CN107359638B - 一种具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑 - Google Patents

一种具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具备无级调节直流电压的多端口直流‑直流变压系统(Multiport DC/DC System，MDS)拓扑，所述MDS具多个端口用以互联外部直流系统；端口采用混合串联型换流器，交流侧通过交流断路器连至MDS内公共交流母线；MDS内用变压器匹配不同电压等级直流线路。所述混合串联型换流器用电流源型和电压源型换流单元串联：电流源型换流单元含基于二极管或晶闸管的LCC；电压源型换流单元具模块化多电平结构，各桥臂由不具负电平输出（如IGBT组件、HBSM）及具负电平输出能力（如FBSM）的子模块级联。所述MDS具无级调节直流电压（甚至反极性）能力；兼备直流故障穿越与快速恢复能力；有助迅速实现潮流反转。因此，所提出MDS拓扑有助于推进多端口直流–直流换流器在直流电网中的应用。

Description

一种具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统 拓扑
技术领域
本发明涉及一种输配电技术领域的装置，具体涉及一种具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑。
背景技术
随着越来越多的风力、太阳能发电等新能源接入电网及直流输电技术的发展，在点对点式HVDC技术的基础上形成了多端直流输电技术，并进一步发展成为直流电网。一种直接构成直流电网的技术是将多条直流线路在直流侧互联，然而由于目前直流断路器以及直流电网保护技术尚不成熟，这种直流电网技术面临许多挑战与技术难题，主要如：1)无法互联电压等级不同的直流线路；2)应对直流故障乏力，直流电网任何一点发生直流故障将波及整个直流电网，导致整个系统中电力传输被中断，从而降低了直流电网输电可靠性；3)同时由于目前VSC普遍没有隔离直流故障的能力，被直流电网互联的交流系统也会受到直流短路故障的影响。
采用直流-直流变换器互联多个直流系统所构成的直流电网(多端直流系统)可以同时解决上述1)、2)两个问题。目前已有文献开展对DC/DC变换器的研究，如采用斩波电路应用于低压领域，但若应用到直流输电领域需要多个IGBT直接串联的技术，技术难度较大；又如采用三相有源桥(Dual-active-bridge，DAB)技术构建直流–直流变换器，该技术优点在于高频运行时可以缩小体积，并且损耗相对较小，但直流输电领域，尤其是陆上直流输电更关注整个系统的运行损耗，该技术是否适用于陆上直流输电需待验证；再如采用基于电感–电容–电感电路的多端口直流-直流变换技术，该技术的一个主要出发点是省去变压器以减小平台面积，从而方便应用于海上直流输电，同样地该项技术是否适用于陆上直流输电也待商榷。
因此，有必要提供一种多端口直流-直流变压系统拓扑，使其应用于直流电网以后既具联接不同电压等级直流线路的功能，而且同时具备直流故障穿越能力和潮流快速反转能力。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑。
实现上述目的所采用的解决方案为:
一种具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统(Multiport DC/DCSystem，MDS)拓扑，所述MDS具多个端口用以与外部直流系统进行互联；所述MDS各端口的拓扑采用混合串联型换流器；所述混合串联型换流器的交流侧均通过交流断路器连接到MDS内部公共的交流母线处，且MDS内部采用交流变压器来匹配不同电压等级的混合串联型换流器，使得MDS具有联接不同电压等级直流线路的功能。所述混合串联型换流器由电流源型换流单元和电压源型换流单元串联构成，所述电流源型换流单元包含基于二极管或晶闸管的LCC结构；所述电压源型换流单元的采用模块化多电平拓扑，且各桥臂由不具负电平输出能力的子模块(如：IGBT组件、HBSM等)和具备负电平输出能力的子模块(如：FBSM)级联构成。