交流母线。

更进一步地，当交流链路采用交流变压器时，所述第1换流器～第N-1换流器以及第N+1换流器至第2N-1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，以消除这些换流器的中性点不平衡问题，所述第N换流器的变压器靠近直流侧的端口以及所有换流器靠近公共交流母线侧可以采用星形或三角形接线。

更进一步地，所述第1～第N-1换流器以及第N+1～第2N-1换流器的交流变压器靠近公共交流母线侧的端口采用三角形接线方式，以消除这些换流器的中性点不平衡问题，所述第N换流器的变压器靠近交流公共母线侧的端口以及所有2N-1个换流器靠近直侧的端口可以采用星形或三角形接线。

更进一步地，所述2N-1个换流器中至少一个换流器用于控制交流公共母线的交流电压而其他换流器则用于控制各自的有功功率，从而实现多端口直流-直流自耦变压器的稳定运行。

更进一步地，所述第1～第N-1换流器以及第N+1～第2N-1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这些换流器的中性点不平衡。

更进一步地，所述任意第1直流系统～第N直流系统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，所述任意第1直流系统～第N直流系统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，所述任意第1换流器～第2N-1换流器的交流侧不与公共交流母线连接，而是可以连接到相同或不同的交流电网上。

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1换流器和第2N-1换流器的额定直流电压设计为(E₁-E₂)/2，第2换流器和第2N-2换流器的额定直流电压设计为(E₂-E₃)/2，依次类推，第i换流器和第2N-i换流器的额定直流电压设计为(E_i-E_i+1)/2，第N换流器的额定直流电压为E_N，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多端口直流-直流自耦变压器运行，所述E₁～E_N分别为第1直流系统～第N直流系统的额定直流电压，且E₁>E₂>…>E_N，所述的额定直流电压为高电压直流端口对低电压直流端口的额定电压。

更进一步地，所述第1直流系统～第N直流系统的任意一个可以采用对称双极，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1换流器～第2N-1换流器优选为电压源型换流器，从而使得第1直流系统～第N直流系统的任意一个都可以双向地与多端口直流-直流自耦变压器交换功率。

更进一步地，所述第1换流器～第2N-1换流器的一个或任意一个可以采用基于晶闸管的相控换流器或者不控整流桥。

更进一步地，本发明还提供了一种多端口直流-直流自耦变压器各换流器额定容量的设计方法，具体为记第2直流系统～第N直流系统向多端口直流-直流自耦变压器输出的功率为P₂～P_N，根据功率守恒原理，第1直流系统吸收的有功功率为(P₂+…+P_N),进一步可以计算得第2直流系统～第N直流系统输出的直流电流为P₂/E₂～P_N/E_N，第1直流系统的输入电流为(P₂+…+P_N)/E₁，根据基尔霍夫电流定律以及前述多端口直流-直流自耦变压器的拓扑，可以计算得到从第1换流器流出的直流电流为

$i_{\mathrm{VSC}1}=\frac{P_2+...+P_N}{E_1}---\left(1\right)$

从第2换流器流出的直流电流为:

$i_{\mathrm{VSC}2}=\frac{P_2+...+P_N}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}---\left(2\right)$

从第3换流器流出的直流电流为:

$i_{\mathrm{VSC}3}=\frac{P_2+...+P_N}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}-\frac{P_3}{E_3}---\left(3\right)$

依次类推，从第i换流器流出的直流电流为

$i_{\mathrm{VSCi}}=\frac{P_2+...+P_N}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}-\frac{P_3}{E_3}-...-\frac{P_i}{E_i}---\left(4\right)$

从第N换流器流出的直流电流为

$i_{\mathrm{VSCN}}=\frac{P_2+...+P_N}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}-\frac{P_3}{E_3}-...-\frac{P_N}{E_N}---\left(5\right)$

根据功率守恒，可以求得第1换流器的整流功率为

$P_{\mathrm{VSC}1}=\frac{P_2+...+P_N}{E_1}*\frac{E_1-E_2}{2}---\left(6\right)$

第2换流器的整流功率为:

