CN104377720B - 一种基于mmc变流站的直流输电潮流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MMC变流站的直流输电潮流控制方法，包括N个可调电压源和N个固定电压源；可调电压源串联在输电线路中某一条或某几条，固定电压源为MMC变流站某个或某几个子模块的电容；固定电压源和可调电压源通过隔离DC/DC变换器连接；隔离DC/DC变换器输出端电压正负极性可调且功率能够双向流动；本发明的隔离DC/DC变换器采用双向半桥电路和H桥电路串联的方式，可以保持某条输电线的电流稳定在给定值，从而达到控制潮流和防止输电线过流的效果。本发明的直流输电潮流控制方法电路结构简单、开关器件少、无需低频隔离变压器以及外部电源。

Description

一种基于MMC变流站的直流输电潮流控制方法
技术领域
本发明涉及一种直流潮流控制方法，属于电力电子技术领域，主要应用于直流输电场合。
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(voltage source converter，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(VSC based multi-terminal high voltagedirect current，VSC-MTDC)系统。高压大功率场合的两电平或三电平的VSC拓扑存在技术难度大、开关频率和损耗较高、输出波形质量不佳的缺点。
针对上述问题，专家学者对模块化多电平换流器拓扑进行了研究，MMC(modular multilevel converter，模块组合多电平变换器)具有许多适用于高压大功率应用场合的结构和输出特征：(1)高度模块化的结构有利于缩短工程设计和加工周期，便于系统维护和易于冗余工作设计；(2)不平衡运行能力，由于MMC各相桥臂的工作原理完全相同，且均可独立控制，当交流输入电压不平衡或者发生局部故障时MMC仍能可靠运行；(3)故障穿越和恢复能力，MMC具有良好的故障穿越能力，这是因为MMC的直流储能量大，网侧发生故障时，功率单元不会放电，公共直流母线电压仍然连续，不仅保障了MMC的稳定运行，并可在较短的时间内从故障状态恢复；(4)和传统的两电平电压型变换器(Voltage Sourced Converter,VSC)不连续的“斩波”波形不同，MMC的桥臂电流是连续的，且脉动频率较高，能显著降低对交流输出滤波电感的要求。MMC以其独特的结构和输出特征克服了传统多电平变换器的不足，在高压直流输电系统中有广泛的应用前景。
典型的环网式三端直流输电系统等效电路如图1所示，假设MMC1和MMC2分别是两个海上风电场的换流站，为定功率模式运行，MMC3为岸上换流站，为定直流电压模式运行，功率从MMC1和MMC2向MMC3传输。在柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission System，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，在直流输电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，直流输电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(Veilleux E，Ooi B.Multiterminal HVDCwith thyristor power-flow controller.IEEE Transactions on Power Delivery，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(Mu Q,Liang J,Li Y,Zhou X.Power flow control devices in DC grids.IEEE Power and Energy Society GeneralMeeting,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。但这种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
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，提出一种不需要低频隔离变压器以及外部电源的基于MMC变流站的直流输电潮流控制方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于MMC变流站的直流输电潮流控制方法，包括N个可调电压源和N个固定电压源；可调电压源串联在一条或多条输电线路中，固定电压源为MMC变流站一个或多个子模块的电容；固定电压源和可调电压源通过隔离DC/DC变换器连接，隔离DC/DC变换器输出端电压正负极性可调且功率能够双向流动；隔离DC/DC变换器一端接在固定电压源上，一端接到可调电压源上；隔离DC/DC变换器采用双向半桥变换器电路和H桥电路串联的方式，左端是带隔离变压器的双向半桥变换器，右端是由四个开关管构成的H桥电路，双向半桥变换器具有电气隔离和电压等级变换的作用，H桥电路具有电压等级变换和电压极性转换的作用。
