一种直流变压器及其控制方法与流程

1.本发明涉及一种直流变压器及其控制方法，属于电力系统柔性直流输电技术领域。


背景技术：

2.目前大型新能源场站多采用传统交流汇集升压并网方式，因单台变流器容量小、数量多、分散式布置方案，使得新能源场站存在设备协同性差，多级升压造成系统支撑能力弱；变流器相互作用复杂，主动电网构建及黑启动能力协同实现困难；大量变流器与长距离电缆相互耦合，电压越限和宽频域振荡问题制约新能源电站送出能力，交流线路损耗大影响系统整体效率等问题。而调度指令传递环节多，响应时间长，也难以满足电网快速频率支撑需求。
3.采用直流汇集送出方式无低次谐波污染问题，控制策略简明清晰，有利于多变换器系统内部耦合作用分析与稳定控制，相同绝缘等级下，直流汇集系统传输能力更强，且导体中无集肤效应，损耗更低，可有效改善系统的稳定性、电能质量与整体效率，是解决传统交流汇集送出方式诸多问题的有效途径之一。而大型新能源场站经直流汇集送出时，汇集往往仅有几十千伏，为实现与动辄几百千伏的高压直流网络进行并网实现新能源发电功率送出，配置高变比高压大容量直流变压器装置必不可少。
4.在中低压应用中存在着大量的直流变压器拓扑，但这些拓扑由于器件应力、损耗、成本、滤波器体积重量、高频变压器在高压场合不易实现等制约因素而无法扩展到百千伏、百兆瓦等级；现有高压大容量直流变压器拓扑诸如隔离型mmc-dab变压器拓扑等，不容易扩展，不能模块化控制和生产应用、直流侧存在二倍频分量等问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种直流变压器及其控制方法，用以解决现有技术中直流变压器的直流侧存在的二倍频谐波分量导致直流汇集系统不稳定且电能质量不高的问题。
6.为实现上述目的，本发明的方案包括：
7.本发明的一种直流变压器，包括第一变压器单元和第二变压器单元，两个变压器单元的结构相同，都包括单相逆变电路、隔离变压器和单相整流电路，单相逆变电路的交流端接隔离变压器的原边，单相整流电路的交流端接隔离变压器的副边，两个单相逆变电路的直流端并联，两个单相整流电路的直流端串联，两个隔离变压器的交流电压相位配置相差90
°
。
8.本发明的有益效果为：将直流变压器的拓扑电路分为两个相同的变压器单元，每个变压器单元都包括单相逆变电路、隔离变压器和单相整流电路，两个单相逆变电路的直流端并联，两个单相整流电路的直流端串联的方式可以将现有技术中的每个桥臂上的大量子模块分成相同两部分，方便对每个直流变压器单元中的电路进行控制；同时将两个隔离变压器的交流电压相位配置相差90
°
，可以有效消除流入直流侧的二倍频谐波，有效改善了
直流汇集系统的稳定性和电能质量。
9.进一步地，每个所述单相逆变电路和所述单相整流电路均为全桥结构。
10.进一步地，每个所述单相逆变电路和所述单相整流电路的每条桥臂上串联的若干子模块为半桥子模块。
11.进一步地，每个单相逆变电路和单相整流电路的每条桥臂上串联的子模块均包括与其旁路开关并联的转折晶闸管。
12.本发明的有益效果为：通过设置一个旁路开关来控制每个半桥子模块的投入情况，从而控制每个桥臂上半桥子模块的投入个数，达到控制桥臂电压的目的。
13.一种直流变压器的控制方法，所述直流变压器包括第一变压器单元和第二变压器单元，两个变压器单元的结构相同，都包括单相逆变电路、隔离变压器和单相整流电路，单相逆变电路的交流端接隔离变压器的原边，单相整流电路的交流端接隔离变压器的副边，两个单相逆变电路的直流端并联，两个单相整流电路的直流端串联；所述控制方法包括：控制两个隔离变压器的交流电压相位相差90
°
。