$P_{\mathrm{VSC}2}=(\frac{P_2+...+P_N}{E_1}-\frac{P_2}{E_2})*\frac{E_2-E_3}{2}---\left(7\right)$

第3换流器的整流功率为:

$P_{\mathrm{VSC}3}=(\frac{P_2+...+P_N}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}-\frac{P_3}{E_3})*\frac{E_3-E_4}{2}---\left(8\right)$

依次类推，第i换流器的整流功率为

$P_{\mathrm{VSCi}}=(\frac{P_2+...+P_N}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}-...-\frac{P_i}{E_i})*\frac{E_i-E_{i+1}}{2}---\left(9\right)$

第N换流器的整流功率为

$P_{\mathrm{VSCN}}=(\frac{P_2+...+P_N}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}-...-\frac{P_N}{E_N})*E_N---\left(10\right)$

上述公式(6)-(10)满足以下条件

$\begin{array}{c}-P_{2\max }\≤P_2\≤P_{2\max }\\ .\\ .\\ .\\ -P_{N\max }\≤P_N\≤P_{N\max }\end{array}---\left(11\right)$

-P_1max≤(P₂+P₃+…+P_N)≤P_1max(12)

式(11)～(12)中，P_1max～P_Nmax分别表示第1直流系统～第N直流系统的最大输出/输入功率，将式(11)和(12)代入式(6)可以求得第1换流器的最大功率为

$P_{\mathrm{VSC}1,\max }=\frac{P_{1\max }}{E_1}*\frac{E_1-E_2}{2}---\left(13\right)$

第2换流器～第N换流器的最大有功功率无法得到通用表达式，而是需要根据各具体的P_1max～P_Nmax以及E₁～E_N，结合公式(11)和(12)，求得每个换流器的最大功率，所求取的功率将作为各个换流器的额定功率，其中第2N-1个换流器的额定功率与第1个换流器的额定功率相同，第2N-2个换流器额定功率与第2个换流器功率相同，依次类推，第2N-i个换流器的额定功率与第i个换流器额定功率相同，以上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功率仍能使多端口直流-直流自耦变压器运行

更进一步地，本发明还提供了一种多端口直流-直流自耦变压器的控制方法，具体为，至少1个换流器用于控制公共交流的交流电压，其他换流器则用于控制与有功功率相关的量，如直流功率或直流电压。

更进一步地，根据多端口直流-直流自耦变压器的容量大小，多端口直流-直流自耦变压器内部的交流链路可以采用单相交流电路，两相交流电路，三相交流电路或多相交流电路。

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）通过多个换流器将不同电压等级的直流系统串联联接在一起，充分利用了各互联直流系统已经存在的直流电压，大大降低了各换流器的额定电压从而降低了成本。

（2）本发明所使用的换流器容量总和大大小于传统的多端口直流-直流变换器，本发明可以大大地节省换流器成本。

（3）本发明各直流系统间互联的功率大部分会经过各直流系统之间的直接电气联系进行传输，大大减少了需要经过直流-交流-直流两级变换的功率，从而大大降低了运行损耗从而大大降低了运行成本，而传统多端口直流-直流变换器所有互联功率都需要经过两级直流-交流-直流变换，运行损耗高。

（4）本发明各互联直流系统只有一部分互联功率需要经过直流-交流-直流两级变换从而可以大大降低交流链路成本，而传统多端口直流-直流变换器所有互联功率都需要经过直流-交流-直流两级变换，相应交流链路容量为互联功率的2倍。

