多端口交直流混合变流装置及多端交直流混合系统

本发明涉及电力系统输、配电，具体涉及多端口交直流混合变流装置及多端交直流混合系统。

背景技术：

1、随着直流电网和直流输配电技术的发展，基于电力电子器件的多样化变流技术越来越受到人们关注，相关研究人员在不断寻求低成本、高效、高功率密度的直流变压器和交、直流换流器。另一方面，随着分布式可再生能源越来越广泛的应用，以及各类直流负载的普及，配电网也出现了电力电子化趋势，交直流混合柔性配电也成为近期热点，如广东珠海、浙江杭州柔性直流配电示范工程的建设等。目前交直流混合输配电系统及工程普遍采用电压源变流器或电流源变流器进行交直流变换，采用直流变压器进行直流变换，在设备的技术经济性能、系统的功能灵活多样性功能等方面仍有待进一步提高。尤其是交直流混合柔性配电，主设备及系统成本较高，阻碍了它的应用发展。

技术实现思路

1、基于现有技术的不足，本发明在提供了一种多端口交直流混合变流装置的同时，还提供了该装置的变流方法，另外还提供了一种多端交直流混合系统，通过该装置及方法，能以较低成本和较优的技术性能同时实现交、直流变换和直流直流变流，通过该系统，能实现本地及异地间灵活的交、直流变换、控制与输配。

2、为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

3、本发明所述的一种多端口交直流混合变流装置，

4、包括n个具有独立控制调节能力的变流单元和若干个多绕组变压器，若干个所述多绕组变压器组合并引出与变流单元交流侧相连的n个第一交流端口及与交流电网相连的m个第二交流端口，其中m≥0，在直流输配电单极结构下变流单元数量n不小于2，在直流输配电真双极结构和伪双极结构下n不小于3；

5、n个所述变流单元用于交直流功率的变换、交直流电流的变换及交直流电压的变换；所述多绕组变压器用于对n个第一交流端口和m个第二交流端口之间的电气隔离、交流变压与电能交换；

6、n个所述变流单元的直流侧串联，至少引出n+1个直流端子，从而最多可组合形成n个可独立调节控制的直流端口，或最多可组合形成包括可独立控制或非独立控制的(n+1)*n/2个直流端口，且在直流输配电单极结构和伪双极结构下可独立调控直流端口数量不小于2，在直流输配电真双极结构下可独立调控直流端口数量不小于3；

7、当m＝0时，本多端口交直流混合变流装置实现了两个以上直流端口的直流-直流变流功能，当m≥1时，本多端口交直流混合变流装置同时实现了交流-直流变换和直流-直流变流功能。

8、进一步地，所述多绕组变压器包含n个所述第一交流端口和m个第二交流端口的1个多绕组变压器或自耦变压器，或由若干变压器经过串、并联组合构成并引出n个所述第一交流端口和m个第二交流端口，并实现n个第一交流端口和m个第二交流端口之间的电气隔离、交流变压和电能交换；

9、n个所述变流单元采用相同或不同的变流器拓扑结构，包括两电平电压源变流器、两电平以上的多电平电压源变流器、模块化多电平电压源变流器和其它交直流变流结构，n个所述变流单元根据需要选择电路拓扑、电压和电流额定值，而且每个所述变流单元还可采用多个变流电路串、并联组成的多重化结构；

10、所述多绕组变压器和变流单元同为单相结构或三相结构或单相和三相的混合结构，且所述变流单元的交流端口和所述多绕组变压器的第一交流端口相应为单相结构或三相结构或单相和三相的混合结构；

11、当多绕组变压器中外接交流端口数量m＝0，多端口交直流混合变流装置形成两个及以上端口直流-直流变流功能的拓扑结构，成为多端口直流-直流变流装置。

12、进一步地，在n个所述变流单元直流侧的直流端口中，具有较高电压等级的直流端口的电压由具有较低电压等级的直流端口的电压和二者之间的变流单元的直流电压叠加而成，从而使得每个所述直流端口内的变流单元和电力电子器件能够在更高电压等级的直流端口中重复利用，显著减少所需电力电子数量，同时使不同直流端口之间具有直接直流-直流变流功能，且直接直流-直流变流时电流流经的器件数量减少，提高直流-直流变流效率；

