一种基于模块化双有源桥变流器的直流变电站的制作方法

本发明涉及直流变电站技术领域，具体涉及一种基于模块化双有源桥变流器的直流变电站。

背景技术：

光伏电池、风机、微型燃气轮机、燃料电池等分布式能源设备，以及电化学电池和飞轮等储能设备产生的是直流或非工频交流电能，这些设备接入直流电网比接入传统工频交流电网更为方便。另一方面，直流电网没有交流电网的频率稳定和波形畸变等问题，在大功率输配电和高质量供电等方面也具有优势。近年来，直流功率变换、直流输配电以及直流断路器等技术已逐渐成熟，构建直流互联电网将成为未来电网的发展趋势之一。交流变压器基于电磁感应原理可以方便可靠地完成交流电压变换。以交流变压器为核心构成的交流变电站在规范交流电压等级，构建交流互联电网等方面发挥了关键作用，推动了交流电网的发展成熟。但是，直流电压无法通过电磁感应原理实现电压变换，基于电力电子设备的直流变压器还不如交流变压器成熟。当前直流输配电系统之间多为孤立运行，没有形成从高到低的标准化电压等级和互联规范。构建直流变电站是规范直流电压等级，实现直流电网互联的关键，对直流电网的发展具有重要意义。因而研制直流变电站成了目前电网发展的重要课题。

中国专利cn104113089a，公开日2014年10月22日，一种交直流混合变电站，具体的说，是涉及到一种变电站，同时有高压交流进出线回路和高压直流进出线回路，分别接入高压交流母线或者高压直流母线，通过交流变压器或直流变压器进行电压等级的变换，并实现电能转换和电能分配，在交流母线和直流母线之间通过交流/直流变换装置实现电能的传输和转换。其中包括，至少一个交流进出线回路，以及至少一个直流进出线回路；至少一个交流母线，以及至少一个直流母线；至少一个进行电压等级变换的电能转换装置；和至少一个交流/直流变换装置。但其并不适合用于光伏电池、风机、微型燃气轮机、燃料电池等分布式能源的并网，不能解决分布式新能源并网困难的技术问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：分布式新能源并网困难的技术问题。提出了一种基于模块化双有源桥变流器的直流变电站。该变电站即能够将分布式新能源的功率就地分配消纳，还能够将多出的功率变压后并网，并为直流电网的电压规范提供了装置基础。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于模块化双有源桥变流器的直流变电站，包括若干台模块化双有源桥变流器、低压直流线路、低压直流母线、中高压直流母线和中高压直流线路，若干台模块化双有源桥变流器并联连接；模块化双有源桥变流器包含若干个双有源桥模块，若干个所述双有源桥模块的输入端与低压直流母线连接，若干个所述双有源桥模块的输出端依次串联后与中高压直流母线连接，所述双有源桥模块经低压直流母线与低压直流线路连接，中高压直流母线经中高压直流线路与中高压直流电网连接。对双有源桥变流器进行模块化级联构建直流变压器，通过一端并联、另一端串联的结构实现较高的直流电压变比，满足高压大功率的电网应用需求。模块化结构的直流变压器由于扩展方便适合用于高压大功率领域，并且能实现较为规范的直流升压/降压比。当低压直流母线发生故障时，可以通过直流断路器和变流器主动控制来消除或切除故障，不影响整个模块化双有源桥变流器的连续运行。当模块化双有源桥变流器内部模块发生故障时，可立即接入备用模块替换故障模块，快速恢复供电。

作为优选，所述双有源桥模块包括桥式逆变器、中高频隔离变压器和桥式整流器，桥式逆变器与低压直流母线连接，桥式逆变器输出交流电经中高频隔离变压器变压后，输入到桥式整流器，桥式整流器输出直流电，所述桥式逆变器以及桥式整流器的电流可双向流动。双有源桥模块使用中高频隔离变压器实现高压侧和低压侧的电气隔离，确保高、低压设备正常运行。直流升压主要通过模块串并联实现，中高频变压器可选择较低的变比和较高的频率，变压器结构设计相对简便、紧凑。

作为优选，所述双有源桥模块、低压直流线路、低压直流母线、中高压直流母线以及中高压直流线路的连接节点处，均设置有直流断路器和直流隔离开关。当低压直流出线发生故障时，可以通过直流断路器和变流器主动控制来消除或切除故障，不影响整个模块化变流器的连续运行。

作为优选，所述双有源桥模块配备有备用双有源桥模块。当模块化变流器内部模块发生故障时，可立即接入备用模块替换故障模块，快速恢复供电。

作为优选，所述低压直流线路连接直流电源、直流负荷或空载，所述直流电源包括风力发电机、光伏电池、蓄电池、微型燃气轮机或燃料电池中的一个或多个，其中风力发电机以及微型燃气轮机通过ac/dc整流器与低压直流线路连接，光伏电池、蓄电池以及燃料电池与低压直流线路直接连接或通过dc/dc变流器与低压直流线路连接。模块化双有源桥变流器的高低压直流出线具有与传统交流变压器一路高压出线和多路低压出线相似的结构特征，模块化双有源桥变流器的中高压直流出线母线连接至上一级直流电网，为直流电网的电压规范提供了装置基础。