附图说明

图1是按照本发明一个实施例的三端口直流-直流自耦变压器的原理结构图；

图2是按照本发明一个实施例的四端口直流-直流自耦变压器的原理结构图；

图3是按照本发明一个实施例的四端口直流-直流自耦变压器各换流器额定容量设计示意图；

图4是现有技术中的采用LCL电路的多端口直流-直流变换示意图；

图5是现有技术中的采用多端口高频变压器的直流-直流变换示意图；

图6是按照本发明一个实施例的N端口直流-直流自耦变压器的原理结构图；

图7是各直流系统为不对称单极直流系统的四端口直流-直流自耦变压器原理结构图；

图8是本发明中部分换流器采用基于晶闸管的相控换流器的一个实施例的结构示意图；

图9是本发明中部分换流器采用基于晶闸管的相控换流器的另一个实施例的结构示意图；

图10是本发明中部分换流器交流侧与外部交流系统互联的实施例的的结构示意图；

图11是本发明的直流系统的一种实现方式的实施例的结构示意图；

图12是本发明的直流系统的又一种实现方式的实施例的结构示意图；

图13是本发明实施例的交流电压控制原理图；

图14是本发明实施例的直流功率控制原理图；

图15是本发明一个四端口直流-直流自耦变压器的各直流系统输出直流功率仿真曲线图；

图16是本发明一个四端口直流-直流自耦变压器的各换流器输出交流功率仿真曲线图；

图17是本发明一个四端口直流-直流自耦变压器的各直流系统输出直流功率绝对值之和和各换流器输出交流功率绝对值之和的仿真曲线图。

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多端口直流-直流自耦变压器用于用于互联大于等于3个额定直流电压不同的直流系统，能够解决现有的采用全功率直流-交流-直流变换的传统多端口直流-直流变换器所带来的换流器成本高，损耗大的缺点。

图1所示为一个三端口直流-直流自耦变压器(N=3)，其主要由5个换流器依次在直流侧串联而成(2N-1=5)，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的负极与第四换流器4的正极相连接，第四换流器4的负极与第五换流器5的正极相连接，同时第1换流器的正极和第5换流器的负极分别和第1直流系统的正负极对应连接，第2换流器的正极和第4换流器的负极分别和第2直流系统的正负极对应连接，第3换流器的正负极分别和第3直流系统的正负极对应连接，完成上述直流侧的串联后，第一换流器1～第五换流器5的交流侧通过一定的交流链路20(例如交流变压器，相电抗器，电感-电容-电感电路等)连接到公共交流母线10，在本实施例中，换流器优选为本行业内公知的电压源型换流器以使得每个直流系统能与多端口直流-直流自耦变压器进行双向功率传输。

图2所示为一个四端口直流-直流自耦变压器(N=4)，其主要由7个换流器依次在直流侧串联而成(2N-1=7)，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的负极与第四换流器4的正极相连接，第四换流器4的负极与第五换流器5的正极相连接，第五换流器5的负极与第六换流器6的正极相连接，第六换流器6的负极与第七换流器7的正极相连接，同时第1换流器的正极和第7换流器的负极分别和第1直流系统的正负极对应连接，第2换流器的正极和第6换流器的负极分别和第2直流系统的正负极对应连接，第3换流器的正极和第5换流器的负极分别和第3直流系统的正负极对应连接，第4换流器的正负极分别和第4直流系统的正负极对应连接，完成上述直流侧的串联后，第一换流器1～第七换流器7的交流侧通过一定的交流链路20(交流变压器，相电抗器等)连接到公共交流母线10。

图2中，为了消除第一换流器1～第三换流器3以及第五换流器5～第七换流器7的中性点不平衡问题，与第一换流器1～第三换流器3及第五换流器5～第七换流器7连接的变压器靠近直流侧可以采用三角接线的方式。

图3为对图2的四端口直流-直流自耦变压器的潮流分析示意图，为简化绘图，第一换流器1～第七换流器7以方框内填相应数字表示。通过分析图2和图3可以得出第一换流器1和第七换流器7的额定电压为(E₁-E₂)/2,第二换流器2和第六换流器6的额定电压可以取为(E₂-E₃)/2，第三换流器3和第五换流器5的额定直流电压可以取为(E₃-E₄)/2，第四换流器4的额定直流电压可以取为E₄，上述额定直流电压只是各换流器额定电压设计的参考值，实际运行时可适当增大或减小，多端口直流-直流自耦变压器仍能运行。

记图3中第四直流系统14，第三直流系统13和第二直流系统12输出的直流功率分别为P₄，P₃，P₂，根据功率平衡原则，可知第一直流系统11输入的直流功率为(P₄+P₃+P₂)。由此可以计算得第四直流系统14～第二直流系统12输出的直流电流分别为P₄/E₄，P₃/E₃和P₂/E₂，而输入到第一直流系统11的直流电流则为(P₄+P₃+P₂)/E₁。根据基尔霍夫电流定律，可以求得流经第一换流器1～第四换流器4的输出的直流电流分别为：