14.本发明的有益效果为：控制两个变压器单元中隔离变压器的交流电压相位相差90
°
，可以有效消除流入直流侧的二倍频谐波。
15.进一步地，所述控制方法还包括：采用单闭环控制策略对所述第一变压器单元的单相整流电路进行控制，所述单闭环控制策略为：采集单相整流电路交流端的交流电压，获取到所述交流电压的峰值并与峰值给定值作差，将得到的差值经过控制器调节控制以得到单相整流电路中每个桥臂的调制波u
p1_ref
，根据调制波u
p1_ref
对每个桥臂上的半桥子模块投入个数进行调节控制。
16.本发明的有益效果为：通过计算得到隔离变压器整流电路侧的交流电压的峰值补偿量，把峰值补偿量经过控制器控制后得到整流电路每个桥臂的补偿电压u
p1_ref
，把每个桥臂的总的补偿电压转换成半桥子模块投入个数，通过控制半桥子模块的是否投入来控制隔离变压器整流电侧的交流电压，控制方法更为简便直观。
17.进一步地，所述控制方法还包括：采用双闭环控制策略对所述第一变压器单元的单相逆变电路进行控制，根据控制需求计算单相逆变电路的直流电压与直流电压给定值的差值或者单相逆变电路中有功功率与有功功率给定值的差值，将得到的所述差值经过控制器调节控制后得到d轴电流内环的给定值；计算单相逆变电路中无功功率跟无功功率给定值的差值，将得到的所述差值经过控制器调节控制后得到q轴电流内环的给定值，依据所述d轴电流内环的给定值和所述q轴电流内环的给定值经过电流内环控制以及坐标变换以最终得到每个桥臂的调制波u
s1_ref
，根据调制波u
s1_ref
对每个桥臂上的半桥子模块投入个数进行调节控制。
18.本发明的有益效果为：通过计算直流电压补偿量或者计算逆变电路中有功功率的补偿量经控制器控制后得到d轴电流内环的给定值，并计算逆变电路中无功功率补偿量经过控制器调节控制后得到q轴电流内环的给定值，将dq坐标系下的电流内环给定值经过电流内环控制后再经坐标变换，得到逆变电路每个桥臂的补偿电压u
s1_ref
，把每个桥臂的总的补偿电压转换成半桥子模块投入个数，通过控制半桥子模块的是否投入来控制直流变压器低压侧电压或有功功率及无功功率，控制方法更为简便直观。
19.进一步地，所述控制方法还包括：采用单闭环控制策略对所述第二变压器单元的
单相整流电路进行控制，所述单闭环控制策略为：采集单相整流电路交流端的交流电压，获取到所述交流电压的峰值并与峰值给定值作差，将得到的差值经过控制器调节控制以得到单相整流电路中每个桥臂的调制波u
p2_ref
，根据调制波u
p2_ref
对每个桥臂上的半桥子模块投入个数进行调节控制。
20.进一步地，所述控制方法还包括：采用双闭环控制策略对所述第二变压器单元的单相逆变电路进行控制，根据控制需求计算单相逆变电路的直流电压与直流电压给定值的差值或者单相逆变电路中有功功率与有功功率给定值的差值，将得到的所述差值经过控制器调节控制后得到d轴电流内环的给定值；计算单相逆变电路中无功功率跟无功功率给定值的差值，将得到的所述差值经过控制器调节控制后得到q轴电流内环的给定值，依据所述d轴电流内环的给定值和所述q轴电流内环的给定值经过电流内环控制以及坐标变换以最终得到每个桥臂的调制波u
s2_ref
，根据调制波u
s2_ref
对每个桥臂上的半桥子模块投入个数进行调节控制。
附图说明
21.图1是本发明的一种直流变压器拓扑电路结构示意图；
22.图2是发明的一种直流变压器高低压侧半桥子模块结构示意图；
23.图3是本发明中的第一变压器单元的高压侧控制框图；
24.图4是本发明中的第一变压器单元的低压侧控制框图；
25.图5是本发明中的第二变压器单元的高压侧控制框图；
