一种直流电网互联用直流变压器及其控制保护方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种直流电网互联用直流变压器及其控制保护方法。

背景技术

直流输电技术相比传统交流输电，具有传输距离远、输送容量大等优势。以电压源型换流器为核心装备的柔性直流输电技术，具有灵活可控，适应弱电网的优势，在可再生能源并网送出场景具有重要的作用。

柔性直流输电从点对点输电系统发展到单一电压等级多端直流电网。为了直流电网间广域互联互济，发挥不同电压等级直流电网优势，适应高比例多类型新能源接入，多电压等级直流电网是未来的发展趋势，因此需要一种可实现多种电压等级直流电网互联的变换装置。

而现有技术中常用多绕组交流隔离变压器实现多端口直流变压器，但是这种结构需要元件器数目过于庞大，所用的隔离变压器隔离能力需要高于系统电压水平，导致该类直流变压器具有成本高昂、器件损耗发热严重、体积庞大，难用应用于高压系统的问题，所以现有直流变压器仅有在低压配电网的应用。因此，亟需一种可用于高压直流电网互联场景的直流变压器。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种直流电网互联用直流变压器及其控制保护方法，以解决多绕组交流隔离变压器需要元件器数目过于庞大，导致变换器成本高昂、器件损耗发热严重的问题。

第一方面，本发明提供了一种直流电网互联用直流变压器，包括正极换流器、负极换流器及控制器，正极换流器、负极换流器均包括：多个相单元，每个相单元均包括：一个公共桥臂及多个端口桥臂，其中，每个端口桥臂的第一端与公共桥臂的第一端连接于公共点，每个端口桥臂的第二端与其它相单元相同位置的端口桥臂的第二端连接后，引出输出端口；每个公共桥臂的第二端互连后接地；每个输出端口与一个直流电网连接；控制器与每个端口桥臂、每个公共桥臂连接，控制器用于控制每个端口桥臂、每个公共桥臂的运行状态。

本发明仅采用多个相单元构成单极换流器，而不含交流隔离变压器，并且所用功率半导体数量少。具有较低的造价成本。

在一可选实施方式中，公共桥臂及端口桥臂均包括：多个级联连接的半桥子模块和/或全桥子模块。

在一可选实施方式中，公共桥臂及端口桥臂还包括：桥臂电抗器；端口桥臂和公共桥臂的桥臂电抗器按实际需求配置；部分端口桥臂和公共桥臂可以不配置桥臂电抗器。

在一可选实施方式中，不同相单元的相同位置的端口桥臂和公共桥臂的输出电压直流分量数值相同，交流分量幅值相同、相位对称；输出端口的输出电压，为其对应端口桥臂的输出电压与公共桥臂的输出电压的和。

在一种可选实施方式中，控制器包括：基本控制器、系统运行控制器及系统保护控制器，其中，基本控制器，与各子模块连接，用于计算各桥臂子模块电容电压平均值，发送给系统运行控制器和系统保护控制器；接收系统运行控制器下达的桥臂电压控制指令，并处理获得每个子模块输出状态，下达给各子模块；接收系统保护控制下达的保护闭锁指令，控制对应桥臂的子模块完成闭锁动作；系统运行控制器，与基本控制器连接；系统保护控制器，与基本控制器连接。

第二方面，本发明提供一种直流电网互联用直流变压器的控制保护方法，基于第一方面的直流电网互联用直流变压器，方法包括：通过控制端口桥臂的运行状态，控制每个端口电压或电流、直流电网互联用直流变压器整体能量平衡以及各桥臂间能量平衡；实时检测各端口电压、桥臂子模块电容电压平均值，当实时检测值异常时，执行相应的保护机制。

在一可选实施方式中，通过控制端口桥臂的运行状态，控制每个端口电压或电流、直流电网互联用直流变压器整体能量平衡以及各桥臂间能量平衡的过程，包括：依据每个端口桥臂所连接的直流电网的特性，将端口桥臂分为可控端口桥臂及平衡端口桥臂；给定公共桥臂直流分量控制值；检测公共点交流电压，与其对应参考值相减得到第一误差值，第一误差值经过系统运行控制器运算得到公共桥臂交流分量控制值；检测端口电压或电流，与其对应参考值相减得到第二误差值，第二误差值经过系统运行控制器运算得到可控端口桥臂直流分量控制值；检测所有桥臂子模块电容电压，经过计算得到直流变压器整体能量值，与其对应参考值相减得到第三误差值，第三误差值系统运行控制器运算得到平衡端口桥臂直流分量控制值；检测所有桥臂子模块电容电压，经过计算得到各端口桥臂能量值，与直流变压器整体能量值相减得到第四误差值，第四误差值经过系统运行控制器运算得到各端口桥臂交流分量控制值；将各桥臂直流分量控制值和交流分量控制值相加得到各桥臂电压控制值，下发给基本控制器，基本控制器按照各桥臂电压控制值控制桥臂子模块投切进行输出。

