CN109039072B - 一种双极双向直流变换器及其控制方法和控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双极双向直流变换器及其控制方法和控制装置。所述双向直流变换器由至少两个阀组串和交流变压器构成。每个阀组串包含至少三个电压源型换流器，即VSC，VSC的直流端口依次串联连接高压直流母线的正端和负端，各阀组串内VSC的交流端口分别经交流变压器后并联。两个阀组串中，一个阀组串有一个VSC的直流端口连接低压直流母线的负端和中性点，另一个阀组串有一个VSC的直流端端口连接低压直流母线的正端和中性点。本发明的双向直流变换器及其控制方法，可以应用于高压侧直流母线为对称单极形式，而低压侧直流母线为真双极接线形式的高低压双向功率变换和控制，相比现有MMC结构方案构成的同类应用双向变换器，成本更低，效率更高。

Description

一种双极双向直流变换器及其控制方法和控制装置
技术领域
本发明属于电力电子应用领域，涉及直流电网和双向直流变换器，特别涉及一种双极双向直流变换器及其控制方法和控制装置。
背景技术
双向直流变换器作为直流电网中，实现电压变换的重要组成设备，获得了越来越多直流电网领域学者们的关注。在高压直流变换场合，受开关管器件应力和成本的影响，该类应用的双向直流变换器多采用ISOP、ISOS结构或基于MMC背靠背结构的电能变换装置。其中，基于MMC背靠背结构的电能变换装置更适合于高至高/中压直流供电系统间的电能变换。
为降低直流供电系统的对地绝缘应力，一般对系统的直流母线采用双极接线型式，即直流母线的正极和负极对地绝缘电压为正负极间电压的一半。双极接线型式一般有伪双极和真双极两种接线型式。在伪双极接线型式下，当直流系统的母线有一极停运时，将导致另一极也必须停运；而在真双极接线型式下，当直流系统的母线有一极停运时，不会影响另一极的运行。MMC背靠背结构是隔离型的双向直流变换器，通过组合可较容易地实现各种真/伪双极等不同母线接线型式下，直流母线之间的电能双向传递。
然而，MMC背靠背结构包含有两个MMC换流阀组和一个大功率工频或中频交流变压器，建设成本相对较高。有文献研究了一种由MMC背靠背结构演化得到的AUTO-DC结构的双向直流变换器，该变换器原理类似交流自耦变压器，是非隔离的双向直流变换器。相比MMC背靠背结构，能够减小交流变压器和换流阀组的容量，适合在一些对隔离要求不高的场合应用。但是，AUTO-DC结构是非隔离电路，直接参考交流自耦变压器得到的AUTO-DC结构，无法直接在双极系统中应用。例如，当高压侧端口的直流母线采用伪双极接线型式时，通过AUTO-DC结构变换后，低压侧端口的负极或正极将与高压侧端口负极或正极为同一点，因此，其对地绝缘电压将变为高压侧正负极间电压的一半，从而增加了设备低压侧的对地绝缘应力。
目前，有专利CN105048813A对AUTO-DC结构进行了优化，优化后的AUTO-DC结构可以实现高压侧直流母线为伪双极且低压侧直流母线同样为伪双极的直流供电系统之间的电能变换。但是，若实际直流系统中，当高压侧直流母线为伪双极而低压侧直流母线为真双极接线型式时，采用专利CN105048813A的方案，只能将低压侧端口的两端连接在低压直流母线的正负两极，当低压侧有一极母线停运后，该方案没有提供另一极对中性点回路，这样只能将整个系统停运。
发明内容
为解决AUTO-DC变换器接入高压侧直流母线为伪双极而低压侧直流母线为真双极系统的问题，本发明提供了一种双极双向直流变换器。当低压侧直流母线有一极发生故障停运时，不影响另一极的正常运行，仍然可以实现高压直流母线至低压直流母线的电能变换。同时提供了双极双向直流变换器的控制方法和控制装置。
为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种双极双向直流变换器，所述双向直流变换器由至少两个阀组串和六个磁性元件构成；每个阀组串均有一个高压直流端口，一个低压直流端口和至少三个交流端口；所有阀组串的高压直流端口的正极并联，构成所述双向直流变换器高压侧端口的正极；所有阀组串的高压直流端口的负极并联，构成所述双向直流变换器高压侧端口的负极；所有阀组串中，每个交流端口与一个磁性元件连接，单个阀组串内的所有交流端口所连接磁性元件的另一端并联；根据所述阀组串和双向直流变换器低压侧端口的连接关系将阀组串分为Ⅰ型阀组串和Ⅱ型阀组串；所述Ⅰ型阀组串的低压直流端口的正极构成所述双向直流变换器低压侧端口的正极，其负端构成所述双向直流变换器低压侧端口的中性点；所述Ⅱ型阀组串的低压直流端口的正极构成所述双向直流变换器低压侧端口的中性点，其负端构成所述双向直流变换器低压侧端口的负极；Ⅰ型阀组串和Ⅱ型阀组串构成的双向直流变换器低压侧端口的中性点为同一点。
所述双向直流变换器所有阀组串的高压直流端口的正极分别经隔离开关后并联，连接高压直流母线正端，所有阀组串的高压直流端口的负极分别经隔离开关后并联，连接高压直流母线负端；所述双向直流变换器Ⅰ型阀组串的低压直流端口的正极与负极分别经隔离开关后，连接低压直流母线的正端和中性点；所述双向直流变换器Ⅱ型阀组串的低压直流端口的正极与负极分别经隔离开关后，连接低压直流母线的中性点和负端；
所述单个阀组串所连接的磁性元件为电抗器，交流端口的每一个出线端连接一个电抗器。
所述单个阀组串所连接的磁性元件为交流电变压器，一个交流端口连接一个交流变压器。
所述双向直流变换器的Ⅰ型和Ⅱ型阀组串均包含与交流端口数目相同的电压源型换流器，所有电压源型换流器采用交流-直流变换电路实现，交流-直流变换电路至少包含一个交流端口和一个直流端口。
所述双向直流变换器的Ⅰ型和Ⅱ型阀组串中，所有电压源型换流器的直流端口依次首尾串联，第一个电压源型换流器的直流端口正极和最后一个电压源型换流器的直流端口负极，构成一个阀组串的高压直流端口；所有电压源型换流器内部至少包含一个交流端口，所有交流端口即为该阀组串的交流端口。
