CN104009463A - 一种适用于直流输电的串联型潮流控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于直流输电的串联型潮流控制器，包括串联连接的双向DC/DC变换器和H桥变换器；双向DC/DC变换器通过直流断路器接入高压直流输电网；H桥变换器的一条输出支路依次通过电抗器、直流熔断器接入高压直流输电网，另一条输出支路直接接入高压直流输电网。与现有技术相比，本发明提供的一种适用于直流输电的串联型潮流控制器，运行在电压模式时能够线性控制串联在直流传输线路中的固定电压；运行在电流模式时能够控制串联线路的中潮方向和大小，进而控制潮流在并联线路中分配关系。

Description

一种适用于直流输电的串联型潮流控制器

技术领域

本发明涉及一种潮流控制器，具体涉及一种适用于直流输电的串联型潮流控制器。

背景技术

高压直流输电与传统高压交流输电技术相比，具备无功损耗低、线路损耗低和无同步问题等优点，非常适合超远距离大容量电能输送。但是传统的点对点高压直流输电技术既不能适应光伏、风电发电场在地域上的分散特征，也不能适应受端电网多端落点的要求。

现有技术中为了解决传统两端直流输电不足的问题，主要采用多端直流输电技术实现多个电场发电和用电区域的多落点受电。多端直流电网是指有三个以上的换流站通过串联、并联或者混连方式连接起来的输电网；多端直流输电技术具备损耗低、输电不受单点故障影响和所连接点的交流功率完全可控等优点。多端直流的单个点通过换流站与交流电网相连，换流站之间的多条直流线路通过直流断路器连接，从而构成直流电网；所述直流电网包括下述优点：

①：换流站的数量可以减少，显著降低系统建设成本；

②：每个落点的换流站的可以不影响其它落点的情况下随意变化；

③：直流电网的网络拥有更多的冗余性，电网稳定性更好。

目前直流输电工程中，功率等级从最初的3MW发展到目前的1100MW，电压等级从±10kV发展到目前的±500kV；然而交流电网中变压器不能实现直流电压到直流电压的变换，也就不能实现不同电压等级直流线路互联互通功能。因此直流电网中改变并联线路中潮流的比例关系，主要是采用改变串联电阻的阻值的大小从而改变潮流在输电线路中的比例关系，但是这种方式存在线路损耗增加，串联线路中潮流大小不能精确控制等缺点。

综上，提供一种不但可以将能能量回馈到线路中，降低调节装置损耗，而且还能根据调度指令，动态精确控制潮流电流大小的潮流控制器显得尤为重要。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种适用于直流输电的串联型潮流控制器，所述潮流控制器包括串联连接的双向DC/DC变换器和H桥变换器；

所述双向DC/DC变换器通过直流断路器接入高压直流输电网；所述H桥变换器的一条输出支路依次通过电抗器、直流熔断器接入高压直流输电网，另一条输出支路直接接入所述高压直流输电网。

优选的，所述双向DC/DC变换器包括通过隔离型变压器相连的全桥电路；

优选的，所述H桥变换器包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂；所述第一桥臂和第二桥臂互补导通，所述第三桥臂和第四桥臂互补导通；

所述第一桥臂和第二桥臂的连接点通过电抗器与所述直流熔断器相连；所述第三桥臂和第四桥臂的连接点直接接入所述高压直流输电网；

优选的，所述H桥变换器的两条所述输出支路之间依次并联电子式开关和直流断路器；

所述H桥变换器的输出端电压大于电压阈值时，所述电子式开关触发导通，则所述直流熔断器过流断开，从而确保高压直流输电网中的电力设备正常工作；

所述直流断路器，用于对高压直流输电网中电力设备进行检修或不需接入潮流控制器时，将所述潮流控制器旁路；

优选的，所述双向DC/DC变换器采用恒定电压控制策略；所述恒定电压控制策略为与H桥变换器侧连接的所述全桥电路的输出端的电压恒定；

所述H桥变换器采用恒流控制策略，所述H桥变换器的输出端的电流恒定；

优选的，所述H桥变换器的工作状态包括：

工作状态一：所述第二桥臂和第四桥臂导通，所述第一桥臂和第三桥臂闭锁；所述导通的占空比为d₁；

工作状态二：所述第一桥臂和第四桥臂导通，所述第二桥臂和第三桥臂闭锁；所述导通的占空比为d₂；

工作状态三：所述第一桥臂和第三桥臂导通，所述第二桥臂和第四桥臂闭锁；所述导通的占空比为d₃；

工作状态四：所述第二桥臂和第三桥臂导通，所述第一桥臂和第四桥臂闭锁；所述导通的占空比为d₄；

其中，所述导通占空比d₁+d₂+d₃+d₄＝1；

优选的，当高压直流输电网的电流流过所述H桥变换器时，通过调整导通占空比d₄和d₂的差值或导通占空比d₁和d₃的差值，调节电抗器中电流值的大小，从而控制所述H桥变换器的输出端电压。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明技术方案中，串联型潮流控制器，可以运行在电压模式，线性控制串联在直流传输线路中的固定电压；

