CN104734205A - 一种基于dc/ac变换器的直流变压控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DC/AC变换器的直流变压控制器，所述直流变压控制器由两个DC/AC变换器构成，其中一个为配合站，另外一个为变压站，所述配合站的直流端和交流端分别与所述变压站的直流端和交流端相连，所述交流端接至交流系统。本发明所提出的直流变压控制器适用于高压大容量直流电网或者多端直流系统的直流电压变换和潮流控制，依托现已成熟的高压直流输电技术，引入交流系统，通过电力电子器件构建整流或者逆变器的方式实现直流电网电压变换，并且该发明突破了传统概念变压器无法控制功率潮流的特点，实现了潮流完全可控的直流变压控制器。

Description

一种基于DC/AC变换器的直流变压控制器

技术领域

本发明涉及一种适用于高压大容量直流电网或者多端直流系统的直流变压控制器，具体涉及一种基于DC/AC变换器的直流变压控制器。

背景技术

大容量高压直流输电(简称HVDC)技术现已经十分成熟，大量的HVDC工程已经投运，投运的这些直流工程有可能未来是直流电网(网状直流系统)或者多端直流系统(具有3个及以上输入或输出端的直流系统)的一部分。针对不同的输电和配电需求未来的直流电网会有不同的直流电压等级，但是适用于HVDC的大容量直流变压器目前还处于研究阶段，尚无可用的产品。

目前已见报道的直流变压器主要有两种实施方式：

一种是不依赖交流系统将一种电压等级的直流电变成另一种电压等级的直流电的直流变压器，这种类型的直流变压器大体可分两类，一类是直流电压的直接变换(例如斩波电路)，另一类是先将直流电变换为交流电再将交流电变为直流电；另一种是依赖交流系统的实现直流电压等级变换直流变压器；其中，依赖交流系统的直流变压器大体可分两种，一种是单阀组结构的直流变压器，另一种是双阀组结构的直流变压器。

单阀组结构直流变压器高压端接入高压直流电网，低压端接入低压直流电网。单阀组结构采用半控器件或全控器件，所述半控器件为晶闸管，所述全控器件为IGBT、IGCT、GTO等电力电子器件；双阀组结构的直流变压器高压阀组单元和低压阀组单元串联，高压阀组的高压端和低压阀组的低压端分别连接高压直流电网和接地极线路。高压阀组单元的低压端和低压阀组单元的高压端连接，并同时接入低压直流电网，双阀组结构采用半控器件或全控器件，所述半控器件为晶闸管，所述全控器件为IGBT、IGCT、GTO等电力电子器件。

基于斩波方式的直流变压器一般用于低电压小容量系统中，目前在大容量高压直流输电领域还没有应用；基于直流-交流-直流的直流变压方式相当于同时建设了整流站和逆变站，建设成本高，并且目前没有适用于高压大容量直流电网的产品；而依赖交流系统的直流变压器理论上能够实现高压大容量的直流变压变换，但是无法将高压端/低压端的直流功率完全输送到低压端/高压端，部分直流功率送入或者取自交流电网，高压端/低压端/交流侧功率分配取决于直流变压器高压端/低压端的电压比。也就是说该变压器虽然实现了直流电压等级的变换，但是功率输送方式极其不灵活。

因此，需要提供一种改进的直流变压器，以使之除了简单易行和适用于高压大容量直流电网外，还能够实现交直流功率的灵活控制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于DC/AC变换器的直流变压控制器，所述直流变压控制器由两个DC/AC变换器构成，其中一个为配合站，另外一个为变压站，所述配合站的直流端和交流端分别与所述变压站的直流端和交流端连接，所述交流端接至交流系统。

优选地，所述变压站的高压侧与高压直流电网连接，所述变压站的低压侧与低压直流电网连接，所述变压站的交流侧与所述交流系统连接。

优选地，所述配合站的高压侧与高压直流电网连接，低压侧接地，交流侧连接交流系统。

优选地，所述配合站的高压侧与低压直流电网连接，低压侧接地，所述变压站的交流侧与交流系统连接。

优选地，所述直流变压控制器根据所述直流侧功率方向的不同主要有四种工作模式：低压端向高压端的送电模式、高压端向低压端的送电模式、交流侧向直流侧的送电模式、直流侧向交流侧的送电模式。

优选地，在所述低压端向高压端送电模式下，所述直流变压控制器将所述低压侧的直流功率传输到所述高压侧，直流变压控制器与其连接的所述交流系统无需交换有功功率，可向所述交流系统送电，以及吸收所述交流系统的功率。