在所述阀组串的所有电压源型换流器中，选取两个电压源型换流器直流端口的正极引出，作为该阀组串的低压直流端口；其中，电压高的正极作为低压直流端口的正端，电压低的正极作为低压直流端口的负端；对于Ⅰ型阀组串，选取的负端与高压侧直流母线中性点电位相等；对于Ⅱ型阀组串，选取的正端与高压侧直流母线中性点电位相等；
在所述阀组串的所有电压源型换流器中，选取两个电压源型换流器直流端口的负极引出，作为该阀组串的低压直流端口；其中，电压高的负极作为低压直流端口的正端，电压低的负极作为低压直流端口的负端；对于Ⅰ型阀组串，选取的负端与高压侧直流母线中性点电位相等；对于Ⅱ型阀组串，选取的正端与高压侧直流母线中性点电位相等；
所述阀组串的电压源型换流器，包含至少两组共四个两两串联的阀臂；每个阀臂由阀臂电抗和功率模组依次串联构成；每组上下串联的阀臂两端并联，构成电压源型换流器的直流端口；每组上下串联的阀臂中点引出，构成交流端口；
所述阀组串的电压源型换流器，其阀臂由阀臂电抗和功率模组依次串联构成；所有功率模组全部采用半桥加电容结构组成；
所述阀组串的电压源型换流器，其阀臂由阀臂电抗和功率模组依次串联构成；所有功率模组全部采用全桥加电容结构组成；
所述阀组串的电压源型换流器，其阀臂由阀臂电抗和功率模组依次串联构成；所有功率模组混合采用全桥加电容以及半桥加电容结构组成；
本发明相应提出了上述双极双向直流变换器的控制方法，其特征在于：
所述单个Ⅰ型阀组串采用如下控制方法：
实时检测该阀组串低压直流端口正极与低压直流端口负极的电位差，将该电位差与第一目标值比较，所述第一目标值为双向直流变换器低压直流端口正负端电压基准值的一半；
当检测值偏离第一目标值时，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口正极至高压直流端口正极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第一目标值；
实时检测该阀组串低压直流端口负极与高压直流端口负极的电位差，将该电位差与第二目标值比较，所述第二目标值为双向直流变换器高压直流端口正负端电压基准值的一半；
当检测值偏离第二目标值时，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口负极至高压直流端口负极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第二目标值。
所述单个Ⅱ型阀组串采用如下控制方法：
实时检测该阀组串低压直流端口正极与低压直流端口负极的电位差，将该电位差与第三目标值比较，所述第三目标值为双向直流变换器低压直流端口正负端电压基准值的一半；
当检测值偏离第三目标值时，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口负极至高压直流端口负极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第三目标值；
实时检测该阀组串低压直流端口负极与高压直流端口负极的电位差，将该电位差与第四目标值比较，所述第四目标值为双向直流变换器高压直流端口正负端电压基准值的一半；
当检测值偏离第四目标值时，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口正极至高压直流端口正极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第四目标值。
正常工作时，闭合所有阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关；
发生短时性故障时，采用如下控制方式：
当高压直流母线发生短时性故障时，调整所有阀组串中全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
当低压侧直流母线的正端对地或对中性点发生短时性故障时，调整所有Ⅰ型阀组串中低压直流端口之间电压源型换流器的全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
当低压侧直流母线的负端对地或对中性点发生短时性故障时，调整所有Ⅱ型阀组串中低压直流端口之间电压源型换流器的全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
发生永久性故障时，采用如下控制方式：
当低压侧直流母线的正端对地或对中性点发生永久性故障时，闭锁Ⅰ型阀组串，同时断开Ⅰ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关，以隔离上述故障；同时Ⅱ型阀组串工作状态保持不变，继续完成高压直流母线对低压直流母线负端和中性点的电能变换；
当低压侧直流母线的负端对地或对中性点发生永久性故障时，闭锁Ⅱ型阀组串，同时断开Ⅱ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关，以隔离上述故障；同时Ⅰ型阀组串工作状态保持不变，继续完成高压直流母线对低压直流母线正端和中性点的电能变换。
本发明同时提出了一种双极双向直流变换器的控制装置，所述控制装置用于控制单个Ⅰ型阀组串，包括第一检测单元、第一调节单元、第二检测单元、第二调节单元；其中
所述第一检测单元，实时检测该阀组串低压直流端口正极与低压直流端口负极的电位差，将该电位差与第一目标值比较，所述第一目标值为双向直流变换器低压直流端口正负端电压基准值的一半；当检测值偏离第一目标值时，使能第一调节单元；
所述第一调节单元，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口正极至高压直流端口正极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第一目标值；
