一种多端口直流变电站的拓扑结构及其控制方法
【专利摘要】本发明提出了一种多端口直流变电站的拓扑结构及其控制方法，将不同双端口DC/DC变换器的功能进行融合，它不仅可以互联不同类型、多电压等级的海上直流风电场和高压直流输电系统，类似于交流联网通过交流变电站，直流联网通过直流变电站，还能进行直流潮流的集中调控，而且可以在一端直流输电系统故障期间不影响其他端直流输电系统的正常工作，有高度的可靠性和可延展性，可以根据实际需要增加或者删减端口数目，具有重大技术、经济和社会意义。
【专利说明】一种多端口直流变电站的拓扑结构及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统【技术领域】，尤其是涉及一种多端口直流变电站的拓扑结构及其控制方法。
【背景技术】
[0002]海上风电作为全球风电的最新技术发展趋势一直备受关注，是未来最有可能降低风力发电成本的新技术。随着海上风电场装机容量及输电距离的增加，高压直流输电技术在海上风电并网中的应用将越来越广泛。与基于电流源换流器技术的传统直流输电(LCC-HVDC)相比，基于电压源换流器技术的新型直流输电(VSC-HVDC)在海上风电场并网方面更具优势。相比于双端直流输电(LCC型或VSC型)，多端直流输电(Mult1-terminalHVDC，MTDC)的成本相对较低，运行灵活，可实现系统向弱交流系统供电，非常适合于连接海上风电场。目前传统直流输电技术仍占据着主导地位，为了更有效地利用现有直流输电技术的特点，有学者提出了混合直流输电(Hybrid HVDC):Hybrid HVDC是LCC与VSC的结合，可以较方便地新建或者在现有系统上扩建线路，易于构成多端系统，运行稳定。同时，整流侧采用VSC、逆变侧采用LCC的混合直流输电结构在远距离海上风电并网方案中具有独特的优势和竞争力，它不仅解决了 LCC连接风电场时需外加换相电压的问题，也克服了 VSC投资闻、损耗大的缺点。
[0003]采用高压大功率DC/DC变换器代替低频变压器联接多种类型直流输出的海上风电场(简称直流风电场)是最近研究的热点:有学者研究了用于直流风电场汇集组网的三种DC/DC变换器拓扑结构；有学者研究了用于海上直流风电场的全桥DC/DC变换器控制策略；有学者研究了用于海上直流风电场的单向谐振型DC/DC变换器的拓扑结构和控制策略。由于目前直流电网尚无统一的电压标准，采用DC/DC变换器可以实现多电压等级直流输电系统的互联，并提高直流电网的运行灵活性:有学者研究了联接两个VSC型高压直流输电系统的高压大功率MMC型双向DC/DC变换器的拓扑结构和控制策略；有学者研究了传统火电机组并入多端直流电网的运行控制策略，该直流电网采用多个双向谐振型DC/DC变换器实现多电压等级高压直流输电系统的互联。上述研究均采用双端口 DC/DC变换器实现单一海上风电场内的汇集或多电压等级高压直流输电系统的互联。
[0004]现有技术问题在于，对于单一直流电压等级的高压直流电网，由于现有直流断路器无法应用于高压场合，当某处直流线路发生短路故障时，全网的直流电压均会降低，进而影响与之互联的交流系统，使得交流系统的电压降低，功率无法正常输送。同时，对于多电压等级直流电网，虽可用多个DC/DC变换器可以实现多电压等级的互联，但控制较为复杂，不能进行潮流的集中控制，经济性较差。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，针对目前直流电网存在的可靠性低、控制复杂、不能进行潮流集中控制、经济性较差的问题，提出一种多端口直流变电站的拓扑结构及其控制方法。[0006]本发明提出了一种多端口直流变电站的拓扑结构，所述拓扑结构由多条端口电路组成；其中每条端口电路包括一个换流端口、一个LCL滤波器、一个交流断路器，每一个换流端口依次与该条端口电路上的LCL滤波器、交流断路器相连，并通过交流变压器和其他端口电路相连，或每一个换流端口依次通过该条端口电路上的LCL滤波器、交流断路器和其他端口电路相连。
[0007]所述多端口直流变电站所包含的端口电路数量不少于2，且可根据需要扩展端口电路数目；根据端口电路数量的增加，可采用多个高频双绕组交流变压器连接不同的端口电路；若两端口直流电压相差不大，则直接利用端口与端口间的直交直变换连接；建立站内交流母线电压的端口为主端口，其他端口则为从端口。[0008]所述端口电路若某一条发生永久性故障，则断开该条端口电路上的交流断路器，从而不影响其他端口的正常工作。
[0009]所述各个换流端口采用包括但不限于模块化多电平换流器或者多个小容量变换器模块串并联方案；变电站内部交流电路相数包括但不限于单相、两相、三相、四相等。
[0010]本发明提出了一种多端口直流变电站的控制方法，主要包括:
[0011]步骤1、确定多端口直流电站端口数目和站内交流电压等级；
[0012]步骤2、建立并分析变电站拓扑结构数学模型；
[0013]步骤3、确定变电站主端口控制方式；
[0014]步骤4、确定变电站从端口控制方式；
[0015]步骤5、判断各端口状态，若无故障则按照原先设定的控制方式工作，若有故障则判断故障端口类型，若为主端口故障则选择一从端口作为主端口控制站内交流电压，若为从端口故障则其他控制方式保持不变或重新分配。