$i_{\mathrm{VSC}1}=\frac{P_4+P_3+P_2}{E_1}---\left(31\right)$

$i_{\mathrm{VSC}2}=\frac{P_4+P_3+P_2}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}---\left(32\right)$

$i_{\mathrm{VSC}3}=\frac{P_4+P_3+P_2}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}-\frac{P_3}{E_3}---\left(33\right)$

$i_{\mathrm{VSC}4}=\frac{P_4+P_3+P_2}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}-\frac{P_3}{E_3}-\frac{P_4}{E_4}---\left(34\right)$

由此可以求得第一换流器1～第四换流器4的整流功率分别为：

$P_{\mathrm{VSC}1}=i_{\mathrm{VSC}1}\frac{E_1-E_2}{2}=\frac{E_1-E_2}{{2E}_1}(P_4+P_3+P_2)---\left(35\right)$

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{VSC}2}=\frac{E_2-E_3}{2}{i}_{\mathrm{VSC}2}=\frac{E_2-E_3}{2}(\frac{P_4+P_3+P_2}{E_1}-\frac{P_2}{E_2})\\ =\frac{E_2-E_3}{{2E}_1}{P}_4+\frac{E_2-E_3}{{2E}_1}{P}_3-(\frac{E_2-E_3}{{2E}_2}-\frac{E_2-E_3}{{2E}_1})P_2\end{array}---\left(36\right)$

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{VSC}3}=\frac{E_3-E_4}{2}{i}_{\mathrm{VSC}3}=\frac{E_3-E_4}{2}(\frac{P_4+P_3+P_2}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}-\frac{P_3}{E_3})\\ =\frac{E_3-E_4}{{2E}_1}{P}_4-(\frac{E_3-E_4}{{2E}_2}-\frac{E_3-E_4}{{2E}_1})P_3-(\frac{E_3-E_4}{{2E}_3}-\frac{E_3-E_4}{{2E}_1})P_2\end{array}---\left(37\right)$

$\begin{array}{c}-P_{\mathrm{VSC}4}=-E_4{i}_{\mathrm{VSC}4}=-E_4(\frac{P_4+P_3+P_2}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}-\frac{P_3}{E_3}-\frac{P_4}{E_4})\\ =(1-\frac{E_4}{E_1})P_4+(\frac{E_4}{E_3}-\frac{E_4}{E_1})P_3+(\frac{E_4}{E_2}-\frac{E_4}{E_1})P_2\end{array}---\left(38\right)$

式(35)～(38)需满足以下条件

-P_4max≤P₄≤P_4max

-P_3max≤P₃≤P_3max(39)

-P_2max≤P₂≤P_2max

-P_1max≤(P₄+P₃+P₂)≤P_1max(40)

式(39)～(40)中，P_4max～P_1max分别表示第四直流系统14～第一直流系统11的最大输出/输入直流功率，也即第四直流系统14～第一直流系统11的额定输出/输入直流功率的绝对值。

例如一个具体实施例中，第四直流系统14～第一直流系统11的额定直流电压分别为±250kV，±320kV，±400kV，±500kV，也即E₄～E₁的值分别为500，640，800，1000，将此实施例下E₄～E1的值代入(35)～(38)可得：

P_VSC1＝0.1*(P₄+P₃+P₁)(41)

P_VSC2＝0.08(P₄+P₃)-0.02P₂(42)

P_VSC3＝0.07P₄-0.039375P₃-0.0175P₂(43)

-P_VSC4＝0.5P₄+0.28125P₃+0.125P₂(44)