所述第二检测单元，实时检测该阀组串低压直流端口负极与高压直流端口负极的电位差，将该电位差与第二目标值比较，所述第二目标值为双向直流变换器高压直流端口正负端电压基准值的一半；当检测值偏离第二目标值时，使能第二调节单元；
所述第二调节单元，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口负极至高压直流端口负极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第二目标值。
本发明同时提出了一种双极双向直流变换器的控制装置，所述控制装置用于控制单个Ⅱ型阀组串，包括第三检测单元、第三调节单元、第四检测单元、第四调节单元；其中
所述第三检测单元，实时检测该阀组串低压直流端口正极与低压直流端口负极的电位差，将该电位差与第三目标值比较，所述第三目标值为双向直流变换器低压直流端口正负端电压基准值的一半；当检测值偏离第三目标值时，使能第三调节单元；
所述第三调节单元，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口负极至高压直流端口负极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第三目标值；
所述第四检测单元，实时检测该阀组串低压直流端口负极与高压直流端口负极的电位差，将该电位差与第四目标值比较，所述第四目标值为双向直流变换器高压直流端口正负端电压基准值的一半；当检测值偏离第四目标值时，使能第四调节单元；
所述第四调节单元，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口正极至高压直流端口正极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第四目标值。
本发明同时提出了一种双极双向直流变换器的控制装置，所述控制装置包括正常工作单元，在所述双极双向直流变换器正常工作时控制闭合所有阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关。
上述控制装置还包括高压直流母线短时性故障处理单元、低压侧直流母线正端短时性故障处理单元、低压侧直流母线负端短时性故障处理单元；其中
所述高压直流母线短时性故障处理单元，当高压直流母线发生短时性故障时，调整所有阀组串中全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
所述低压侧直流母线正端短时性故障处理单元，当低压侧直流母线的正端对地或对中性点发生短时性故障时，调整所有Ⅰ型阀组串中低压直流端口之间电压源型换流器的全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
所述低压侧直流母线负端短时性故障处理单元，当低压侧直流母线的负端对地或对中性点发生短时性故障时，调整所有Ⅱ型阀组串中低压直流端口之间电压源型换流器的全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态。
上述控制装置还包括低压侧直流母线的正端永久故障处理单元、低压侧直流母线的负端永久故障处理单元，其中：
所述低压侧直流母线的正端永久故障处理单元，当低压侧直流母线的正端对地或对中性点发生永久性故障时，闭锁Ⅰ型阀组串，同时断开Ⅰ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关，以隔离上述故障；同时Ⅱ型阀组串工作状态保持不变，继续完成高压直流母线对低压直流母线负端和中性点的电能变换；
所述低压侧直流母线的负端永久故障处理单元，当低压侧直流母线的负端对地或对中性点发生永久性故障时，闭锁Ⅱ型阀组串，同时断开Ⅱ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关，以隔离上述故障；同时Ⅰ型阀组串工作状态保持不变，继续完成高压直流母线对低压直流母线正端和中性点的电能变换。
有益效果：
(1)相比现有应用中采用MMC背靠背结构的电路，用同样方式构建高压侧伪双极、低压侧真双极结构，根据本专利提出的方案，可以减少系统的阀组和变压器容量，降低系统设计成本。
(2)相比现有文献提出的AUTO-DC方案，根据本专利提出的方案，高压侧直流母线可以采用伪双极接线方式，同时，低压侧不存在正负端对地电压与高压侧对地电压相同，导致绝缘应力提高的问题。
(3)相比现有文献提出的优化AUTO-DC方案，根据本专利提出的方案，当低压侧直流母线有一极发生故障停运时，不影响另一极的正常运行，仍然可以实现高压直流母线至低压直流母线的电能变换，满足低压侧直流母线的真双极接线；
附图说明
图1为：本发明提出的一种双极双向直流变换器结构示意图
图2为：单个阀组串每个端口定义示意图
图3为：仅包含两个阀组串且每个阀组串仅包含三个VSC的双向直流变换器结构示意图
图4为：单个电压源型换流器结构示意图
图5为：半桥加电容功率模组
图6为：全桥加电容功率模组
图7为：Ⅰ型阀组串的控制策略示意图
图8为：Ⅱ型阀组串的控制策略示意图
具体实施方式
本发明提供一种双极双向直流变换器及其控制方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合附图对本发明进行详细说明。
应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