所述MDS其特征在于：采用所述混合串联型换流器拓扑作为端口，使得各端口的直流侧具备无级调压能力，即其输出的直流电压连续可变，这使得该变压系统应用于直流电网时：(1)具有灵活调控直流电压特性，甚至可以使直流电压极性发生反转，不仅可灵敏地应对不同程度直流故障导致的电压跌落现象，而且为将LCC-HVDC引入直流电网提供了可能，有助于推动混合直流电网的发展；(2)当MDS外部发生直流故障，与故障线路连接的端口可通过MDS内部的控制策略阻断直流故障电流，同时不影响交流侧的电压质量；(3)有助于实现快速潮流反转；(4)在工程设计之初，根据MDS投入应用时各端口将联接的直流输电系统工况(即包括对侧换流站电压等级、额定容量及拓扑结构等)，具备一套体系算法，用以确定各端口电流源型以及电压源型换流单元的配置比例、电压源型换流单元内部不具以及具备负电平输出能力子模块数目的配置比例，从而确定出MDS各端口的构造。
进一步的，采用所述的混合串联型换流器结构，若要匹配电流源型换流单元和电压源型换流单元的电流，可分别对换流单元进行并联，形成换流单元组。这种模块化的结构特性，使得MDS在应对未来工程改造以及模块化控制管理等方面具有巨大优势，有助于推进多端口直流–直流换流器在直流电网中的应用。
进一步的，所述MDS各端口采用所述混合串联型换流器拓扑，端口额定直流电压为Udcn(i),其电流源型换流单元额定直流电压为UdcIn(i)，电压源型换流单元额定直流电压为UdcVn(i)，满足：
Udcn(i)＝UdcIn(i)+UdcVn(i) (8)
定义比例系数K1代表电压源型换流单元额定直流电压占该MDS端口额定直流电压的比例，其物理意义为反映所述混合串联型换流器中电流源型与电压源型换流单元的配置比例：
Figure GDA0002611639080000031
定义比例系数K2代表电压源型换流单元每桥臂上具备负电平输出能力的子模块(如：FBSM)数目(记为N-(i))占全部子模块数目(记为N(i))的比例，其物理意义为反映所述电压源型换流器中不具和具备负电平输出能力的两类子模块的配置比例：
Figure GDA0002611639080000032
式中，N+(i)为电压源型换流单元中不具负电平输出能力的子模块数目。
进一步的，采用所述的混合串联型换流器拓扑，其在直流侧输出的电压甚至可发生极性反转。考虑该MDS端口输出的直流电压极性反转最大时，此时即电流源型换流单元直流电压极性完全反转，有
UdcIm-＝-(1-K1)Udcn (11)
而电压源型换流单元直流侧输出的最大负压可表达为：
UdcVm-＝(1-2K2)K1Udcn (12)
则该MDS端口在直流侧输出的最大负压为：
Udcm-＝-(1-K1)Udcn+(1-2K2)K1Udcn
＝(2K1-2K1K2-1)Udcn (13)
式中，UdcIm-为电流源型换流单元可输出的最大负压，UdcVm-为电压源型换流单元可输出的最大负压，Udcn为该MDS端口直流侧额定电压。
因此，该MDS端口在直流侧输出电压的调节范围即为：
[(2K1-2K1K2-1)Udcn，Udcn] (14)
进一步的，各端口采用所述的电压源型换流单元，可通过合理配比桥臂不同类型(即具备、不具备负电平输出能力)的子模块的数目(即调节K2)，实现灵活地调控各端口输出的直流电压，从而可灵敏地应对不同程度的直流故障造成的电压跌落现象。
进一步的，采用所述混合串联型换流器拓扑作为MDS端口可具有良好的直流故障隔离性能。若发生直流故障，所述MDS端口通过自身电流源型换流单元与电压源型换流单元控制策略的配合，可阻断交流侧对故障点短路电流的馈入，且在不影响交流侧电压质量的前提下进一步实现直流故障隔离。
进一步的，采用所述混合串联型换流器拓扑具有良好的直流故障隔离性能。当该端口作为逆变站从直流输电系统吸收有功功率时，若端口所连接的直流侧发生故障，由于所述混合串联型换流器拓扑中的电流源型换流单元具有单向导电性，因此可阻断该端口向故障点馈入短路电流，从而阻断直流故障电流。
进一步的，采用所述的混合串联型换流器拓扑具有良好的直流故障隔离性能。当该端口作为整流站向直流输电系统传输有功功率时，若端口所连接的直流侧发生故障，电流源型换流单元通过强迫移相使自身向逆变状态过渡，直至直流侧输出电压为零，即UdcI(i)＝0；与此同时，电压源型换流单元不再采用闭锁箝位策略，而是发挥内部子模块负电平输出的能力，且若配置比例系数K2满足K2≥0.5，则所述电压源型换流单元通过自身控制策略可使其直流侧输出电压为零，即UdcV(i)＝0，形成“虚短”状态，且可保证换流单元阀侧输出的交流电压波形；此时，整流站直流侧实际输出的整体电压为零，即Udci)＝0，从而完成直流故障的隔离，且无需断开交流侧交流断路器。
