CN104184139B - 用于多端柔性直流输电系统的直流潮流控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多端柔性直流输电系统的直流潮流控制器及其控制方法，控制器包括两个可调电压源，分别串联在相邻的两条输电线路中，两个旁路开关分别和两个可调电压源并联，四个开关管和四个二极管串联后分布在电感两侧。采集某一可调电压源所在输电线路的电流，与给定电流参考值相减后经过PI环节和延迟环节再与采集的可调电压源电压相减，所得差值再经过PI环节得到开关管的PWM驱动信号，控制开关管的开通与关断，使该可调电压源所在输电线路的电流为给定的参考值。本发明的直流潮流器电路结构简单、开关器件少、无需隔离变压器以及外部电源。

Description

用于多端柔性直流输电系统的直流潮流控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流潮流控制器，属于电力电子技术领域，主要应用于多端直流输电场合。

背景技术

多端直流输电系统是由3个及以上换流站，通过串联、并联或混联方式连接起来的直流输电系统，它能够实现多电源供电以及多落点受电，相比于两端高压直流输电系统运行更为经济灵活，是解决我国目前面临的大规模可再生能源并网、大容量远距离电能输送和输电走廊紧缺等问题的有效技术手段之一。相比于传统电流源型换流器，电压源换流器(voltagesourceconverter,VSC)在潮流反转时直流电流方向反转而电流电压极性不变，且没有换相失败等问题，因而有利于构成多端柔性直流输电(VSCbasedmulti-terminalhighvoltagedirectcurrent,VSC-MTDC)系统。典型的环网式三端VSC-MTDC系统等效电路如图1所示，假设VSC1和VSC2分别是两个海上风电场的换流站，为定功率模式运行，VSC3为岸上换流站，为定直流电压模式运行，功率从VSC1和VSC2向VSC3传输。在柔性交流输电系统(FlexibleACTransmissionSystem,FACTS)中通过引入潮流控制装置，可以提高输电网络潮流方向的控制能力以及输电线路输送能力，同理，在VSC-MTDC系统中引入直流潮流控制装置，也可提高直流输电网络潮流方向的控制能力以及直流输电线路输送能力。由于不存在交流电的无功功率、电抗和相角，VSC-MTDC系统只能调节输电线路电阻和直流电压来控制直流潮流。

在控制输电线路电阻方面，通常是在输电线路中串入可变电阻来控制直流潮流。输电线路中串入可变电阻方案的优点是结构和控制简单，其缺点也很明显，如损耗大，对装置散热提出了很高要求，且只能增大输电线路等效电阻，潮流单向调节。

在控制直流电压方面，有学者提出了采用DC/DC变压器的方案，该方案的优点是可以用于连接不同电压等级的直流系统，以提高直流输电系统的运行灵活性，还可将变比为1左右的DC/DC变压器串入同一电压等级的直流系统中，通过微调变比来调节直流系统潮流，不足是所有的功率都需要通过DC/DC变压器，损耗较大。另一个方案是在输电线路中串入可调电压源来改变直流电压进而控制直流潮流。如加拿大麦吉尔大学的B.-T.Ooi教授等提出了一种基于晶闸管控制的可调电压源电路结构(VeilleuxE，OoiB.MultiterminalHVDCwiththyristorpower-flowcontroller.IEEETransactionsonPowerDelivery，2012，27(3)：1205-1212)以及中国电力科学研究院的李亚楼高工等提出了一种AC/DC+DC/DC两级式可调电压源电路结构(MuQ,LiangJ,LiY,ZhouX.PowerflowcontroldevicesinDCgrids.IEEEPowerandEnergySocietyGeneralMeeting,2012:1-7)。相比于DC/DC变压器，串入可调电压源的功率和相应损耗都小，电压等级低，更易实现。但这两种方案的电路结构需要一个外部电源来为可调电压源提供功率或吸收其功率，还需低频高压隔离变压器进行电压隔离，且所需的开关器件较多。

