【技术领域】

本发明属于电力系统柔性输配电技术领域， 具体涉及一种直流-直流变 换器， 适用于互联多个电压等级不同的直流系统。

【背景技术】

随着越来越多的风力发电， 太阳能发电等新能源发电接入电网以及直 流输电技术的发展， 将多条直流输电线路互联构成多端直流输电系 统以及 直流系统从而解决大规模新能源发电的接入问 题成为工业界广泛关注的技 术方案。 为了形成直流系统， 各个区域直流系统的互联是一个亟待解决的 问题。 由于各个区域直流系统功能不同， 所采用的技术不同， 所建设的年 代不同， 各个区域直流系统的额定直流电压不会完全一 致。 为了互联多个

(大于等于 3个） 不同额定直流电压的直流系统， 需要采用直流-直流变换 器。 在配电网层面， 直流微网也是目前的技术热点之一， 互联多个不同额 定直流电压的直流微网也需要用到直流-直流� �换器。

一种互联多个不同电压等级直流系统的方案是 利用多个两端口直流-直 流变换器将不同电压等级的直流系统两两互联 在一起。 但这种方案需要较 多的两端口直流-直流变换器， 成本高， 损耗大。 另一种方案是采用多端口 直流 -直流变换器技术。

现有技术中存在一种采用电感 -电容 -电感 (LCL)电路的多端口直流-直 流变换技术， 该方案中， 每个直流系统直流侧与各自的换流器直流侧连 接 在一起，每个换流器的交流侧经电感 -电容 (LC)电路连接到交流公共母线上。 该方案中，每个 LC电路的电感和电容的取值经过特殊设计从而� ��确保不同 电压等级的直流系统不需要变压器也能直接互 联在一起。

Sixifo Falcones 等人的 " A dc-dc multiport-converter-based solid-state transformer integrating distributed generation and storage " (IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(5), 2192~2203)披露了一种采用多端口高频变 压器的多端口直流-直流变换技术， 其技术细节为每个直流系统经电压源型 换流器在交流侧与多端口交流变压器的某个端 口连接在一起， 多端口交流 变压器用于匹配各电压源型换流器的不同输出 交流电压从而达到互联不同 电压等级直流系统的目的。

上述采用 LCL 电路的多端口直流-直流变换技术以及采用多� �口高频 变压器的多端口直流 -直流变换技术的一个显著共同点是各互联的� �流系统 直流侧没有直接的互联， 为此多端口直流 -直流变换技术没有充分利用各个 直流系统已经存在的直流电压，所有传输的功 率都要经过直流-交流-直流变 换， 所需要的换流器总容量为互联容量的两倍， 带来换流器成本高， 交流 链路成本高， 运行损耗大的缺陷。

本申请的发明人在先申请的发明专利 CN201410024869.X 中提出了一 种立体式直流 -直流变换器技术， 该技术通过将三个换流器串联， 能充分利 用低电压直流系统已经存在的直流电压从而可 以极大地降低所使用的总的 换流器， 降低交流链路成本， 降低运行损耗，

但 201410024869X中的方案只能连接两个电压等级不� �的直流系统， 其并没有提出相应的方案以连接 3个及 3个以上的电压等级不同的直流系 统， 也没有指明如何设计含 3个以上换流器的立体式直流-直流变换器中各 个换流器的额定电压和额定功率。

【发明内容】

为了改进上述传统多端口直流-直流变换器存� �的缺点， 降低多端口直 流-直流变换器总的变流容量从而降低成本， 降低损耗， 本提供了一种多端 口直流 -直流自耦变压器， 其充分利用了各直流系统已经存在的直流电压 ， 在直流侧对各直流系统进行一定程度的直接电 气互联， 使得各直流系统之 间传输的大部分功率可以无需经过直流 -交流 -直流变换，而是直接经过各直 流系统之间的电气互联进行传输。

为实现本发明的上述目的， 采用的具体技术方案如下：

一种多端口直流 -直流自耦变压器， 用于实现 N个直流系统之间的互联 传输 (N≥3)， 其特征在于， 该直流 -直流自耦变压器由 2N-1个换流器在直流 侧依次串联， 在交流侧并联连接到一点， 其中，