26.图6是本发明中的第二变压器单元的低压侧控制框图。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
28.一种直流变压器的实施例：
29.本发明的一种直流变压器的拓扑电路如图1所示，直流变压器包括直流变压器单元1和直流变压器单元2，直流变压器单元1包括单相逆变电路1、隔离变压器t1、单相整流电路1；直流变压器单元2包括逆变电路2、隔离变压器t2、整流电路2，单相逆变电路1和单相逆变电路2的直流端并联，单相整流电路1和单相整流电路2的直流端串联，单相逆变电路1的交流端接隔离变压器t1的原边，单相整流电路1的交流端接隔离变压器t1的副边，单相逆变电路2的交流端接所述隔离变压器t2的原边，单相整流电路2的交流端接隔离变压器t2的副边；其中单相逆变电路1和单相逆变电路2均为全桥结构，每个桥臂均包含一定个数的半桥子模块和一个桥臂电抗器，同时两条直流母线各配置一个直流电抗器；单相整流电路1和单相整流电路2均为全桥结构，每个桥臂均包含一定个数的半桥子模块和一个桥臂电抗器，同时两条直流母线各配置一个直流电抗器。在直流变压器高压侧的中性点位置，配置经电阻接地的接地点。将隔离变压器t1和隔离变压器t2的交流电压相位配置相差90
°
。该拓扑能够可以有效消除流入直流侧的二倍频谐波，方便对每个变压器单元中的电路进行控制。
30.如图2所示半桥子模块包括上开关管(包括igbt和与igbt反并联的二极管)、下开关管(包括igbt和与igbt反并联的二极管)、电容c、一个旁路开关和一个转折晶闸管，在串
联的上开关管和下开关管的两端并联电容c，旁路开关和转折晶匣管分别跟下开关管并联。
31.基于上述介绍的直流变压器拓扑电路，将隔离变压器t1和隔离变压器t2的交流电压相位配置相差90
°
，配置原理具体如下：
32.对于各个直流变压器单元，假设隔离变压器原副边电压均为基波正弦分量，假设直流变压器单元1单相逆变电路中的a相单元的上下桥臂电压可表示为：
[0033][0034]
式中，u
ua
为上桥臂电压、u
la
为下桥臂电压、u
dc
为单相逆变电路的直流电压、ea为单相逆变电路交流阀侧的相电压、e为单相逆变电路交流阀侧的相电压峰值。
[0035]
直流电流在单相逆变电路的两相均分，则上下桥臂电流可表示为：
[0036][0037]
式中，i
ua
为上桥臂电流、i
la
为下桥臂电流、i
dc
为单相逆变电路的直流电流、ia为单相逆变电路交流阀侧的电流、i为单相逆变电路交流阀侧的电流峰值，为单相逆变电路交流阀侧电压和电流的相位差。
[0038]
定义电压和电流的调制比为：
[0039][0040]
因此，上、下桥臂瞬间功率为：
[0041][0042]
对功率进行积分，得上桥臂能量为：
[0043]
[0044]
因此上、下桥臂储能能量的交流分量为：
[0045][0046]
上、下桥臂能量相加，得a相储能的交流能量为：
[0047][0048]
由上式可以看出，a相能量包括有二倍频分量，因此a相电压必然也包括二倍频分量，受二倍频电压的激励，二倍频电流也将出现在该相回路中。
[0049]
设二倍频电流分量为：
[0050][0051]
由于ab两相在运行时基波反相，则有：
[0052][0053]
因此系统中单个直流变压器单元中的单相逆变电路和单相整流电路中两相中的二倍频电流大小相等、方向相同，且全部流入直流端。而当设置两个直流变压器单元中隔离变压器t1和隔离变压器t2的交流相位差90
°
时，对于单相逆变电路，流入直流端的二倍频电流可计算为：
[0054][0055]
对于单相整流电路，流入直流端的二倍频电流可计算为：
