[发明专利]基于分叉桥臂结构的多端口直流柔性多状态开关装置

说明书

本发明公开了一种基于分叉桥臂结构的多端口直流柔性多状态开关装置，其由分叉桥臂结构的多端口MMC和传统全桥变换器两部分构成，二者交流端通过变压器相连接，原边分叉桥臂结构的多端口MMC由两相十二桥臂构成，中间桥臂分叉形成多端口。本发明在传统模块化多电平变换器的拓扑基础上对其进行改造、整合，通过原边分叉桥臂结构使用较少数量的开关器件和电容器实现高压直流网络同时向多个低压直流网络输电，从而满足直流电网对柔性多状态开关装置的各自功能需求，可连接多个不同电压等级的直流电网，实现多个直流电网之间的电能传输。

技术领域

本发明属于柔性多状态开关技术领域，具体涉及一种基于分叉桥臂结构的多端口直流柔性多状态开关装置。

背景技术

随着世界能源短缺和环境污染问题的加重，分布式能源技术得到快速发展；相比传统交流电网，直流电网更易于实现分布式能源接入，并且具有损耗低、环境污染小、电能质量高等优势，因而受到广泛关注和研究。此外，在交直流电有效值相同时，交流电压的峰值比直流电压峰值大，因此对电缆的绝缘强度要求也就更严格，所以直流电缆的成本也要低。在交流配电网中，交流输电能力受到同步发电机间功角稳定问题的限制，且随着输电距离的增大，同步机间的电抗增大，输电能力受到更大的限制，而直流线路不存在频率稳定和无功功率等问题，供电可靠性也较高。直流线路的“空间电荷效应”也使得电晕损耗和无线电干扰都比交流线路小，产生的电磁辐射也小；因此，采用直流互联的电网结构已越来越受到国际电力工程界的推崇。

在直流配电网中，为了实现不同电压等级直流母线的高效互联，多端口直流柔性多状态开关装置得到了广泛关注；模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)拥有单个子模块开关频率低、模块化设计、易冗余、电压等级高的优势，成为了构建未来高电压直流输电中最热门、被研究最多的变换器。基于直流-直流变换(DC-DC)的MMC变换器(DC-DC MMC)可直接将高压直流系统与低压直流电网有效连接，构成灵活的直流输配电网络。

总体来说，DC-DC MMC可以分为非隔离型和隔离型两种；隔离型DC-DC MMC变换器是指两个电压源型换流器的交流端通过交流变压器互联在一起，因此传输的功率需要经过两级交流/直流变换，该类结构相对单向DC-DC MMC变换器能够实现功率的双向流动，具备天然的隔离直流故障的能力；两侧MMC根据传输容量的需求选择单相或三相拓扑，对于超大容量场合可采用多相连接方式。石绍磊等人在文献《模块化多电平型高压DC/DC变换器的研究[J].电源学报,2015,13(6):110-123》中提出了一种典型的隔离型DC-DC MMC变换器，在高压DC-DC变换领域，隔离型DC-DC MMC不仅可以提供电气隔离，还可以灵活的进行直流功率控制以及更加灵活的电压匹配和直流故障隔离；采用中频或高频变压器(几百Hz或者几千Hz)，隔离型DC-DC MMC可以大大减小装置的体积并提高变换效率。但在高压直流网络同时向多个低压直流网络输电的过程中，传统方案需要多个DC-DC MMC变换器，因此需要大量的开关器件和电容器等；在高压直流网络同时向两个低压直流网络输电的过程中，传统方案需要两个DC-DC MMC变换器，需要大量的开关器件和电容器等。

非隔离型DC-DC MMC变换器是指拓扑中高低压直流系统共用了一部分换流端桥臂，相比隔离型DC-DC MMC变换器省去了中间的变压器，具有变换器容量小、子模块数量少、体积重量较小等优点。赵成勇等人在文献《新型模块化高压大功率DC-DC变换器[J].电力系统自动化,2014,38(4):72-78》中基于传统MMC拓扑提出一种单相非隔离型DC-DC MMC变换器，非隔离型DC-DC MMC由于没有中间变压器，变比大小受到一定限制，仅用于电压变比要求较低的场合，比如电压等级相差不大的高压大功率直流输电系统互联。

发明内容