2、本发明技术方案中，串联型潮流控制器，可以运行在电流模式，控制串联线路的中潮方向和大小，进而控制潮流在并联线路中分配关系；

3、本发明技术方案中，串联型潮流控制器，具备差值过压保护功能，能够在两端电压过高时，触发双向晶闸管导通，使直流熔断丝断开保护设备；

4、本发明技术方案中，串联型潮流控制器，具备旁路功能，在不需要潮流功能时候，使用直流断路器将设备旁路。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是：本发明实施例中一种适用于直流输电的串联型潮流控制器结构图；

图2是：本发明实施例中隔离型双向DC/DC变换器结构图；

图3是：本发明实施例中H桥变换器结构图；

图4是：本发明实施例中H桥变换器为工作状态一时的工作状态图；

图5是：本发明实施例中H桥变换器为工作状态二时的工作状态图；

图6是：本发明实施例中H桥变换器为工作状态三时的工作状态图；

图7是：本发明实施例中H桥变换器为工作状态四时的工作状态图；

图8是：本发明实施例中串联型潮流控制器的应用图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示本实施例中适用于直流输电的串联型潮流控制器，包括双向DC/DC变换器和H桥变换器；双向DC/DC变换器的输出端通过直流断路器接入高压直流输电网；H桥变换器的一条输出支路依次通过电抗器、直流熔断器接入高压直流输电网，另一条输出支路直接接入所述高压直流输电网。

双向DC/DC变换器包括：

隔离型变压器和全桥电路；全桥电路分别连接于隔离型变压器的两端；如图2所示，连接于隔离型变压器左侧的全桥电路包括电力电子器件S1、S2、S3和S4，以及电容Cin；连接于隔离型变压器右侧的全桥电路包括电力电子器件S5、S6、S7和S8，以及电容Co。

H桥变换器包括：

第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂；所述第一桥臂和第二桥臂互补导通，所述第三桥臂和第四桥臂互补导通；如图3所示，本实施例中，电力电子器件S9所在支路为第一桥臂，电力电子器件S10所在支路为第二桥臂，电力电子器件S11所在支路为第三桥臂，电力电子器件S12所在支路为第四桥臂；

电力电子器件S9和电力电子器件S10的连接点与直流熔断器相连，电力电子器件S11和电力电子器件S12的连接点直接接入高压直流输电网；

H桥变换器的两条输出支路之间依次并联电子式开关和直流断路器；本实施例中电子式开关为反向并联的两个晶闸管；当H桥变换器的输出端电压大于电压阈值时，电子式开关被触发导通，则直流熔断器过流断开，从而确保高压直流输电网中的电力设备正常工作；

直流断路器，用于对高压直流输电网中电力设备进行检修或不需接入潮流控制器时，将潮流控制器旁路。

图8示出了串联型潮流控制器的应用图，R₁为潮流控制器串联线路的阻抗值，R₂为并联线路的阻抗值，I₁为变换器串联线路流过的电流值，I₂为另一条并联线路流过的电流值；依据图8所示应用图的电路模型可以确定：I₁R₁+ΔV＝I₂R₂；

通过上式可以得出改变串联型潮流控制器的两端电压ΔV，就可改变电流I₁和电流I₂之间差值，达到改变电流在两条线路中的分配比例的效果。

本发明提供的潮流控制器的双向DC/DC变换器采用恒定电压控制策略，即与H桥变换器侧连接的全桥电路的输出端的电压恒定；如图2所示，双向DC/DC变换器为恒定电压控制时，电压控制为外环，给定电压减去反馈电压后，经过PI调节器得到占空比调制波，调制波经过PWM发生器后，得到每个电力电子器件的驱动信号。

H桥变换器采用恒流控制策略，即H桥变换器的输出端的电流恒定；如图3所示，当H桥变换器工作在恒流模式下，H桥变换器给定电流值，与采样得到的电流值进行相减，差值再经过PI控制器，输出到PWM比较器产生电力电子器件的驱动信号。

如图4-7所示，H桥变换器包括四种工作状态：

(1)当u_o电压方向为上正下负，且大于0；

工作状态一：第二桥臂和第四桥臂导通，第一桥臂和第三桥臂闭锁，导通的占空比为d₁；如图4所示，电力电子器件S2和S4导通，电力电子器件S1和S3闭锁；

电抗器的两端只承受u_o的电压，电抗器储能，电感中的电流线性上升，此时，

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{d{i}_L}{\mathrm{dt}}=d_1{u}_o\\ C\frac{d{u}_c}{\mathrm{dt}}=i-i_L\end{array}\right.;$

其中，L为电抗器的电感值，C为电容Co的电容值，i_L为电抗器中的电流值，i为外部电流，u_c为电容Co的电压值。

工作状态二：第一桥臂和第四桥臂导通，第二桥臂和第三桥臂闭锁，导通的占空比为d₂；如图5所示，电力电子器件S1和S4导通，电力电子器件S2和S3闭锁；电抗器两端承受电容Co的电压u_c和电压u_o之差，电抗器电流释放能量，电流线性降低，此时，