13、忽略变流装置损耗，变流装置功率满足以下关系式：

14、

15、其中idu，i、vdu，i、pdu，i和qdu，i分别为第i个变流单元的输入直流电流、直流电压、输入有功功率和其向多绕组变压器输入的无功功率，idt，i、vdt，i和pdt，i分别为第i个直流端口的输入直流电流、直流电压和输入有功功率，pac和qac为变流装置交流端口输入的有功功率和无功功率，vd,i为第i个直流端子的电位。

16、当包含n个变流单元的变流装置在单极直流系统中应用，其最多可引出n个可独立控制直流端口，且可独立控制直流端口数量不小于2；直流端口按电压从高到低引出排列，引出的直流端口为d1-dn+1，d2-dn+1，…，dn-dn+1，相应端口电压为vdt,1>vdt,2>vdt,3>…>vdt,n，且直流端口电压vdt,i与直流端子电位vd,i的关系为：vdt,i＝vd,i-vd,n+1，i＝1，2，…，n，此时所述变流单元直流电流idu,i，直流电压vdu,i与直流端口的直流电流idt,i、直流电压vdt,i,的关系满足以下公式；

17、

18、

19、当包含n个变流单元的变流装置在真双极直流系统中应用，其最多可引出n个可独立控制直流端口，且可独立控制直流端口数量不小于3；对于对称结构，n为偶数且不小于4；此时在直流中点电位处的dn/2+1端子引出中性线且接地，中性线上下分别为正、负极，且正、负极可分别独立控制运行，按直流端口电压从高到低排列，引出的直流端口为d1-dn/2+1，d2-dn/2+1，…，dn/2-dn/2+1，dn/2+2-dn/2+1，…，dn+1-dn/2+1，相应端口电压为vdt,1>vdt,2>vdt,3>…>vdt,n，且上述端口电压正、负各半，直流端口电压与直流端子电位的关系为：vdti＝vdi-vdn/2+1，当i＝1，2，…，n/2；vdt,i＝vd,i+1-vd,n/2+1，当i＝n/2+1，n/2+2，…，n，此时所述变流单元直流电流idu,i，直流电压vdu,i与直流端口的直流电流idt,i、直流电压vdt,i,的关系满足以下公式；

20、

21、

22、对于非对称结构，n为奇数且不小于3，此时双极模式的正、负极不对称且分别按单极模式进行配置；

23、当包含n个变流单元的变流装置在伪双极直流系统中应用，此时n为奇数且不小于3，其最多可引出(n+1)/2个可独立控制直流端口，且可独立控制直流端口数量不小于2；按直流端口电压从高到低排列，引出的直流端口为d1-dn+1，d2-dn，…，d(n+1)/2-d(n+3)/2，相应端口电压为vdt,1>vdt,2>vdt,3>…>vdt,(n+1)/2，直流端口电压与直流端子电位的关系为：vdti＝vdi-vdn+2-i，i＝1，2，…，(n+1)/2，此时所述变流单元直流电流idu,i，直流电压vdu,i与直流端口的直流电流idt,i、直流电压vdt,i,的关系满足以下公式：

24、

25、

26、包含n个变流单元的变流装置还包括单极、真双极和伪双极直流的混合应用，此时n不小于3，且可独立控制直流端口数量不小于3，同时部分直流端口按单极结构方式接线，部分直流端口利用对应电压等级的正、负直流端子和中性线端子引出形成真双极直流接线，部分直流端口利用对应电压等级的正、负直流端子引出形成伪双极直流接线，此时不接入本装置中性线；上述单极、真双极、伪双极三种结构取其二或全部应用，形成混合结构。

27、进一步地，每个所述变流单元分别连接有控制单元，所述控制单元用于对变流单元的直流侧和/或交流侧的电压、电流、功率进行控制调节，从而直接或间接对本多端口交直流混合变流装置的直流端口和/或交流端口的电压、电流、功率进行控制调节；而且由于较低电压等级的变流单元控制要考虑较高电压等级变流单元直流电流流过的影响，所述控制单元按上述所有公式进行设定，并在此基础上完成所需的电压、电流或功率控制：