所述第 1换流器的负极与第 2换流器的正极相连接， 第 2换流器的负 极与第 3换流器的正极相连接， 依次类推， 第 j换流器的正极与第 j-1换流 器的负极相连接，第 j换流器的负极与第 j+1换流器的正极相连接，第 2N-1 换流器的正极与第 2N-2换流器的负极相连接， j为介于 2和 2N-2之间的 任意正整数；

完成上述各换流器的直流侧依次串联后， 第 1换流器的正极和第 2N-1 换流器的负极分别与第 1直流系统的正负极对应连接， 第 1换流器的正极 和第 2N-2换流器的负极分别与第 2直流系统的正负极对应连接，依次类推， 第 i换流器的正极和第 2N-i换流器的负极分别与第 i直流系统的正负极对应 连接， 第 N换流器的正负极分别和第 N直流系统的正负极对应连接；

完成上述各换流器的直流侧与各直流系统对应 连接后， 各换流器的交 流侧经过一定的交流链路连接在一公共点， 本发明记此交流公共点为公共 交流母线。

更进一步地， 当交流链路采用交流变压器时， 所述第 1换流器〜第 N-1 换流器以及第 N+1换流器至第 2N-1换流器的交流变压器靠近直流侧的端口 采用三角形接线方式， 以消除这些换流器的中性点不平衡问题， 所述第 N 换流器的变压器靠近直流侧的端口以及所有换 流器靠近公共交流母线侧可 以采用星形或三角形接线。

更进一步地， 所述第 1〜第 N-1换流器以及第 N+1〜第 2N-1换流器的 交流变压器靠近公共交流母线侧的端口采用三 角形接线方式， 以消除这些 换流器的中性点不平衡问题， 所述第 N换流器的变压器靠近交流公共母线 侧的端口以及所有 2N- 1个换流器靠近直侧的端口可以采用星形或三� �形接 线。

更进一步地， 所述 2N-1个换流器中至少一个换流器用于控制交流� �共 母线的交流电压而其他换流器则用于控制各自 的有功功率， 从而实现多端 口直流 -直流自耦变压器的稳定运行。

更进一步地， 所述第 1〜第 N-1换流器以及第 N+1〜第 2N-1换流器通 过相电抗连接到交流母线， 每相相电抗采用三角接线方式以消除这些换流 器的中性点不平衡。

更进一步地， 所述任意第 1直流系统〜第 N直流系统是一个或多个交 流系统经过交流 /直流变换后在直流侧互联构成的。

更进一步地， 所述任意第 1直流系统〜第 N直流系统是一个或多个交 流系统经过交流 /直流变换后与本身即输出直流电的直流系统� �直流侧互联 而形成的。

更进一步地， 所述交流公共母线与外部交流电网还有互联。

更进一步地， 所述任意第 1换流器〜第 2N-1换流器的交流侧不与公共 交流母线连接， 而是可以连接到相同或不同的交流电网上。

更进一步地， 当交流公共母线不再与外部交流电网连接时，

所述第 1换流器和第 2N-1换流器的额定直流电压设计为 (E _r E ₂ )/2，第 2 换流器和第 2N-2 换流器的额定直流电压设计为 (E ₂ -E ₃ )/2， 依次类推， 第 i 换流器和第 2N-i换流器的额定直流电压设计为 (Ei-E _i+1 )/2， 第 N换流器的额 定直流电压为 E _N ， 以上额定直流电压为设计参考值， 实际使用时在上述参 考值的基础上适当增大或减小额定值仍能使多 端口直流 -直流自耦变压器运 行， 所述 E ₁ 〜E _N 分别为第 1直流系统〜第 N直流系统的额定直流电压， 且 E!>E ₂ > .. E _N ，所述的额定直流电压为高电压直流端口 对低电压直流端口的 额定电压。

更进一步地， 所述第 1直流系统〜第 N直流系统的任意一个可以采用 对称双极， 对称单极， 不对称单极， 不对称双极等多种结构。

更进一步地，所述第 1换流器〜第 2N-1换流器优选为电压源型换流器， 从而使得第 1直流系统〜第 N直流系统的任意一个都可以双向地与多端口 直流-直流自耦变压器交换功率。

