本发明属于高压直流电网，具体涉及一种具备故障隔离功能的多端口模块化多电平dc/dc变换器及其调控方法。
背景技术：
1、高压直流电网是远距离电力传输、大规模可再生能源可靠接入、传统能源跨区域互联的优选方案之一，也是支撑智能电网未来发展的重要方向。目前直流电网主流电压等级包括±160kv、±320kv和±800kv等，尚无统一的电压标准，对直流电网的柔性互联提出了新的变换需求和技术挑战。高压大容量dc/dc变换器是直流电网柔性组网和可控互联的关键装置，是发展新型电力系统中至关重要的一环。高压大容量dc/dc变换器是大规模新能源外送系统中实现能量传输的升压送出变换环节，也是直流电网间的潮汐控制器和交流电网间的柔性互联装置。随着新能源的大规模接入和用电负荷的不断攀升，dc/dc变换器的电压等级和功率容量进一步提高，不仅须匹配输入输出侧的不同电压等级，还肩负着能量双向可控传输的柔性互联功能。因此，百千伏、百兆瓦级多端口dc/dc变换器的高效可靠运行是实现直流电网多能源优势互补、远距离广域互联的重要保障。
2、目前，有学者提出了面对面隔离型高压dc/dc变换器，即采用两个模块化多电平换流器进行交直变换，并通过交流端耦合来实现直流变压。另有学者通过改造传统模块化多电平换流器拓扑，将其直流侧串联，构造了自耦型拓扑，少部分功率直接在高低压间传递从而提高变换效率，降低变压器容量需求。在这两种传统高压大容量dc/dc变换器拓扑的基础上，通过部分元器件的复用，能构造出多低压端口dc/dc变换器拓扑。基于面对面模块化多电平换流器的拓扑通过三个dc/ac电路的互相交联，可将交流环节采用两个交流变压器耦接或者一个三绕组变压器实现双低压端口的变换拓扑。通过采用三个自耦型拓扑子电路串联连接，可得到双低压端口的自耦型拓扑，三个子电路交流环节通过交流变压器或通过注入交流电压与电流，来维持各子电路的功率平衡。通过增加串联子电路个数，理论上可以拓展得到更多的输入端口。但由于自耦型拓扑各直流端口的电压等级要依次升高，并不适用于多个相同电压等级的汇集升压。同时，上述拓扑方案均需要“直交-交交-交直”三级功率变换，尽管每一级的效率目前工程实践中都能达到99％以上，其整体效率仍然难以突破98％，并且其容量与电压等级严重受限于笨重隔离变压器的绝缘、冷却设计等问题，难以满足未来工程的实际应用需求。因此，亟需一种新型的高效能多端口dc/dc变换器。
技术实现思路
1、为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种具备故障隔离功能的多端口模块化多电平dc/dc变换器及其调控方法，本发明可实现多端直流互联系统的电压匹配、潮流调控、故障阻断、缺相运行等功能。
2、本发明首先提供了一种具备故障隔离功能的多端口模块化多电平dc/dc变换器，其包含功率主电路和用于调控功率主电路的控制器；所述功率主电路包含1个基本功率变换模组和n个扩展功率变换模组，每个基本功率变换模组由高压桥臂、复用桥臂、低压桥臂和相应桥臂电感组成，高压桥臂的输出端、复用桥臂的输入端、低压桥臂的输入端共接，复用桥臂的输出端与地信号相连；不同功率变换模组的高压桥臂输入端相连并连接至高压直流母线，与地信号共同构成所述多端口变换器的高压端口，不同功率变换模组的低压桥臂输出端分别连接至不同的低压直流母线，与地信号共同构成所述多端口变换器的多个低压端口；所述高压桥臂、复用桥臂、低压桥臂均由若干子模块通过级联的方式构成；其中，n≥1；
3、所述控制器包括采样隔离单元、端口直流调控单元、桥臂交流调控单元、子模块电容电压调控单元；所述采样隔离单元用于检测变换器共同高压端口的电信号、各个低压端口的电信号、各功率变换模组内三个桥臂的电信号和各个桥臂内的子模块的电容的电信号，端口直流调控单元用于实现高低压端口间的电压匹配与功率传输，桥臂交流调控单元用于实现各个功率变换模组内高压桥臂、低压桥臂和复用桥臂的能量平衡，子模块电容电压调控单元用于控制各个桥臂内的子模块的电容的电压平衡。
4、进一步地，所述基本功率变换模组的高压桥臂和复用桥臂由多个半桥子模块级联组成，低压桥臂由多个全桥子模块级联组成，n个扩展功率变换模组的高压桥臂由多个半桥子模块和多个全桥子模块级联组成，复用桥臂由多个半桥子模块级联组成，低压桥臂由多个全桥子模块级联组成；其中，n≥1。
5、进一步地，所述高压桥臂、复用桥臂、低压桥臂还按功率容量配置桥臂电抗器，所述桥臂电抗器串联在各个桥臂的电路中，桥臂电抗器用于辅助不同桥臂间进行换流和能量传递。
6、进一步地，所述全桥子模块包括四个功率器件和一个储能电容，所述半桥子模块由两个功率器件与一个储能电容，所述功率器件均为全控型器件，可以为igbt、mosfet、igct等。
7、本发明还提供了一种采用所述具备故障隔离功能的多端口模块化多电平dc/dc变换器的交直流解耦调控方法，包含以下步骤：
8、s1、设基本功率变换模组的交流电压幅值参考为v0_base，传输功率为pl_base，对应低压端口电压为vl_base，按下式得到扩展功率变换模组中任一功率变换模组的交流电压幅值参考v0′；