进一步的，采用所述的MDS拓扑结构，当MDS内部发生交流故障时，电压源型换流单元本身具有控制换流器阀侧输出交流电压的能力，因此在交流短路故障工况下，MDS中的电压源型换流单元会将交流短路电流控制在安全范围内。如果交流短路发生在MDS内部的交流变压器处，则将由短路侧的电压源型换流单元和交流断路器将短路部分隔离；如果交流短路故障发生在内部公共交流母线上，则可通过设置在故障或检修时切换使用的备用母线的手段，提高MDS的可靠性。
进一步的，采用所述的混合串联型换流器拓扑在实现潮流反转时，当外部换流器采用VSC，由于电流源型换流单元的电流无法反转，需将其切除运行，切除过程如下：首先，电流源型换流单元通过强迫移相使自身向逆变状态过渡，直至直流侧输出电压为零；由于系统潮流反转时电流极性会发生反转，流过端口的直流电流必然先减为零后才能发生反向；此时对于电流源型换流单元而言，正、负极等电位且通过电流为零，设置普通机械开关即可将电压源型换流单元的正极由原来连接的电流源型换流单元的负极切换到后者的正极。该过程利用普通机械开关即可实现电流源型换流单元的切除。此外，在潮流恢复时对电流源型换流单元的重新投入过程同理。
进一步的，采用所述的混合串联型换流器拓扑在实现潮流反转时，由于切除了电流源型换流单元，导致该MDS端口无法按照原额定电压运行。换言之，在潮流反转工况下，由于MDS端口的降压运行限制了其应用场景，即要求与该端口相连接的外部换流器需具备降压运行能力(比如外部换流器采用HBSM与FBSM混合的模块化多电平换流器拓扑结构)。因此，外部换流器的降压能力约束了所述MDS端口的配置比例系数K1。
进一步的，采用所述的混合串联型换流器拓扑在实现潮流反转时，当外部换流器采用LCC，由于LCC在实现潮流反转时的特点是电压极性反向而电流极性保持不变，故此时与外部换流器连接的MDS端口电压极性需发生反转。采用所述的混合串联型换流器拓扑作为MDS的端口，在实现上述直流电压极性反转时不再需要额外配置机械开关，根据反转功率容量(或外部LCC电压极性发生反转后运行的直流电压)以及本MDS端口电流源型换流单元和电压源型换流单元的配比K1即可确定该MDS端口的控制策略，例如：外部LCC电压极性反转后(变为整流站)运行为额定电压的80％，若所连接MDS端口K1＝0.2，此时该MDS端口的控制策略应使电流源型换流单元切换为逆变状态，同时电压源型换流元应在保证K2≥0.5的配置下使直流侧输出电压为零，即形成“虚短”状态；若所连接MDS端口K1＝0.5，此时该MDS端口的控制策略应使电流源型换流单元切换为逆变状态，同时电压源型换流元应配置合理K2值使其能够保证在直流侧输出电压为-0.3Udcn，即直流侧输出负压。综上所述，MDS端口采用所述的混合串联型换流器拓扑结构，为将LCC-HVDC引入直流电网提供了可能，有助于推动混合直流电网的发展。
进一步的，采用所述的混合串联型换流器结构，其配置系数K1和K2的计算原则如下，(1)满足经济性约束：对于电流源型与电压源型换流单元的配置比例(K1)应满足经济性约束，即指指在设计MDS之初，应给出各端口的经济性指标来约束电流源型换流单元与电压源型换流单元的配置比例K1；(2)满足直流故障清除能力约束：对于电压源型换流单元内部不具以及具备负电平输出能力子模块数目的配置比例K2应满足直流故障清除能力约束，即当配置比例系数K2满足K2≥0.5时，所述电压源型换流单元通过自身控制策略可使其直流侧输出电压为零，即UdcV(i)＝0，形成“虚短”状态，且可保证换流单元阀侧输出的交流电压波形；(3)满足调压能力约束：如式(14)可见，MDS端口的调压能力对配置系数K1和K2均提出了约束；(4)满足潮流反转能力约束：由前述可知，外部换流器的种类及降压能力均约束了所述MDS端口的配置比例系数K1和K2，设计之初应根据具体运行场景及工况确定K1和K2的可行域。综上所述，满足以上四则约束均会相应得到K1和K2的一个可行域，进一步地，可依据四则约束条件所占的权重(按重要程度确定的比例因子)对这些可行域求交，最终得到K1和K2的确切值。
附图说明
图1为本发明所提出的具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统(MDS)应用于直流电网时整个输电系统拓扑结构的示意图；
图2为本发明所提出的MDS端口采用的混合串联型换流器拓扑；