更进一步地， 所述第 1换流器〜第 2N-1换流器的一个或任意一个可以 采用基于晶闸管的相控换流器或者不控整流桥 。

更进一步地， 本发明还提供了一种多端口直流-直流自耦变� �器各换流 器额定容量的设计方法， 具体为记第 2直流系统〜第 N直流系统向多端口 直流-直流自耦变压器输出的功率为 P ₂ ~P _N ， 根据功率守恒原理， 第 1直流 系统吸收的有功功率为 (P ₂ + . . . +P _N ), 进一步可以计算得第 2直流系统〜第 N 直流系统输出的直流电流为 P ₂ /E ₂ 〜P _N /E _N ， 第 1 直流系统的输入电流为 (P ₂ + . . . +PN)/EI， 根据基尔霍夫电流定律以及前述多端口直流 -直流自耦变压 器的拓扑， 可以计算得到从第 1换流器流出的直流电流为

从第 2换流器流出的直流电流为:

从第 3换流器流出的直流电流为:

依次类推， 从第 i换流器流出的直流电流为

从第 N换流器流出的直流电流为

根据功率守恒， 可以求得第 1换流器的整流功率为

2换流器的整流功率为：

第 3换流器的整流功率为:

依次类推， 第 i换流器的整流功率为 ρ = (

第 N换流器的整流功率为

上述公式 (6)-(10)满足以下条件

-P 2 max <一 p 2 <— p丄 2 max

(11)

-P N max <— p N < ^— p N max

(12)

式 (11)~(12)中， P _lmax 〜P _Nmax 分别表示第 1直流系统〜第 N直流系统的 最大输出 /输入功率， 将式 (11)和 (12)代入式 (6)可以求得第 1 换流器的最大 功率为

p _ i o \ VSC l,max _ 、丄

第 2换流器〜第 N换流器的最大有功功率无法得到通用表达式� � 而是 需要根据各具体的 P _lmax 〜P _Nmax 以及 Ε^ΕΝ, 结合公式 (11)和 (12)， 求得每 个换流器的最大功率， 所求取的功率将作为各个换流器的额定功率， 其中 第 2N-1个换流器的额定功率与第 1个换流器的额定功率相同， 第 2Ν-2个 换流器额定功率与第 2个换流器功率相同， 依次类推， 第 2N-i个换流器的 额定功率与第 i个换流器额定功率相同， 以上额定功率为设计参考值， 实 际使用时在上述参考值的基础上适当增大或减 小额定功率仍能使多端口直 流 -直流自耦变压器运行

更进一步地， 本发明还提供了一种多端口直流-直流自耦变� �器的控制 方法， 具体为， 至少 1 个换流器用于控制公共交流的交流电压， 其他换流 器则用于控制与有功功率相关的量， 如直流功率或直流电压。

更进一步地， 根据多端口直流-直流自耦变压器的容量大小� � 多端口直 流-直流自耦变压器内部的交流链路可以采用� �相交流电路，两相交流电路， 三相交流电路或多相交流电路。

总体而言， 本发明的变换器相对于现有技术， 具有如下技术效果：

( 1 ) 通过多个换流器将不同电压等级的直流系统串 联联接在一起， 充 分利用了各互联直流系统已经存在的直流电压 ， 大大降低了各换流器的额 定电压从而降低了成本。

( 2 )本发明所使用的换流器容量总和大大小于传� �的多端口直流 -直流 变换器， 本发明可以大大地节省换流器成本。

( 3 )本发明各直流系统间互联的功率大部分会经� �各直流系统之间的 直接电气联系进行传输，大大减少了需要经过 直流 -交流 -直流两级变换的功 率， 从而大大降低了运行损耗从而大大降低了运行 成本， 而传统多端口直 流 -直流变换器所有互联功率都需要经过两级直� � -交流 -直流变换， 运行损 耗 [¾。