发明内容

技术问题：本发明针对多端直流输电系统中直流潮流控制的技术要求，提出一种不需要隔离变压器以及外部电源的直流潮流控制器。

技术方案：本发明的直流潮流控制器包括两个可调电压源，分别串联在相邻的两条输电线路中，第一旁路开关与第一可调电压源并联，第二旁路开关与第二可调电压源并联，当两个旁路开关都闭合时，直流潮流控制器被旁路，不参与直流潮流调节；当两个旁路开关都打开时，直流潮流控制器参与直流潮流调节；两个可调电压源均无需外部电源提供功率或吸收其功率；直流潮流控制器包含两条互补导通的潮流支路，第一条潮流支路由第三开关管、电感和第四开关管顺次串联组成，第二条潮流支路由第一开关管、电感和第二开关管顺次串联组成，第一条潮流支路与第一可调电压源并联，第二潮流支路与第二可调电压源并联。

本发明的直流潮流控制器，同一潮流支路上的两个开关管同步导通或关断，同时另一潮流支路上的两个开关管同步关断或导通。

本发明通过如下技术手段控制输电线路上的潮流：通过控制其中一个可调电压源所在输电线路的电流来控制直流潮流控制器的功率由所述其中一个可调电压源传向另一可调电压源，具体包括如下步骤：

1)、采集其中一个可调电压源电压以及该可调电压源所在输电线路电流；

2)、设置电流参考值；

3)、将电流参考值与采集到的输电线路电流相减，所得差值经过PI环节和延迟环节后得到电压参考信号；

4)、将电压参考信号与采集到的其中一个可调电压源电压相减，所得差值经过PI环节后得到开关管的PWM驱动信号；

5)、该PWM驱动信号控制与所述其中一个可调电压源并联的潮流支路中的两个开关管同步导通或关断，同时经过反相器后控制另一条潮流支路中的两个开关管同步关断或导通，使两条潮流支路工作在互补导通状态，使输电线路电流维持在电流参考值。

有益效果：本发明的直流潮流控制器适用于环网式多端直流输电场合，与传统的直流潮流控制器相比，本发明的直流潮流器电路结构简单、开关器件少、无需隔离变压器以及外部电源，通过简单的控制方法即可实现潮流的有效控制，提高了输电网络潮流方向的控制能力以及输电线路输送能力。

附图说明

图1是环网式三端VSC-MTDC系统等效电路；

图2是包含本发明的三端柔性直流输电系统；

图3是本发明的直流潮流控制器的电路拓扑示意图；

图4是功率由V_x传向V_y时直流潮流控制器的控制策略框图；

图5是功率由V_x传向V_y时直流潮流控制器的工作模态图；

图6是功率由V_x传向V_y时直流潮流控制器的工作模态图；

图7是是功率由V_y传向V_x时直流潮流控制器的控制策略框图；

图8是功率由V_y传向V_x时直流潮流控制器的工作模态图；

图9是功率由V_y传向V_x时直流潮流控制器的工作模态图；

图10是输电线路电流与可调电压源电压V_x、V_y的关系曲线图；

图11是端口电压V₁、V₂与可调电压源电压V_x、V_y的关系曲线图；

图12是VSC2的功率波形；

图13是VSC2的功率跳变前后输电线路电流波形；

图14是VSC2的功率跳变前后端口电压V₁和V₂波形；

图15是潮流反转前后输电线路电流波形；

图16是潮流反转前后端口电压V₁和V₂波形。

具体实施方式

本发明适用于多端(三端及三端以上)柔性直流输电系统，下面仅以三端柔性直流输电系统为例进行详细阐述。

包含本发明直流潮流控制器的三端柔性直流输电系统如图2所示，VSC3为定直流电压模式运行，VSC1和VSC2为定功率模式运行，在VSC3直流端口处串入本发明的直流潮流控制器，可实现功率由Line2向Line3传输或者Line3向Line2传输。