在一可选实施方式中，执行端口过电压保护机制的过程，包括：检测各端口电压；当端口电压超过第一预设保护阈值时，闭锁该端口所连接的端口桥臂。

在一可选实施方式中，执行端口子模块过电压保护机制的过程，包括：检测各桥臂子模块电容电压平均值；当桥臂子模块电容电压平均值超过第二预设保护阈值，闭锁该桥臂。

在一可选实施方式中，执行极不对称保护机制的过程，包括：依据每个端口桥臂所连接的直流电网的参数，将端口桥臂分为可控端口桥臂及平衡端口桥臂；检测各端口电压，计算各端口电压正负极差值；当平衡端口桥臂对应端口电压正负极差值超过第三预设保护阈值，闭锁所有桥臂；当可控端口桥臂对应端口电压正负极差值超过第四保护阈值，闭锁可控端口桥臂。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的直流电网互联用直流变压器的拓扑结构图；

图2是根据本发明实施例的正极换流器或负极换流器的拓扑结构图；

图3是根据本发明实施例的正极换流器和负极换流器的拓扑结构图；

图4(a)及图4(b)分别是根据本发明实施例的半桥子模块及全桥子模块的拓扑结构图；

图5是根据本发明实施例的直流电网互联用直流变压器的控制保护方法的流程示意图；

图6是根据本发明实施例的控制能量平衡的流程示意图；

图7是根据本发明实施例的执行端口过电压保护机制的流程示意图；

图8是根据本发明实施例的执行端口子模块过电压保护机制的流程示意图；

图9是根据本发明实施例的执行极不对称保护机制的流程示意图。

图10是根据本发明实施例的直流电网互联用直流变压器的结构示例图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明实施例，提供了一种直流电网互联用直流变压器，如图1所示，包括正极换流器、负极换流器及控制器，如图2所示，正极换流器、负极换流器均包括：包括多个相单元11，每个相单元11均包括：一个公共桥臂111及多个端口桥臂112，图2中以两个相单元11，每个相单元11包含一个公共桥臂111及三个端口桥臂112为例。

如图2所示，每个端口桥臂112的第一端与公共桥臂111的第一端连接于公共点，每个端口桥臂112的第二端与其它相单元11相同位置的端口桥臂112的第二端连接后，引出输出端口。

具体地，输出端口与公共桥臂111的第二端输入直流电压或者输出直流电压，输出端口的输出电压，为其对应端口桥臂112的输出电压与公共桥臂111的输出电压的和。如图2所示，三个端口的输入或者输出的直流电压为正电压或者负电压，在此不作限制。

如图1、3所示，每个公共桥臂111的第二端互连后接地；每个输出端口与一个直流电网连接。本实施例每个端口与一个直流电网连接，从而保证单个电网故障不影响其他电网。

具体地，本实施例可根据系统需要，扩展可控端口桥臂112数量，连接多个直流电网。图3以一个正极换流器及一个负极换流器为例，每个端口与一个直流电网连接，但是也可以包括多个正极换流器及一个负极换流器，每个正极换流器与负极换流器之间与一个直流电网连接；或者也可以包括一个正极换流器及多个负极换流器，每个负极换流器与正极换流器之间与一个直流电网连接。

具体地，控制器与每个端口桥臂112、每个公共桥臂111连接，控制器用于控制每个端口桥臂112、每个公共桥臂111的运行状态。

可选地，本实施例控制器包括：基本控制器、系统运行控制器、系统保护控制器。基本控制器与各子模块通过通讯线连接，系统运行控制器与基本控制器通过通讯线连接，系统保护控制器与基本控制器通过通讯线连接。

具体地，基本控制器接收系统运行控制器下达的桥臂电压控制指令，并处理获得每个子模块输出状态，下达给各子模块。基本控制器接收系统保护控制下达的保护闭锁指令，控制对应桥臂的子模块完成闭锁动作。基本控制器计算各桥臂子模块电容电压平均值，发送给系统运行控制器和系统保护控制器。

具体地，不同相单元11的相同位置的端口桥臂112和公共桥臂111的输出电压直流分量数值相同，交流分量幅值相同、相位对称。

可选地，端口桥臂112和公共桥臂111的桥臂电抗器按实际需求配置，部分端口桥臂112和公共桥臂111也可以不配置桥臂电抗器。

在一些可选的实施方式中，公共桥臂111及端口桥臂112均包括：多个级联连接的半桥子模块HBSN和/或全桥子模块FBSM，半桥子模块HBSM及全桥子模块FBSM的拓扑结构如图4(a)及图4(b)所示。