(4) 本发明各互联直流系统只有一部分互联功率需 要经过直流-交流- 直流两级变换从而可以大大降低交流链路成本 ， 而传统多端口直流-直流变 换器所有互联功率都需要经过直流-交流-直流� ��级变换，相应交流链路容量 为互联功率的 2倍。

【附图说明】

图 1是按照本发明一个实施例的三端口直流 -直流自耦变压器的原理结 构图；

图 2是按照本发明一个实施例的四端口直流 -直流自耦变压器的原理结 构图；

图 3是按照本发明一个实施例的四端口直流 -直流自耦变压器各换流器 额定容量设计示意图；

图 4是现有技术中的采用 LCL电路的多端口直流 -直流变换示意图； 图 5是现有技术中的采用多端口高频变压器的直� � -直流变换示意图； 图 6是按照本发明一个实施例的 N端口直流 -直流自耦变压器的原理结 构图；

图 7是各直流系统为不对称单极直流系统的四端� �直流-直流自耦变压 器原理结构图；

图 8是本发明中部分换流器采用基于晶闸管的相� �换流器的一个实施 例的结构示意图；

图 9是本发明中部分换流器采用基于晶闸管的相� �换流器的另一个实 施例的结构示意图；

图 10是本发明中部分换流器交流侧与外部交流系� ��互联的实施例的的 结构示意图；

图 11是本发明的直流系统的一种实现方式的实施� ��的结构示意图； 图 12是本发明的直流系统的又一种实现方式的实� ��例的结构示意图； 图 13是本发明实施例的交流电压控制原理图；

图 14是本发明实施例的直流功率控制原理图；

图 15 是本发明一个四端口直流-直流自耦变压器的� �直流系统输出直 流功率仿真曲线图；

图 16 是本发明一个四端口直流-直流自耦变压器的� �换流器输出交流 功率仿真曲线图；

图 17 是本发明一个四端口直流-直流自耦变压器的� �直流系统输出直 流功率绝对值之和和各换流器输出交流功率绝 对值之和的仿真曲线图。 【具体实施方式】

为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图 及实施例， 对本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明， 并不用于限定本发明。 此外， 下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只 要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

本发明实施例提供的多端口直流-直流自耦变� �器用于用于互联大于等 于 3个额定直流电压不同的直流系统， 能够解决现有的采用全功率直流-交 流 -直流变换的传统多端口直流-直流变换器所带� ��的换流器成本高，损耗大 的缺点。

图 1所示为一个三端口直流-直流自耦变压器 (N=3)，其主要由 5个换流 器依次在直流侧串联而成 (2N-1=5)，第一换流器 1的负极与第二换流器 2的 正极相连接， 第二换流器 2的负极与第三换流器 3的正极相连接， 第三换 流器 3的负极与第四换流器 4的正极相连接， 第四换流器 4的负极与第五 换流器 5的正极相连接， 同时第 1换流器的正极和第 5换流器的负极分别 和第 1直流系统的正负极对应连接， 第 2换流器的正极和第 4换流器的负 极分别和第 2直流系统的正负极对应连接，第 3换流器的正负极分别和第 3 直流系统的正负极对应连接， 完成上述直流侧的串联后，第一换流器 1〜第 五换流器 5的交流侧通过一定的交流链路 20(例如交流变压器， 相电抗器， 电感-电容-电感电路等)连接到公共交流母线 10， 在本实施例中， 换流器优 选为本行业内公知的电压源型换流器以使得每 个直流系统能与多端口直流- 直流自耦变压器进行双向功率传输。

图 2所示为一个四端口直流-直流自耦变压器 (N=4)，其主要由 7个换流 器依次在直流侧串联而成 (2N-1=7)，第一换流器 1的负极与第二换流器 2的 正极相连接， 第二换流器 2的负极与第三换流器 3的正极相连接， 第三换 流器 3的负极与第四换流器 4的正极相连接， 第四换流器 4的负极与第五 换流器 5的正极相连接， 第五换流器 5的负极与第六换流器 6的正极相连 接， 第六换流器 6的负极与第七换流器 7的正极相连接， 同时第 1换流器 的正极和第 7换流器的负极分别和第 1直流系统的正负极对应连接， 第 2 换流器的正极和第 6换流器的负极分别和第 2直流系统的正负极对应连接， 第 3换流器的正极和第 5换流器的负极分别和第 3直流系统的正负极对应 连接， 第 4换流器的正负极分别和第 4直流系统的正负极对应连接， 完成 上述直流侧的串联后，第一换流器 1〜第七换流器 7的交流侧通过一定的交 流链路 20(交流变压器， 相电抗器等)连接到公共交流母线 10。

