CN104022499A - 一种多端口背靠背直流-直流变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多端口背靠背直流-直流变换器，所述变换器包括直流系统、换流器、交流变压器、交流断路器和公共交流母线；所述换流器一侧通过直流线路连接所述直流系统，另一侧依次通过所述交流变压器和交流断路器连接所述公共交流母线。本发明提供的多端口背靠背直流-直流变换器，通过两级直流-交流-直流变换互联多条电压等级相同或不同的直流线路并通过合理的控制达到直流故障分区隔离，节省变压器成本，提高直流-直流变换器的安全性，提高整个直流电网的运行安全稳定性。
Description
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种多端口背靠背直流-直流变换器。
背景技术
随着风力发电和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电网随即出现的大规模新能源发电的接入问题成为工业界广泛关注的新的技术问题。诸如为了形成直流电网，各个区域直流系统的互联是一个亟待解决的问题。
一种形成直流电网的直观的设想是用直流断路器将多条直流线路连接在一起。这样的方案需要解决两个技术难题：1)如何实现电压等级不同的直流线路的互联；2)应对直流故障乏力，即在直流电网任何一点发生直流故障将波及整个直流电网时，如何确保直流电网可靠性不随之下降。
Dragan Jovcic等人发表了名为“Multiport high power LCL DC Hub for Use in DCTransmission Grids”(IEEE Transactions on Power Delivery，2014,29(2)，760～768)文章，其中披露了一种采用电感-电容-电感(LCL)电路的多端口直流-直流变换的技术方案，该方案中，将每个直流系统直流侧与各自的换流器直流侧连接在一起，经电感-电容(LC)电路把每个换流器的交流侧与公共交流母线连接。该方案中，经过特殊设计使每个LC电路的电感和电容的取值确保在不同电压等级的直流系统中不需要变压器也能直接互联在一起。由于该方案电感取值较大，任何一点发生直流故障时，该直流故障不会传播到非故障直流线路，即该方案具有隔离直流故障的功能。但该方案主要应用于海上输电系统，要求内部的LCL电路运行于数百～数千赫兹以减小内部LCL电路的重量和占地面积进而减小该方案的海上平台成本，但高频运行会使得该方案的损耗增大，并且该方案采用LC电路互联不同输出电压的换流器，LC电路没有电气隔离功能，即使在每个端口使用了具备阻断直流故障电流功能的换流器仍需通过开断每个端口交流侧的交流断路器才能隔离直流故障，对于故障率较高的长距离架空输电线路而言，该LCL方案将延缓直流故障清除后，系统的重合闸时间，从而延缓系统恢复供电的时间，带来相应的系统稳定性问题，因此该方案应用于内陆电网竞争力不强。
Sixifo Falcones等人发表的名为“A dc-dc multiport-converter-based solid-state transformerintegrating distributed generation and storage”(IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(5)，2192～2203)的现有技术中，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，其中，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。该方案存在的一个问题是扩展不方便，若有新的端口接入到该多端口直流-直流变换器中，需要停运整个多端口直流-直流变换器，改造内部的多端口交流变压器，而停运整个多端口直流-直流变换器在一个大规模直流电网里是不可接受的，会导致严重的功率缺失从而带来稳定性问题。同时，该方案也不具备隔离直流故障的能力。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种多端口背靠背直流-直流变换器，通过两级直流-交流-直流变换互联多条电压等级相同或不同的直流线路并通过合理的控制达到直流故障分区隔离，节省变压器成本，提高直流-直流变换器的安全性，提高整个直流电网的运行安全稳定性。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