[0016]所述步骤I包括:根据多端口直流变电站所连的直流系统的数目，得出多端口直流变电站的端口数目，再根据各端口的直流电压等级，得出变电站内部交流电压等级。
[0017]所述步骤2包括:建立多端口直流变电站的端口数学模型，忽略电容耦合项onCf，将LCL滤波器等效为L滤波器进行解耦控制，以简化控制系统。简化数学模型如下:
【权利要求】
1.一种多端口直流变电站的拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构由多条端口电路组成；其中每条端口电路包括一个换流端口、一个LCL滤波器、一个交流断路器，每一个换流端口依次与该条端口电路上的LCL滤波器、交流断路器相连，并通过交流变压器和其他端口电路相连，或每一个换流端口依次通过该条端口电路上的LCL滤波器、交流断路器和其他端口电路相连。
2.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，所述多端口直流变电站所包含的端口电路数量不少于2 ;根据端口电路数量的增加，则采用多个高频双绕组交流变压器连接不同的端口电路；若两端口直流电压相差不大，则直接利用端口与端口间的直交直变换连接；建立站内交流母线电压的端口为主端口，其他端口则为从端口。
3.根据权利要求1所述的拓扑结构,其特征在于,所述端口电路若某一条发生永久性故障，则断开该条端口电路上的交流断路器，从而不影响其他端口的正常工作。
4.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，所述各个换流端口采用模块化多电平换流器或者多个小容量变 换器模块串并联方案；变电站内部交流电路相数采用单相、两相、三相或四相。
5.一种多端口直流变电站的控制方法，主要包括: 步骤1、确定多端口直流电站端口数目和站内交流电压等级； 步骤2、建立并分析变电站拓扑结构数学模型； 步骤3、确定变电站主端口控制方式； 步骤4、确定变电站从端口控制方式； 步骤5、判断各端口状态，若无故障则按照原先设定的控制方式工作，若有故障则判断故障端口类型，若为主端口故障则选择一从端口作为主端口控制站内交流电压，若为从端口故障则其他端口控制方式保持不变或重新分配。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤I包括:根据多端口直流变电站所连的直流系统的数目，得出多端口直流变电站的端口数目，再根据各端口的直流电压等级，得出变电站内部交流电压等级。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2包括:建立多端口直流变电站的端口数学模型，忽略电容耦合项ω nCf，将LCL滤波器等效为L滤波器进行解耦控制，以简化控制系统，简化数学模型如下:
8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3包括:主端口通过PI控制器控制直流变电站内部交流电压的频率和相角为固定值，通过闭环反馈改变调制因子M控制交流电压的幅值，通过主端口选择功能，则保证原主端口因故障退出时，迅速选择一个从端口作为主端口运行，该从端口的控制方式迅速切换为定交流电压控制； 如果主端口永久性故障,那么直流变电站内部交流电压建立失败,各个端口直流电压或功率控制失败，直流功率不能正常送出，这时主端口发出一个故障信号，预先设置好的从端口检测到故障信号后，投入从端口冗余交流电压控制，替代主端口的功能，保证直流变电站的稳定运行。
9.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤4包括:从端口通过PI控制器控制端口直流电压或直流功率，若外部直流换流站控制直流电压，那么与其相连的从端口通过控制方式选择功能确定其控制方式为直流功率控制，若外部直流换流站控制直流功率，那么与其相连的从端口通过控制方式选择功能确定其控制方式为直流电压控制；从端口通过选择不同的控制方式和被控端口，进行直流潮流的集中调控； 从端口采用双闭环控制端口直流电压或直流功率，即外环为直流电压或直流功率参考值和反馈值的偏差经过PI调节器可得到内环电流d轴分量的参考值，无功功率参考值和反馈值的偏差经过PI调节器得到内环电流q轴分量的参考值，内环为电流误差经调节后输出电压参考值，叠加上补偿量，即可得到调制波交流电压的参考值； 当从端口退出时，原来通过该从端口的直流功率需要通过其他端口进行重新分配，如果这部分直流功率通过主端口后没有发生端口功率越限，那么这部分直流功率则都通过主端口送出，如果都通过主端口以后功率越限，那么把部分直流功率转移到其他从端口送出。
【文档编号】H02J1/00GK103904635SQ201410156432
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】索之闻, 李庚银, 迟永宁, 王伟胜, 李琰, 孙蔚, 李想 申请人:华北电力大学, 中国电力科学研究院