其进一步的技术方案为：所述可调电压源的个数可以在输电线路上任意分配。
其进一步的技术方案为：针对多个可调电压源，固定电压源可以取自MMC变流站同一个子模块的电容或不同子模块的电容，所述隔离DC/DC变换器的个数与可调电压源的个数是一样的。
其进一步的技术方案为：所述隔离DC/DC变换器的各个开关管分别反并一个二极管。
其进一步的技术方案为：所述双向半桥变换器通过调整隔离变压器原副边电压相位差的大小和方向来控制传递功率的大小和方向。
其进一步的技术方案为：所述所述H桥电路工作于升压或降压模式，输出正压或反压。
其进一步的技术方案为：所述隔离DC/DC变换器工作时通过开关的动作控制双向半桥变换器的输出电压稳定在参考值，通过开关管的动作来调节H桥电路的输出电压，从而调节输电线路上的电流，起到调节直流潮流的作用。
本发明的有益技术效果是：
本发明的基于MMC变流站的直流输电潮流控制方法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，本发明的直流潮流控制电路结构简单、开关器件少、无需低频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是基于MMC变流站的环网式三端直流输电系统等效电路。
图2是本发明的隔离DC/DC变换器电路拓扑。
图3-1是包含本发明的三端直流输电系统的第一个实例。
图3-2是包含本发明的三端直流输电系统的第二个实例。
图4是直流潮流控制器的控制策略框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明适用于基于MMC变流站的多端(三端及三端以上)高压直流输电系统，下面仅以三端直流输电系统，可调电压源和固定电压源各有一个为例进行详细阐述。
包含本发明直流潮流控制方式的三端直流输电系统如图3-1、图3-2所示，MMC3为定直流电压模式运行，MMC1和MMC2为定功率模式运行，从MMC3的某个子模块电容取电作为固定电压源Vy，经过隔离DC/DC变换器在Line3中串入可调电压源Vx。如图2所示，隔离DC/DC变换器左端是带隔离变压器的双向半桥变换器(DHB)，右端是由第五至第八开关管S5～S8构成的H桥电路，DHB具有电气隔离和电压等级变换的作用，H桥电路具有电压等级变换和电压极性转换的作用。隔离DC/DC变换器第一至第八开关管S1～S8分别反并一个二极管。双向半桥变换器(DHB)通过调整隔离变压器原副边电压相位差的大小和方向来控制传递功率的大小和方向。通过控制可以使H桥电路工作于升压或降压模式，输出正压或反压。隔离DC/DC变换器工作时通过开关第一至第四开关管S1～S4的动作控制双向半桥变换器(DHB)的输出电压稳定在参考值，通过开关第五至第八开关管S5～S8的动作来调节H桥电路的输出电压，从而调节输电线路上的电流，起到调节直流潮流的作用。
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Iref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Vx相减，所得差值再经过PI环节后得到H桥电路的控制量，由控制量产生第五至第八开关管S5～S8的驱动信号。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于MMC变流站的直流输电潮流控制方法，其特征在于：包括N个可调电压源和N个固定电压源；可调电压源串联在一条或多条输电线路中，固定电压源为MMC变流站一个或多个子模块的电容；固定电压源和可调电压源通过隔离DC/DC变换器连接，隔离DC/DC变换器输出端电压正负极性可调且功率能够双向流动；隔离DC/DC变换器一端接在固定电压源上，一端接到可调电压源上；隔离DC/DC变换器采用双向半桥变换器电路和H桥电路串联的方式，左端是带隔离变压器的双向半桥变换器，右端是由四个开关管构成的H桥电路，双向半桥变换器具有电气隔离和电压等级变换的作用，H桥电路具有电压等级变换和电压极性转换的作用；针对多个可调电压源，固定电压源可以取自MMC变流站同一个子模块的电容或不同子模块的电容，所述隔离DC/DC变换器的个数与可调电压源的个数是一样的。
2.如权利要求1所述的基于MMC变流站的直流输电潮流控制方法，其特征在于：所述可调电压源的个数可以在输电线路上任意分配。
3.如权利要求1所述的基于MMC变流站的直流输电潮流控制方法，其特征在于：所述隔离DC/DC变换器的各个开关管分别反并一个二极管。
4.如权利要求1所述的基于MMC变流站的直流输电潮流控制方法，其特征在于：所述双向半桥变换器通过调整隔离变压器原副边电压相位差的大小和方向来控制传递功率的大小和方向。
5.如权利要求1所述的基于MMC变流站的直流输电潮流控制方法，其特征在于：所述H桥电路工作于升压或降压模式，输出正压或反压。
6.如权利要求1所述的基于MMC变流站的直流输电潮流控制方法，其特征在于：所述隔离DC/DC变换器工作时通过开关的动作控制双向半桥变换器的输出电压稳定在参考值，通过开关管的动作来调节H桥电路的输出电压，从而调节输电线路上的电流，起到调节直流潮流的作用。
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