[發明專利]一種模塊化組合式直流變壓器及其控制方法

有效

• 申請號: 202011454589.4
• 申請日: 2020-12-10
• 公開（公告）號: CN112436739B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 張哲任;徐政;宋遠見
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02M7/00
• 分類號: H02M7/00;H02M7/537;H02J3/36;H02J3/38
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

本發明公開了一種模塊化組合式直流變壓器及其控制方法，該直流變壓器由2N個MMC串聯組成，且取消了MMC換流站中的換流變壓器，極大的降低了設備的復雜性和造價。此外，本發明直流變壓器采用的MMC模塊均相同，易于拓展和維護，同時模塊化組合式直流變壓器可以連接任意電壓等級的直流電網。同時，本發明直流變壓器中的交流部分采用100～400Hz中頻交流輸電，相較于工頻系統可以較大幅度降低相關設備的體積和重量，可以直接提高整個模塊化組合式直流變壓器的經濟性。

技術領域

本發明屬于電力系統技術領域，具體涉及一種模塊化組合式直流變壓器及其控制方法。

背景技術

由于全球能源互聯網概念的引進，大規模可再生能源并網以及現有的和待建的輸電系統互聯成為當前研究熱點。在我國，能源分布和用電負荷中心分布不均衡的特點需要長距離大容量特高壓輸電技術；相較于高壓交流輸電，高壓/特高壓直流輸電技術具備投資成本低、運行損耗小、可控性高和節省輸電走廊等諸多優勢。可再生能源的開發與利用在全球范圍內致力于解決傳統能源日益短缺并環境污染的問題，然而可再生能源具有間歇性，高波動性和分布偏遠的缺陷，柔性多端直流輸電技術的發展為解決大規模可再生能源接入問題提供了新思路。

隨著全球大規模直流輸電工程的不斷建設，直流電網的相互連接也被提上日程；由于當前對直流電網的建設尚無統一的標準，各個直流電網的電壓等級也不盡相同，這嚴重制約了多電壓等級柔性直流電網發展，給直流電網的互聯帶來了極大的挑戰。一種實現不同電壓等級直流電網互聯的方式是通過直流變壓器進行互聯，直流變壓器的基本原理是通過DC/AC/DC功率變換，將不同電壓等級的直流電網連接起來，但是對直流變壓器拓撲結構的研究卻不盡相同；直流變壓器拓撲結構復雜，成本高的劣勢成為制約直流變壓器發展的不利因素。

模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)具有器件均壓要求低、擴展性好、輸出電壓波形質量好、運行損耗低等優點，因此基于MMC的直流變壓器具有較好的工作性能，該拓撲可在保證經濟性的同時輸出高品質電壓波形，因此近年來被迅速應用到新能源并網、海上風電送出等場合，基于MMC的直流變壓器已經成為極有競爭力的選擇。MMC直流變壓器可以分為隔離型、非隔離型和自耦型三種類型：隔離型MMC直流變壓器由于采用了交流隔離變壓器，可以滿足大變比的需求，但是存在裝置成本高、體積大和運行損耗大的缺陷；而非隔離型MMC直流變壓器不包含交流變壓器，變比范圍會受到限制；自耦型MMC直流變壓器相對于其他拓撲來說具有成本低、運行效率高、損耗低的優勢。

林衛星等人在文獻《直流-直流自耦變壓器，中國電機工程學報，2014年36期》中提出了一種直流自耦變壓器，直流自耦變壓器兩側直流系統有直接的電氣聯系，所用換流器容量小、運行損耗低且在兩側直流電壓等級相近時優勢明顯；但是該結構中需要較多的高成本換流變壓器，因而限制了其應用。

張穎等人在文獻《應用于直流電網的新型直流自耦變壓器[J].電網技術,2019,v.43；No.430(09):270-278》中提出了一種基于改進的雙向隔離型DC/DC變換器串并聯結構的新型直流自耦變壓器拓撲，只有部分功率經過變壓器傳輸，可部分降低變壓器的容量和設計成本，采用交錯并聯控制減小了子模塊的濾波電感和電容值從而降低了子模塊體體積和成本；但是該拓撲結構中仍需要采用大量的交流變壓器，使得該方案成本較高，經濟性較差。

總體而言，當前的直流變壓器技術方案存在拓撲結構復雜，成本高，設備維護不方便等問題，亟需一種新型的直流變壓器拓撲結構。

發明內容

鑒于上述，本發明提出了一種模塊化組合式直流變壓器及其控制方法，該拓撲結構簡單，應用場景廣，在工程中有較大的使用價值。

一種模塊化組合式直流變壓器，用于高壓與低壓兩側換流站之間的直流電壓轉換，其由2N個MMC依次串聯組成，第j個MMC直流側負極與第j+1個MMC直流側正極相連接，所述MMC的交流側依次通過電抗和電容連接至公共的交流母線，j為自然數且1≤j≤2N-1，N為大于0的自然數。