[0056]
[0057]
因此，可通过设置两个直流变压器单元中隔离变压器t1和隔离变压器t2的交流电压相位相差90
°
来消除流入直流侧的二倍频电流谐波。
[0058]
一种直流变压器的控制方法的实施例：
[0059]
本发明的一种直流变压器的控制方法适用于上述直流变压器的拓扑电路的控制方法，直流变压器的拓扑电路已在直流变压器的具体实施例中介绍的足够清楚，此处不再赘述，基于上述两个直流变压器单元中隔离变压器的交流电压相位相差90
°
的设置的前提下，对两个直流变压器单元的具体控制方法如下：
[0060]
对于直流变压器单元1，采用单闭环控制策略对单相整流电路1中的交流电压进行控制。如图3所示，u
ac1
是直流变压器单元1中隔离变压器t1的副边的实际交流电压，将u
ac1
和u
ac1
延时一定周期后的电压从两相静止αβ坐标系下转换到按角度wt进行旋转后的dq坐标系下，得到坐标变换后d轴的电压d1，将电压d1经过低通滤波器后，过滤掉高频分量得到实际交流电压u
ac1
的峰值u
ac1peak
，将交流电压的峰值u
ac1peak
跟交流电压峰值的给定值u
acpeakref
作差后，将差值通过pi比例积分控制器进行无静差控制后得到一个电压调制幅值m
p1
，再将此m
p1
跟一个正弦载波信号sin(wt)和0.5u
dc
直流电压相乘后输出一个桥臂的电压补偿量u
p1_ref
，将此电压补偿量u
p1_ref
经过调制器调制后得到电压补偿量的调制波，最后将得到的调制波转换到每个桥臂对应的子模块投入个数上，通过控制桥臂上的子模块的投入个数来实现单相整流电路1中交流电压的调节控制。
[0061]
对于直流变压器单元1，采用双闭环控制策略对单相逆变电路1的直流电压或有功功率及无功功率进行控制，如图4所示，根据控制需求计算单相逆变电路1的直流电压u
dc
跟直流电压给定值u
dcref
的差值或者单相逆变电路1中有功功率p1与有功功率给定值p
ref
的差值，将此差值经过pi比例积分控制器控制后得到d轴电流内环的给定值i
sd1_ref
，将电流内环的给定值i
sd1_ref
跟d轴的实际电流内环值i
sd1
进行作差再经过pi比例积分控制器控制后，把控制器控制后的结果跟单相逆变电路1中交流阀侧相电压的d轴分量e
d1
叠加再跟q轴实际电流内环值i
sq1
经过wls/2解耦后的电压作差，将最后得到的差值作为电压补偿量的d轴分量；计算单相逆变电路1中的无功功率q1与无功功率的给定值q
ref
的差值经过pi比例积分控制器控制后得到q轴电流内环给定值i
sq1_ref
，跟q轴实际电流内环值i
sq1
作差，将此差值再经过pi比例积分控制器控制后，把控制器控制后的结果跟单相逆变电路1中交流阀侧相电压的q轴分量e
q1
叠加再跟d轴实际电流内环值i
sd1
经过wls/2解耦后的电压作差，将最后得到的差值作为电压补偿量的q轴分量；最后得到电压补偿量的d轴分量和电压补偿量的q轴分量从两相dq坐标系下变换到按角度wt进行旋转后的两相静止αβ坐标系下，得到每个桥臂的电压补偿量u
s1_ref
，将此电压补偿量u
s1_ref
经过调制器调制后得到电压补偿量的调制波，最后将得到的调制波转换到每个桥臂对应的子模块投入个数上，通过控制桥臂上的子模块的投入个数来实现单相逆变电路1中直流电压或有功功率及无功功率的控制。
[0062]
对于直流变压器单元2，采用单闭环控制策略对单相整流电路2中的交流电压进行控制。如图5所示，u
ac2
是直流变压器单元2中隔离变压器t2的副边的实际交流电压，将u
ac2
和u
ac2