提供一种多端口背靠背直流-直流变换器，所述变换器包括直流系统、换流器、交流变压器、交流断路器和公共交流母线；所述换流器一侧通过直流线路连接所述直流系统，另一侧依次通过所述交流变压器和交流断路器连接所述公共交流母线。
所述直流系统包括第一直流系统、第二直流系统、第三直流系统和第四直流系统。
所述换流器包括第一换流器、第二换流器、第三换流器和第四换流器。
所述第一直流系统、第二直流系统、第三直流系统和第四直流系统分别通过直流线路为第一换流器、第二换流器、第三换流器和第四换流器提供直流电压，通过所述第一换流器、第二换流器、第三换流器和第四换流器将直流电压转换为交流电压，再通过所述交流变压器将该交流电压转换为低电压等级的交流电压，该低电压等级的交流电压经过所述交流断路器连接公共交流母线。
所述第一换流器、第二换流器、第三换流器和第四换流器均可采用VSC换流器或LCC换流器。
所述VSC换流器包括3个桥臂，每个桥臂上均设有由可关断器件及其相应的反并联二极管构成的IGBT阀，直流侧中性点为假想参考电点。
所述交流变压器连接在交流断路器与换流器之间，仅在直流电压与公共交流母线电压不匹配时使用，其每个端口均通过交流断路器连接到公共交流母线；
当某个IGBT阀的输出电压等级与交流公共母线电压等级不匹配时，交流变压器被用于提升该端口的输出电压；交流公共母线的额定电压取电压等级最高的VSC额定输出交流电压的0.95；公共交流母线运行在50Hz/60Hz的电网频率。
任一新增端口可通过交流断路器带电的连接到在运行的变换器上。
所述变换器中任一端口的直流侧发生直流故障或所述换流器的交流侧发生故障时，通过跳开故障端口的交流断路器即可实现故障端口的隔离。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)通过传统的交流变压器匹配而不是高频变压器去匹配不同的电压等级，由于多端口背靠背直流-直流变换器的交流侧运行频率接近工频，该变换器的损耗低从而节省运行成本；
(2)所提出的公共交流母线电压选取方法可以节省一个或多个交流变压器从而节省变压器成本；
(3)所提出的各端口触发控制参考角统一给定的方法相比于常规的经过锁相环锁相给定参考角的方法可以减小直流-直流变换器内部的交流频率在任一端口发生直流故障的偏移程度，从而提高直流-直流变换器的安全性；
(4)本发明所提出的电压端口电流限幅方法可以确保任一端口发生直流故障时，故障端口及电压端口不发生严重的过电流从而保护各端口的器件；
(5)本发明所提出的电压端口电流指令值重新计算的方法可以减小故障时电压端口和故障端口的故障电流从而确保电压端口和故障端口的电力电子器件在端口发生直流故障时不被烧毁，带来经济损失；
(6)本发明所提出的利用多端口背靠背直流-直流变换器对直流电网进行故障分区隔离的方法可以提高整个直流电网的运行安全稳定性；
(7)本发明所提出的多端口背靠背直流-直流变换器扩展方便，可以方便地将新增直流线路连接到带电的多端口背靠背直流-直流变换器上。
附图说明
图1是本发明实施例中四端口背靠背直流-直流变换器结构示意图；
图2是本发明实施例中四端口背靠背直流-直流变换器中端口3发生直流故障时，四个端口的直流电压曲线图；
图3是本发明实施例中四端口背靠背直流-直流变换器中端口3发生直流故障时，端口1交流电流示意图；
图4是本发明实施例中四端口背靠背直流-直流变换器中端口3发生直流故障时，端口2交流电流示意图；
图5是本发明实施例中四端口背靠背直流-直流变换器中端口3发生直流故障时，端口3交流电流示意图；
图6是本发明实施例中四端口背靠背直流-直流变换器中端口3发生直流故障时，端口4交流电流示意图；
图7是本发明实施例1中四端口背靠背直流-直流变换器示意图；
图8是本发明实施例2中五端口背靠背直流-直流变换器示意图；
图9是本发明实施例3中四端口背靠背直流-直流变换器示意图；
图10是本发明实施例中多端口背靠背直流-直流变换器电压端口控制原理框图；