28、或者，n个所述变流单元连接有装置级总控制单元，所述装置级总控制单元用于协调控制所有变流单元的输入输出及总功率，从而实现对本多端口交直流混合变流装置的交、直流端口灵活电力变换、控制与稳定运行；

29、所述控制单元或装置级总控制单元在对变流单元进行控制时，应满足以下公式：

30、

31、式中，nt表示变流装置中有nt个直流端口，na表示nt个直流端口中有na个直流端口的电压控制由所连接直流回路的其它设备完成，nb表示有nb个直流端口由本多端口交直流混合变流装置完成直流电压控制，nc表示有nc个没有直接引出直流端口的变流单元采用直流电压控制，nd表示有nd个变流单元采用非直流电压控制。

32、进一步地，所述多端口交直流混合变流装置可实现不同电压等级的直流负载和分布式直流电源的接入与电力交互，通过对控制方法的选择与配合，还可实现不同直流端口之间的电力变换与交互、直流端口与交流端口之间的电力变换与交互，具体包括：

33、当任意组合成第一部分直流端口a的一个以上所述直流端口的输入功率均大于零或小于零，且输入功率之和为pa，组合成的第二部分直流端口b的余下一个以上所述直流端口的输入功率均小于零或大于零，且输入功率之和为pb，所述交流端口的输入有功功率为pac，忽略本多端口交直流混合变流装置损耗，则有：当m＝0，pa+pb＝0；当m≥1，pa+pb+pac＝0，且：

34、当m≥0时，若pa+pb＝0，pa>0，则为第一部分直流端口a向第二部分直流端口b的电力变换与电力输送；反之，若pa+pb＝0，pa<0,则为第二部分直流端口b向第一部分直流端口a的电力变换与电力输送；

35、当m≥1时，若pa+pb>0，pa>0，pb<0，则为第一部分直流端口a向第二部分直流端口b和交流端口的电力变换与电力输送；反之，若pa+pb<0，pa<0，pb>0，则为第二部分直流端口b和交流端口向第一部分直流端口a的电力变换与电力输送；

36、当m≥1时，若pa+pb>0，pa>0，pb>0，则为第一部直流端口a和第二部分直流端口b向交流端口的电力变换与电力输送；反之，若pa+pb<0，pa<0，pb<0时，则为交流端口向第一部分直流端口a和第二部分直流端口b的电力变换与电力输送。

37、本发明还提供了一种多端交直流混合输配系统，包括两个以上所述的多端口交直流混合变流装置，两个以上所述多端口交直流混合变流装置的一个或多个直流端口分别连接相应电压等级的直流回路，两个以上所述多端口交直流混合变流装置的一个或多个交流端口分别连接相应电压等级的交流回路，形成多端交直流混合输配系统，实现多地、不同电压等级直流负载和多电压等级直流电源的接入、互联与互动。

38、进一步地，该多端交直流混合输配系统还包括系统级控制单元，所述系统级控制单元用于控制各多端变流装置的协调配合运行，实现跨不同区域的交、直流灵活电力变换与互济，以及实现交直流输配网的稳定运行；其中，所述跨不同区域的交、直流灵活电力变换与互济包括：

39、通过不同电压等级直流回路实现的相同或不同电压等级异地交流电路间灵活电力交换与互济；

40、相同或不同电压等级的异地直流回路之间灵活电力交换与互济；

41、异地交、直流间的灵活电力变换与互济。

42、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

43、本发明的多端口交直流变流装置，能同时实现交流-直流变换和直流-直流变流功能，且总体成本较低，所需电力电子器件较少。

44、本发明的多端交直流混合系统，能同时实现

45、1，通过不同电压等级直流回路实现相同或不同电压等级异地交流电网之间的电力交换与互济。

46、2，异地相同或不同电压等级直流的电力变换与分配。

47、3，异地交、直流之间的灵活电力变换，从而实现更加多样的交、直流混合运行方式，获得更加灵活的交、直流变换、控制与输配。

48、下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。