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{d{i}_L}{\mathrm{dt}}=d_2(u_o-u_c)\\ C\frac{d{u}_c}{\mathrm{dt}}=i-i_L\end{array}\right..$

工作状态三：第一桥臂和第三桥臂导通，第二桥臂和第四桥臂闭锁，导通的占空比为d₃；如图6所示，电力电子器件S1和S3导通，电力电子器件S2和S4闭锁；电抗器两端承受正向电压u_o，电抗器储能，电流线性上升，此时，

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{d{i}_L}{\mathrm{dt}}=d_3{u}_o\\ C\frac{d{u}_c}{\mathrm{dt}}=i-i_L\end{array}\right..$

工作状态四：第二桥臂和第三桥臂导通，第一桥臂和第四桥臂闭锁，导通的占空比为d₄；如图7所示，电力电子器件S2和S3导通，电力电子器件S1和S4闭锁；电抗器两端承受正向电压u_o和电容Co电压u_c之和，电抗器储能，电流线性上升，此时，

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{d{i}_L}{\mathrm{dt}}=d_4(u_o+u_c)\\ C\frac{d{u}_c}{\mathrm{dt}}=i-i_L\end{array}\right..$

在一个周期内H桥变换器平均状态为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{d{i}_L}{\mathrm{dt}}=u_o-d{u}_c\\ C\frac{d{u}_c}{\mathrm{dt}}=i-i_L\end{array}\right.;$

其中，导通占空比d₁+d₂+d₃+d₄＝1；d为工作状态二与工作状态四的导通占空比之差，因此通过调整导通占空比差值，调节电抗器中电流值的大小，从而控制H桥变换器的输出端电压。

(2)当u_o电压方向为上负下正，且大于0时，H桥变换器工作状态与(1)中所述工作状态的分析方法相同，通过调整导通占空比d1和d3的差值，调节电抗器中电流值的大小，从而控制H桥变换器的输出端电压。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (7)

1.一种适用于直流输电的串联型潮流控制器，其特征在于，所述潮流控制器包括串联连接的双向DC/DC变换器和H桥变换器；

所述双向DC/DC变换器通过直流断路器接入高压直流输电网；所述H桥变换器的一条输出支路依次通过电抗器、直流熔断器接入高压直流输电网，另一条输出支路直接接入所述高压直流输电网。

2.如权利要求1所述的一种适用于直流输电的串联型潮流控制器，其特征在于，所述双向DC/DC变换器包括通过隔离型变压器相连的全桥电路。

3.如权利要求1所述的一种适用于直流输电的串联型潮流控制器，其特征在于，所述H桥变换器包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂；所述第一桥臂和第二桥臂互补导通，所述第三桥臂和第四桥臂互补导通；

所述第一桥臂和第二桥臂的连接点通过电抗器与所述直流熔断器相连；所述第三桥臂和第四桥臂的连接点直接接入所述高压直流输电网。

4.如权利要求1所述的一种适用于直流输电的串联型潮流控制器，其特征在于，所述H桥变换器的两条所述输出支路之间依次并联电子式开关和直流断路器；

所述H桥变换器的输出端电压大于电压阈值时，所述电子式开关触发导通，则所述直流熔断器过流断开，从而确保高压直流输电网中的电力设备正常工作；

所述直流断路器，用于对高压直流输电网中电力设备进行检修或不需接入潮流控制器时，将所述潮流控制器旁路。

5.如权利要求1所述的一种适用于直流输电的串联型潮流控制器，其特征在于，所述双向DC/DC变换器采用恒定电压控制策略；所述恒定电压控制策略为与H桥变换器侧连接的所述全桥电路的输出端的电压恒定；

所述H桥变换器采用恒流控制策略，所述H桥变换器的输出端的电流恒定。

6.如权利要求3所述的一种适用于直流输电的串联型潮流控制器，其特征在于，所述H桥变换器的工作状态包括：

工作状态一：所述第二桥臂和第四桥臂导通，所述第一桥臂和第三桥臂闭锁；所述导通的占空比为d₁；

工作状态二：所述第一桥臂和第四桥臂导通，所述第二桥臂和第三桥臂闭锁；所述导通的占空比为d₂；

工作状态三：所述第一桥臂和第三桥臂导通，所述第二桥臂和第四桥臂闭锁；所述导通的占空比为d₃；

工作状态四：所述第二桥臂和第三桥臂导通，所述第一桥臂和第四桥臂闭锁；所述导通的占空比为d₄；

其中，所述导通占空比d₁+d₂+d₃+d₄＝1。

7.如权利要求6所述的一种适用于直流输电的串联型潮流控制器，其特征在于，当高压直流输电网的电流流过所述H桥变换器时，通过调整导通占空比d₄和d₂的差值或导通占空比d₁和d₃的差值，调节电抗器中电流值的大小，从而控制所述H桥变换器的输出端电压。