本发明的直流潮流控制器的电路拓扑示意图如图3所示。包括：串联在Line2中的第一可调电压源V_y，与第一可调电压源V_y并联的第一旁路开关S₁，第三、四开关管Q₃和Q₄，电感L_f，第一、二开关管Q₁和Q₂，串联在Line2的相邻线路Line3中的第二可调电压源V_x，与第二可调电压源V_x并联的第二旁路开关S₂，以及分别和四个开关管并联的二极管。第一、第二可调电压源V_y、V_x采用电容。第三开关管Q₃、电感L_f和第四开关管Q₄顺次串联组成第一条潮流支路，第一开关管Q₁、电感L_f和第二开关管Q₂顺次串联组成第二条潮流支路，第一条潮流支路与第一可调电压源V_y并联，第二潮流支路与第二可调电压源V_x并联。同一潮流支路上的两个开关管同步导通或关断，同时另一潮流支路上的两个开关管同步关断或导通，从而两条潮流支路互补导通。当两个旁路开关S₁、S₂都闭合时，直流潮流控制器被旁路，不参与直流潮流调节；当两个旁路开关S₁、S₂都打开时，直流潮流控制器参与直流潮流调节；两个可调电压源V_x、V_y均无需外部电源提供功率或吸收其功率。

本发明的直流潮流控制器可以控制Line3上的电流I₂₃的大小。控制策略框图如图4所示。采集输电线路Line3上的电流I₂₃，与给定的参考电流I_ref相减，所得差值经过PI环节和延迟环节后作为电压参考值，与采集的可调电压源电压V_x相减，所得差值再经过PI环节后得到PWM波驱动信号。该驱动信号同时驱动第一开关管Q₁和第二开关管Q₂，该驱动信号经过反相器后同时驱动第三开关管Q₃和第四开关管Q₄。首先同时开通第一开关管Q₁和第二开关管Q₂，在第二可调电压源V_x作用下电感电流I_Lf增大，如图5所示；经过一定导通时间后，同时关断第一开关管Q₁和第二开关管Q₂并开通第三开关管Q₃和第四开关管Q₄，在第一可调电压源V_y作用下I_Lf减小，如图6所示。这样功率P从第二可调电压源V_x传向第一可调电压源V_y，使得Line3上的电流I₂₃维持在给定的电流参考值I_ref。相比于没有加入本发明的潮流控制器的情况，加入该潮流控制器后，改变了Line3上的电流I₂₃的大小，其它两条输电线路的电流I₁₃和I₁₂也相应改变。

本发明的直流潮流控制器可以控制Line2上的电流I₁₃的大小。控制策略框图如图7所示。采集输电线路Line2上的电流I₁₃，与给定的参考电流I_ref相减，所得差值经过PI环节和延迟环节后作为电压参考值，与采集的第一可调电压源电压V_y相减，所得差值再经过PI环节后得到PWM波驱动信号。该驱动信号同时驱动第三开关管Q₃和第四开关管Q₄，该驱动信号经过反相器后同时驱动第一开关管Q₁和第二开关管Q₂。首先同时开通第三开关管Q₃和第四开关管Q₄，在第一可调电压源V_y作用下电感电流I_Lf增大，如图8所示；经过一定导通时间后，同时关断第三开关管Q₃和第四开关管Q₄并开通第一开关管Q₁和第二开关管Q₂，在第二可调电压源V_x作用下I_Lf减小，如图9所示。这样功率P从第一可调电压源V_y传向第二可调电压源V_x，使得Line2上的电流I₁₃维持在给定的电流参考值I_ref。相比于没有加入本发明的潮流控制器的情况，加入该潮流控制器后，改变了Line2上的电流I₁₃的大小，其它两条输电线路的电流I₂₃和I₁₂也相应改变。

两条输电线路的电流参考值可以相同也可以不相同，根据系统实际需要来设置。

下面通过两个具体的例子来阐述本发明技术方案：

实施例1和实施例2均采用图1所示的三端环网式柔性直流输电系统，VSC3为定直流电压模式运行，控制V₃＝150kV，VSC1和VSC2为定功率模式运行，分别向系统注入P₁＝160MW和P₂＝80MW功率，三段输电线路的参数如表1所示。

表1图2所示的三端柔性直流输电系统的线路参数

输电线路参数	Line1	Line2	Line3
				长度/km	200	300	100
电阻/Ω	2	3	1
				电感/mH	80	120	40

加入本发明的直流潮流控制器后的输电线路电流与可调电压源电压V_x、V_y的关系曲线如图10所示，端口电压V₁、V₂与可调电压源电压V_x、V_y的关系曲线如图11所示。