图3为本发明所提出的MDS端口采用混合串联型换流器拓扑，在匹配电流源型换流单元和电压源型换流单元的电流时，分别对各类型换流单元进行并联，形成换流单元组的示意图；
图4为采用二极管的电流源型换流单元的拓扑示意图；
图5为采用晶闸管的电流源型换流单元的拓扑示意图；
图6为电压源型换流单元中不具负电平输出能力的子模块拓扑，即IGBT组件拓扑图；
图7为电压源型换流单元中不具负电平输出能力的子模块拓扑，即HBSM拓扑图；
图8为电压源型换流单元中具备负电平输出能力的子模块拓扑，即FBSM拓扑图；
图9为两种电流源型换流单元与两种电压源型换流单元任意组合可构成4种混合串联型换流器拓扑，即MDS端口的拓扑结构图示；
图10为MDS端口的一种拓扑结构示意图，即电流源型换流单元基于晶闸管、电压源型换流单元采用HBSM与FBSM混合的结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
一种具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统(Multiport DC/DCSystem，MDS)拓扑，所述MDS具多个端口用以与外部直流系统进行互联；所述MDS各端口的拓扑采用混合串联型换流器；所述混合串联型换流器的交流侧均通过交流断路器连接到MDS内部公共的交流母线处，且MDS内部采用交流变压器来匹配不同电压等级的混合串联型换流器，使得MDS具有联接不同电压等级直流线路的功能。所述混合串联型换流器由电流源型换流单元和电压源型换流单元串联构成，所述电流源型换流单元包含基于二极管或晶闸管的LCC结构；所述电压源型换流单元的采用模块化多电平拓扑，且各桥臂由不具负电平输出能力的子模块(如：IGBT组件、HBSM等)和具备负电平输出能力的子模块(如：FBSM)级联构成。所述MDS其特征在于：采用所述混合串联型换流器拓扑作为端口，使得各端口的直流侧具备无级调压能力，即其输出的直流电压连续可变，这使得该变压系统应用于直流电网时：(1)具有灵活调控直流电压特性，甚至可以使直流电压极性发生反转，不仅可灵敏地应对不同程度直流故障导致的电压跌落现象，而且为将LCC-HVDC引入直流电网提供了可能，有助于推动混合直流电网的发展；(2)当MDS外部发生直流故障，与故障线路连接的端口可通过MDS内部的控制策略阻断直流故障电流，同时不影响交流侧的电压质量；(3)有助于实现快速潮流反转；(4)在工程设计之初，根据MDS投入应用时各端口将联接的直流输电系统工况(即包括对侧换流站电压等级、额定容量及拓扑结构等)，具备一套体系算法，用以确定各端口电流源型以及电压源型换流单元的配置比例、电压源型换流单元内部不具以及具备负电平输出能力子模块数目的配置比例，从而确定出MDS各端口的构造。
图1为本发明所提出的一种具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统(Multiport DC/DC System，MDS)拓扑在应用于直流电网时整个输电系统拓扑结构的示意图，所述MDS具多个端口用以与外部直流系统进行互联；所述MDS各端口的拓扑采用混合串联型换流器(如图2所示)；所述混合串联型换流器的交流侧均通过交流断路器连接到MDS内部公共的交流母线(含有备用母线)处，且MDS内部采用交流变压器来匹配不同电压等级的混合串联型换流器，使得MDS具有联接不同电压等级直流线路的功能。
如图2所示，图2为本发明所提出的MDS端口采用的混合串联型换流器拓扑，由电流源型换流单元和电压源型换流单元串联构成；采用该拓扑应用于MDS端口，不仅使得MDS端口具备大区间直流电压调控能力，而且更具备直流故障穿越能力，可实现直流故障在直流电网中的快速隔离与恢复，同时并不会是直流侧故障波及交流侧。
图2中混合串联型换流器拓扑若要匹配电流源型换流单元和电压源型换流单元的电流，可分别对两类换流单元进行并联，进而形成换流单元组，如图3所示。这种模块化的结构特性，使得MDS在应对未来工程改造以及模块化控制管理等方面具有巨大优势，有助于推进多端口直流–直流换流器在直流电网中的应用。
所述电流源型换流单元包含基于二极管或晶闸管的LCC结构，分别如图4、5所示。
所述电压源型换流单元的采用模块化多电平拓扑，且各桥臂由不具负电平输出能力的子模块和具备负电平输出能力的子模块(如：FBSM)级联构成。其中，不具负电平输出能力的子模块包括IGBT组件、HBSM等如图6、7所示；具备负电平输出能力的子模块包括如图8所示的FBSM。
