CN105162106B - 一种适用于多端直流输电系统的直流潮流控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于多端直流输电系统的直流潮流控制器，所述多端直流输电系统包括一个直流输电端口及两条与所述直流输电端口并联的输电线路；所述直流潮流控制器包括电容C₁和电容C₂，所述电容C₁作为可调电压源V_c1串联在第一条输电线路中，所述电容C₂作为可调电压源V_c2串联在第二条输电线路中；所述直流潮流控制器还包括旁路开关S₁和旁路开关S₂，所述旁路开关S₁与可调电压源V_c1并联，旁路开关S₂与可调电压源V_c2并联；当旁路开关S₁和旁路开关S₂都闭合时，直流潮流控制器被旁路，不参与直流潮流调节；当旁路开关S₁和旁路开关S₂都打开时，直流潮流控制器参与直流潮流调节；可实现线路潮流反转。

Description

一种适用于多端直流输电系统的直流潮流控制器

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

随着大规模新能源电力的不断发展，海上风力发电技术已越来越成熟。由于海上风电场的分布较为松散，且陆上负荷中心也大多分布在不同区域，使得传统的交流电网在接纳和输送大规模、远距离的海上风电时受到经济和技术条件的限制。相比于高压交流(highvoltage direct current，HVDC)输电技术，高压直流输电技术因其经济性好、输送距离远等优点正受到研究人员的重点关注。

高压直流输电技术的早期形态是基于晶闸管等半控型器件的点对点两端直流输电系统，随着电力电子技术的快速发展，学者们提出了由全控型器件构成的基于电压源换流器(voltage sourceconverter，VSC)的多端直流输电系统(multi-terminal directcurrent，MTDC)。相比于前者，VSC-MTDC系统具有不存在换相失败、有功和无功调节能力较好以及输送海上风电场的功率较灵活等优点，故其应用前景较好。

目前，国内外对多端直流输电系统的研究仍处于起步阶段，有许多问题尚待解决，其中之一就是多端直流输电系统中的直流潮流控制问题。随着系统中端数的增加和网络结构的复杂化，直流潮流控制问题也将趋于复杂化。为此，研究人员提出了在多端直流系统中引入潮流控制器的方法来达到有效控制直流潮流的目的。由于直流系统中不存在交流系统中的无功功率、电抗和相角，所以在多端直流输电系统中只能通过改变输电线路电阻和直流电压来实现对直流潮流的控制。在改变线路电阻方面，主要有可变电阻器的方案，该方案结构和控制比较简单，但潮流只能单向调节，并且电阻上会有附加的损耗。在改变直流电压方面主要有三类：直流变压器、串联可调电压源、线间直流潮流控制器。在线路中串入直流变压器，不仅可以控制直流潮流，还可以隔离故障电流以及连接不同电压等级的电网，但是会承受系统级的高电压以及流过系统级的大功率，增加了成本和复杂性。正是由于直流变压器具有上述缺陷，故学者们提出在线路中串入可调电压源来控制潮流的方法。可调电压源不需要承受系统级的高电压，设备投入少，损耗低，但是需要额外的电源与之产生功率的交换。

为了略去串联可调电压源方案中的额外的电源，研究人员提出了利用功率在线路之间传输来控制潮流的方案。如阿尔斯通公司的C D Barker等提出的电流潮流控制器以及东南大学陈武副教授等提出的线间直流潮流控制器。然而C D Barker等提出的电流潮流控制器方案仅通过一个电容频繁地接入两条不同的线路来控制潮流，该电容频繁地进行充放电，对电容的使用寿命将产生影响，且潮流控制器所接入的端口处的电压也将因此产生波动，这对系统的运行也是不利的。此外，陈武副教授等提出的线间直流潮流控制器方案是在两条线路中各串入一个电容，通过功率在两条线路之间的流动来控制潮流，然而该拓扑受到线路潮流的流向限制，当线路潮流反转时，该潮流控制器就无法工作。

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，提出一种可实现线路潮流反转的线间直流潮流控制器，应用于多端直流输电场合。