图 2中， 为了消除第一换流器 1〜第三换流器 3以及第五换流器 5〜第 七换流器 7的中性点不平衡问题，与第一换流器 1〜第三换流器 3及第五换 流器 5〜第七换流器 7连接的变压器靠近直流侧可以采用三角接线� �方式。

图 3为对图 2的四端口直流-直流自耦变压器的潮流分析示� ��图， 为简 化绘图， 第一换流器 1〜第七换流器 7以方框内填相应数字表示。通过分析 图 2和图 3可以得出第一换流器 1和第七换流器 7的额定电压为 (E _r E ₂ )/2, 第 二换流器 2和第六换流器 6的额定电压可以取为 (E ₂ -E ₃ )/2，第三换流器 3和 第五换流器 5的额定直流电压可以取为 (E ₃ -E ₄ )/2，第四换流器 4的额定直流 电压可以取为 E ₄ ，上述额定直流电压只是各换流器额定电 压设计的参考值， 实际运行时可适当增大或减小， 多端口直流-直流自耦变压器仍能运行。 记图 3中第四直流系统 14， 第三直流系统 13和第二直流系统 12输出 的直流功率分别为 P ₄ P ₃ P ₂ ， 根据功率平衡原则， 可知第一直流系统 11 输入的直流功率为 (P ₄ +P ₃ +P ₂ )。 由此可以计算得第四直流系统 14〜第二直 流系统 12输出的直流电流分别为 P ₄ /E ₄ ， ？ ₃ / 和？ ₂ ^ ₂ ， 而输入到第一直流 系统 11的直流 根据基尔霍夫电流定律， 可以求得 流经第一换流器 1〜第四换流器 4的输出的直流电流分别为：

P ₄ + P, + P _?

VSC1 ^{4 3 2} (31)

+ P ₃ + P ₂ p ₂ p ₃

^A VSC4 (34)

E ₂ E ₃

由此可以求得第一换流器 1〜第四换流器 4的整流功率分别为:

VSC4 ^

式 (35；)〜 (38)需满足以下条件

P 4max <— p <— p 4max

3 max 3 3 max (39) p ^A 2max <— p ^A 2 <— p ^A 2max

< ₍ p + p _{+ P} ) < p

lmax (40) 式 (39)~(40)中， P _4max ~P _lmax 分别表示第四直流系统 14〜第一直流系统 1 1的最大输出 /输入直流功率， 也即第四直流系统 14〜第一直流系统 11的 额定输出 /输入直流功率的绝对值。

例如一个具体实施例中，第四直流系统 14〜第一直流系统 11的额定直 流电压分别为 ±250kV ±320kV ±400kV ±500kV， 也即 E Ei的值分别 为 500 640 800 1000， 将此实施例下 E ₄ E1的值代入 (35)~(38)可得：

Ρ^ ₂ = 0.08(Ρ ₄ + Ρ ₃ ) - 0.02Ρ ₂ (42)

P^ _C3 = 0.07Ρ ₄ - 0.039375Ρ ₃ - 0.0175Ρ ₂ (43)

-Ρ ₄ = 0.5Ρ ₄ + 0.28125Ρ ₃ + 0.125Ρ ₂ (44)