综前所述的电流源型及电压源型换流单元内部拓扑，可产生多种MDS端口拓扑结构，简要列举4种如图9所示，图9为两种电流源型换流单元与两种电压源型换流单元任意组合可构成4种混合串联型换流器拓扑，即MDS端口的拓扑结构图示。
如图2所示的MDS端口，其在直流侧输出的电压甚至可发生极性反转。考虑该MDS端口输出的直流电压极性反转最大时，此时即电流源型换流单元直流电压极性完全反转，有
UdcIm-＝-(1-K1)Udcn (15)
而电压源型换流单元直流侧输出的最大负压可表达为：
UdcVm-＝(1-2K2)K1Udcn (16)
则该MDS端口在直流侧输出的最大负压为：
Udcm-＝-(1-K1)Udcn+(1-2K2)K1Udcn
＝(2K1-2K1K2-1)Udcn (17)
式中，UdcIm-为电流源型换流单元可输出的最大负压，UdcVm-为电压源型换流单元可输出的最大负压，Udcn为该MDS端口直流侧额定电压。
因此，该MDS端口在直流侧输出电压的调节范围即为：
[(2K1-2K1K2-1)Udcn，Udcn] (18)
图2所示的MDS端口，其中的电压源型换流单元通过合理配比桥臂不同类型(即具备、不具备负电平输出能力)的子模块的数目(即调节K2)，实现灵活地调控各端口输出的直流电压，从而可灵敏地应对不同程度的直流故障造成的电压跌落现象。
采用如图2所示的混合串联型换流器拓扑作为MDS端口，具备良好的直流故障隔离性能。若发生直流故障，图2所示的MDS端口通过自身电流源型换流单元与电压源型换流单元控制策略的配合，可阻断交流侧对故障点短路电流的馈入，且在不影响交流侧电压质量的前提下进一步实现直流故障隔离。
当图1所示的MDS端口作为逆变站从直流输电系统吸收有功功率时，若端口所连接的直流侧发生故障，由于电流源型换流单元具有单向导电性，因此可阻断该端口向故障点馈入短路电流，从而阻断直流故障电流。
当图1所示的MDS端口作为整流站向直流输电系统传输有功功率时，若端口所连接的直流侧发生故障，电流源型换流单元通过强迫移相使自身向逆变状态过渡，直至直流侧输出电压为零，即UdcI(i)＝0；与此同时，电压源型换流单元不再采用闭锁箝位策略，而是发挥内部子模块负电平输出的能力，且若配置比例系数K2满足K2≥0.5，则所述电压源型换流单元通过自身控制策略可使其直流侧输出电压为零，即UdcV(i)＝0，形成“虚短”状态，且可保证换流单元阀侧输出的交流电压波形；此时，整流站直流侧实际输出的整体电压为零，即Udci)＝0，从而完成直流故障的隔离，且无需断开交流侧交流断路器。
如图1所示的多端口直流-直流变压系统拓扑，当该MDS内部发生交流故障时，电压源型换流单元本身具有控制换流器阀侧输出交流电压的能力，因此在交流短路故障工况下，MDS中的电压源型换流单元会将交流短路电流控制在安全范围内。如果交流短路发生在MDS内部的交流变压器处，则将由短路侧的电压源型换流单元和交流断路器将短路部分隔离；如果交流短路故障发生在内部公共交流母线上，则可通过设置在故障或检修时切换使用的备用母线的手段，提高MDS的可靠性。
进一步的，采用所述的混合串联型换流器拓扑在实现潮流反转时，当外部换流器采用VSC，由于电流源型换流单元的电流无法反转，需将其切除运行，切除过程如下：首先，电流源型换流单元通过强迫移相使自身向逆变状态过渡，直至直流侧输出电压为零；由于系统潮流反转时电流极性会发生反转，流过端口的直流电流必然先减为零后才能发生反向；此时对于电流源型换流单元而言，正、负极等电位且通过电流为零，设置普通机械开关即可将电压源型换流单元的正极由原来连接的电流源型换流单元的负极切换到后者的正极。该过程利用普通机械开关即可实现电流源型换流单元的切除。此外，在潮流恢复时对电流源型换流单元的重新投入过程同理。
进一步的，采用所述的混合串联型换流器拓扑在实现潮流反转时，由于切除了电流源型换流单元，导致该MDS端口无法按照原额定电压运行。换言之，在潮流反转工况下，由于MDS端口的降压运行限制了其应用场景，即要求与该端口相连接的外部换流器需具备降压运行能力(比如外部换流器采用HBSM与FBSM混合的模块化多电平换流器拓扑结构)。因此，外部换流器的降压能力约束了所述MDS端口的配置比例系数K1。