本发明的技术方案是：一种适用于多端直流输电系统的直流潮流控制器，所述多端直流输电系统包括一个直流输电端口及两条与所述直流输电端口并联的输电线路；所述直流潮流控制器包括电容C₁和电容C₂，所述电容C₁作为可调电压源V_c1串联在第一条输电线路中，所述电容C₂作为可调电压源V_c2串联在第二条输电线路中；所述直流潮流控制器还包括旁路开关S₁和旁路开关S₂，所述旁路开关S₁与可调电压源V_c1并联，旁路开关S₂与可调电压源V_c2并联；当旁路开关S₁和旁路开关S₂都闭合时，直流潮流控制器被旁路，不参与直流潮流调节；当旁路开关S₁和旁路开关S₂都打开时，直流潮流控制器参与直流潮流调节；

所述可调电压源V_c1两侧并联第一电路单元和第二电路单元，所述可调电压源V_c2两侧并联第三电路单元和第四电路单元；所述第一电路单元由第一开关管Q₁与二极管D₁₁、电感L₁串联而成，所述第二电路单元由第二开关管Q₂与二极管D₂₂、电感L₂串联而成，所述第三电路单元由第三开关管Q₃与二极管D₃₃、电感L₁串联而成，所述第四电路单元由第四开关管Q₄与二极管D₄₄、电感L₂串联而成；所述电感L₁和电感L₂顺接耦合。

进一步的，所述第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃和第四开关管Q₄均由一个绝缘栅双极型晶体管和一个二极管反并联组成。

本发明还提供一种适用于多端直流输电系统的直流潮流控制器，所述多端直流输电系统包括两条独立的输电线路；所述直流潮流控制器包括电容C₁和电容C₂，所述电容C₁作为可调电压源V_c1串联在第一条输电线路中，所述电容C₂作为可调电压源V_c2串联在第二条输电线路中；所述直流潮流控制器还包括旁路开关S₁和旁路开关S₂，所述旁路开关S₁与可调电压源V_c1并联，旁路开关S₂与可调电压源V_c2并联；当旁路开关S₁和旁路开关S₂都闭合时，直流潮流控制器被旁路，不参与直流潮流调节；当旁路开关S₁和旁路开关S₂都打开时，直流潮流控制器参与直流潮流调节；

所述可调电压源V_c1两侧并联第一电路单元和第二电路单元，所述可调电压源V_c2两侧并联第三电路单元和第四电路单元；所述第一电路单元由第一开关管Q₁与二极管D₁₁、电感L₁串联而成，所述第二电路单元由第二开关管Q₂与二极管D₂₂、电感L₂串联而成，所述第三电路单元由第三开关管Q₃与二极管D₃₃、电感L₃串联而成，所述第四电路单元由第四开关管Q₄与二极管D₄₄、电感L₄串联而成；所述电感L₁、电感L₂、电感L₃和电感L₄顺接耦合。

本发明还提供一种输电线路电流控制方法，具体步骤如下：

1)设置第一条输电线路的电流参考值为I_1ref、第二条输电线路的电流参考值为I_2ref；

2)将第一条输电线路的电流参考值I_1ref与采集到的第一条输电线路的电流I₁相减，所得差值经过PI环节后得到第一开关管Q₁和第二开关管Q₂的PWM驱动信号；将第二条输电线路的电流参考值I_2ref与采集到的第二条输电线路的电流I₂相减，所得差值经过PI环节后得到第三开关管Q₃和第四开关管Q₄的PWM驱动信号；

3)利用PWM驱动信号控制开关管导通与关断，使第一条输电线路的电流I₁和第二条输电线路的电流I₂维持在参考值I_1ref和I_2ref。

本发明的有益效果：本发明的直流潮流控制器适用于多端直流系统场合，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、无需外部电源以及可以实现线路潮流的反转。