一个具体实施例(各直流系统额定直流电压和额定直流功率列于表1中)中P_4max=700MW，P_3max=1000MW，P_2max=1300MW，P_1max=2000MW，将此条件代入式(41)～(44)并考虑式(39)～式(40)的约束可以求得。P_VSC1在P₄+P₃+P₂=P_1max=2000时取得最大值200MW，P_VSC2在P₄=700，P₃=1000，P₂=-1300时取得最大值162MW，P_VSC3在P₄=700，P₃=-1000，P₂=-1300时取得最大值111.125MW，P_VC4在P₄=700，P₃=1000，P₂=300时取得最大值668.75MW。为此第一换流器1及第七换流器7的额定功率可以设计为200MW，第二换流器2及第六换流器6的额定功率可设计为162MW，第三换流器3及第五换流器5的额定功率可设计为111.125MW，第四换流器4的额定功率可设计为668.75MW，该实施例所采用的总的换流器容量为200*2+162*2+111.125*2+668.75=1615MW。该实施例各换流器的额定直流电压和额定容量统计与表2中。

表1某实施例中各直流系统额定直流电压和额定直流功率绝对值

表2某实施例中各换流器的额定直流电压和额定功率

为了对比本发明所提的多端口直流-直流自耦变压器与现有的多端口直流-直流变换器的区别，图4给出了DraganJovcic等人的“MultiporthighpowerLCLDChubforuseinDCTransmissionGrids”（IEEETransactionsonPowerDelivery,2014）提出的一种基于LCL电路的多端口直流-直流变换技术，图5给出了SixifoFalcones等人的“Adc-dcmultiport-converter-basedsolid-statetransformerintegratingdistributedgenerationandstorage”(IEEETransactionsonPowerElectronics,2013,28(5),2192～2203)所提及的基于多端口高频变压器的多端口直流-直流变换技术。无论是图4还是图5的方案，所有互联的功率都需要经过直流-交流-直流变换，为此对于上述四端口实施例，如果采用图4或者图5的方案，所需要的总的换流器容量为700+1000+1300+2000=5000MW，远远高于本发明方案中所需要的1615MW，本发明所需要的总的换流器容量仅为现有技术的32.3%。按国际大电网会议当前估算的每1000MW电压源型换流器成本1.1亿欧元(成本估算参考MohsenTaherbaneh等“DCfaultperformanceandcostanalysisofdcgridsforconnectingmultipleoffshorewindfarms”（2013IEEEGrenoblePowerTech，1-6）)的估计，对于一个5000MW的四端口直流-直流变换器，采用常规技术，换流器的成本为5.5亿欧元，而采用四端口直流-直流自耦变压器技术，换流器的成本仅为1.78亿欧元，节省的费用高达3.72亿欧元。

图6给出了N端口直流-直流自耦变压器的拓扑示意图，N端口直流-直流自耦变压器由2N-1个换流器在直流侧依次串联，在交流侧并联连接到一点构成，所述第1换流器的负极与第2换流器的正极相连接，第2换流器的负极与第3换流器的正极相连接，依次类推，第j换流器的正极与第j-1换流器的负极相连接，第j换流器的负极与第j+1换流器的正极相连接，第2N-1换流器的正极与第2N-2换流器的负极相连接，j为介于2和2N-2之间的任意正整数；完成上述各换流器的直流侧依次串联后，第1换流器的正极和第2N-1换流器的负极分别与第1直流系统的正负极对应连接，第1换流器的正极和第2N-2换流器的负极分别与第2直流系统的正负极对应连接，依次类推，第i换流器的正极和第2N-i换流器的负极分别与第i直流系统的正负极对应连接，第N换流器的正负极分别和第N直流系统的正负极对应连接；完成上述各换流器的直流侧与各直流系统对应连接后，各换流器的交流侧经过一定的交流链路连接在一公共点，本发明记此交流公共点为公共交流母线。

为了使多端口直流-直流自耦变能稳定运行，一种可行的控制策略是指定一个或多个换流器控制公共交流母线的交流电压而其他换流器用于控制各自所连接的直流系统所传输的有功功率。

图7是连接四个不对称单极直流系统的四端口直流-直流自耦变压器，包括四个换流器，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的负极与第四换流器4的正极相连接，同时第一换流器1的正极经直流线路30与第一直流系统11的正极相连接，第二换流器2的正极经直流线路30与第二直流系统12的正极相连接，第三换流器3的正极经直流线路30与第三直流系统13的正极相连接，第四换流器4的正极经直流线路30与第四直流系统14的正极相连接，第一直流系统1～第四直流系统4的负极各自经直流线路30连接于第四换流器4的负极，并进一步连接至地31，所述直流线路30可以包括输电线，电缆以及相应的直流电感等，此为行业内公知技术。