进一步的，采用所述的混合串联型换流器拓扑在实现潮流反转时，当外部换流器采用LCC，由于LCC在实现潮流反转时的特点是电压极性反向而电流极性保持不变，故此时与外部换流器连接的MDS端口电压极性需发生反转。采用所述的混合串联型换流器拓扑作为MDS的端口，在实现上述直流电压极性反转时不再需要额外配置机械开关，根据反转功率容量(或外部LCC电压极性发生反转后运行的直流电压)以及本MDS端口电流源型换流单元和电压源型换流单元的配比K1即可确定该MDS端口的控制策略，例如：外部LCC电压极性反转后(变为整流站)运行为额定电压的80％，若所连接MDS端口K1＝0.2，此时该MDS端口的控制策略应使电流源型换流单元切换为逆变状态，同时电压源型换流元应在保证K2≥0.5的配置下使直流侧输出电压为零，即形成“虚短”状态；若所连接MDS端口K1＝0.5，此时该MDS端口的控制策略应使电流源型换流单元切换为逆变状态，同时电压源型换流元应配置合理K2值使其能够保证在直流侧输出电压为-0.3Udcn，即直流侧输出负压。综上所述，MDS端口采用所述的混合串联型换流器拓扑结构，为将LCC-HVDC引入直流电网提供了可能，有助于推动混合直流电网的发展。
进一步的，采用所述的混合串联型换流器结构，其配置系数K1和K2的计算原则如下，(1)满足经济性约束：对于电流源型与电压源型换流单元的配置比例(K1)应满足经济性约束，即指指在设计MDS之初，应给出各端口的经济性指标来约束电流源型换流单元与电压源型换流单元的配置比例K1；(2)满足直流故障清除能力约束：对于电压源型换流单元内部不具以及具备负电平输出能力子模块数目的配置比例K2应满足直流故障清除能力约束，即当配置比例系数K2满足K2≥0.5时，所述电压源型换流单元通过自身控制策略可使其直流侧输出电压为零，即UdcV(i)＝0，形成“虚短”状态，且可保证换流单元阀侧输出的交流电压波形；(3)满足调压能力约束：如式(18)可见，MDS端口的调压能力对配置系数K1和K2均提出了约束；(4)满足潮流反转能力约束：外部换流器的种类及降压能力均约束了所述MDS端口的配置比例系数K1和K2，设计之初应根据具体运行场景及工况确定K1和K2的可行域。综上所述，满足以上四则约束均会相应得到K1和K2的一个可行域，进一步地，可依据四则约束条件所占的权重(按重要程度确定的比例因子)对这些可行域求交，最终得到K1和K2的确切值。

Claims (12)

1.一种具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑，所述多端口直流-直流变压系统拓扑具多个端口用以与外部直流系统进行互联；所述多端口直流-直流变压系统拓扑各端口的拓扑采用混合串联型换流器拓扑；所述混合串联型换流器拓扑的交流侧均通过交流断路器连接到多端口直流-直流变压系统拓扑内部公共的交流母线处，且多端口直流-直流变压系统拓扑内部采用交流变压器来匹配不同电压等级的混合串联型换流器拓扑，使得多端口直流-直流变压系统拓扑具有联接不同电压等级直流线路的功能；所述混合串联型换流器拓扑由电流源型换流单元和电压源型换流单元串联构成，所述电流源型换流单元包含基于二极管或晶闸管的LCC结构；所述电压源型换流单元采用模块化多电平拓扑，且各桥臂由不具负电平输出能力的HBSM等子模块和具备负电平输出能力的FBSM子模块级联构成；所述多端口直流-直流变压系统拓扑的特征在于：采用所述混合串联型换流器拓扑作为端口，使得各端口的直流侧具备无级调压能力，即其输出的直流电压连续可变；所述多端口直流-直流变压系统拓扑，采用所述的混合串联型换流器拓扑结构，若要匹配电流源型换流单元和电压源型换流单元的电流，可分别对换流单元进行并联，形成换流单元组。
2.如权利要求1所述具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑，其特征在于：所述多端口直流-直流变压系统拓扑各端口采用所述混合串联型换流器拓扑，端口额定直流电压为Udcn(i)，其电流源型换流单元额定直流电压为UdcIn(i)，电压源型换流单元额定直流电压为UdcVn(i)，i表示多端口直流-直流变压系统拓扑中端口的编号，满足：
Udcn(i)＝UdcIn(i)+UdcVn(i) (1)
定义比例系数K1代表电压源型换流单元额定直流电压占该多端口直流-直流变压系统拓扑端口额定直流电压的比例，其物理意义为反映所述混合串联型换流器拓扑中电流源型与电压源型换流单元的配置比例：
Figure FDA0002734983020000011