附图说明

图1是本发明的直流潮流控制器的电路拓扑示意图；

图2是I₁及I₂同为正向，减小I₁、增大I₂时潮流控制器的工作模态图；

图3是I₁及I₂同为正向，减小I₁、增大I₂时潮流控制器的工作模态图；

图4是I₁及I₂同为反向，减小I₁、增大I₂时潮流控制器的工作模态图；

图5是I₁及I₂同为反向，减小I₁、增大I₂时潮流控制器的工作模态图；

图6是I₁为正向、I₂为反向，增大I₁、减小I₂减小I₁、增大I₂时潮流控制器的工作模态图；

图7是I₁为正向、I₂为反向，增大I₁、减小I₂减小I₁、增大I₂时潮流控制器的工作模态图；

图8是包含本发明直流潮流控制器的三端柔性直流输电系统；

图9是VSC1功率P1缺失前后线路电流波形；

图10是VSC1功率P1缺失前后电容电压波形；

图11是VSC1功率P1缺失前后端口电压波形；

图12是线路潮流反转前后线路电流波形；

图13是线路潮流反转前后电容电压波形；

图14是线路潮流反转前后端口电压波形；

图15是推广后的潮流控制器电路拓扑；

表1是潮流控制器运行工况；

表2是图5所示的三端直流输电系统的线路参数。

具体实施方式

本发明的直流潮流控制器拓扑示意图如图1所示。一种适用于多端直流输电系统的直流潮流控制器，所述多端直流输电系统包括一个直流输电端口及两条与所述直流输电端口并联的输电线路；所述直流潮流控制器包括电容C₁和电容C₂，所述电容C₁作为可调电压源V_c1串联在第一条输电线路中，所述电容C₂作为可调电压源V_c2串联在第二条输电线路中；所述直流潮流控制器还包括旁路开关S₁和旁路开关S₂，所述旁路开关S₁与可调电压源V_c1并联，旁路开关S₂与可调电压源V_c2并联；当旁路开关S₁和旁路开关S₂都闭合时，直流潮流控制器被旁路，不参与直流潮流调节；当旁路开关S₁和旁路开关S₂都打开时，直流潮流控制器参与直流潮流调节；

所述可调电压源V_c1两侧并联第一电路单元和第二电路单元，所述可调电压源V_c2两侧并联第三电路单元和第四电路单元；所述第一电路单元由第一开关管Q₁与二极管D₁₁、电感L₁串联而成，所述第二电路单元由第二开关管Q₂与二极管D₂₂、电感L₂串联而成，所述第三电路单元由第三开关管Q₃与二极管D₃₃、电感L₁串联而成，所述第四电路单元由第四开关管Q₄与二极管D₄₄、电感L₂串联而成；所述电感L₁和电感L₂顺接耦合。

一种输电线路电流控制方法，具体步骤如下：

1)设置第一条输电线路的电流参考值为I_1ref、第二条输电线路的电流参考值为I_2ref；

2)将第一条输电线路的电流参考值I_1ref与采集到的第一条输电线路的电流I₁相减，所得差值经过PI环节后得到第一开关管Q₁和第二开关管Q₂的PWM驱动信号；将第二条输电线路的电流参考值I_2ref与采集到的第二条输电线路的电流I₂相减，所得差值经过PI环节后得到第三开关管Q₃和第四开关管Q₄的PWM驱动信号；

3)利用PWM驱动信号控制开关管导通与关断，使第一条输电线路的电流I₁和第二条输电线路的电流I₂维持在参考值I_1ref和I_2ref。

下面以3种典型的工况为例，对该线间直流潮流控制器开关管的控制特性进行分析(各电气量的参考方向如图1中所示)。

1.I₁及I₂同为正向

由于I₁和I₂方向相同，根据对称性，以按潮流控制要求减小I₁、增大I₂为例进行说明，即等效为在线路1中引入正电阻效应(正电阻效应指的是电容串入线路的电压降方向与电流方向一致，类似于串入一个正电阻，从而降低所在线路的电流)，在线路2中引入负电阻效应(负电阻效应指的是电容串入线路的电压降方向与电流方向相反，等同于在线路上串入一个负电阻，从而增大线路电流)，故电容C₁、C₂的电压方向与图1中参考方向相一致。若4个开关管都关断，则V_c1将不断升高，V_c2将不断降低，因此，为了维持电压平衡，需要将C₁中的能量转移到C₂。

根据电容电压极性以及能量转移路径，首先开通Q₁，则C₁、L₁、Q₁和D₁₁形成回路，在V_c1作用下，L₁电流上升，L₁储能增加；一段时间后关断Q₁，并开通Q₃，此时Q₃、D₃₃、C₂及L₁、形成回路，在V_c2作用下，L₁电流下降，L₁中的储能转移到C₂中。一段时间后再开通Q₁，则电路重复上一周期的过程。可见，C₁中的一部分能量转移到C₂中，从而实现减小I₁、增大I₂的目的，具体开关模态如图2、3所示。从以上分析可知，本工况需要控制Q₁与Q₃互补通断，Q₂及Q₄一直关断。进一步分析可知，在此工况下，可将Q₃一直开通，保持Q₂及Q₄关断，仅控制Q₁通断，可进一步降低开关损耗。