所述双向直流变换器由至少两个阀组串和六个磁性元件构成；每个阀组串均有一个高压直流端口，一个低压直流端口和至少三个交流端口；所有阀组串的高压直流端口的正极并联，构成所述双向直流变换器高压侧端口的正极；所有阀组串的高压直流端口的负极并联，构成所述双向直流变换器高压侧端口的负极；所有阀组串中，每个交流端口与一个磁性元件连接，单个阀组串内的所有交流端口所连接磁性元件的另一端并联；根据所述阀组串和双向直流变换器低压侧端口的连接关系将阀组串分为Ⅰ型阀组串和Ⅱ型阀组串；Ⅰ型阀组串的低压直流端口的正极构成所述双向直流变换器低压侧端口的正极，其负端构成所述双向直流变换器低压侧端口的中性点；Ⅱ型阀组串的低压直流端口的正极构成所述双向直流变换器低压侧端口的中性点，其负端构成所述双向直流变换器低压侧端口的负极；Ⅰ型阀组串和Ⅱ型阀组串构成的双向直流变换器低压侧端口的中性点为同一点。如图1所示，组件101是Ⅰ型阀组串，组件102是Ⅱ型阀组串，组件103是磁性元件。阀组串的定义如图2所示，图2中，组件201为参考图1示意了一个阀组串的组成，包括高压直流端口，低压直流端口和至少三个交流端口。
所述双向直流变换器所有阀组串的高压直流端口的正极分别经隔离开关后并联，连接高压直流母线正端，所有阀组串的高压直流端口的负极分别经隔离开关后并联，连接高压直流母线负端；所述双向直流变换器Ⅰ型阀组串的低压直流端口的正极与负极分别经隔离开关后，连接低压直流母线的正端和中性点；所述双向直流变换器Ⅱ型阀组串的低压直流端口的正极与负极分别经隔离开关后，连接低压直流母线的中性点和负端；如图1所示，组件104～组件111是表示隔离开关或全控型开关。其中，组件104～组件107是阀组串高压侧端口连接的隔离开关或全控型开关，组件108～组件111是阀组串低压侧端口连接的隔离开关或全控型开关。
所述单个阀组串所连接的磁性元件为电抗器，交流端口的每一个出线端连接一个电抗器。
所述单个阀组串所连接的磁性元件为交流电变压器，一个交流端口连接一个交流变压器。
如图2所示，组件202是电抗器，组件203是交流变压器。
所述双向直流变换器的Ⅰ型和Ⅱ型阀组串均包含与交流端口数目相同的电压源型换流器，所有电压源型换流器采用交流-直流变换电路实现，交流-直流变换电路至少包含一个交流端口和一个直流端口。
所述双向直流变换器的Ⅰ型和Ⅱ型阀组串中，所有电压源型换流器的直流端口依次首尾串联，第一个电压源型换流器的直流端口正极和最后一个电压源型换流器的直流端口负极，构成一个阀组串的高压直流端口；所有电压源型换流器内部至少包含一个交流端口，所有交流端口即为该阀组串的交流端口。
为简化表示，电压源型换流器亦称为VSC，如图3所示，示意了一个只有两个阀组串且每个阀组串只有三个电压源型换流器的双向直流变换器；图中，组件301-306表示两个阀组串的电压源型换流器，即VSC1-VSC6；其中，VSC1、VSC2和VSC3串联构成Ⅱ型阀组串，VSC4、VSC5和VSC6串联构成Ⅰ型阀组串；组件307表示交流变压器。
在所述阀组串的所有电压源型换流器中，选取两个电压源型换流器直流端口的正极引出，作为该阀组串的低压直流端口；其中，电压高的正极作为低压直流端口的正端，电压低的正极作为低压直流端口的负端；对于Ⅰ型阀组串，选取的负端与高压侧直流母线中性点电位相等；对于Ⅱ型阀组串，选取的正端与高压侧直流母线中性点电位相等；如图3所示。
在所述阀组串的所有电压源型换流器中，选取两个电压源型换流器直流端口的负极引出，作为该阀组串的低压直流端口；其中，电压高的负极作为低压直流端口的正端，电压低的负极作为低压直流端口的负端；对于Ⅰ型阀组串，选取的负端与高压侧直流母线中性点电位相等；对于Ⅱ型阀组串，选取的正端与高压侧直流母线中性点电位相等；如图3所示。
所述阀组串的电压源型换流器，包含至少两组共四个两两串联的阀臂；每个阀臂由阀臂电抗和功率模组依次串联构成；每组上下串联的阀臂两端并联，构成电压源型换流器的直流端口；每组上下串联的阀臂中点引出，构成交流端口；
如图4所示，详细绘制了一个阀组串中电压源形换流器的结构示意图。图中，组件401表示阀臂电抗，402表示功率模组。一个阀臂电抗与数个功率模组串联，构成一个阀臂。图4中，采用六个阀臂构成一个电压源型换流器，即MMC结构，所有上下两个阀臂的连接点引出，可以输出三相交流电；若去掉任意一对阀臂，则该电压源形换流器可以输出单相交流电。
所述阀组串电压源型换流器，其阀臂由阀臂电抗和功率模组依次串联构成；所有功率模组全部采用半桥加电容结构组成；
所述阀组串的电压源型换流器，其阀臂由阀臂电抗和功率模组依次串联构成；所有功率模组全部采用全桥加电容结构组成；
所述阀组串的电压源型换流器，其阀臂由阀臂电抗和功率模组依次串联构成；所有功率模组混合采用全桥加电容以及半桥加电容结构组成；
如图5所示，为半桥加电容结构的功率模组，图中Q1和Q2表示半桥电路两个全控型开关器件；如图6所示，为全桥加电容结构的功率模组，图中Q1、Q2、Q3和Q4表示全桥电路四个全控型开关器件；。
一种双极双向直流变换器的控制方法，其特征在于：
所述单个Ⅰ型阀组串采用如下控制方法：
实时检测该阀组串低压直流端口正极与低压直流端口负极的电位差，将该电位差与第一目标值比较，所述第一目标值为双向直流变换器低压直流端口正负端电压基准值的一半；
当检测值偏离第一目标值时，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口正极至高压直流端口正极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第一目标值；
实时检测该阀组串低压直流端口负极与高压直流端口负极的电位差，将该电位差与第二目标值比较，所述第二目标值为双向直流变换器高压直流端口正负端电压基准值的一半；
当检测值偏离第二目标值时，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口负极至高压直流端口负极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第二目标值；
如图7所示，以图3所示电路为例，展示了采用上述控制策略的控制结构示意图。所述单个Ⅱ型阀组串采用如下控制方法：