定义比例系数K2代表电压源型换流单元每桥臂上具备负电平输出能力的FBSM子模块数目占全部子模块数目的比例，电压源型换流单元每桥臂上具备负电平输出能力的FBSM子模块数目记为N-(i)，全部子模块数目记为N(i)，K2物理意义为反映所述电压源型换流器中不具和具备负电平输出能力的两类子模块的配置比例：
Figure FDA0002734983020000012
式中，N+(i)为电压源型换流单元中不具负电平输出能力的子模块数目。
3.如权利要求2所述具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑，其特征在于：采用所述的混合串联型换流器拓扑，其在直流侧输出的电压可发生极性反转，考虑该多端口直流-直流变压系统拓扑端口输出的直流电压极性反转最大时，此时即电流源型换流单元直流电压极性完全反转，有
UdcIm-＝-(1-K1)Udcn (4)
而电压源型换流单元直流侧输出的最大负压可表达为：
UdcVm-＝(1-2K2)K1Udcn (5)
则该多端口直流-直流变压系统拓扑端口在直流侧输出的最大负压为：
Udcm-＝-(1-K1)Udcn+(1-2K2)K1Udcn
＝(2K1-2K1K2-1)Udcn (6)
式中，UdcIm-为电流源型换流单元可输出的最大负压，UdcVm-为电压源型换流单元可输出的最大负压，Udcn为该多端口直流-直流变压系统拓扑端口直流侧额定电压；
因此，该多端口直流-直流变压系统拓扑端口在直流侧输出电压的调节范围即为：
[(2K1-2K1K2-1)Udcn，Udcn] (7)。
4.如权利要求2所述具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑，其特征在于：各端口采用所述的电压源型换流单元，可通过合理配比桥臂不同类型的子模块的数目，即通过调节K2，实现灵活地调控各端口输出的直流电压，从而可灵敏地应对不同程度的直流故障造成的电压跌落现象。
5.如权利要求1所述具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑，其特征在于：采用所述混合串联型换流器拓扑作为多端口直流-直流变压系统拓扑端口可具有良好的直流故障隔离性能；若发生直流故障，所述多端口直流-直流变压系统拓扑端口通过自身电流源型换流单元与电压源型换流单元控制策略的配合，可阻断交流侧对故障点短路电流的馈入，且在不影响交流侧电压质量的前提下进一步实现直流故障隔离。
6.如权利要求1所述具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑，其特征在于：采用所述混合串联型换流器拓扑具有良好的直流故障隔离性能，当该端口作为逆变站从直流输电系统吸收有功功率时，若端口所连接的直流侧发生故障，由于所述混合串联型换流器拓扑中的电流源型换流单元具有单向导电性，因此可阻断该端口向故障点馈入短路电流，从而阻断直流故障电流。
7.如权利要求2所述具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑，其特征在于：采用所述的混合串联型换流器拓扑具有良好的直流故障隔离性能；当该端口作为整流站向直流输电系统传输有功功率时，若端口所连接的直流侧发生故障，电流源型换流单元通过强迫移相使自身向逆变状态过渡，直至直流侧输出电压为零，即UdcIn(i)＝0；与此同时，电压源型换流单元不再采用闭锁箝位策略，而是发挥内部子模块负电平输出的能力，且若配置比例系数K2满足K2≥0.5，则所述电压源型换流单元通过自身控制策略可使其直流侧输出电压为零，即UdcVn(i)＝0，形成“虚短”状态，且可保证换流单元阀侧输出的交流电压波形；此时，整流站直流侧实际输出的整体电压为零，即Udcn(i)＝0，从而完成直流故障的隔离，且无需断开交流侧交流断路器。
8.如权利要求1所述具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑，其特征在于：采用所述的多端口直流-直流变压系统拓扑结构，当多端口直流-直流变压系统拓扑内部发生交流故障时，电压源型换流单元本身具有控制换流器阀侧输出交流电压的能力，因此在交流短路故障工况下，多端口直流-直流变压系统拓扑中的电压源型换流单元会将交流短路电流控制在安全范围内；如果交流短路发生在多端口直流-直流变压系统拓扑内部的交流变压器处，则将由短路侧的电压源型换流单元和交流断路器将短路部分隔离；如果交流短路故障发生在内部公共交流母线上，则可通过设置在故障或检修时切换使用的备用母线的手段，提高多端口直流-直流变压系统拓扑的可靠性。