实施例1为令VSC2注入系统的功率P₂由80MW跳变成50MW，维持I₂₃为0.14kA不变。图12给出了功率P₂的波形，图13给出了输电线路的电流波形，图14给出了端口电压V₁和V₂的波形。当P₂由80MW降为50MW时，如果潮流控制器不参与潮流调节，那么I₂₃必然减小，而I₂₃被设定为0.14kA不变，所以，Line2上会有一部分电流通过Line1和Line3流向VSC3以补偿Line3上减小的电流，从而使I₂₃维持不变，也就是说，当I₂₃维持不变时，电流I₁₃和I₁₂(绝对值)都将减小。从图13可以看出，在功率P₂跳变前后，电流I₂₃确实维持在0.14kA不变，电流I₁₃和I₁₂(绝对值)均减小，理论分析与仿真结果一致，说明本发明的潮流控制器在功率发生变化前后可以维持某一条线路上的电流不变，具有良好的稳定性。

实施例2为功率P首先由V_y传向V_x，一段时间后由V_x传向V_y，功率P由V_y传向V_x时，维持电流I₁₃为0.32kA，功率P由V_x传向V_y时，维持电流I₂₃为0.35kA。图15给出了功率P传输方向改变前后输电线路电流波形，图16给出了功率P传输方向改变前后端口电压V₁和V₂的波形。由图15可以看出，当潮流控制器的功率P传输方向发生变化时，三条线路上的电流均发生了变化，且Line1中的直流潮流发生了反转。说明本发明的潮流控制器可以满足潮流反转的需要。

Claims (5)

1.一种适用于多端柔性直流输电系统的直流潮流控制器，其特征在于包括两个可调电压源（V_x、V_y），分别串联在相邻的两条输电线路中，第一旁路开关（S₁）与第一可调电压源（V_y）并联，第二旁路开关（S₂）与第二可调电压源（V_x）并联，当两个旁路开关（S₁、S₂）都闭合时，直流潮流控制器被旁路，不参与直流潮流调节；当两个旁路开关（S₁、S₂）都打开时，直流潮流控制器参与直流潮流调节；两个可调电压源（V_x、V_y）均无需外部电源提供功率或吸收其功率；直流潮流控制器包含两条互补导通的潮流支路，第一条潮流支路由第三开关管（Q₃）、电感（L_f）和第四开关管（Q₄）顺次串联组成，第二条潮流支路由第一开关管（Q₁）、电感（L_f）和第二开关管（Q₂）顺次串联组成，第一条潮流支路与第一可调电压源（V_y）并联，第二潮流支路与第二可调电压源（V_x）并联。

2.如权利要求1所述的适用于多端柔性直流输电系统的直流潮流控制器，其特征在于第一~第四开关管（Q₁、Q₂、Q₃、Q₄）分别并联了一个二极管。

3.如权利要求1所述的适用于多端柔性直流输电系统的直流潮流控制器，其特征在于同一潮流支路上的两个开关管同步导通或关断，同时另一潮流支路上的两个开关管同步关断或导通。

4.如权利要求1所述的适用于多端柔性直流输电系统的直流潮流控制器，其特征在于所述可调电压源是电容。

5.应用于权利要求1所述直流潮流控制器的控制方法，其特征在于：通过控制其中一个可调电压源所在输电线路的电流来控制直流潮流控制器的功率由所述其中一个可调电压源传向另一可调电压源，包括如下步骤：

1)、采集其中一个可调电压源电压以及该可调电压源所在输电线路电流；

2)、设置电流参考值；

3)、将电流参考值与采集到的输电线路电流相减，所得差值经过PI环节和延迟环节后得到电压参考信号；

4)、将电压参考信号与采集到的其中一个可调电压源电压相减，所得差值经过PI环节后得到开关管的PWM驱动信号；

5)、该PWM驱动信号控制与所述其中一个可调电压源并联的潮流支路中的两个开关管同步导通或关断，同时经过反相器后控制另一条潮流支路中的两个开关管同步关断或导通，使两条潮流支路工作在互补导通状态，使输电线路电流维持在电流参考值。