图11是本发明实施例中多端口背靠背直流-直流变换器功率端口控制原理框图；
图12是本发明实施例中多端口背靠背直流-直流变换器电流指令值限幅模块原理框图；
图13是本发明实施例中发生直流故障时电压端口电流指令值计算框图；
图14是本发明实施例中多端口背靠背直流-直流变换器中统一给定参考角与用锁相环给定参考角内部交流链路频率对比示意图；
图15是本发明实施例中多端口背靠背直流-直流变换器只在直角坐标下对电压端口电流限幅后，端口3在1.0s发生直流故障时，端口4的交流电流示意图；
图16是本发明实施例中多端口背靠背直流-直流变换器的电压端口电流指令值在极坐标下限幅后，端口3在1.0s发生直流故障时，端口4的交流电流示意图；
图17是本发明实施例中多端口背靠背直流-直流变换器的电压端口电流指令值重分配后端口3在1.0s发生直流故障时，端口4的交流电流示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图7所示的四端口背靠背直流-直流变换器包括第一直流系统21、第二直流系统22、第三直流系统23、第四直流系统24、第一换流器1、第二换流器2、第三换流器3、第四换流器4、交流变压器11、交流断路器13、相电抗12和公共交流母线10；
为不失一般性，记各直流系统的直流电压排序为E1<E2<E3<E4；
第一换流器1一侧通过直流线路20连接第一直流系统21，另一侧依次通过交流变压器11和交流断路器13连接公共交流母线10，形成支路1；
第二换流器2一侧通过直流线路20连接第二直流系统22，另一侧依次通过交流变压器11和交流断路器13连接公共交流母线10，形成支路2；
第三换流器3一侧通过直流线路20连接第一直流系统23，另一侧依次通过交流变压器11和交流断路器13连接公共交流母线10，形成支路3；
第四换流器4一侧通过直流线路20连接第四直流系统24，另一侧依次通过相电抗12和交流断路器13连接公共交流母线10，形成支路4；
第一换流器1、第二换流器2、第三换流器3和第四换流器4均为VSC换流器；
第一直流系统21、第二直流系统22、第三直流系统23、第四直流系统24分别为第一换流器1、第二换流器2、第三换流器3、第四换流器4提供直流电压，通过第一换流器1、第二换流器2、第三换流器3、第四换流器4将直流电压转换为交流电压，再通过交流变压器11将支路1、支路2和支路3上的交流电压转换为低电压等级的交流电压，由于第四直流系统24提供的直流电压的电压等级与公共交流母线的电压等级相匹配，所以第四换流器4通过相电抗12和交流断路器13直接连接公共交流母线10。
下面将以图7所示的四端口背靠背为测试系统进行进一步的阐述以方便理解本发明，测试系统的参数列于如下表1中，公共交流母线的线电压额定值优选取为560kV。
表1
| 端口编号 | 端口1 | 端口2 | 端口3 | 端口4 |
| 额定电压(kV) | ±250 | ±320 | ±400 | ±500 |
| 额定功率(MW) | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| 故障前注入到公共交流母线的功率(MW) | 1000 | 1000 | -1000 | -1000 |
| 控制模式 | 功率端口 | 功率端口 | 功率端口 | 电压端口 |
实施例2
如图8所示的五端口背靠背直流-直流变换器包括第一直流系统21、第二直流系统22、第三直流系统23、第四直流系统24、第五直流系统25、第一换流器1、第二换流器2、第三换流器3、第四换流器4、第五换流器5、交流变压器11、交流断路器13、相电抗12和公共交流母线10；
记各直流系统的直流电压排序为E1<E2<E3<E4＝E5；
第一换流器1一侧通过直流线路20连接第一直流系统21，另一侧依次通过交流变压器11和交流断路器13连接公共交流母线10，形成支路1；
第二换流器2一侧通过直流线路20连接第二直流系统22，另一侧依次通过交流变压器11和交流断路器13连接公共交流母线10，形成支路2；
第三换流器3一侧通过直流线路20连接第一直流系统23，另一侧依次通过交流变压器11和交流断路器13连接公共交流母线10，形成支路3；