延时一定周期后的电压从两相静止αβ坐标系下转换到按角度wt-pi/2进行旋转后的dq坐标系下，得到坐标变换后d轴的电压d2，将电压d2经过低通滤波器后，过滤掉高频分量得到实际交流电压u
ac2
的峰值u
ac2peak
，将交流电压的峰值u
ac2peak
跟交流电压峰值的给定值u
acpeakref
作差后，将差值通过pi比例积分控制器进行无静差控制后得到一个电压调制幅值mp2
，再将此m
p2
跟一个正弦载波信号sin(wt-pi/2)和0.5u
dc
直流电压相乘后输出一个桥臂的电压补偿量u
p2_ref
，将此电压补偿量u
p2_ref
经过调制器调制后得到电压补偿量的调制波，最后将得到的调制波转换到每个桥臂对应的子模块投入个数上，通过控制桥臂上的子模块的投入个数来实现单相整流电路2中交流电压的调节控制。
[0063]
对于直流变压器单元2，采用双闭环控制策略对单相逆变电路2的直流电压或有功功率及无功功率进行控制，如图6所示，根据控制需求计算单相逆变电路2的直流电压u
dc
跟直流电压给定值u
dcref
的差值或者单相逆变电路2中有功功率p1与有功功率给定值p
ref
的差值，将此差值经过pi比例积分控制器控制后得到d轴电流内环的给定值i
sd1_ref
，将电流内环的给定值i
sd1_ref
跟d轴的实际电流内环值i
sd2
进行作差再经过pi比例积分控制器控制后，把控制器控制后的结果跟单相逆变电路2中交流阀侧相电压的d轴分量e
d2
叠加再跟q轴实际电流内环值i
sq2
经过wls/2解耦后的电压作差，将最后得到的差值作为电压补偿量的d轴分量；计算单相逆变电路2中的无功功率q1与无功功率的给定值q
ref
的差值经过pi比例积分控制器控制后得到q轴电流内环给定值i
sq2_ref
，跟q轴实际电流内环值i
sq2
作差，将此差值再经过pi比例积分控制器控制后，把控制器控制后的结果跟单相逆变电路2中交流阀侧相电压的q轴分量e
q2
叠加再跟d轴实际电流内环值i
sd2
经过wls/2解耦后的电压作差，将最后得到的差值作为电压补偿量的q轴分量；最后得到电压补偿量的d轴分量和电压补偿量的q轴分量从两相dq坐标系下变换到按角度wt-pi/2进行旋转后的两相静止αβ坐标系下，得到每个桥臂的电压补偿量u
s2_ref
，将此电压补偿量u
s2_ref
经过调制器调制后得到电压补偿量的调制波，最后将得到的调制波转换到每个桥臂对应的子模块投入个数上，通过控制桥臂上的子模块的投入个数来实现单相逆变电路2中直流电压或有功功率及无功功率的控制。

技术特征：
1.一种直流变压器，其特征在于，包括第一变压器单元和第二变压器单元，两个变压器单元的结构相同，都包括单相逆变电路、隔离变压器和单相整流电路，单相逆变电路的交流端接隔离变压器的原边，单相整流电路的交流端接隔离变压器的副边，两个单相逆变电路的直流端并联，两个单相整流电路的直流端串联，两个隔离变压器的交流电压相位配置相差90
°
。2.根据权利要求1所述的直流变压器，其特征在于，每个所述单相逆变电路和所述单相整流电路均为全桥结构。3.根据权利要求1所述的直流变压器，其特征在于，每个所述单相逆变电路和所述单相整流电路的每条桥臂上串联的若干子模块为半桥子模块。4.根据权利要求1～3任一项所述的直流变压器，其特征在于，每个单相逆变电路和单相整流电路的每条桥臂上串联的子模块均包括与其旁路开关并联的转折晶闸管。5.一种直流变压器的控制方法，其特征在于，所述直流变压器包括第一变压器单元和第二变压器单元，两个变压器单元的结构相同，都包括单相逆变电路、隔离变压器和单相整流电路，单相逆变电路的交流端接隔离变压器的原边，单相整流电路的交流端接隔离变压器的副边，两个单相逆变电路的直流端并联，两个单相整流电路的直流端串联；所述控制方法包括：控制两个隔离变压器的交流电压相位相差90