一个具体实施例 (各直流系统额定直流电压和额定直流功率列� �表 1中) 中 P _4max =700MW P ₃ =1000MW P _2max =1300MW P _ax =2000MW， 将此 条件代入式 (41)~(44)并考虑式 (39)~式 (40)的约束可以求得。 P _VSC1 在 P ₄ +P ₃ +P ₂ =P _lmax =2000时取得最大值 200MW, P _VSC2 在 P ₄ =700 P ₃ =1000 P ₂ =-1300时取得最大值 162MW, P _VSC3 在 P ₄ =700 P ₃ =-1000 P ₂ =-1300时 取得最大值 111.125MW, P _VC4 在 P ₄ =700 P ₃ =1000 P ₂ =300时取得最大 值 668.75MW。 为此第一换流器 1及第七换流器 7的额定功率可以设计为 200MW, 第二换流器 2及第六换流器 6的额定功率可设计为 162MW, 第 三换流器 3及第五换流器 5的额定功率可设计为 111.125MW, 第四换流器 4 的额定功率可设计为 668.75MW, 该实施例所采用的总的换流器容量为 200*2+162*2+111.125*2+668.75=1615MW。 该实施例各换流器的额定直流 电压和额定容量统计与表 2中。

表 1 某实施例中各直流系统额定直流电压和额定直 流功率绝对值

E ₄ E ₃ E ₂ Ei

±250 ±320 ±400 ±500

700 1000 1300 2000 表 2某实施例中各换流器的额定直流电压和额定� �率

换流器编号 额定直流电压 （kV ) 额定功率 (MW)

第 1换流器 100 200

第 2换流器 80 162

第 3换流器 70 111.125 第 4换流器 500 668.75 第 5换流器 70 111.125 第 6换流器 80 162

第 7换流器 100 200

本发明总容量 1 1615

常规技术总容量 ： 1 5000 为了对比本发明所提的多端口直流-直流自耦� �压器与现有的多端口直 流-直流变换器的区别， 图 4给出了 Dragan Jovcic等人的 "Multiport high power LCL DC hub for use in DC Transmission Grids " (IEEE Transactions on Power Delivery, 2014 )提出的一种基于 LCL电路的多端口直流 -直流变换技 术， 图 5给出了 Sixifo Falcones等人的 "A dc-dc multiport-converter-based solid-state transformer integrating distributed generation and storage" (IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(5), 2192 2203)所提及的基于多 端口高频变压器的多端口直流-直流变换技术� �无论是图 4还是图 5的方案， 所有互联的功率都需要经过直流 -交流 -直流变换，为此对于上述四端口实施 例， 如果采用图 4 或者图 5 的方案， 所需要的总的换流器容量为 700+ 1000+ 1300+2000=5000MW， 远远高于本发明方案中所需要的 1615MW, 本发明所需要的总的换流器容量仅为现有技术 的 32.3%。 按国际 大电网会议当前估算的每 1000MW电压源型换流器成本 1.1亿欧元 (成本估 算参考 Mohsen Taherbaneh等 "DC fault performance and cost analysis of dc grids for connecting multiple offshore wind farms " ( 2013 IEEE Grenoble PowerTech, 1-6) )的估计， 对于一个 5000MW的四端口直流-直流变换器， 采用常规技术， 换流器的成本为 5.5亿欧元， 而采用四端口直流-直流自耦 变压器技术，换流器的成本仅为 1.78亿欧元，节省的费用高达 3.72亿欧元。

图 6给出了 N端口直流 -直流自耦变压器的拓扑示意图， N端口直流- 直流自耦变压器由 2N-1个换流器在直流侧依次串联， 在交流侧并联连接到 一点构成， 所述第 1换流器的负极与第 2换流器的正极相连接， 第 2换流 器的负极与第 3换流器的正极相连接，依次类推，第 j换流器的正极与第 j-1 换流器的负极相连接， 第 j换流器的负极与第 j+1换流器的正极相连接， 第 2N-1换流器的正极与第 2N-2换流器的负极相连接， j为介于 2和 2N-2之 间的任意正整数； 完成上述各换流器的直流侧依次串联后， 第 1 换流器的 正极和第 2N-1换流器的负极分别与第 1直流系统的正负极对应连接， 第 1 换流器的正极和第 2N-2换流器的负极分别与第 2直流系统的正负极对应连 接，依次类推，第 i换流器的正极和第 2N-i换流器的负极分别与第 i直流系 统的正负极对应连接， 第 N换流器的正负极分别和第 N直流系统的正负极 对应连接； 完成上述各换流器的直流侧与各直流系统对应 连接后， 各换流 器的交流侧经过一定的交流链路连接在一公共 点， 本发明记此交流公共点 为公共交流母线。