第四换流器4一侧通过直流线路20连接第四直流系统24，另一侧依次通过相电抗12和交流断路器13连接公共交流母线10，形成支路4；
第五换流器5一侧通过直流线路20连接第五直流系统25，另一侧依次通过相电抗12和交流断路器13连接公共交流母线10，形成支路5；
第一换流器1、第二换流器2、第三换流器3、第四换流器4和第五换流器5均为VSC换流器；
第一直流系统21、第二直流系统22、第三直流系统23、第四直流系统24和第五直流系统25分别为第一换流器1、第二换流器2、第三换流器3、第四换流器4和第五换流器5提供直流电压，通过第一换流器1、第二换流器2、第三换流器3、第四换流器4和第五换流器5将直流电压转换为交流电压，再通过交流变压器11将支路1、支路2和支路3上的交流电压转换为低电压等级的交流电压，由于第四直流系统24和第五直流系统25的提供的直流电压的电压等级与公共交流母线的电压等级相匹配，所以第四换流器4和第五换流器5均通过相电抗12和交流断路器13直接连接公共交流母线10。
实施例3
如图9所示的四端口背靠背直流-直流变换器包括第一直流系统21、第二直流系统22、第三直流系统23、第四直流系统24、第一换流器1、第二换流器2、第三换流器3、第四换流器4、交流变压器11、交流断路器13、相电抗12和公共交流母线10；
实施例3中记各直流系统的直流电压排序为E1<E2<E3<E4；
第一换流器1一侧通过直流线路20连接第一直流系统21，另一侧依次通过交流变压器11和交流断路器13连接公共交流母线10，形成支路1；
第二换流器2一侧通过直流线路20连接第二直流系统22，另一侧依次通过交流变压器11和交流断路器13连接公共交流母线10，形成支路2；
第三换流器3一侧通过直流线路20连接第一直流系统23，另一侧依次通过交流变压器11和交流断路器13连接公共交流母线10，形成支路3；
第四换流器4一侧通过直流线路20连接第四直流系统24，另一侧依次通过相电抗12和交流断路器13连接公共交流母线10，形成支路4；
第一换流器1、第二换流器2和第四换流器4均为VSC换流器；第三换流器为LCC换流器，通过LCC换流器提高支路3连接公共交流母线10的端口3的电压；
第一直流系统21、第二直流系统22、第三直流系统23、第四直流系统24分别为第一换流器1、第二换流器2、第三换流器3、第四换流器4提供直流电压，通过第一换流器1、第二换流器2、第三换流器3、第四换流器4将直流电压转换为交流电压，再通过交流变压器11将支路1、支路2和支路3上的交流电压转换为低电压等级的交流电压，由于第四直流系统24提供的直流电压的电压等级与公共交流母线的电压等级相匹配，所以第四换流器4通过相电抗12和交流断路器13直接连接公共交流母线10。
实施例1-3所述变流器的工作原理、效果如下：
图10为公共交流母线电压控制框图，Udref和Uqref分别为d轴和q轴电压指令值，Idref和Iqref分别为d轴和q轴电流指令值，Udpu和Uqpu分别为d轴和q轴电压实测值，Idpu和Iqpu分别为d轴和q轴电流实测值，以上8个量的单位都为标幺，PI代表调节器，通常为比例-积分调节器，Lpu为输出交流链路的电感标幺值，Md和Mq分别为d轴和q轴调制信号，θ为各端口换流器触发逻辑参考角，各换流器优选可以采用统一的参考角，θ与时间的关系为θ＝2πft，f为交流侧的运行频率，同时本发明各端口进行dq变换所用的参考坐标系也优选为统一的坐标系。
图11功率端口控制框图，Pdcref和Pdcpu分别为直流功率的指令值和实测值，单位为标幺。如前述，功率端口的触发参考角θ与电压端口的触发参考角θ取同一路信号。需要指出的是，图11错误！未找到引用源。只是功率端口控制框图示例，实际运行时，功率端口也可以用于控制直流电压，直流电流等与有功功率相关的物理量。
图12是在极坐标下的电流指令限幅器，以电压端口为例，电压端口的外环控制器31得到直角坐标下的输出后经直角坐标/极坐标变换33后得到指令值的模值和相角，指令值模值经限幅器34被限幅为0～Ilim后再经极坐标-直角坐标变换35后得到限幅后的直角坐标下电流指令值，其中Ilim为电流指令模值的限幅值，典型值取1.3标幺。