9.如权利要求2所述具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑，其特征在于：采用所述的混合串联型换流器拓扑在实现潮流反转时，当外部换流器采用VSC，由于电流源型换流单元的电流无法反转，需将其切除运行，切除过程如下：首先，电流源型换流单元通过强迫移相使自身向逆变状态过渡，直至直流侧输出电压为零；由于系统潮流反转时电流极性会发生反转，流过端口的直流电流必然先减为零后才能发生反向；此时对于电流源型换流单元而言，正、负极等电位且通过电流为零，设置普通机械开关即可将电压源型换流单元的正极由原来连接的电流源型换流单元的负极切换到后者的正极，该过程利用普通机械开关即可实现电流源型换流单元的切除，此外，在潮流恢复时对电流源型换流单元的重新投入过程同理。
10.如权利要求9所述具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑，其特征在于：采用所述的混合串联型换流器拓扑在实现潮流反转时，由于切除了电流源型换流单元，导致该多端口直流-直流变压系统拓扑端口无法按照原额定电压运行，换言之，在潮流反转工况下，由于多端口直流-直流变压系统拓扑端口的降压运行限制了其应用场景，即要求与该端口相连接的外部换流器需具备降压运行能力，因此，外部换流器的降压能力约束了所述多端口直流-直流变压系统拓扑端口的配置比例系数。
11.如权利要求2所述具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑，其特征在于：采用所述的混合串联型换流器拓扑在实现潮流反转时，当外部换流器采用LCC，由于LCC在实现潮流反转时的特点是电压极性反向而电流极性保持不变，故此时与外部换流器连接的多端口直流-直流变压系统拓扑端口电压极性需发生反转；采用所述的混合串联型换流器拓扑作为多端口直流-直流变压系统拓扑的端口，在实现上述电压极性反转时不再需要额外配置机械开关，根据反转功率容量或外部LCC电压极性发生反转后运行的直流电压以及本多端口直流-直流变压系统拓扑端口电流源型换流单元和电压源型换流单元的配比K1即可确定该多端口直流-直流变压系统拓扑端口的控制策略，具体为：外部LCC电压极性反转后运行为额定电压的80％，若所连接多端口直流-直流变压系统拓扑端口K1＝0.2，此时该多端口直流-直流变压系统拓扑端口的控制策略应使电流源型换流单元切换为逆变状态，同时电压源型换流元应在保证K2≥0.5的配置下使直流侧输出电压为零，即形成“虚短”状态；若所连接多端口直流-直流变压系统拓扑端口K1＝0.5，此时该多端口直流-直流变压系统拓扑端口的控制策略应使电流源型换流单元切换为逆变状态，同时电压源型换流元应配置合理K2值使其能够保证在直流侧输出电压为-0.3Udcn，即直流侧输出负压。
12.如权利要求2、10、11中任一项所述具备无级调节直流电压的多端口直流-直流变压系统拓扑，其特征在于：采用所述的混合串联型换流器拓扑结构，其配置系数K1和K2的计算原则如下，(1)满足经济性约束：对于电流源型与电压源型换流单元的配置比例K1应满足经济性约束，即指在设计多端口直流-直流变压系统拓扑之初，应给出各端口的经济性指标来约束电流源型换流单元与电压源型换流单元的配置比例K1；(2)满足直流故障清除能力约束：对于电压源型换流单元内部不具以及具备负电平输出能力子模块数目的配置比例K2应满足直流故障清除能力约束，即当配置比例系数K2满足K2≥0.5时，所述电压源型换流单元通过自身控制策略可使其直流侧输出电压为零，即UdcVn(i)＝0，形成“虚短”状态，且可保证换流单元阀侧输出的交流电压波形；(3)满足调压能力约束：多端口直流-直流变压系统拓扑端口的调压能力对配置系数K1和K2均提出了约束；(4)满足潮流反转能力约束：外部换流器的种类及降压能力均约束了所述多端口直流-直流变压系统拓扑端口的配置比例系数K1和K2，设计之初应根据具体运行场景及工况确定K1和K2的可行域，综上所述，满足以上四则约束均会相应得到K1和K2的一个可行域，进一步地，可依据四则约束条件所占的权重，按重要程度确定的比例因子，对这些可行域求交，最终得到K1和K2的确切值。
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