一種多端口直流-直流自耦變壓器及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多端口直流-直流自耦變壓器，用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)電壓等級(jí)不同的直流系統(tǒng)之間的互聯(lián)傳輸，該自耦變壓器包括2N-1個(gè)換流器，該2N-1個(gè)換流器在直流側(cè)依次串聯(lián)連接，并在交流側(cè)連接到交流線路，且所述依次串聯(lián)的所述2N-1個(gè)換流器中的第i個(gè)換流器的正極和第2N-i換流器的負(fù)極分別與第i個(gè)直流系統(tǒng)的正負(fù)極對(duì)應(yīng)連接；其中，N為直流系統(tǒng)的個(gè)數(shù)，i為換流器的序號(hào)。本發(fā)明還公開了上述自耦變壓器中換流器的容量設(shè)計(jì)方法以及上述自耦變壓器的控制方法。本發(fā)明可以使得各直流系統(tǒng)之間傳輸?shù)拇蟛糠止β士梢詿o需經(jīng)過直流-交流-直流變換，而是直接經(jīng)過各直流系統(tǒng)之間的電氣互聯(lián)進(jìn)行傳輸，大大降低各換流器的額定電壓和運(yùn)行損耗，從而降低運(yùn)行成本。
【專利說明】—種多端口直流-直流自耦變壓器及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)柔性輸配電【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種直流-直流變換器，適用于互聯(lián)多個(gè)電壓等級(jí)不同的直流系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著越來越多的風(fēng)力發(fā)電，太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電接入電網(wǎng)以及直流輸電技術(shù)的發(fā)展，將多條直流輸電線路互聯(lián)構(gòu)成多端直流輸電系統(tǒng)以及直流系統(tǒng)從而解決大規(guī)模新能源發(fā)電的接入問題成為工業(yè)界廣泛關(guān)注的技術(shù)方案。為了形成直流系統(tǒng)，各個(gè)區(qū)域直流系統(tǒng)的互聯(lián)是一個(gè)亟待解決的問題。由于各個(gè)區(qū)域直流系統(tǒng)功能不同，所采用的技術(shù)不同，所建設(shè)的年代不同，各個(gè)區(qū)域直流系統(tǒng)的額定直流電壓不會(huì)完全一致。為了互聯(lián)多個(gè)(大于等于3個(gè))不同額定直流電壓的直流系統(tǒng)，需要采用直流-直流變換器。在配電網(wǎng)層面，直流微網(wǎng)也是目前的技術(shù)熱點(diǎn)之一，互聯(lián)多個(gè)不同額定直流電壓的直流微網(wǎng)也需要用到直流-直流變換器。
[0003]一種互聯(lián)多個(gè)不同電壓等級(jí)直流系統(tǒng)的方案是利用多個(gè)兩端口直流-直流變換器將不同電壓等級(jí)的直流系統(tǒng)兩兩互聯(lián)在一起。但這種方案需要較多的兩端口直流-直流變換器，成本高，損耗大。另一種方案是采用多端口直流-直流變換器技術(shù)。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中存在一種采用電感-電容-電感(LCL)電路的多端口直流-直流變換技術(shù)，該方案中，每個(gè)直流系統(tǒng)直流側(cè)與各自的換流器直流側(cè)連接在一起，每個(gè)換流器的交流側(cè)經(jīng)電感-電容(LC)電路連接到交流公共母線上。該方案中，每個(gè)LC電路的電感和電容的取值經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)從而能確保不同電壓等級(jí)的直流系統(tǒng)不需要變壓器也能直接互聯(lián)在一起。
[0005]Sixifo Falcones 等人的 “A dc-dc multiport-converter-based solid-statetransformer integrating distributed generation and storage，， (IEEE Transactionson Power Electronics, 2013, 28 (5)，2192?2203)披露了一種采用多端口高頻變壓器的多端口直流-直流變換技術(shù)，其技術(shù)細(xì)節(jié)為每個(gè)直流系統(tǒng)經(jīng)電壓源型換流器在交流側(cè)與多端口交流變壓器的某個(gè)端口連接在一起，多端口交流變壓器用于匹配各電壓源型換流器的不同輸出交流電壓從而達(dá)到互聯(lián)不同電壓等級(jí)直流系統(tǒng)的目的。