端口3发生直流故障时，电压端口电流指令值重新计算的方法示意。正常运行时，电压端口的电流指令值Idref，Iqref为外环控制器31的输出，根据表1所列的故障前各端口注入到交流母线的功率，当端口3发生故障时，电压端口(端口4)应保持其电流指令值不变从而使得流经故障端口3的故障电流值最小。因此图13所示的方法中，发生直流故障时，Flt信号变为1，采样/保持模块36对外环控制器31的输出进行采样，使电压端口的电流指令值维持为故障发生前的值。
图2-图6为对表1所示的四端口背靠背直流-直流变换器的仿真结果。1.0秒时，端口3直流侧发生极对极永久性直流故障。图2为四个端口的直流电压曲线，可以看出其他非故障端口的直流电压并不受故障端口的影响。图3-图6分别为端口1～端口4输出的交流电流，可以看出所有非故障端口的电流瞬时值在2倍额定值以内，非故障端口在任一其他端口发生直流故障时可以保持运行状态，不需要闭锁各非故障端口的触发脉冲，从而使得在外部直流故障被切除后整个输电系统可以快速恢复供电。
图14为表1所示测试系统在电压端口发生直流故障时，利用统一给定参考角给功率端口提供参考角度以及每个功率端口通过锁相环得到参考角度时的交流侧频率，可知采用锁相环给定角度，交流侧存在稳定的频率偏移而采用统一给定角度，交流侧频率经短暂波动后可以恢复至额定值附近，统一给定参考角的方法优于通过锁相环给定参考角。
图15-图17分别是端口3发生正极对负极直流故障时，只在直角坐标下对电压端口指令值进行限幅，采用本发明提出的在极坐标对电流指令值限幅以及发生直流故障后根据故障前潮流方向重新计算故障时电压端口电流指令值的电流曲线。可知，本发明所提出的在极坐标下对电流指令值限幅以及根据故障前潮流方向重新计算电压端口电流指令值的方法所得到的故障电流远小于常规方法。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多端口背靠背直流-直流变换器，其特征在于：所述变换器包括直流系统、换流器、交流变压器、交流断路器和公共交流母线；所述换流器一侧通过直流线路连接所述直流系统，另一侧依次通过所述交流变压器和交流断路器连接所述公共交流母线。
2.根据权利要求1所述的多端口背靠背直流-直流变换器，其特征在于：所述直流系统包括第一直流系统、第二直流系统、第三直流系统和第四直流系统。
3.根据权利要求1所述的多端口背靠背直流-直流变换器，其特征在于：所述换流器包括第一换流器、第二换流器、第三换流器和第四换流器。
4.根据权利要求2或3所述的多端口背靠背直流-直流变换器，其特征在于：所述第一直流系统、第二直流系统、第三直流系统和第四直流系统分别通过直流线路为第一换流器、第二换流器、第三换流器和第四换流器提供直流电压，通过所述第一换流器、第二换流器、第三换流器和第四换流器将直流电压转换为交流电压，再通过所述交流变压器将该交流电压转换为低电压等级的交流电压，该低电压等级的交流电压经过所述交流断路器连接公共交流母线。
5.根据权利要求4所述的多端口背靠背直流-直流变换器，其特征在于：所述第一换流器、第二换流器、第三换流器和第四换流器均可采用VSC换流器或LCC换流器。
6.根据权利要求5所述的多端口背靠背直流-直流变换器，其特征在于：所述VSC换流器包括3个桥臂，每个桥臂上均设有由可关断器件及其相应的反并联二极管构成的IGBT阀，直流侧中性点为假想参考电点。
7.根据权利要求1所述的多端口背靠背直流-直流变换器，其特征在于：所述交流变压器连接在交流断路器与换流器之间，仅在直流电压与公共交流母线电压不匹配时使用，其每个端口均通过交流断路器连接到公共交流母线；
当某个IGBT阀的输出电压等级与交流公共母线电压等级不匹配时，交流变压器被用于提升该端口的输出电压；交流公共母线的额定电压取电压等级最高的VSC额定输出交流电压的0.95；公共交流母线运行在50Hz/60Hz的电网频率。
8.根据权利要求1所述的多端口背靠背直流-直流变换器，其特征在于：任一新增端口可通过交流断路器带电的连接到在运行的变换器上。
9.根据权利要求6所述的多端口背靠背直流-直流变换器，其特征在于：所述变换器中任一端口的直流侧发生直流故障或所述换流器的交流侧发生故障时，通过跳开故障端口的交流断路器即可实现故障端口的隔离。
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