直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置及控制方法和控制系统与流程

本发明属于直流输电，特别涉及了直流输电系统变压器调压技术。

背景技术：

1、可再生能源利用的规模不断扩大，特别是太阳能和风能等，由于输电距离较远，通过常规的长距离交流电网输电，会存在较大的电容电流，使得输电容量收到较大的挑战，因此直流输电技术得到广泛的应用。直流输电换流变压器作为调整电压、提高电压质量的主要设备之一，而图1所示的换流变压器有载分接开关是直流输电换流变压器重要的部件之一，换流变压器有载分接开关在直流输电中可以实现维持直流电压、补偿电压波动、优化无功特性等作用。

2、但是，传统机械式有载调压开关因为触头在切换过程中会产生电弧，故障率和维护维护成本均较高。与交流电网的电力变压器相比，直流输电换流变压器阀侧的电气量一般含有由换相或由触发角不一致等引起的谐波，导致了有载分接开关的触头间在切换过程的时候承受了较高的电压变化率，并且运行中长期承受电、热、力、振动等复杂应力联合作用，运行工况非常恶劣。而现有直流输电工程分接开关故障频繁发生，给在运超、特高压工程的长期可靠运行带来巨大压力。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置及控制方法和控制系统，解决直流输电工程分接开关故障的频繁发生的问题，减轻在运超、特高压工程的长期可靠运行的压力。

2、为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

3、直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置，包括连接开关、连接变压器、调压变压器、连接阀和调压阀；所述调压阀和连接阀为桥臂组成的h桥结构；

4、所述调压阀的直流侧与所述连接阀的直流侧并联，所述调压阀的h桥两个中点连接至所述调压变压器的原边绕组；

5、所述调压变压器的副边绕组串接在直流输电系统变压器的原边绕组的低压侧与地之间；

6、所述连接阀的h桥两个中点连接至所述连接变压器的原边绕组，所述连接变压器的副边绕组与所述连接开关串联后并联至换流站的某一交流母线。

7、进一步地，所述桥臂由桥臂阀与电抗器串联而成，所述桥臂阀包括一个子模块或者由多个子模块级联而成。

8、进一步地，所述子模块至少包括两个开关器件、一个电容、一个电阻和一个旁路开关，所述两个开关器件串联后与所述电容和电阻并联，所述旁路开关与其中一个开关器件并联。

9、进一步地，所述子模块至少包括四个开关器件、一个电容、一个电阻和一个旁路开关，所述四个开关器件构成一个全桥电路，所述全桥电路与所述电容和电阻并联，所述旁路开关与所述全桥电路的两个中点并联。

10、进一步地，还包括调压侧旁路开关，所述调压侧旁路开关并联在所述调压变压器的副边绕组两端。

11、进一步地，所述调压侧旁路开关为快速机械开关或电力电子开关。

12、直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置的控制方法，包括：

13、根据直流输电系统变压器的副边绕组需要输出的电压、直流输电系统变压器的变比，确定所需调节的直流输电系统变压器的原边绕组的电压；

14、根据所述原边绕组的电压、所述调压变压器的变比、流过所述调压变压器的原边绕组的电流或流过所述调压变压器的副边绕组的电流以及所述调压阀直流侧的直流电压，确定所述调压阀桥臂的电压调制波；基于所述调压阀桥臂对应的电压调制波，进行所述调压阀桥臂中所有子模块的控制，使得所述调压阀与所述调压变压器输出所需要调节的电压，调节直流输电系统变压器的电压；以及

15、根据所述连接变压器的副边绕组与所述连接开关串联后并联至换流站的某一交流母线的电压、所述连接变压器的变比、流过所述连接变压器的原边绕组的电流或流过所述连接变压器的副边绕组的电流以及所述连接阀直流侧要求的直流电压指令，确定所述连接阀桥臂的电压调制波，基于所述连接阀桥臂对应的电压调制波，进行所述连接阀桥臂中所有子模块的控制，使得所述连接阀直流侧输出所要求的直流电压。

16、进一步地，当所述调压阀从所述调压变压器吸收的有功功率，比所述调压阀向所述调压变压器输出的有功功率大时，通过所述连接阀直流侧的直流电压的指令，控制所述连接阀将多余的有功功率回馈至交流母线中，稳定所述连接阀或所述调压阀直流侧的直流电压；当所述调压阀从所述调压变压器吸收的有功功率，比所述调压阀向所述调压变压器输出的有功功率小时，通过所述连接阀直流侧的直流电压的指令，控制所述连接阀从交流母线中吸收有功功率，稳定所述连接阀或所述调压阀直流侧的直流电压。