[0006]上述采用LCL電路的多端口直流-直流變換技術(shù)以及采用多端口高頻變壓器的多端口直流-直流變換技術(shù)的一個(gè)顯著共同點(diǎn)是各互聯(lián)的直流系統(tǒng)直流側(cè)沒有直接的互聯(lián)，為此多端口直流-直流變換技術(shù)沒有充分利用各個(gè)直流系統(tǒng)已經(jīng)存在的直流電壓，所有傳輸?shù)墓β识家?jīng)過直流-交流-直流變換，所需要的換流器總?cè)萘繛榛ヂ?lián)容量的兩倍，帶來換流器成本高，交流鏈路成本高，運(yùn)行損耗大的缺陷。
[0007]本申請(qǐng)的發(fā)明人在先申請(qǐng)的發(fā)明專利CN201410024869.X中提出了一種立體式直流-直流變換器技術(shù)，該技術(shù)通過將三個(gè)換流器串聯(lián)，能充分利用低電壓直流系統(tǒng)已經(jīng)存在的直流電壓從而可以極大地降低所使用的總的換流器，降低交流鏈路成本，降低運(yùn)行損耗，[0008]但201410024869X中的方案只能連接兩個(gè)電壓等級(jí)不同的直流系統(tǒng)，其并沒有提出相應(yīng)的方案以連接3個(gè)及3個(gè)以上的電壓等級(jí)不同的直流系統(tǒng)，也沒有指明如何設(shè)計(jì)含3個(gè)以上換流器的立體式直流-直流變換器中各個(gè)換流器的額定電壓和額定功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了改進(jìn)上述傳統(tǒng)多端口直流-直流變換器存在的缺點(diǎn)，降低多端口直流-直流變換器總的變流容量從而降低成本，降低損耗，本提供了一種多端口直流-直流自耦變壓器，其充分利用了各直流系統(tǒng)已經(jīng)存在的直流電壓，在直流側(cè)對(duì)各直流系統(tǒng)進(jìn)行一定程度的直接電氣互聯(lián)，使得各直流系統(tǒng)之間傳輸?shù)拇蟛糠止β士梢詿o需經(jīng)過直流-交流-直流變換，而是直接經(jīng)過各直流系統(tǒng)之間的電氣互聯(lián)進(jìn)行傳輸。
[0010]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，采用的具體技術(shù)方案如下:
[0011]一種多端口直流-直流自耦變壓器，用于實(shí)現(xiàn)N個(gè)直流系統(tǒng)之間的互聯(lián)傳輸(N ^ 3)，其特征在于，該直流-直流自耦變壓器由2N-1個(gè)換流器在直流側(cè)依次串聯(lián)，在交流側(cè)并聯(lián)連接到一點(diǎn)，其中，
[0012]所述第I換流器的負(fù)極與第2換流器的正極相連接，第2換流器的負(fù)極與第3換流器的正極相連接，依次類推，第j換流器的正極與第j-ι換流器的負(fù)極相連接，第j換流器的負(fù)極與第j+Ι換流器的正極相連接，第2N-1換流器的正極與第2N-2換流器的負(fù)極相連接，j為介于2和2N-2之間的任意正整數(shù)；
[0013]完成上述各換流器的直流側(cè)依`次串聯(lián)后，第I換流器的正極和第2N-1換流器的負(fù)極分別與第I直流系統(tǒng)的正負(fù)極對(duì)應(yīng)連接，第I換流器的正極和第2N-2換流器的負(fù)極分別與第2直流系統(tǒng)的正負(fù)極對(duì)應(yīng)連接，依次類推，第i換流器的正極和第2N-1換流器的負(fù)極分別與第i直流系統(tǒng)的正負(fù)極對(duì)應(yīng)連接，第N換流器的正負(fù)極分別和第N直流系統(tǒng)的正負(fù)極對(duì)應(yīng)連接；
[0014]完成上述各換流器的直流側(cè)與各直流系統(tǒng)對(duì)應(yīng)連接后，各換流器的交流側(cè)經(jīng)過一定的交流鏈路連接在一公共點(diǎn)，本發(fā)明記此交流公共點(diǎn)為公共交流母線。
[0015]更進(jìn)一步地，當(dāng)交流鏈路采用交流變壓器時(shí)，所述第I換流器~第N-1換流器以及第N+1換流器至第2N-1換流器的交流變壓器靠近直流側(cè)的端口采用三角形接線方式，以消除這些換流器的中性點(diǎn)不平衡問題，所述第N換流器的變壓器靠近直流側(cè)的端口以及所有換流器靠近公共交流母線側(cè)可以采用星形或三角形接線。
[0016]更進(jìn)一步地，所述第I~第N-1換流器以及第N+1~第2N-1換流器的交流變壓器靠近公共交流母線側(cè)的端口采用三角形接線方式，以消除這些換流器的中性點(diǎn)不平衡問題，所述第N換流器的變壓器靠近交流公共母線側(cè)的端口以及所有2N-1個(gè)換流器靠近直側(cè)的端口可以采用星形或三角形接線。
[0017]更進(jìn)一步地，所述2N-1個(gè)換流器中至少一個(gè)換流器用于控制交流公共母線的交流電壓而其他換流器則用于控制各自的有功功率，從而實(shí)現(xiàn)多端口直流-直流自耦變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。