°
。6.根据权利要求5所述的直流变压器的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：采用单闭环控制策略对所述第一变压器单元的单相整流电路进行控制，单闭环控制策略为：采集所述单相整流电路交流端的交流电压，获取到交流电压的峰值并与峰值给定值作差，将得到的差值经过控制器调节控制以得到单相整流电路中每个桥臂的调制波u
p1_ref
，根据调制波u
p1_ref
对每个桥臂上的半桥子模块投入个数进行调节控制。7.根据权利要求5所述的直流变压器的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：采用双闭环控制策略对所述第一变压器单元的单相逆变电路进行控制，根据控制需求计算单相逆变电路的直流电压与直流电压给定值的差值或者单相逆变电路中有功功率与有功功率给定值的差值，将得到的所述差值经过控制器调节控制后得到d轴电流内环的给定值；计算单相逆变电路中无功功率与无功功率给定值的差值，将得到的所述差值经过控制器调节控制后得到q轴电流内环的给定值，依据所述d轴电流内环的给定值和所述q轴电流内环的给定值经过电流内环控制以及坐标变换以最终得到每个桥臂的调制波u
s1_ref
，根据调制波u
s1_ref
对每个桥臂上的半桥子模块投入个数进行调节控制。8.根据权利要求5所述的直流变压器的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：采用单闭环控制策略对所述第二变压器单元的单相整流电路进行控制，所述单闭环控制策略为：采集单相整流电路交流端的交流电压，获取到所述交流电压的峰值并与峰值给定值作差，将得到的差值经过控制器调节控制以得到单相整流电路中每个桥臂的调制波u
p2_ref
，根据调制波u
p2_ref
对每个桥臂上的半桥子模块投入个数进行调节控制。9.根据权利要求5所述的直流变压器的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：采用双闭环控制策略对所述第二变压器单元的单相逆变电路进行控制，根据控制需求计算单相逆变电路的直流电压与直流电压给定值的差值或者单相逆变电路中有功功率与有功功率给定值的差值，将得到的所述差值经过控制器调节控制后得到d轴电流内环的给定值；计算单相逆变电路中无功功率与无功功率给定值的差值，将得到的所述差值经过控制器调
节控制后得到q轴电流内环的给定值，依据所述d轴电流内环的给定值和所述q轴电流内环的给定值经过电流内环控制以及坐标变换以最终得到每个桥臂的调制波u
s2_ref
，根据调制波u
s2_ref
对每个桥臂上的半桥子模块投入个数进行调节控制。

技术总结
本发明涉及一种直流变压器及其控制方法，属于电力系统柔性直流输电技术领域。本发明方案包括第一变压器单元和第二变压器单元，两个变压器单元的结构相同，都包括单相逆变电路、隔离变压器和单相整流电路，单相逆变电路的交流端接隔离变压器的原边，单相整流电路的交流端接隔离变压器的副边，两个单相逆变电路的直流端并联，两个单相整流电路的直流端串联，两个隔离变压器的交流电压相位配置相差90


技术研发人员：行登江 刘启建 王先为 杨美娟 刘欣和 李道洋
受保护的技术使用者：许继电气股份有限公司 许继集团有限公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/13