优选地，在所述高压端向低压端送电模式下，所述直流变压控制器将高压侧的直流功率传输到低压侧，直流变压控制器与其连接交流系统无需交换有功功率，可向所述交流系统送电，以及吸收所述交流系统功率。

优选地，在所述交流侧向直流侧送电模式下，所述直流变压控制器将其所连接交流系统的有功功率按照预设的比例分送到所述高压侧和所述低压侧。

优选地，在所述直流侧向交流侧送电模式下，直流变压控制器从其高压侧和低压侧按照预设的比例吸取直流功率送到其所连接的交流系统。

和最接近的现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明提出的一种基于DC/AC变换器的直流变压控制器，适用于高压大容量直流电网或者多端直流系统，依托现已成熟的高压直流输电技术，引入交流系统，通过电力电子器件构建整流或者逆变器的方式实现直流电压变换，而整流和逆变器技术已经有了大量的工程应用，所以本发明所提方案实现大容量直流电压变换不存在技术障碍。并且该发明突破了传统概念变压器无法控制功率潮流的特点，实现了潮流完全可控的直流变压控制器。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明直流变压控制器在交直流电网中的位置图；

图2为本发明高压直流电网换流站作为配合站的直流变压控制器；

图3为本发明低压直流电网换流站作为配合站的直流变压控制器；

图4a为本发明直流变压控制器高压端直流电压波形；

图4b为本发明直流变压控制器低压端直流电压波形；

图4c为本发明直流变压控制器高压/低压端直流功率波形；

图4d为本发明直流变压控制器交流侧向变压器送入功率波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提出一种直流变压控制器，该变压控制器除了具有简单易行和适用于高压大容量直流电网特性外，还能够实现交直流功率的灵活控制，如图1所示，图1为本发明直流变压控制器在交直流电网中的位置图。该直流变压控制器可以灵活控制P1、P2、P3的功率大小和方向，在直流电网中该变压控制器除了具有直流电压等级变换功能和直流电网高/低压侧功率双向传输功能外，还可以调节直流系统和交流系统的交换功率，特别适合于新能源并网的应用场合，例如交流系统为风电场，该变压控制器可以随风电功率波动调整交直流系统交换功率，甚至可以将风电功率按照预设的比例在高/低压直流电网间分配，在低风力的条件下，该变压控制器可以按照预设功率比例从高/低压直流电网提取功率送到交流侧，实现了变压器加潮流控制器的双重功能。

本发明提出的直流变压控制器主要包括以下几个部分：交流电源、变压站和配合站；本实施例中主要由两个DC/AC变换器构成，其中一个为配合站，另外一个为变压站，所述配合站的直流端和交流端分别与所述变压站的直流端和交流端相连接，所述交流端接至交流系统。所述变压站的高压侧连接高压直流电网，低压侧连接低压直流电网，交流侧连接交流系统；所述配合站的高压侧连接到高压直流电网，低压侧接地，交流侧连接交流系统。所述配合站的高压侧连接到低压直流电网，低压侧接地，交流侧连接交流系统.。分别参照图2和图3，图2为本发明高压直流电网换流站作为配合站的直流变压控制器；图3为本发明低压直流电网换流站作为配合站的直流变压控制器。

本发明提出的直流变压控制器的核心部分为变压站和配合站，两者本质上都是整流或者逆变电路，其换流阀可以采用基于晶闸管器件的电流源换相电路，也可以采用基于IGBT、GTO和IGCT等全控器件的电压源换相电路；变压站和配合站所连接的交流系统可以是相同的交流系统，也可以不同。

本发明依托现已成熟的高压直流输电技术和柔性直流输电技术，在直流变压器中引入交流系统，通过电力电子器件整流或者逆变的方式实现直流电压变换。本发明提出的直流变压器控制功率可以在允许范围内自由调节以适应直流电网功率传输需求，根据直流变压控制器直流侧功率方向的不同，本发明所述直流变压控制器有四种工作模式：

A低压端向高压端送电模式，该模式下直流变压控制器将低压侧的直流功率传输到高压侧，直流变压控制器与其连接交流系统可以不交换有功功率，也可以向交流系统送，或者吸收交流系统功率侧；

B高压端向低压端送电模式，该模式下直流变压控制器将高压侧的直流功率传输到低压侧，直流变压控制器与其连接交流系统可以不交换有功功率，也可以向交流系统送电，或者吸收交流系统功率；