2.I₁及I₂同为反向

同样以减小I₁、增大I₂为例进行说明，即等效为在线路1中引入正电阻效应，在线路2中引入负电阻效应，由于I₁和I₂同为反向，故C₁、C₂的电压方向与图1中参考方向也相反，同样需要将C₁中的能量转移到C₂。

根据电容电压极性以及能量转移路径，首先开通Q₂，则C₁、D₂₂、Q₂及L₂形成回路；一段时间后关断Q₂，并开通Q₄，此时C₂、D₄₄、Q₄及L₂形成回路。一段时间后再开通Q₂，则电路又重复上一周期过程。同样，潮流控制器可将C₁中的一部分能量通过L₂转移到C₂中，从而实现减小I₁、增大I₂的目的，具体开关模态如图4、5所示。同样，在此工况下，可将Q₄一直开通，保持Q₁及Q₃关断，仅控制Q₂通断，也可使潮流控制器正常工作。

3.I₁和I₂不同向

I₁和I₂不同向的情况可分为2种：I₁正向，I₂反向，或I₁反向，I₂正向。由于对称性，以I₁正向，I₂反向，并增大I₁、减小I₂为例进行说明，即等效为在线路1中引入负电阻效应，在线路2中引入正电阻效应，故C₁的电压方向与图1中参考方向相反，C₂的电压方向与图1中参考方向相同，需要将C₂中的能量转移到C₁。

C₁、C₂的电压方向如图6所示，首先开通Q₄，则C₂中的部分能量存储到L₂中，一段时间后关断Q₄，并开通Q₁，此时利用耦合电感的作用，将电感中的能量转移到C₁中，从而实现C₂到C₁的能量转移，具体开关模态如图6、7所示。从以上分析可知，本工况需要控制Q₁与Q₄互补通断，Q₂及Q₃一直处于关断状态。同样，在此工况下，可将Q₂及Q₃一直关断，Q₁一直开通，仅控制Q₄通断，也可使潮流控制器正常工作，可进一步降低开关损耗。

根据以上分析，结合电流方向以及潮流控制需求，该直流潮流控制器共有9种工况。表1给出了每种工况下的开关管的通断特性以及需要施加控制信号的特定开关管。

表1潮流控制器运行工况

下面通过两个具体的例子来阐述本发明技术方案：

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8所示。VSC3为定直流电压模式运行，控制V3＝200kV，VSC1和VSC2为定功率模式运行，分别向系统注入P1＝300MW和P2＝120MW功率，三段输电线路的参数如表2所示。在VSC3直流端口处串入本发明的直流潮流控制器，可以实现对任意一条线路潮流的控制。

表2输电线路参数

输电线路参数	Line1	Line2	Line3
				长度/km	100	200	150
电阻/Ω	1	2	1.5
				电感/mH	40	80	60

实施例1为令VSC1注入系统的功率P1由300MW跳变成0，维持I₂₃为0.2kA不变。图9给出了输电线路的电流波形，图10给出了电容电压V_c1和V_c2的波形，图11给出了端口电压V₁和V₂的波形。由图9可以看出，电流I₂₃在VSC1功率缺失前后均稳定在了给定值0.2kA，且由于VSC1功率的缺失，4s后端口电压、电容电压均发生了相应的改变。仿真结果表明潮流控制器在某一VSC退出直流系统时仍可以正常工作，有较好的稳定性。

实施例2为令电流I₂₃反转，由0.2kA变为-0.2kA。图12给出了输电线路的电流波形，图13给出了电容电压V_c1和V_c2的波形，图14给出了端口电压V₁和V₂的波形。由图12可以看出，本发明的潮流控制器能实现线路潮流的反转