为了使多端口直流 -直流自耦变能稳定运行， 一种可行的控制策略是指 定一个或多个换流器控制公共交流母线的交流 电压而其他换流器用于控制 各自所连接的直流系统所传输的有功功率。

图 7是连接四个不对称单极直流系统的四端口直� � -直流自耦变压器， 包括四个换流器， 第一换流器 1 的负极与第二换流器 2的正极相连接， 第 二换流器 2的负极与第三换流器 3的正极相连接， 第三换流器 3的负极与 第四换流器 4的正极相连接， 同时第一换流器 1的正极经直流线路 30与第 一直流系统 11的正极相连接， 第二换流器 2的正极经直流线路 30与第二 直流系统 12的正极相连接， 第三换流器 3的正极经直流线路 30与第三直 流系统 13的正极相连接， 第四换流器 4的正极经直流线路 30与第四直流 系统 14的正极相连接， 第一直流系统 1〜第四直流系统 4的负极各自经直 流线路 30连接于第四换流器 4的负极， 并进一步连接至地 31， 所述直流线 路 30可以包括输电线， 电缆以及相应的直流电感等，此为行业内公知 技术。

图 8是第一换流器 1和第七换流器 7采用相控换流器并且该相控换流 器工作在整流状态的四端口直流 -直流自耦变压器实施例， 该实施例与图 2 的实施例基本一致， 区别仅在于因为第一换流器 1和第七换流器 7采用相 控整流器使得第一直流系统 1 只能从该直流-直流自耦变压器吸收直流功 率， 第一直流系统 1与直流-直流自耦变压器只能实现单向的功率� ��输。

图 9是第一换流器 1和第七换流器 7采用相控换流器并且该相控换流 器工作在逆变状态的四端口直流 -直流自耦变压器实施例， 该实施例与图 2 的实施例基本一致， 区别仅在于因为第一换流器 1和第七换流器 7采用相 控逆变器使得第一直流系统 1 只能输出直流功率至直流 -直流自耦变压器, 第一直流系统 1与直流-直流自耦变压器只能实现单向的功率� ��输。 本申请中， 各换流器的交流端不是必须连在一个公共点上 。 图 10是部 分换流器的交流侧不与公共交流母线连接而是 与其他交流系统连接的一个 实施例， 图 10实施例与图 2实施例基本一致， 区别在于第二换流器 2和第 六换流器 6的交流侧不与公共交流母线 10相连接而是与交流系统 40相连 接， 本发明实际实施时可以是一个或多个换流器的 交流侧与一个或多个外 部交流系统 40相连接。

图 11是本发明所述直流系统的一种实现方式， 由多个交流系统 40经 换流器 41通过交流-直流变换后， 在直流侧通过直流线路 30并联连接在一 起。

图 12是本发明所述直流系统的又一种实现方式， 由多个交流系统 40 经换流器 41通过交流-直流变换后， 与本身即输出直流的直流系统 42在直 流侧通过直流线路 30并联连接在一起。

图 13所示为公共交流母线电压控制框图， 图中 U^f, U _qref 分别为母线 电压的 dq轴指令值，单位为标幺， U _dpu ， IT,分别为 dq轴电压实测值， Idrrf,

^ 为3 轴电流指令值， 并且规定输出方向为电流正方向， Lp _U 为交流链路 的电感标幺值， M _d ， M _q 为 dq轴调制比， VCO为压控晶振， 用于给换流器 的触发控制提供参考角度， f为交流链路的运行频率。