实时检测该阀组串低压直流端口正极与低压直流端口负极的电位差，将该电位差与第三目标值比较，所述第三目标值为双向直流变换器低压直流端口正负端电压基准值的一半；
当检测值偏离第三目标值时，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口负极至高压直流端口负极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第三目标值；
实时检测该阀组串低压直流端口负极与高压直流端口负极的电位差，将该电位差与第四目标值比较，所述第四目标值为双向直流变换器高压直流端口正负端电压基准值的一半；
当检测值偏离第四目标值时，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口正极至高压直流端口正极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第四目标值；
如图8所示，以图3所示电路为例，展示了采用上述控制策略的控制结构示意图。一种双极双向直流变换器的控制方法，其特征在于：
正常工作时，闭合所有阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关；
发生短时性故障时，采用如下控制方式：
当高压直流母线发生短时性故障时，调整所有阀组串中全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
当低压侧直流母线的正端对地或对中性点发生短时性故障时，调整所有Ⅰ型阀组串中低压直流端口之间电压源型换流器的全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
当低压侧直流母线的负端对地或对中性点发生短时性故障时，调整所有Ⅱ型阀组串中低压直流端口之间电压源型换流器的全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
如图6所示，正常工作时，开通Q1、Q4关断Q2、Q3投入全桥功率模组，开通Q1、Q3关断Q2、Q4，或者开通Q2、Q4关断Q1、Q3退出全桥功率模组；当发生短时性故障时，通过开通Q1、Q4关断Q2、Q3和开通Q2、Q3关断Q1、Q4的高频切换，控制全桥输出电流，即控制故障电流的大小，待故障恢复后，回倒前述正常工作状态。
发生永久性故障时，采用如下控制方式：
当低压侧直流母线的正端对地或对中性点发生永久性故障时，闭锁Ⅰ型阀组串，同时断开Ⅰ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关，以隔离上述故障；同时Ⅱ型阀组串工作状态保持不变，继续完成高压直流母线对低压直流母线负端和中性点的电能变换；
当低压侧直流母线的负端对地或对中性点发生永久性故障时，闭锁Ⅱ型阀组串，同时断开Ⅱ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关，以隔离上述故障；同时Ⅰ型阀组串工作状态保持不变，继续完成高压直流母线对低压直流母线正端和中性点的电能变换。
如图1所示，断开组件104、105、108和109所示开关，可以隔离Ⅰ型阀组串；断开组件106、107、110和111所示开关，可以隔离Ⅱ型阀组串。
本发明同时提出了双极双向直流变换器的控制装置，所述控制装置用于控制单个Ⅰ型阀组串，包括第一检测单元、第一调节单元、第二检测单元、第二调节单元；其中
所述第一检测单元，实时检测该阀组串低压直流端口正极与低压直流端口负极的电位差，将该电位差与第一目标值比较，所述第一目标值为双向直流变换器低压直流端口正负端电压基准值的一半；当检测值偏离第一目标值时，使能第一调节单元；
所述第一调节单元，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口正极至高压直流端口正极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第一目标值；
所述第二检测单元，实时检测该阀组串低压直流端口负极与高压直流端口负极的电位差，将该电位差与第二目标值比较，所述第二目标值为双向直流变换器高压直流端口正负端电压基准值的一半；当检测值偏离第二目标值时，使能第二调节单元；
所述第二调节单元，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口负极至高压直流端口负极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第二目标值。
本发明同时提出了一种双极双向直流变换器的控制装置，所述控制装置用于控制单个Ⅱ型阀组串，包括第三检测单元、第三调节单元、第四检测单元、第四调节单元；其中
所述第三检测单元，实时检测该阀组串低压直流端口正极与低压直流端口负极的电位差，将该电位差与第三目标值比较，所述第三目标值为双向直流变换器低压直流端口正负端电压基准值的一半；当检测值偏离第三目标值时，使能第三调节单元；
所述第三调节单元，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口负极至高压直流端口负极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第三目标值；
所述第四检测单元，实时检测该阀组串低压直流端口负极与高压直流端口负极的电位差，将该电位差与第四目标值比较，所述第四目标值为双向直流变换器高压直流端口正负端电压基准值的一半；当检测值偏离第四目标值时，使能第四调节单元；
所述第四调节单元，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口正极至高压直流端口正极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第四目标值。