作为优选，所述低压直流母线为分段式母线，若干台所述模块化双有源桥变流器分别连接所述分段式母线中的一段。

一种如前述的基于模块化双有源桥变流器的直流变电站的控制方法，包括传输功率控制和均衡控制，所述传输功率控制对每个模块化双有源桥变流器的传输功率进行控制，所述均衡控制通过控制指令使每个模块化双有源桥变流器的输出电压和输入电压保持相同的比率关系，使得模块化双有源桥变流器的输出电压相互保持平衡。

作为优选，所述传输功率控制方法包括：桥式逆变器在dq轴坐标下的矢量电流控制为：

其中，和分别是桥式逆变器输出交流电压uim的dq轴分量指令值，该指令值通过dq逆变换得到abc坐标系下的三相交流分量指令值，uomd和uomq分别是桥式整流器的输入交流电压uom的dq轴分量，imd和imq分别是桥式逆变器输出交流电流im的dq轴分量，和分别是imd和imq的控制指令值,kp和ki分别是比例积分控制的比例系数和积分系数，ω是双有源桥模块的中高频交流链接的角频率值，l是中高频交流链接的总电抗值，

第m个双有源桥模块传输的有功功率为：

桥式逆变器输出交流电流指令值的选取由双有源桥模块主动均衡控制确定，则选取为0,桥式整流器采用直接电压控制，将其交流侧电压控制在指令值，交流电压指令值选取额定值，

uomq＝0，

其中是桥式整流器交流电压幅值的额定值。

作为优选，所述均衡控制包括：第m个双有源桥模块的有功功率指令值由以下pi控制规律确定：

其中,k′p和k′i分别为pi控制的比例系数和积分系数，误差信号e选取如下

其中，ka选取小于1的正数，kb＝1-ka，uom和分别是第m个双有源桥模块的实际电压和额定电压；ui和分别是该双有源桥模块的输入端的实际电压和额定电压，在积分环节的持续作用下，误差信号e的数值将被调节至零，

从而第m个双有源桥模块的输出端电压和输入端电压具有如下的比率关系：

使得模块化双有源桥变流器的输出电压保持平衡。由于不同低压线路的输入功率往往差异很大，并且接入的分布式电源和直流负荷功率波动也很大，保证各模块内直流电压平稳，进而确保直流变电站正常运行。

本发明的实质性效果是：对双有源桥变流器进行模块化级联构建直流变压器，通过一端并联、另一端串联的结构实现较高的直流电压变比，满足高压大功率的电网应用需求；模块化结构的直流变压器由于扩展方便适合用于高压大功率领域，并且能实现较为规范的直流升压/降压比；双有源桥模块使用中高频隔离变压器实现高压侧和低压侧的电气隔离，确保高、低压设备正常运行。

附图说明

图1为实施例一直流变电站结构示意图。

图2为实施例一传输功率控制示意图。

图3为实施例一模块化双有源桥变流器的电压、功率运行波形示意图。

图4为实施例一模块化双有源桥变流器的电压、功率运行波形示意图。

其中：1、风力发电机，2、光伏电池，3、低压直流母线，4、低压直流线路，5、模块化双有源桥变流器，501、桥式逆变器，502、中高频隔离变压器,503、桥式整流器，6、中高压出线母线。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种基于模块化双有源桥变流器5的直流变电站，如图1所示，本实施例包括若干台模块化双有源桥变流器5、低压直流线路4、低压直流母线3、中高压直流母线6和中高压直流线路，若干台模块化双有源桥变流器5并联连接；模块化双有源桥变流器5包含若干个双有源桥模块，若干个双有源桥模块的输入端与低压直流母线3连接，若干个双有源桥模块的输出端依次串联后与中高压直流母线6连接，双有源桥模块经低压直流母线3与低压直流线路4连接，中高压直流母线6经中高压直流线路与中高压直流电网连接。双有源桥模块包括桥式逆变器501、中高频隔离变压器502和桥式整流器503，桥式逆变器501与低压直流母线3连接，桥式逆变器501输出交流电经中高频隔离变压器502变压后，输入到桥式整流器503，桥式整流器503输出直流电，桥式逆变器501以及桥式整流器503的电流可双向流动。双有源桥模块、低压直流线路4、低压直流母线3、中高压直流母线6以及中高压直流线路的连接节点处，均设置有直流断路器和直流隔离开关。双有源桥模块配备有备用双有源桥模块。低压直流母线为分段式母线，若干台模块化双有源桥变流器5分别连接分段式母线中的一段。

低压直流线路4连接直流电源、直流负荷或空载，直流电源包括风力发电机1、光伏电池2、蓄电池、微型燃气轮机或燃料电池中的一个或多个，其中风力发电机1以及微型燃气轮机通过ac/dc整流器与低压直流线路4连接，光伏电池2、蓄电池以及燃料电池与低压直流线路4直接连接或通过dc/dc变流器与低压直流线路4连接。模块化双有源桥变流器5的高低压直流出线具有与传统交流变压器一路高压出线和多路低压出线相似的结构特征，模块化双有源桥变流器5的中高压直流出线母线连接至上一级直流电网，为直流电网的电压规范提供了装置基础。