9、s2、采样隔离单元向端口直流调控单元输入不同低压端口的电信号xl，所述不同低压端口的电信号xl为低压端口的电压vl或低压端口的电流il；端口直流调控单元根据所述低压端口的电信号xl和设定的输出端口的电信号的对应参考值xref，得到输出端口的电信号的误差信号xref-xl，所述误差信号xref-xl经过端口直流调控单元中pi控制器运算得到各个低压端口向高压端口的传输功率pl；
10、s3、将所述不同低压端口的传输功率pl送入各功率变换模组的桥臂交流调控单元，结合高压端口电压、对应低压端口电压、对应交流电压幅值参考、对应交流频率和对应相位信息得到各功率变换模组内各桥臂的电流参考值iarm_ref和电压理论参考值varm_ref；所述电流参考值iarm_ref与采样隔离单元送入的各桥臂电流实测值iarm做差得到各功率变换模组内各桥臂电流的误差信号iarm_ref-iarm，所述电流误差信号iarm_ref-iarm经过桥臂交流调控单元中pi控制器运算得到各桥臂电压增量参考值δvarm_ref；
11、s4、将各功率变换模组内各桥臂的电压理论参考值varm_ref和电压增量参考值δvarm_ref相加得到各功率变换模组内各桥臂的电压实际参考值，并对各桥臂的子模块的电容的电压进行从高至低排序，进一步结合各功率变换模组内各桥臂的电压实际参考值和对各桥臂的子模块的电容电压排序结果对各功率变换模组内各桥臂的子模块进行投切；
12、s5、通过控制基本功率变换模组和扩展功率变换模组内各个桥臂的子模块的投入与切除来控制各个桥臂的电压、电流的幅值与相位，基本功率变换模组和扩展功率变换模组的高压桥臂电流相加得到变换器的高压端口电流，基本功率变换模组和扩展功率变换模组的低压桥臂电流分别对应不同低压端口电流，从而实现高压端口与多个低压端口间的电压匹配与潮流调控。
13、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：
14、1)本发明采用了单级拓扑架构方案，省去了现有面对面型方案中笨重的交流隔离变压器和“直交-交交-交直”三级功率变换带来的多重损耗，避免了高压大容量交流隔离变压器的绝缘、冷却设计等难题，并提升了系统整体效率；
15、2)本发明通过子模块级联技术避免了器件串联的技术挑战，降低了单个器件的电压应力承载需求；同时采用复用型拓扑构造技术，优化了现有面对面型拓扑中桥臂数目繁多的问题，所需功率器件数目大大降低，有效降低系统建设成本。
16、3)本发明所述的多端口交直流解耦调控方法控制简易，不同低压端口对应变换模组之间相互独立，便于进一步增加端口和提升变换容量，且具备电压匹配、潮流调控、故障阻断、缺相运行等功能，大大提高了工程可行性；
1.一种具备故障隔离功能的多端口模块化多电平dc/dc变换器，其特征在于，包含功率主电路和用于调控功率主电路的控制器；所述功率主电路包含1个基本功率变换模组和n个扩展功率变换模组，每个基本功率变换模组由高压桥臂、复用桥臂、低压桥臂和相应桥臂电感组成，高压桥臂的输出端、复用桥臂的输入端、低压桥臂的输入端共接，复用桥臂的输出端与地信号相连；不同功率变换模组的高压桥臂输入端相连并连接至高压直流母线，与地信号共同构成所述多端口变换器的高压端口，不同功率变换模组的低压桥臂输出端分别连接至不同的低压直流母线，与地信号共同构成所述多端口变换器的多个低压端口；所述高压桥臂、复用桥臂、低压桥臂均由若干子模块通过级联的方式构成；其中，n≥1；
2.根据权利要求1所述的具备故障隔离功能的多端口模块化多电平dc/dc变换器，其特征在于，所述基本功率变换模组的高压桥臂和复用桥臂由多个半桥子模块级联组成，低压桥臂由多个全桥子模块级联组成，n个扩展功率变换模组的高压桥臂由多个半桥子模块和多个全桥子模块级联组成，复用桥臂由多个半桥子模块级联组成，低压桥臂由多个全桥子模块级联组成；其中，n≥1。
3.根据权利要求1所述的具备故障隔离功能的多端口模块化多电平dc/dc变换器，其特征在于，所述高压桥臂、复用桥臂、低压桥臂还按功率容量配置桥臂电抗器，所述桥臂电抗器串联在各个桥臂的电路中，桥臂电抗器用于辅助不同桥臂间进行换流和能量传递。
4.根据权利要求2所述的具备故障隔离功能的多端口模块化多电平dc/dc变换器，其特征在于，所述全桥子模块包括四个功率器件和一个储能电容，所述半桥子模块由两个功率器件与一个储能电容，所述功率器件均为全控型器件，所述全控型器件为igbt、mosfet或igct。
5.一种采用权利要求1所述多端口模块化多电平dc/dc变换器的交直流解耦调控方法，其特征在于，包含以下步骤：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，s1中，扩展功率变换模组中任一功率变换模组的交流电压幅值参考v0′按下式获取：
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，s4中，投入子模块时优先投入子模块的电容电压低的子模块，切除子模块时优先切除子模块的电容电压高的子模块。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述调控方法的一个控制周期内，处于不同功率变换模组内的同一位置处的桥臂的交流电压分量相位互差360/(n+1)度、交流电流分量相位互差360/(n+1)度。