本发明同时提出了一种双极双向直流变换器的控制装置，所述控制装置包括正常工作单元，在所述双极双向直流变换器正常工作时控制闭合所有阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关。
上述控制装置还包括高压直流母线短时性故障处理单元、低压侧直流母线正端短时性故障处理单元、低压侧直流母线负端短时性故障处理单元；其中
所述高压直流母线短时性故障处理单元，当高压直流母线发生短时性故障时，调整所有阀组串中全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
所述低压侧直流母线正端短时性故障处理单元，当低压侧直流母线的正端对地或对中性点发生短时性故障时，调整所有Ⅰ型阀组串中低压直流端口之间电压源型换流器的全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
所述低压侧直流母线负端短时性故障处理单元，当低压侧直流母线的负端对地或对中性点发生短时性故障时，调整所有Ⅱ型阀组串中低压直流端口之间电压源型换流器的全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态。
上述控制装置还包括低压侧直流母线的正端永久故障处理单元、低压侧直流母线的负端永久故障处理单元，其中：
所述低压侧直流母线的正端永久故障处理单元，当低压侧直流母线的正端对地或对中性点发生永久性故障时，闭锁Ⅰ型阀组串，同时断开Ⅰ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关，以隔离上述故障；同时Ⅱ型阀组串工作状态保持不变，继续完成高压直流母线对低压直流母线负端和中性点的电能变换；
所述低压侧直流母线的负端永久故障处理单元，当低压侧直流母线的负端对地或对中性点发生永久性故障时，闭锁Ⅱ型阀组串，同时断开Ⅱ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关，以隔离上述故障；同时Ⅰ型阀组串工作状态保持不变，继续完成高压直流母线对低压直流母线正端和中性点的电能变换。
为定量说明本专利的调节原理，以图3所示电路为例，介绍定量参数确定方法。假设高压侧电压等级为±E1伪双极，即高压侧端口正负端电压为2E1，低压侧电压等级为±E2真双极，即低压侧端口正负端电压为2E2，满足E1>E2，设n＝E1/E2，则n>1。假设该双向直流变换器的额定功率为P，即高压侧端口出入功率为P，而低压侧两极每极输出功率为P/2。
根据电压等级划分，需设计VSC1和VSC6的直流端口额定电压相等，均为E1；并设计VSC2和VSC5的直流端口额定电压相等均为E2，所以VSC3和VSC4的额定电压为E2-E1。
由KCL定律可知，VSC1、VSC2和VSC3，以及VSC4、VSC5和VSC6分别串联，所以直流端口的电流相等，因此VSC1和VSC6的额定功率为P/4；根据n＝E1/E2，可以推导出VSC3和VSC4的额定设计功率为(n-1)/n*(P/4)，VSC1和VSC6以及VSC3和VSC4的交流端口功率将分别经过交流变压器传递至VSC2和VSC5，因此，VSC2和VSC5的额定功率为(2n-1)/n*(P/4)。
在已知各VSC的额定功率、直流端口电压后，可以参考现有基于MMC结构电压源型换流器的设计方法设计VSC本体。
各VSC连接的交流变压器额定有功与其对应VSC额定功率相同，变压器电压可根据VSC交流至直流的变压调制比来确定。
至此可根据本专利设计一个实际应用于高压侧为伪双极接线，低压侧为真双极接线的双向直流变换器。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (22)

1.一种双极双向直流变换器，其特征在于：
所述双极双向直流变换器由至少两个阀组串和六个磁性元件构成；每个阀组串均有一个高压直流端口，一个低压直流端口和至少三个交流端口；所有阀组串的高压直流端口的正极并联，构成所述双极双向直流变换器高压侧端口的正极；所有阀组串的高压直流端口的负极并联，构成所述双极双向直流变换器高压侧端口的负极；所有阀组串中，每个交流端口与一个磁性元件连接，单个阀组串内的所有交流端口所连接磁性元件的另一端并联；根据所述阀组串和双向直流变换器低压侧端口的连接关系将阀组串分为Ⅰ型阀组串和Ⅱ型阀组串；所述Ⅰ型阀组串的低压直流端口的正极构成所述双极双向直流变换器低压侧端口的正极，其负端构成所述双极双向直流变换器低压侧端口的中性点；所述Ⅱ型阀组串的低压直流端口的正极构成所述双极双向直流变换器低压侧端口的中性点，其负端构成所述双极双向直流变换器低压侧端口的负极；Ⅰ型阀组串和Ⅱ型阀组串构成的双向直流变换器低压侧端口的中性点为同一点。
2.如权利要求1所述的一种双极双向直流变换器，其特征在于：
所述双极双向直流变换器所有阀组串的高压直流端口的正极分别经隔离开关后并联，连接高压直流母线正端，所有阀组串的高压直流端口的负极分别经隔离开关后并联，连接高压直流母线负端；所述双极双向直流变换器Ⅰ型阀组串的低压直流端口的正极经隔离开关后连接低压直流母线的正端，所述双极双向直流变换器Ⅰ型阀组串的低压直流端口的负极经隔离开关后连接低压直流母线的中性点；所述双极双向直流变换器Ⅱ型阀组串的低压直流端口的正极经隔离开关后连接低压直流母线的中性点，所述双极双向直流变换器Ⅱ型阀组串的低压直流端口的负极经隔离开关后连接低压直流母线的负端。
3.如权利要求1所述的一种双极双向直流变换器，其特征在于：
所述单个阀组串所连接的磁性元件为电抗器，交流端口的每一个出线端连接一个电抗器。
4.如权利要求1所述的一种双极双向直流变换器，其特征在于：
所述单个阀组串所连接的磁性元件为交流电变压器，一个交流端口连接一个交流变压器。
5.如权利要求1所述的一种双极双向直流变换器，其特征在于：