图8是第一换流器1和第七换流器7采用相控换流器并且该相控换流器工作在整流状态的四端口直流-直流自耦变压器实施例，该实施例与图2的实施例基本一致，区别仅在于因为第一换流器1和第七换流器7采用相控整流器使得第一直流系统1只能从该直流-直流自耦变压器吸收直流功率，第一直流系统1与直流-直流自耦变压器只能实现单向的功率传输。

图9是第一换流器1和第七换流器7采用相控换流器并且该相控换流器工作在逆变状态的四端口直流-直流自耦变压器实施例，该实施例与图2的实施例基本一致，区别仅在于因为第一换流器1和第七换流器7采用相控逆变器使得第一直流系统1只能输出直流功率至直流-直流自耦变压器,第一直流系统1与直流-直流自耦变压器只能实现单向的功率传输。

本申请中，各换流器的交流端不是必须连在一个公共点上。图10是部分换流器的交流侧不与公共交流母线连接而是与其他交流系统连接的一个实施例，图10实施例与图2实施例基本一致，区别在于第二换流器2和第六换流器6的交流侧不与公共交流母线10相连接而是与交流系统40相连接，本发明实际实施时可以是一个或多个换流器的交流侧与一个或多个外部交流系统40相连接。

图11是本发明所述直流系统的一种实现方式，由多个交流系统40经换流器41通过交流-直流变换后，在直流侧通过直流线路30并联连接在一起。

图12是本发明所述直流系统的又一种实现方式，由多个交流系统40经换流器41通过交流-直流变换后，与本身即输出直流的直流系统42在直流侧通过直流线路30并联连接在一起。

图13所示为公共交流母线电压控制框图，图中U_dref，U_qref分别为母线电压的dq轴指令值，单位为标幺，U_dpu，U_qpu分别为dq轴电压实测值，I_dref，I_qref为dq轴电流指令值，并且规定输出方向为电流正方向，L_pu为交流链路的电感标幺值，M_d，M_q为dq轴调制比，VCO为压控晶振，用于给换流器的触发控制提供参考角度，f为交流链路的运行频率。

图14所示为直流有功功率控制框图，P_dcpu及P_dcref分别为直流功率标幺值及直流功率参考值，u为公共交流母线电压瞬时值，PLL为锁相环。

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中搭建了四端口直流-直流自耦变压器的仿真算例，该实施例中各直流系统的额定电压和额定直流功率列于表1中，各换流器的额定电压和额定功率列于表2中。图15～图17为对应的仿真结果。其中图15从上到下依次第四直流系统～第一直流系统输出的有功功率。0.1秒～0.5秒，第四～第二直流系统的输出直流功率指令值分别从0上升到700MW，1000MW以及-1300MW，而第一直流系统则用于平衡整个多端口直流-直流自耦变压器的有功功率。从图15可以看出，各直流系统输出的有功功率可以受控制地达到预期的指令值。1.5秒～1.9秒，第三直流系统的输出功率指令值从1000MW下降为-1000MW而第四，第二直流系统的直流功率指令值仍维持不变。从图15的1.5秒后的曲线可以看出，第三直流系统输出的直流功率可以受控地将降至-1000MW(即第三直流系统从输出1000MW直流功率变为从直流-直流自耦变压器吸收1000MW直流功率)，第四直流系统和第二直流系统输出的有功功率略有波动，但仍维持在其指令值附近不变，为了平衡整个多端口直流-直流自耦变压器的直流功率，第一直流系统在1.5秒后输出的直流功率从-370MW左右变为约1650MW。

图16给出了第一～第七换流器输出的交流功率，由于本实施例中第四直流系统～第一直流系统都为对称双极直流系统，因此第一换流器和第七换流器输出的交流功率相等，第二换流器和第六换流器输出的交流功率相等，第三换流器和第五换流器输出的交流功率相等。当第四～第二直流系统输出的直流功率分别为700MW，1000MW和-1300MW时，按照公式(31)～公式(38)的分析方法，可以求得第一换流器～第四换流器输出的交流功率理论值分别为-40MW，-162MW，-32.375MW及468.75MW，图16曲线0.5秒～1.5秒期间各换流器输出的交流功率与上述理论值对应。