可选地，公共桥臂111及端口桥臂112均包括：多个级联连接的子模块，子模块为半桥子模块、全桥子模块或其他类型的功率半导体模块，可以输出正的电容电压、零电压或者负的电容电压。

可选地，本实施例设置系统测量组件，测量包含但不限于公共点电压、各端口桥臂112和公共桥臂111电流、输出端口电流和电压。系统测量组件与基本控制器、系统运行控制器、系统保护控制器连接，将测量信息传入。

具体地，系统运行控制器，根据端口电压电流的测量值，产生桥臂电压控制指令。系统保护控制器，根据系统测量组件测量结果，判定识别故障，产生保护闭锁指令。

本实施例提供一种直流电网互联用直流变压器的控制保护方法，基于以上实施例的直流电网互联用直流变压器，如图5所示，方法包括：

步骤S1：通过控制端口桥臂的运行状态，控制每个端口电压或电流、直流电网互联用直流变压器整体能量平衡以及各桥臂间能量平衡。

具体地，如图6所示，本实施例步骤S1具体由以下步骤执行：

步骤S11：依据每个端口桥臂112所连接的直流电网的特性，将端口桥臂112分为可控端口桥臂及平衡端口桥臂；

步骤S12：给定公共桥臂直流分量控制值；

步骤S13：检测公共点交流电压，与其对应参考值相减得到第一误差值，第一误差值经过系统运行控制器运算得到公共桥臂交流分量控制值；

步骤S14：检测端口电压或电流，与其对应参考值相减得到第二误差值，第二误差值经过系统运行控制器运算得到可控端口桥臂直流分量控制值；

步骤S15：检测所有桥臂子模块电容电压，经过计算得到直流变压器整体能量值，与其对应参考值相减得到第三误差值，第三误差值系统运行控制器运算得到平衡端口桥臂直流分量控制值；

步骤S16：检测所有桥臂子模块电容电压，经过计算得到各端口桥臂112能量值，与直流变压器整体能量值相减得到第四误差值，第四误差值经过系统运行控制器运算得到各端口桥臂交流分量控制值；

步骤S17：将各桥臂直流分量控制值和交流分量控制值相加得到各桥臂电压控制值，下发给基本控制器，基本控制器按照各桥臂电压控制值控制桥臂子模块投切进行输出。

具体地，以图10为例，如端口#1连接直流电网#1，端口#2连接直流电网#2，端口#3连接直流电网#3，直流电网#1中有变换器#1和变换器#2，变换器#1控制电压，变换器#2控制自身输出功率，直流电网#2中的变换器#3控制自身输出功率，直流电网#3的变换器#4控制电压，根据原则：一个直流电网有且仅有一个换流器控制电压，端口#2对应的端口桥臂为可控端口桥臂，控制端口#2电压，端口#1和端口#3中的一个端口对应的端口桥臂为平衡端口桥臂，另一个端口对应的端口桥臂为可控端口桥臂，控制端口电流。

步骤S2：实时检测各端口电压、桥臂子模块电容电压平均值，当实时检测值异常时，执行相应的保护机制。

可选地，本实施例的保护机制的硬件配置方法为：可控端口桥臂子模块配置为全桥子模块或者全桥子模块与半桥子模块混合串联；端口处安装电抗器；正负极换流器之间的公共连接点通过小电阻与大地连接；桥臂电感值增大；可控端口桥臂对应端口处配置可控直流耗能装置。

具体地，本实施例的保护机制包括端口过电压保护机制、端口子模块过电压保护机制及极不对称保护机制，其中三种保护机制的执行步骤如下所示：

如图7所示，执行端口过电压保护机制的过程，包括：

步骤S211：检测各端口电压；

步骤S212：当端口电压超过第一预设保护阈值时，闭锁该端口所连接的端口桥臂112。

如图8所示，执行端口子模块过电压保护机制的过程，包括：

步骤S221：检测各桥臂子模块电容电压平均值；

步骤S222：当桥臂子模块电容电压平均值超过第二预设保护阈值，闭锁该桥臂。

如图9所示，执行极不对称保护机制的过程，包括：

步骤S231：依据每个端口桥臂112所连接的直流电网的参数，将端口桥臂112分为可控端口桥臂及平衡端口桥臂；

步骤S232：检测各端口电压，计算各端口电压正负极差值；

步骤S233：当平衡端口桥臂对应端口电压正负极差值超过第三预设保护阈值，闭锁所有桥臂；当可控端口桥臂对应端口电压正负极差值超过第四保护阈值，闭锁可控端口桥臂112。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。