图 14所示为直流有功功率控制框图，？ ^及 P _dCTef 分别为直流功率标幺 值及直流功率参考值， u为公共交流母线电压瞬时值， PLL为锁相环。

为了验证本发明的技术可行性， 在国际通用电磁暂态仿真软件 PSCAD/ETMDC中搭建了四端口直流-直流自耦变压器 的仿真算例， 该实施 例中各直流系统的额定电压和额定直流功率列 于表 1 中， 各换流器的额定 电压和额定功率列于表 2中。 图 15〜图 17为对应的仿真结果。 其中图 15 从上到下依次第四直流系统〜第一直流系统输 出的有功功率。 0.1 秒〜 0.5 秒， 第四〜第二直流系统的输出直流功率指令值分 别从 0上升到 700MW, 1000MW以及 -1300MW, 而第一直流系统则用于平衡整个多端口直流 -直流 自耦变压器的有功功率。 从图 15可以看出， 各直流系统输出的有功功率可 以受控制地达到预期的指令值 1.5秒〜 1.9秒， 第三直流系统的输出功率指 令值从 1000MW下降为 -1000MW而第四，第二直流系统的直流功率指令� � 仍维持不变。 从图 15的 1.5秒后的曲线可以看出， 第三直流系统输出的直 流功率可以受控地将降至 -1000MW (即第三直流系统从输出 1000MW直流 功率变为从直流-直流自耦变压器吸收 1000MW直流功率)， 第四直流系统 和第二直流系统输出的有功功率略有波动， 但仍维持在其指令值附近不变， 为了平衡整个多端口直流-直流自耦变压器的� �流功率，第一直流系统在 1.5 秒后输出的直流功率从 -370MW左右变为约 1650MW。

图 16给出了第一〜第七换流器输出的交流功率， 由于本实施例中第四 直流系统〜第一直流系统都为对称双极直流系 统， 因此第一换流器和第七 换流器输出的交流功率相等， 第二换流器和第六换流器输出的交流功率相 等， 第三换流器和第五换流器输出的交流功率相等 。 当第四〜第二直流系 统输出的直流功率分别为 700MW, 1000MW和 -1300MW时，按照公式 (31)~ 公式 (38)的分析方法，可以求得第一换流器〜第四� �流器输出的交流功率理 论值分别为 -40MW, -162MW, -32.375MW及 468.75MW, 图 16曲线 0.5 秒〜 1.5秒期间各换流器输出的交流功率与上述理论 值对应。

图 17为各直流系统输出 /输入直流功率绝对值之和以及各换流器输出 / 输入交流功率之和， 换流器功率之和远远小于实际传输的直流功率 之和， 本发明可以大大地减少所使用换流器的容量和 减少所使用交流链路的容量 从而大大地降低投资成本， 减少需要经过直流-交流-直流两级交-直变换的 功率从而大大地降低运行损耗， 减少运行成本。

本发明中第 1〜第 2N-1换流器优选采用电压源型换流器以实现功� �的 双向流动， 电压源型换流器是本领域的公知知识， 可以有两电平换流器， 三电平换流器， 模块化多电平换流器等多种拓扑结构。

本发明的用于连接多个不同额定直流电压的直 流系统的直流-直流变换 器相比于传统的多端口直流-直流变换器， 优势在于：

( 1 )所需要的总的换流器容量仅为各互联直流系� �输入 /输出直流功率 绝对值的和的 30%左右， 而传统的多端口直流-直流变换器所需要的总� �换 流容量为各互联直流系统输入 /输出直流功率绝对值和的 100%左右，为此本 发明相比于现有技术， 节省约 70%的换流器成本。

(2) 按照国际大电网会议组织公布的数据， 每 1GW的换流器的成本 为 1.1亿欧元， 以一个 5GW的四端口直流 -直流变换器为例， 本发明能节省 约 3.85亿欧元的成本， 而未来中国范围以及世界范围内需要互联的直 流系 统容量高达数百 GW， 为此本发明的经济性相比于传统的多端口直流 -直流 变换器是相当明显的。

(3 )由于本发明所采用的总的换流器容量少于传� �直流-直流变换器所 采用换流器容量， 本发明也能节省所采用的交流变压器， 相电抗等的容量。

(4) 由于本发明中各互联电网之间可以通过直接的 电气连接传输大部 分有功功率，本发明仅需要约 30%的互联功率需要经过两级直流 -交流 -直流 变换， 而传统的多端口直流-直流变换技术 100%的互联功率需要经过直流- 交流 -直流变换， 为此本发明能极大地降低运行损耗从而降低运 行成本。 以上所述仅为本领域的技术人员容易理解的本 发明的较佳实施例而 已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改 、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。