图17为各直流系统输出/输入直流功率绝对值之和以及各换流器输出/输入交流功率之和，换流器功率之和远远小于实际传输的直流功率之和，本发明可以大大地减少所使用换流器的容量和减少所使用交流链路的容量从而大大地降低投资成本，减少需要经过直流-交流-直流两级交-直变换的功率从而大大地降低运行损耗，减少运行成本。

本发明中第1～第2N-1换流器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。

本发明的用于连接多个不同额定直流电压的直流系统的直流-直流变换器相比于传统的多端口直流-直流变换器，优势在于：

（1）所需要的总的换流器容量仅为各互联直流系统输入/输出直流功率绝对值的和的30%左右，而传统的多端口直流-直流变换器所需要的总的换流容量为各互联直流系统输入/输出直流功率绝对值和的100%左右，为此本发明相比于现有技术，节省约70%的换流器成本。

（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，以一个5GW的四端口直流-直流变换器为例，本发明能节省约3.85亿欧元的成本，而未来中国范围以及世界范围内需要互联的直流系统容量高达数百GW，为此本发明的经济性相比于传统的多端口直流-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。

（4）由于本发明中各互联电网之间可以通过直接的电气连接传输大部分有功功率，本发明仅需要约30%的互联功率需要经过两级直流-交流-直流变换，而传统的多端口直流-直流变换技术100%的互联功率需要经过直流-交流-直流变换，为此本发明能极大地降低运行损耗从而降低运行成本。

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 (19)

1.一种多端口直流-直流自耦变压器，用于实现三个以上的直流系统之间的互联传输，其特征在于，

该自耦变压器包括2N-1个换流器，该2N-1个换流器在直流侧依次串联连接，并在交流侧通过交流链路连接到交流线路；

且所述依次串联的所述2N-1个换流器中的任意第i个换流器的正极和第2N-i个换流器的负极分别与对应的第i个直流系统的正负极对应连接；

其中，N为直流系统的个数，N≥3，i为取不大于N的自然数。

2.根据权利要求1所述的一种多端口直流-直流自耦变压器，其中，依次串联的所述2N-1个换流器通过交流变压器连接到交流线路，位于串联链路中间的第N个换流器外的其他2N-2个换流器的交流变压器的靠近直流侧的端口采用三角形接线方式，以消除这些换流器的中性点不平衡问题，所述第N个换流器的交流变压器靠近直流侧的端口以及所有换流器的交流变压器靠近交流线路侧的端口采用星形或三角形接线。

3.根据权利要求1所述的一种多端口直流-直流自耦变压器，其中，依次串联的所述2N-1个换流器通过交流变压器连接到交流线路，位于串联链路中间的第N个换流器外的其他2N-2个换流器的交流变压器的靠近交流线路侧的端口采用三角形接线方式，以消除这些换流器的中性点不平衡问题，所述第N个换流器的交流变压器靠近交流线路侧的端口以及所有2N-1个换流器的交流变压器靠近直侧的端口采用星形或三角形接线。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种多端口直流-直流自耦变压器，其中，所述2N-1个换流器中至少一个换流器用于控制交流线路的交流电压而其他换流器则用于控制各自的有功功率，从而实现多端口直流-直流自耦变压器的稳定运行。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种多端口直流-直流自耦变压器，其中，所述直流系统中的任一个由一个或多个交流系统经过交流-直流变换后在直流侧并联构成的；或者由一个或多个交流系统经过交流-直流变换后与输出直流电的直流系统在直流侧并联而形成的。

6.根据权利要求4所述的一种多端口直流-直流自耦变压器，其中，所述直流系统中的任一个由一个或多个交流系统经过交流-直流变换后在直流侧并联构成的；或者由一个或多个交流系统经过交流-直流变换后与输出直流电的直流系统在直流侧并联而形成的。