本实施例采用两个模块化双有源桥变流器5并联组成。每个模块化双有源桥变流器5由10个模块级联构成，模块具体参数见表1。第一个模块化双有源桥变流器5中10个模块分为4组，第一组模块序号为11-13；第二组模块序号为14-16，前两组模块出线连接分布式直流电源和负荷。第三组模块序号为17-19，其出线仅连接直流负荷；第四组模块序号为10，是备用模块，其出线没有连接电源或负荷。第二个模块化双有源桥变流器5中10个模块分为3组，第一组模块序号为21-23，第二组模块序号为24-26，前两组模块出线连接分布式直流电源和负荷；第三组模块序号为27-29,20，其出线仅连接直流负荷。为使分析直观简便，同一组内模块出线连接的电源或负荷的功率曲线相同。该仿真测试系统中的各组模块线路输入功率处于严重不平衡状态，以此来测试串并联均衡控制的效果。直流变电站通过中高压直流线路连接到直流电网，直流电网用直流电压源和等值电阻模拟。

表1双有源桥变流器参数

表1

一种如前述的基于模块化双有源桥变流器5的直流变电站的控制方法，包括传输功率控制和均衡控制，传输功率控制对每个模块化双有源桥变流器的传输功率进行控制，均衡控制通过控制指令使每个模块化双有源桥变流器的输出电压和输入电压保持相同的比率关系，使得模块化双有源桥变流器5的输出电压相互保持平衡。

如图2所示，传输功率控制方法包括：桥式逆变器501在dq轴坐标下的矢量电流控制为：

其中，和分别是桥式逆变器501输出交流电压uim的dq轴分量指令值，该指令值通过dq逆变换得到abc坐标系下的三相交流分量指令值，uomd和uomq分别是桥式整流器503的输入交流电压uom的dq轴分量，imd和imq分别是桥式逆变器501输出交流电流im的dq轴分量，和分别是imd和imq的控制指令值,kp和ki分别是比例积分控制的比例系数和积分系数，ω是双有源桥模块的中高频交流链接的角频率值，l是中高频交流链接的总电抗值，第m个双有源桥模块传输的有功功率为：

桥式逆变器501输出交流电流指令值的选取由双有源桥模块主动均衡控制确定，则选取为0,桥式整流器503采用直接电压控制，将其交流侧电压控制在指令值，交流电压指令值选取额定值，

uomq＝0，

其中是桥式整流器503交流电压幅值的额定值。

均衡控制包括：第m个双有源桥模块的有功功率指令值由以下pi控制规律确定：

其中,k′p和k′i分别为pi控制的比例系数和积分系数，误差信号e选取如下

其中，ka选取小于1的正数，kb＝1-ka，uom和分别是第m个双有源桥模块的实际电压和额定电压；ui和分别是该双有源桥模块的输入端的实际电压和额定电压，在积分环节的持续作用下，误差信号e的数值将被调节至零，

从而第m个双有源桥模块的输出端电压和输入端电压具有如下的比率关系：

使得模块化双有源桥变流器5的输出电压保持平衡。由于不同低压线路的输入功率往往差异很大，并且接入的分布式电源和直流负荷功率波动也很大，保证各模块内直流电压平稳，进而确保直流变电站正常运行。

如图3所示，为直流变电站中第一个模块化双有源桥变流器5内部模块相应电压和功率的仿真波形，图3中(a)表示四组模块中首个模块的线路输入功率，如pg11表示第一个模块化变流器中第一组首个模块的低压线路输入功率，每组中其余模块的线路输入功率与该组首个模块的线路输入功率相同。图3中(b)和(c)分别是各组首个模块的输入电压和输出电压，如ui11和uo11分别表示第一个模块化变流器中第一组首个模块的输入电压和输出电压。图3中(d)是该模块化变流器的总输送功率。如图4所示，直流变电站中第二个模块化双有源桥变流器5内部模块相应电压和功率的仿真波形，图4中(a)是三组模块中首个模块的线路输入功率，如pg21表示第二个模块化变流器中第一组首个模块的低压线路输入功率，每组中其余模块的线路输入功率与该组首个模块的线路输入功率相同。图4中(b)和(c)分别是各组首个模块的输入电压和输出电压，如ui21和uo21分别表示第二个模块化变流器中第一组首个模块的输入电压和输出电压。图4中(d)是该模块化变流器的总输送功率。可见，即使各模块线路的输入功率差异和波动均很大，但是在输入端并联结构和均衡控制的共同作用下，模块化双有源桥变流器5内部各模块的输入直流电压和输出直流电压能够很好地保持均衡和稳定，有力地保障模块化双有源桥变流器的稳定运行。模块化双有源桥变流器5的串并联均衡控制可以将严重不平衡的输入功率平均分配到各个模块，充分利用各模块的功率传输能力。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。