[0018]更進(jìn)一步地，所述第I~第N-1換流器以及第N+1~第2N-1換流器通過相電抗連接到交流母線，每相相電抗采用三角接線方式以消除這些換流器的中性點(diǎn)不平衡。
[0019]更進(jìn)一步地，所述任意第I直流系統(tǒng)~第N直流系統(tǒng)是一個(gè)或多個(gè)交流系統(tǒng)經(jīng)過交流/直流變換后在直流側(cè)互聯(lián)構(gòu)成的。
[0020]更進(jìn)一步地，所述任意第I直流系統(tǒng)~第N直流系統(tǒng)是一個(gè)或多個(gè)交流系統(tǒng)經(jīng)過交流/直流變換后與本身即輸出直流電的直流系統(tǒng)在直流側(cè)互聯(lián)而形成的。
[0021]更進(jìn)一步地，所述交流公共母線與外部交流電網(wǎng)還有互聯(lián)。
[0022]更進(jìn)一步地，所述任意第I換流器~第2N-1換流器的交流側(cè)不與公共交流母線連接，而是可以連接到相同或不同的交流電網(wǎng)上。
[0023]更進(jìn)一步地，當(dāng)交流公共母線不再與外部交流電網(wǎng)連接時(shí)，
[0024]所述第I換流器和第2N-1換流器的額定直流電壓設(shè)計(jì)為(E1-E2)/2，第2換流器和第2N-2換流器的額定直流電壓設(shè)計(jì)為(E2-E3)/2，依次類推，第i換流器和第2N-1換流器的額定直流電壓設(shè)計(jì)為(E1-Ew)/2，第N換流器的額定直流電壓為En，以上額定直流電壓為設(shè)計(jì)參考值，實(shí)際使用時(shí)在上述參考值的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大或減小額定值仍能使多端口直流-直流自耦變壓器運(yùn)行，所述E1~En分別為第I直流系統(tǒng)~第N直流系統(tǒng)的額定直流電壓，且EAE2)…>EN，所述的額定直流電壓為高電壓直流端口對(duì)低電壓直流端口的額定電壓。
[0025]更進(jìn)一步地，所述第I直流系統(tǒng)~第N直流系統(tǒng)的任意一個(gè)可以采用對(duì)稱雙極，對(duì)稱單極，不對(duì)稱單極，不對(duì)稱雙極等多種結(jié)構(gòu)。
[0026]更進(jìn)一步地，所述第I換流器~第2N-1換流器優(yōu)選為電壓源型換流器，從而使得第I直流系統(tǒng)~第N直流系統(tǒng)的任意一個(gè)都可以雙向地與多端口直流-直流自耦變壓器交換功率。
[0027]更進(jìn)一步地，所述第I換流器~第2N-1換流器的一個(gè)或任意一個(gè)可以采用基于晶閘管的相控?fù)Q流器或者不控整流橋。
[0028]更進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供了一種多端口直流-直流自耦變壓器各換流器額定容量的設(shè)計(jì)方法，具體為記第2直流系統(tǒng)~第N直流系統(tǒng)向多端口直流-直流自耦變壓器輸出的功率為P2~Pn，根據(jù)功率守恒原理，第I直流系統(tǒng)吸收的有功功率為(P2+…+Pn)，進(jìn)一步可以計(jì)算得第2直流系統(tǒng)~第N直流系統(tǒng)輸出的直流電流為P2/E2~Pn/En，第I直流系統(tǒng)的輸入電流為(P2+…+PN)/E1，根據(jù)基爾霍夫電流定律以及前述多端口直流-直流自耦變壓器的拓?fù)洌梢杂?jì)算得到從第I換流器流出的直流電流為
【權(quán)利要求】
1.一種多端口直流-直流自耦變壓器，用于實(shí)現(xiàn)三個(gè)以上的直流系統(tǒng)之間的互聯(lián)傳輸，其特征在于， 該自耦變壓器包括2N-1個(gè)換流器，該2N-1個(gè)換流器在直流側(cè)依次串聯(lián)連接，并在交流側(cè)通過交流鏈路連接到交流線路； 且所述依次串聯(lián)的所述2N-1個(gè)換流器中的任意第i個(gè)換流器的正極和第2N-1個(gè)換流器的負(fù)極分別與對(duì)應(yīng)的第i個(gè)直流系統(tǒng)的正負(fù)極對(duì)應(yīng)連接； 其中，N為直流系統(tǒng)的個(gè)數(shù)，N > 3，i為取不大于N的自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器，其中，依次串聯(lián)的所述2N-1個(gè)換流器中的除位于串聯(lián)鏈路中間的第N個(gè)換流器外的其他2N-2個(gè)換流器通過交流變壓器連接到交流線路，該2N-2個(gè)交流變壓器的靠近直流側(cè)的端口采用三角形接線方式，以消除這些換流器的中性點(diǎn)不平衡問題。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器，其中，所述依次串聯(lián)的所述2N-1個(gè)換流器中的除位于串聯(lián)鏈路中間的第N個(gè)換流器外的其他2N-2個(gè)換流器的交流變壓器的靠近交流線路側(cè)的端口采用三角形接線方式，以消除這些換流器的中性點(diǎn)不平衡問題。