所述双极双向直流变换器的Ⅰ型和Ⅱ型阀组串均包含与交流端口数目相同的电压源型换流器，所有电压源型换流器采用交流-直流变换电路实现，交流-直流变换电路至少包含一个交流端口和一个直流端口。
6.如权利要求5所述的一种双极双向直流变换器，其特征在于：
所述双极双向直流变换器的Ⅰ型和Ⅱ型阀组串中，所有电压源型换流器的直流端口依次首尾串联，第一个电压源型换流器的直流端口正极和最后一个电压源型换流器的直流端口负极，构成一个阀组串的高压直流端口；所有电压源型换流器内部至少包含一个交流端口，所有交流端口即为Ⅰ型和Ⅱ型阀组串的交流端口。
7.如权利要求5所述的一种双极双向直流变换器，其特征在于：
在所述Ⅰ型和Ⅱ型阀组串的所有电压源型换流器中，选取两个电压源型换流器直流端口的正极引出，作为该阀组串的低压直流端口；其中，电压高的正极作为低压直流端口的正端，电压低的正极作为低压直流端口的负端；对于Ⅰ型阀组串，选取的负端与高压侧直流母线中性点电位相等；对于Ⅱ型阀组串，选取的正端与高压侧直流母线中性点电位相等。
8.如权利要求5所述的一种双极双向直流变换器，其特征在于：
在所述Ⅰ型和Ⅱ型阀组串的所有电压源型换流器中，选取两个电压源型换流器直流端口的负极引出，作为该阀组串的低压直流端口；其中，电压高的负极作为低压直流端口的正端，电压低的负极作为低压直流端口的负端；对于Ⅰ型阀组串，选取的负端与高压侧直流母线中性点电位相等；对于Ⅱ型阀组串，选取的正端与高压侧直流母线中性点电位相等。
9.如权利要求5所述的一种双极双向直流变换器，其特征在于：
所述Ⅰ型和Ⅱ型阀组串的电压源型换流器，包含至少两组共四个两两串联的阀臂；每个阀臂由阀臂电抗和功率模组依次串联构成；每组上下串联的阀臂两端并联，构成电压源型换流器的直流端口；每组上下串联的阀臂中点引出，构成交流端口。
10.如权利要求9所述的一种双极双向直流变换器，其特征在于：
所述Ⅰ型和Ⅱ型阀组串的电压源型换流器，其阀臂由阀臂电抗和功率模组依次串联构成；所有功率模组全部采用半桥加电容结构组成。
11.如权利要求9所述的一种双极双向直流变换器，其特征在于：
所述Ⅰ型和Ⅱ型阀组串的电压源型换流器，其阀臂由阀臂电抗和功率模组依次串联构成；所有功率模组全部采用全桥加电容结构组成。
12.如权利要求9所述的一种双极双向直流变换器，其特征在于：
所述Ⅰ型和Ⅱ型阀组串的电压源型换流器，其阀臂由阀臂电抗和功率模组依次串联构成；所有功率模组混合采用全桥加电容以及半桥加电容结构组成。
13.如权利要求1至12任一项所述的一种双极双向直流变换器的控制方法，其特征在于：
所述Ⅰ型阀组串采用如下控制方法：
实时检测该阀组串低压直流端口正极与低压直流端口负极的电位差，将该电位差与第一目标值比较，所述第一目标值为双向直流变换器低压直流端口正负端电压基准值的一半；
当检测值偏离第一目标值时，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口正极至高压直流端口正极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第一目标值；
实时检测该阀组串低压直流端口负极与高压直流端口负极的电位差，将该电位差与第二目标值比较，所述第二目标值为双向直流变换器高压直流端口正负端电压基准值的一半；
当检测值偏离第二目标值时，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口负极至高压直流端口负极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第二目标值。
14.如权利要求1至12任一项所述的一种双极双向直流变换器的控制方法，其特征在于：
所述Ⅱ型阀组串采用如下控制方法：
实时检测该阀组串低压直流端口正极与低压直流端口负极的电位差，将该电位差与第三目标值比较，所述第三目标值为双向直流变换器低压直流端口正负端电压基准值的一半；
当检测值偏离第三目标值时，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口负极至高压直流端口负极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第三目标值；
实时检测该阀组串低压直流端口负极与高压直流端口负极的电位差，将该电位差与第四目标值比较，所述第四目标值为双向直流变换器高压直流端口正负端电压基准值的一半；
当检测值偏离第四目标值时，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口正极至高压直流端口正极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第四目标值。
15.如权利要求1至12任一项所述的一种双极双向直流变换器的控制方法，其特征在于：
正常工作时，闭合所有Ⅰ型和Ⅱ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关。
16.如权利要求15所述的一种双极双向直流变换器的控制方法，其特征在于：
发生短时性故障时，采用如下控制方式：
当高压直流母线发生短时性故障时，调整所有Ⅰ型和Ⅱ型阀组串中全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
当低压侧直流母线的正端对地或对中性点发生短时性故障时，调整所有Ⅰ型阀组串中低压直流端口之间电压源型换流器的全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
当低压侧直流母线的负端对地或对中性点发生短时性故障时，调整所有Ⅱ型阀组串中低压直流端口之间电压源型换流器的全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态。