拓扑推广

根据以上分析，本发明的直流潮流控制器可以进行拓扑的推广，如图15所示。与图1相比，图15中的直流潮流控制器增加了两个电感，四个电感均绕制在同一磁芯上构成耦合电感，其工作原理与开关模态与图1所示潮流控制器一致，不再赘述。该直流潮流控制器的应用场合较图1所示更为广泛，当图1中的线路1与线路2为独立的两条线路(即两条线路的任意一端均不相连)时，图1中的潮流控制器在某些情况下便无法工作，而图15中的潮流控制器则可以解决该问题。此外，当线路1与线路2分别属于两个不同电压等级的直流电网时，图15中的潮流控制器不仅可以实现对潮流的控制，还具有连接两个不同电压等级的直流电网的作用。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于多端直流输电系统的直流潮流控制器，所述多端直流输电系统包括一个直流输电端口及两条与所述直流输电端口并联的输电线路；其特征在于：所述直流潮流控制器包括电容C₁和电容C₂，所述电容C₁作为可调电压源V_c1串联在第一条输电线路中，所述电容C₂作为可调电压源V_c2串联在第二条输电线路中；所述直流潮流控制器还包括旁路开关S₁和旁路开关S₂，所述旁路开关S₁与可调电压源V_c1并联，旁路开关S₂与可调电压源V_c2并联；当旁路开关S₁和旁路开关S₂都闭合时，直流潮流控制器被旁路，不参与直流潮流调节；当旁路开关S₁和旁路开关S₂都打开时，直流潮流控制器参与直流潮流调节；

所述可调电压源V_c1两侧并联第一电路单元和第二电路单元，所述可调电压源V_c2两侧并联第三电路单元和第四电路单元；所述第一电路单元由第一开关管Q₁与二极管D₁₁、电感L₁串联而成，所述第二电路单元由第二开关管Q₂与二极管D₂₂、电感L₂串联而成，所述第三电路单元由第三开关管Q₃与二极管D₃₃、电感L₁串联而成，所述第四电路单元由第四开关管Q₄与二极管D₄₄、电感L₂串联而成；所述电感L₁和电感L₂顺接耦合。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多端直流输电系统的直流潮流控制器，其特征在于：所述第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃和第四开关管Q₄均由一个绝缘栅双极型晶体管和一个二极管反并联组成。

3.一种适用于多端直流输电系统的直流潮流控制器，所述多端直流输电系统包括两条独立的输电线路；其特征在于：所述直流潮流控制器包括电容C₁和电容C₂，所述电容C₁作为可调电压源V_c1串联在第一条输电线路中，所述电容C₂作为可调电压源V_c2串联在第二条输电线路中；所述直流潮流控制器还包括旁路开关S₁和旁路开关S₂，所述旁路开关S₁与可调电压源V_c1并联，旁路开关S₂与可调电压源V_c2并联；当旁路开关S₁和旁路开关S₂都闭合时，直流潮流控制器被旁路，不参与直流潮流调节；当旁路开关S₁和旁路开关S₂都打开时，直流潮流控制器参与直流潮流调节；

所述可调电压源V_c1两侧并联第一电路单元和第二电路单元，所述可调电压源V_c2两侧并联第三电路单元和第四电路单元；所述第一电路单元由第一开关管Q₁与二极管D₁₁、电感L₁串联而成，所述第二电路单元由第二开关管Q₂与二极管D₂₂、电感L₂串联而成，所述第三电路单元由第三开关管Q₃与二极管D₃₃、电感L₃串联而成，所述第四电路单元由第四开关管Q₄与二极管D₄₄、电感L₄串联而成；所述电感L₁、电感L₂、电感L₃和电感L₄顺接耦合。

4.根据权利要求1所述的一种适用于多端直流输电系统的直流潮流控制器实现的一种输电线路电流控制方法，其特征在于：具体步骤如下：

1)设置第一条输电线路的电流参考值为I_1ref、第二条输电线路的电流参考值为I_2ref；

2)将第一条输电线路的电流参考值I_1ref与采集到的第一条输电线路的电流I₁相减，所得差值经过PI环节后得到第一开关管Q₁和第二开关管Q₂的PWM驱动信号；将第二条输电线路的电流参考值I_2ref与采集到的第二条输电线路的电流I₂相减，所得差值经过PI环节后得到第三开关管Q₃和第四开关管Q₄的PWM驱动信号；

3)利用PWM驱动信号控制开关管导通与关断，使第一条输电线路的电流I₁和第二条输电线路的电流I₂维持在参考值I_1ref和I_2ref。