C交流侧向直流侧送电模式，该模式下直流变压控制器将其所连接交流系统的有功功率按照预设的比例分送到高压侧和低压侧；

D直流侧向交流侧送电模式，该模式下直流变压控制器从其高压侧和低压侧按照预设的比例吸取直流功率送到其所连接交流系统。

下面以图2所示直流变压控制器为例给出仿真算例，算例中直流电网在稳态运行状态下，人工改变直流变压控制器配合站和变压站的功率指令，电网经过暂态扰动后过渡到一个新的稳态运行状态，算例中高压直流电网电压等级800kV，低压直流电网电压等级400kV，计算结果如图4所示，图4a为本发明直流变压控制器高压端直流电压波形；图4b为本发明直流变压控制器低压端直流电压波形；图4c为本发明直流变压控制器高压/低压端直流功率波形；图4d为本发明直流变压控制器交流侧向变压控制器送入功率波形。

图4仿真波形横轴为时间轴，0.45s时刻之前直流变压控制器工作在模式A，低压侧向高压侧送直流功率400MW；0.45s～0.7s时刻直流变压控制器开始从模式A向模式B转换，0.7s时刻完成转换，高压侧向低压侧送直流功率100MW；1.0s～1.1s时刻直流变压控制器开始从模式B向模式C转换，1.1s时刻完成转换，直流变压控制器将其所连接交流系统的功率送到低压侧105MW，高压侧80MW。1.4s～1.7s时刻直流变压控制器开始从模式C向模式D转换，1.7s时刻完成转换，直流变压控制器分别从低压侧和高压侧接收100MW和70MW直流功率送到其连接交流系统。在直流功率调整过程中直流变压控制器高压/低压端直流变压存在暂态扰动，但是幅度都在5kV以内。

本发明提出的一种基于DC/AC变换器的直流变压控制器，适用于高压大容量直流电网或者多端直流系统，依托现已成熟的高压直流输电技术，引入交流系统，通过电力电子器件构建整流或者逆变器的方式实现直流电压变换，而整流和逆变器技术已经有了大量的工程应用，所以本发明所提方案实现大容量直流电压变换不存在技术障碍。并且该发明突破了传统概念变压器无法控制功率潮流的特点，实现了潮流完全可控的直流变压控制器。

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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员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，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于DC/AC变换器的直流变压控制器，其特征在于，所述直流变压控制器由两个DC/AC变换器构成，其中一个为配合站，另外一个为变压站，所述配合站的直流端和交流端分别与所述变压站的直流端和交流端连接，所述交流端接至交流系统。

2.根据权利要求1所述的基于DC/AC变换器的直流变压控制器，其特征在于，所述变压站的高压侧与高压直流电网连接，所述变压站的低压侧与低压直流电网连接，所述变压站的交流侧与所述交流系统连接。

3.根据权利要求2所述的基于DC/AC变换器的直流变压控制器，其特征在于，所述配合站的高压侧与高压直流电网连接，低压侧接地，交流侧连接交流系统。

4.根据权利要求2所述的基于DC/AC变换器的直流变压控制器，其特征在于，所述配合站的高压侧与低压直流电网连接，低压侧接地，所述变压站的交流侧与交流系统连接。

5.根据权利要求3或4所述的基于DC/AC变换器的直流变压控制器，其特征在于，所述直流变压控制器根据所述直流侧功率方向的不同主要有四种工作模式：低压端向高压端的送电模式、高压端向低压端的送电模式、交流侧向直流侧的送电模式、直流侧向交流侧的送电模式。

6.根据权利要求5所述的基于DC/AC变换器的直流变压控制器，其特征在于，在所述低压端向高压端送电模式下，所述直流变压控制器将所述低压侧的直流功率传输到所述高压侧，直流变压控制器与其连接的所述交流系统无需交换有功功率，可向所述交流系统送电，以及吸收所述交流系统的功率。

7.根据权利要求5所述的基于DC/AC变换器的直流变压控制器，其特征在于，在所述高压端向低压端送电模式下，所述直流变压控制器将高压侧的直流功率传输到低压侧，直流变压控制器与其连接交流系统无需交换有功功率，可向所述交流系统送电，以及吸收所述交流系统功率。

8.根据权利要求5所述的基于DC/AC变换器的直流变压控制器，其特征在于，在所述交流侧向直流侧送电模式下，所述直流变压控制器将其所连接交流系统的有功功率按照预设的比例分送到所述高压侧和所述低压侧。

9.根据权利要求5所述的基于DC/AC变换器的直流变压控制器，其特征在于，在所述直流侧向交流侧送电模式下，直流变压控制器从其高压侧和低压侧按照预设的比例吸收直流功率送到其所连接的交流系统。