7.根据权利要求1-3和6中任一项所述的一种多端口直流-直流自耦变压器，其中，所述交流线路的一部分或全部可以与一个或多个外部交流电网互联。

8.根据权利要求1-3和6中任一项所述的一种多端口直流-直流自耦变压器，其中，所述交流线路为交流公共母线，各换流器的交流侧通过交流链路连接到该公共母线。

9.根据权利要求1-3和6中任一项所述的一种多端口直流-直流自耦变压器，其中，所述交流线路包括交流公共母线和外部交流系统，其中，部分换流器的交流侧与公共交流母线连接，部分换流器的交流侧连接到所述外部交流系统上，从而使得所述各换流器连接到相同或不同的交流电网上。

10.根据权利要求4所述的一种多端口直流-直流自耦变压器，其中，所述交流线路包括交流公共母线和外部交流系统，其中，部分换流器的交流侧与公共交流母线连接，部分换流器的交流侧连接到所述外部交流系统上，从而使得所述各换流器连接到相同或不同的交流电网上。

11.根据权利要求5所述的一种多端口直流-直流自耦变压器，其中，所述交流线路包括交流公共母线和外部交流系统，其中，部分换流器的交流侧与公共交流母线连接，部分换流器的交流侧连接到所述外部交流系统上，从而使得所述各换流器连接到相同或不同的交流电网上。

12.根据权利要求1-3、6、10和11中任一项所述的一种多端口直流-直流自耦变压器，其中，各所述换流器采用对称双极，对称单极，不对称单极或不对称双极结构。

13.根据权利要求1-3、6、10和11中任一项所述的一种多端口直流-直流自耦变压器，其中，所述换流器为电压源型换流器，从而使得任一直流系统能够双向地与多端口直流-直流自耦变压器交换功率，或采用基于晶闸管的相控换流器，或采用不控整流桥。

14.根据权利要求1-3、6、10和11中任一项所述的一种多端口直流-直流自耦变压器其中，所述交流链路采用单相，两相，三相或多相交流电路。

15.根据权利要求1-3、6、10和11中任一项所述的一种多端口直流-直流自耦变压器，其中，第i个换流器及第2N-i个换流器的额定直流电压取为(E_i-E_i+1)/2，第N个换流器的额定直流电压取为E_N，其中其中E_i、E_i+1、E_N分别为第i个、第i+1个和第N个直流系统的额定直流电压。

16.权利要求1-15中任一项所述的一种多端口直流-直流自耦变压器的各换流器额定容量的设计方法，其特征在于，包括：

(1)确定第i个换流器流出的直流电流i_VSCi：

$i_{VSCi}=\frac{P_2+...+P_N}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}-\frac{P_3}{E_3}-...-\frac{P_i}{E_i}$

式中，P_i为第i个直流系统向自耦变压器输出的功率，E_i为第i个直流系统的额定直流电压；

(2)确定第i个换流器的整流功率P_VSCi：

$P_{VSCi}=(\frac{P_2+...+P_N}{E_1}-\frac{P_2}{E_2}-...-\frac{P_i}{E_i})*\frac{E_i-E_{i+1}}{2}$

其中，

-P_imax≤P_i≤P_imax

-P_1max≤(P₂+P₃+…+P_N)≤P_1max

P_imax表示第i个直流系统的最大输出/输入功率，E_i为第i个直流系统的额定直流电压，i为取不大于N的自然数，N为直流系统的个数，N≥3；

(3)根据上述直流电流和整流功率求得每个换流器的最大功率，即作为各个换流器的额定功率。

17.根据权利要求16所述的一种多端口直流-直流自耦变压器的各换流器额定容量的设计方法，其中，依次串联的所述2N-1个换流器中位于串联链路中对称位置的两换流器的额定功率相等。

18.权利要求1-15中任一项所述的一种多端口直流-直流自耦变压器的控制方法，其特征在于，其中的至少一个换流器用于控制公共交流的交流电压，其他换流器用于控制与有功功率相关的量。

19.根据权利要求18所述的一种多端口直流-直流自耦变压器的控制方法，其特征在于，所述有功功率相关的量为直流功率和/或直流电压。