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器，其中，位于串聯(lián)鏈路中間的第N個(gè)換流器通過交流變壓器連接到交流線路，該交流變壓器靠近交流線路側(cè)的端口以及所有2N-1個(gè)換流器靠近直側(cè)的端口可以采用星形或三角形接線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器，其中，所述2N-1個(gè)換流器中至少一個(gè)換流器用于控制交流線路的交流電壓而其他換流器則用于控制各自的有功功率，從而實(shí)現(xiàn)多端口直流-直流自耦變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器，其中，依次串聯(lián)的所述2N-1個(gè)換流器中的一個(gè)或多個(gè)換流器通過相電抗連接到交流線路，每相相電抗采用三角接線方式以消除這些換流器的中性點(diǎn)不平衡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器，其中，所述直流系統(tǒng)中的任一個(gè)由一個(gè)或多個(gè)交流系統(tǒng)經(jīng)過交流-直流變換后在直流側(cè)互聯(lián)構(gòu)成的；或者由一個(gè)或多個(gè)交流系統(tǒng)經(jīng)過交流-直流變換后與輸出直流電的直流系統(tǒng)在直流側(cè)互聯(lián)而形成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器，其中，所述交流線路的一部分或全部可以與一個(gè)或多個(gè)外部交流電網(wǎng)互聯(lián)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器，其中，所述交流線路為交流公共母線，各換流器的交流側(cè)通過交流鏈路連接到該公共母線。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器，其中，所述交流線路包括交流公共母線和外部交流系統(tǒng)，其中，部分換流器的交流側(cè)與公共交流母線連接，部分換流器的交流側(cè)連接到所述外部交流系統(tǒng)上，從而使得所述各換流器可以連接到相同或不同的交流電網(wǎng)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器，其中，各所述換流器可以采用對(duì)稱雙極，對(duì)稱單極，不對(duì)稱單極或不對(duì)稱雙極結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器，其中，所述換流器優(yōu)選為電壓源型換流器，從而可使得任一直流系統(tǒng)可以雙向地與多端口直流-直流自耦變壓器交換功率，或采用基于晶閘管的相控?fù)Q流器，或采用不控整流橋。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器其中，所述交流鏈路可以采用單相，兩相，三相或多相交流電路。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器，其中，第i個(gè)換流器及第2N-1個(gè)換流器的額定直流電壓取為(E1-Ew) /2，第N個(gè)換流器的額定直流電壓取為En，其中其中E1、Ei+1、EN分別為第i個(gè)、第i+Ι個(gè)和第N個(gè)直流系統(tǒng)的額定直流電壓。
15.權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器的各換流器額定容量的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括: (1)確定第i個(gè)換流器流出的直流電流ivsa:
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器的各換流器額定容量的設(shè)計(jì)方法，其中，依次串聯(lián)的所述2N-1個(gè)換流器中位于串聯(lián)鏈路中對(duì)稱位置的兩換流器的額定功率相等。
17.權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器的控制方法，其特征在于，其中的至少一個(gè)換流器用于控制公共交流的交流電壓，其他換流器用于控制與有功功率相關(guān)的量。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的一種多端口直流-直流自耦變壓器的控制方法，其特征在于，所述有功功率相關(guān)的量可以為直流功率和/或直流電壓。
【文檔編號(hào)】H02J1/10GK103887788SQ201410112621
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】林衛(wèi)星, 文勁宇, 程時(shí)杰 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)