本发明涉及电力电子，特别涉及一种单级变换的多端口高压直流变压器。
背景技术：
1、随着光伏发电、风力发电等新能源装机规模不断扩大，大规模新能源的汇集与送出成为急需解决的问题。高压直流汇集与输送系统具有输送距离远、输送容量大、传输效率高、汇集范围广、无需常规交流电源支撑等显著优势。基于电力电子技术的高压大容量直流变压器，可以实现大规模新能源直流汇集与输送，成为高压直流输电中的关键装备。由于直流电压极性固定，通过控制电流方向即可实现功率快速反转，适合组成多端口直流输电系统，因此多端口高压直流变压器成为发展新型电力系统的重要一环，近年来得到广泛关注。
2、目前得到广泛研究的多端口直流变压器主要有两类，现阶段最常见的是基于级联h桥(cascaded h-bridges，chb)结构的多端口变压器，由多个h桥模块级联构成；第二类是基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter，mmc)的多端口变压器。其中cbh多端口变压器在同样的电压和功率等级下可使用较少的功率模块数，mmc多端口变压器更适合直流端口应用。文献【1】应用于海上直流风场的模块化多电平多端口直流变电站拓扑探究(中国电机工程学报，2016，36(s1):61-68)中提出了基于mmc的应用于海上直流风场中的多端口直流变电站最优拓扑，综合考虑了变比、容量、体积等因素，但工程难度较大。文献【2】synergetic control of high-frequency-link based multi-port solid statetransformer(2018ieee energy conversion congress and exposition(ecce)，portland，or，usa，2018，pp.5630-5635)中提出了一种高压侧使用mmc结构、低压侧使用chb结构的具有公共低压高频链的多端口变压器结构，降低了变压器的设计和工程应用难度，可扩展性强，但是总成本较高。文献【3】多端口直流-直流自耦变压器(中国电机工程学报，2015，35(3)：727-734)中提出了一种类比交流自耦变压器的多端口直流变压器，部分能量单级变换，但是变压器需要承载直流偏置，增加了工程难度。
技术实现思路
1、为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种单级变换的多端口高压直流变压器，其包括多个结构相同的变压单元；
2、所述变压单元均包括高压桥臂、低压桥臂、公共桥臂，所述高压桥臂、低压桥臂、公共桥臂的一侧连接于中点m，高压桥臂另一侧连接高压端口，低压桥臂另一侧连接低压端口，公共桥臂另一侧接地；
3、所述低压桥臂由n1个全桥子模块与1个桥臂电感串联构成，所述公共桥臂由n2个半桥子模块与1个桥臂电感串联构成，所述高压桥臂由n3个半桥子模块与1个桥臂电感串联构成，其中，n1≥2，n2≥2，n3≥2；
4、各个变压单元的低压桥臂的第n1个全桥子模块连接低压端口，第一个全桥子模块连接桥臂电感后接到中点m；公共桥臂的第一个半桥子模块连接桥臂电感后连接中点m，第n2个半桥子模块接地；高压桥臂的第一个半桥子模块连接高压端口，第n3个半桥子模块连接桥臂电感后接到中点m；
5、所有变压单元的高压桥臂均连接同一个高压端口，各个变压单元的低压桥臂连接各自的低压端口。
6、另一方面，本发明还提供了一种基于所述直流变压器的电压调制方法，其包括：
7、1)设定高压端口电压为vh，低压端口电压分别为vl_1、vl_2...vl_n，高压端口功率需求为ph，低压端口功率分别为p1、p2...pn，ph＝p1+p2+…+pn；下标n为变压单元的总数；
8、2)基于上述设定的端口电压与功率需求，对于任意变压单元，在每个控制周期t内，分别得到各个桥臂的桥臂电压需求；低压桥臂的桥臂电压v1为一个正弦交流电压：
9、v1＝v0_nsin(ωt)
10、其中，v0_n为该变压单元的正弦交流电压幅值，t为时间；
11、公共桥臂的桥臂电压v2为一个直流电压叠加一个正弦交流电压：
12、v2＝vl_n+v0_nsin(ωt)
13、高压桥臂的桥臂电压v3为一个直流电压叠加一个正弦交流电压：
14、v3＝vh-vl_n-v0_nsin(ωt)
15、通过调整各个桥臂的子模块投入个数，使各个桥臂满足上述桥臂电压需求。
16、3)为了保证每个桥臂的子模块电容电压稳定，在步骤2)基础上，通过pi控制器改变各个桥臂部分子模块投切，从而控制各个桥臂的电流；使得低压桥臂的桥臂电流i1为一个直流电流：
17、i1＝il_n
18、其中，il_n为该变压单元的低压端口电流：
19、il_n＝pn/vl_n
20、公共桥臂的桥臂电流i2为一个直流电流叠加一个正弦交流电流：
21、i2＝il_n-ih_n-i0sin(ωt)
22、其中，ih_n为该变压单元的高压端口电流：
23、ih_n＝pn/vh
24、高压桥臂的桥臂电流i3为一个直流电流叠加一个正弦交流电流：
25、i3＝ih_n+i0sin(ωt)
26、变压器的正弦交流电流幅值i0由任意选定的基准变压单元决定，应满足下式：
27、
28、其中vl_base为所选定的基准变压单元的低压端口电压，pbase为所选定的基准变压单元的端口功率，v0_base为所选定的基准变压单元的交流电压幅值，其取值应满足：
29、v0_base≤min(vl，vh-vl)
30、除了所选定的基准变压单元外，每个变压单元的正弦交流电压幅值v0_n应满足下式：
31、
32、所选定的基准变压单元应保证每个变压单元的正弦交流电压幅值v0_n满足：
33、v0_n≤min(vl，vh-vl)
34、其中min(a，b)表示a与b中的最小值。
35、4)桥臂电压、桥臂电流满足上述要求下，所述的直流变压器能够实现电压由低压端口电压变换为高压端口电压或高压端口电压变换为低压端口电压，同时实现功率由多个低压端口汇集并传输到高压端口，或功率由高压端口分配给多个低压端口。
36、基于上述技术方案，与现有技术相比本发明的有益效果包括：
37、1)本发明所述的多端口直流变压器为单级变换型拓扑，省去了笨重的隔离变压器与大型储能电感，降低了绝缘与散热需求，从而实现轻量化和低成本；
38、2)本发明所述的多端口直流变压器控制简易，并且多端口之间相互独立，便于实现解耦控制，大大提高了工程可行性；
39、3)本发明所述的电源通过子模块级联技术避免了高压器件或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。
1.一种单级变换的多端口高压直流变压器，其特征在于，包括多个结构相同的变压单元；
2.根据权利要求1所述的直流变压器，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组成。
3.根据权利要求2所述的直流变压器，其特征在于，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。
4.一种基于权利要求1所述直流变压器的电压调制方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，