17、进一步地，调节所述调压阀和调压变压器输出电压与直流输电系统变压器的原边绕组的电压相位相反，升高直流输电系统变压器的电压幅值；调节所述调压阀和调压变压器输出电压与直流输电系统变压器的原边绕组的电压相位相同，降低直流输电系统变压器的电压幅值；调节所述调压阀和调压变压器输出电压的相位，调整直流输电系统变压器的电压过零点；同时或分开调节所述调压阀和调压变压器输出电压，实现连续调节直流输电系统变压器的电压。

18、进一步地，当所述直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置出现故障时，合上所述调压侧旁路开关或断开所述连接开关，将直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置切除。

19、直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置的控制系统，包括：

20、直流输电系统变压器原边绕组电压计算单元，用于根据直流输电系统变压器的副边绕组需要输出的电压、直流输电系统变压器的变比，确定所需调节的直流输电系统变压器的原边绕组的电压；

21、调节阀桥臂调制波计算单元，用于根据所需要调节的直流输电系统变压器的原边绕组的电压、所述调压变压器的变比、流过所述调压变压器的原边绕组的电流或流过所述调压变压器的副边绕组的电流以及所述调压阀直流侧的直流电压，确定所述调压阀桥臂的电压调制波的调制比、频率和相位；

22、调节阀子模块控制单元，用于基于所述调压阀桥臂对应的电压调制波，进行所述调压阀桥臂中所有子模块的控制，使得所述调压阀与所述调压变压器输出所需要调节的电压，调节直流输电系统变压器的电压；

23、连接阀桥臂调制波计算单元，根据所述连接变压器的副边绕组与所述连接开关串联后并联至换流站的某一交流母线的电压、所述连接变压器的变比、流过所述连接变压器的原边绕组的电流或流过所述连接变压器的副边绕组的电流以及所述连接阀直流侧要求的直流电压指令，确定所述连接阀桥臂的电压调制波；

24、连接阀子模块控制单元，基于所述连接阀桥臂对应的电压调制波，进行所述连接阀桥臂中所有子模块的控制，使得所述连接阀直流侧输出所要求的直流电压。

25、进一步地，所述控制系统还包括：

26、连接阀直流侧控制单元，用于当所述调压阀从所述调压变压器吸收的有功功率，比所述调压阀向所述调压变压器输出的有功功率大时，通过生成所述连接阀直流侧的直流电压的指令，控制所述连接阀将多余的有功功率回馈至交流母线中，稳定所述连接阀或所述调压阀直流侧的直流电压；当所述调压阀从所述调压变压器吸收的有功功率，比所述调压阀向所述调压变压器输出的有功功率小时，通过生成所述连接阀直流侧的直流电压的指令，控制所述连接阀从交流母线中吸收有功功率，稳定所述连接阀或所述调压阀直流侧的直流电压。

27、进一步地，所述控制系统还包括：

28、调压阀和调压变压器输出电压调节单元，用于调节所述调压阀和调压变压器输出电压与直流输电系统变压器的原边绕组的电压相位相反，升高直流输电系统变压器的电压幅值；调节所述调压阀和调压变压器输出电压与直流输电系统变压器的原边绕组的电压相位相同，降低直流输电系统变压器的电压幅值；调节所述调压阀和调压变压器输出电压的相位，调整直流输电系统变压器的电压过零点；同时或分开调节所述调压阀和调压变压器输出电压，实现连续调节直流输电系统变压器的电压。

29、进一步地，所述控制系统还包括：

30、开关控制单元，用于当所述直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置出现故障时，控制合上所述调压侧旁路开关或断开所述连接开关，将直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置切除。

31、采用上述技术方案带来的有益效果：

32、1、本发明提出的直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置，可以替代传统机械式变压器有载分接开关，避免了现有直流输电工程分接开关故障的频繁发生，解决了传统机械式变压器有载分接开关故障率高、维护成本大等问题，从而减轻了在运超、特高压工程的长期可靠运行的压力；

33、2、本发明提出的调压装置及其控制方法和控制系统，相比于传统机械式变压器有载分接开关只能分级调节直流输电系统变压器的原边电压，基于电力电子器件组成的调压装置及其控制方法和控制系统可以连续改变调压阀的电压，从而可以连续调节直流输电系统变压器的原边电压；

34、3、本发明提出的直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置，通过改变调压变压器或连接变压器的变比，可以改变调压阀或连接阀中桥臂的级联子模块个数，降低成本和占地；

35、4、本发明提出的直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置，当子模块出现故障时，可通过该旁路开关使得子模块旁路，使其不影响系统的正常运行，当连接阀或者调压阀里有多个子模块时，可互为冗余子模块，确保系统正常运行，维护简易和可用率高；

36、5、本发明提出的调压装置及其控制方法和控制系统，当直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置出现系统故障时，可以通过合上调压侧旁路开关、断开连接开关等手段来将所述的直流输电系统变压器的模块化多电平调压装置切除，避免其对直流输电系统的影响。