17.如权利要求15所述的一种双极双向直流变换器的控制方法，其特征在于：
发生永久性故障时，采用如下控制方式：
当低压侧直流母线的正端对地或对中性点发生永久性故障时，闭锁Ⅰ型阀组串，同时断开Ⅰ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关，以隔离上述故障；同时Ⅱ型阀组串工作状态保持不变，继续完成高压直流母线对低压直流母线负端和中性点的电能变换；
当低压侧直流母线的负端对地或对中性点发生永久性故障时，闭锁Ⅱ型阀组串，同时断开Ⅱ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关，以隔离上述故障；同时Ⅰ型阀组串工作状态保持不变，继续完成高压直流母线对低压直流母线正端和中性点的电能变换。
18.如权利要求1至12任一项所述的一种双极双向直流变换器的控制装置，其特征在于：
所述控制装置用于控制单个Ⅰ型阀组串，包括第一检测单元、第一调节单元、第二检测单元、第二调节单元；其中
所述第一检测单元，实时检测该阀组串低压直流端口正极与低压直流端口负极的电位差，将该电位差与第一目标值比较，所述第一目标值为双向直流变换器低压直流端口正负端电压基准值的一半；当检测值偏离第一目标值时，使能第一调节单元；
所述第一调节单元，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口正极至高压直流端口正极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第一目标值；
所述第二检测单元，实时检测该阀组串低压直流端口负极与高压直流端口负极的电位差，将该电位差与第二目标值比较，所述第二目标值为双向直流变换器高压直流端口正负端电压基准值的一半；当检测值偏离第二目标值时，使能第二调节单元；
所述第二调节单元，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口负极至高压直流端口负极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第二目标值。
19.如权利要求1至12任一项所述的一种双极双向直流变换器的控制装置，其特征在于：
所述控制装置用于控制单个Ⅱ型阀组串，包括第三检测单元、第三调节单元、第四检测单元、第四调节单元；其中
所述第三检测单元，实时检测该阀组串低压直流端口正极与低压直流端口负极的电位差，将该电位差与第三目标值比较，所述第三目标值为双向直流变换器低压直流端口正负端电压基准值的一半；当检测值偏离第三目标值时，使能第三调节单元；
所述第三调节单元，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口负极至高压直流端口负极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第三目标值；
所述第四检测单元，实时检测该阀组串低压直流端口负极与高压直流端口负极的电位差，将该电位差与第四目标值比较，所述第四目标值为双向直流变换器高压直流端口正负端电压基准值的一半；当检测值偏离第四目标值时，使能第四调节单元；
所述第四调节单元，调节该阀组串低压直流端口正极至低压直流端口负极之间电压源型换流器与该阀组串低压直流端口正极至高压直流端口正极之间电压源型换流器，经交流变压器传递的功率，使检测值调节至第四目标值。
20.如权利要求1至12任一项所述的一种双极双向直流变换器的控制装置，其特征在于：
所述控制装置包括正常工作单元，在所述双极双向直流变换器正常工作时控制闭合所有Ⅰ型和Ⅱ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关。
21.如权利要求20所述的一种双极双向直流变换器的控制装置，其特征在于：
所述控制装置还包括高压直流母线短时性故障处理单元、低压侧直流母线正端短时性故障处理单元、低压侧直流母线负端短时性故障处理单元；其中
所述高压直流母线短时性故障处理单元，当高压直流母线发生短时性故障时，调整所有Ⅰ型和Ⅱ型阀组串中全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
所述低压侧直流母线正端短时性故障处理单元，当低压侧直流母线的正端对地或对中性点发生短时性故障时，调整所有Ⅰ型阀组串中低压直流端口之间电压源型换流器的全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态；
所述低压侧直流母线负端短时性故障处理单元，当低压侧直流母线的负端对地或对中性点发生短时性故障时，调整所有Ⅱ型阀组串中低压直流端口之间电压源型换流器的全桥加电容结构组成的功率模组的开关状态，待故障恢复后，复原上述模组的开关状态。
22.如权利要求20所述的一种双极双向直流变换器的控制装置，其特征在于：
所述控制装置还包括低压侧直流母线的正端永久故障处理单元、低压侧直流母线的负端永久故障处理单元，其中：
所述低压侧直流母线的正端永久故障处理单元，当低压侧直流母线的正端对地或对中性点发生永久性故障时，闭锁Ⅰ型阀组串，同时断开Ⅰ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关，以隔离上述故障；同时Ⅱ型阀组串工作状态保持不变，继续完成高压直流母线对低压直流母线负端和中性点的电能变换；
所述低压侧直流母线的负端永久故障处理单元，当低压侧直流母线的负端对地或对中性点发生永久性故障时，闭锁Ⅱ型阀组串，同时断开Ⅱ型阀组串高压直流端口和低压直流端口正极与负极所连接的隔离开关或全控型开关，以隔离上述故障；同时Ⅰ型阀组串工作状态保持不变，继续完成高压直流母线对低压直流母线正端和中性点的电能变换。
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