直流自耦變壓器

直流自耦變壓器（dc auto transformer）由若干個換流器串聯構成，是一種套用於高壓直流輸電領域的電氣設備，用於連線兩個或者多個不同直流電壓等級的直流系統。普通的高壓大功率直流變壓器（dc transformer）採用直流-交流-直流變換技術，需要兩級交/直變換，採用的換流器容量大。直流自耦變壓器只有部分互聯功率需要經過兩級交/直變換，能顯著降低所使用的換流器容量，並降低運行損耗.

基本介紹

• 中文名：直流自耦變壓器
• 外文名：dc auto transformer
• 釋義：一種套用於高壓直流輸電領域的電氣設備

拓撲結構

直流自耦變壓器主要由3個電壓源型換流器VSC1、VSC2和VSC3依次串聯而成，其中VSC2的直流連線埠與直流電網1的直流連線埠並聯連線，VSC1的直流正端和VSC3的直流負端分別與直流電網2的直流正端和直流負端相連線。3個VSC換流器的交流側經過一定的變壓器/相電抗電路連線至交流公共母線B1。由於VSC1和VSC3採用非對稱結構(直流中性點不接地)。為了消除VSC1和VSC3的中性點偏移，VSC1和VSC3的變壓器採用Y/D接線方式。與常規LCC類似，變壓器靠近變頻器側採用D接線方式。

根據套用的需要，當交流公共母線的電壓取值與VSC2的額定電壓一致時，與VSC2相連線的變壓器可以由相電抗取代，從而節省所使用的變壓器數量。

由於直流-直流自耦變壓器主要套用於高壓直流輸電領域，為降低電壓源型換流器實現的技術難度，並降低電壓源型換流器的損耗，直流自耦變中的每個電壓源型換流器採用模組化多電平換流器拓撲。

常規隔離型直流變壓器與自耦型拓撲

功率設計

由圖2所示拓撲可知，VSC2的額定直流電壓可取為與直流電網1的額定直流電壓相同，為E1。而VSC1和VSC3等效地分擔直流電網2和直流電網1之間的電壓差值，其額定直流電壓為(E2-E1)/2。

設兩互聯電網之間傳輸的功率為P_N，則VSC2的額定功率可設計為P_N(1-E1/E2)，VSC1及VSC3的額定功率都取為P_N/2(1-E1/E2)。

可進一步求得3個VSC的總功率為：P_total=2 (1-E1/E2) P_N。

結合圖1和圖2可知：

常規直流-直流變換器所使用的換流器總容量為2PN，而直流自耦變壓器使用的換流器總容量為2PN(1-E1/E2)，E1與E2越接近，直流自耦變壓器所採用的換流器容量越小。以互聯±320 kV和±640 kV直流電網為例，直流自耦變壓器所使用的換流器總量為常規技術的一半；而互聯±320 kV和±400 kV直流電網時，直流自耦變壓器所使用的換流器容量僅為常規技術的20%。

性能比較

1. 常規直流-交流-直流變換技術所有傳輸的有功功率都需要經過兩級交流/直流變換，而直流自耦變壓器中僅部分傳輸的有功功率需要進行兩級交流/直流變換，為此直流自耦變所需要的換流器容量遠低於常規直流-交流-直流變換技術。

2. 由於僅部分傳輸的有功功率需要進行兩級交流/直流變換，直流自耦變的損耗遠低於常規直流-交流-直流變換技術。

3. 由於另一部分功率可以通過直接電氣連線進行傳輸，直流自耦變所使用的交流鏈路容量也遠低於常規直流-交流-直流變換技術。

其他套用

1.具備直流故障隔離功能的自耦變壓器

通過將VSC1、VSC3改造為具備阻斷直流故障電流能力的自阻型MMC以及在直流自耦變的直流高壓出口端安裝直流斷路器的兩種方案可以實現自耦變壓器的直流故障隔離功能。

2.網間聯絡器

未來的區域電網會存在交/直流電網並存的局面。圖3中交流電網、直流電網1和直流電網2可以處於不同的地理位置中。為此，圖3所示的方案可以利用較少的換流容量直接互聯3個區域電網，而不需要經過多級交流–直流變換。

網間聯絡器拓撲

3.單向整流型直流自耦變壓器

圖4為單向整流型直流自耦變壓器。圖4與圖2的區別在於，VSC1和VSC3替換為相控換流器LCC1和LCC3。由於在電氣接線確定後，LCC1和LCC3隻能單向地傳輸有功功率，為此圖4所示方案只能實現由直流電網1向直流電網2單向地傳輸有功功率。

單向整流型直流自耦變壓器

4.單向逆變型直流自耦變壓器

圖5為單向逆變型直流自耦變壓器。圖5與圖4類似，區別在於LCC1和LCC3的接線方式從整流工況轉變為逆變工況。圖5在電氣接線確定時，只能實現直流電網2向直流電網1單向地傳輸有功功率。

單向逆變型直流自耦變壓器

5.多連線埠直流自耦變壓器

圖6所示的多連線埠直流自耦變壓器用於互聯多個直流電壓等級不同的直流系統。

多連線埠直流自耦變壓器