CN106532714B - 多端口直流电网潮流控制器拓扑结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种多端口直流电网潮流控制器拓扑结构及控制方法，属于电力系统控制技术领域。本发明的目的是设计一种可安装在多条线路上的多端口直流潮流控制器，通过在每一条线路上串入额外的直流电压来控制潮流的多端口直流电网潮流控制器拓扑结构及控制方法。本发明多端口直流电网潮流控制器拓扑结构是：模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，将若干个全桥型子模块级联构成桥臂，两个桥臂相连接构成一个相单元，三个相单元并联即为模块化多电平换流器。本发明提供的控制直流电网潮流的方法一定程度上解决了直流电网潮流不可控的问题，具有推广价值。

Description

多端口直流电网潮流控制器拓扑结构及控制方法

技术领域

本发明属于电力系统控制技术领域。

背景技术

新能源发电属于我国战略性新兴产业，大力发展风力发电、太阳能发电等新能源发电技术是保障我国能源安全、应对气候变化、实现节能减排的重要举措，但新能源发电并网问题制约着我国新能源产业的发展。直流电网是具有先进能源管理系统的智能、稳定的广域传输网络，运行方式灵活、供电可靠，特别适合于新能源发电的集中并网和远距离传输。不过，直流电网内部的潮流自然分布会导致某条线路比其余线路承担更多的电流，各支路的载流裕度相差很大，潮流分布不合理，这样会产生严重的线路损耗甚至会使换流站过载，因此，控制每条线路上的潮流是直流电网必须面对且亟待解决的问题之一。

直流潮流控制器能够有效提升复杂直流电网的潮流自由度，解决部分线路潮流不可控问题，对直流电网运行的安全性、可靠性和经济性具有重要的意义。直流电网中的物理量仅存有线路电阻和直流电压，故直流潮流控制器可分为电阻型和电压型。针对电阻型直流潮流控制器，电阻和旁路开关组成一个并联单元，再将若干个并联单元接入到直流线路中，通过旁路开关的开通或关断改变线路的等效电阻来实现潮流控制的目的。针对电压型直流潮流控制器，具体可分为：直流变压器型、辅助电压源型和线间直流潮流控制器。直流变压器型通过微调输入端和输出端的电压差，相当于在直流线路上接入很小的电压源，进而改变线路潮流。辅助电压源型能够利用外部交流系统在线路中接入幅值和极性均可调的直流电压源，改变线路的电压分布进而控制线路潮流。线间直流潮流控制器不需连接额外的电源，仅利用线路间的功率交换即可在线路上串入电压来改变系统潮流。现有研究多针对两端DCPFC，可控制多条线路的DCPFC仍处于起步阶段，在含有多个环网的复杂直流电网中，需要在多条线路上同时安装多个DCPFC并进行协调控制，实现成本较高且可靠性较低。

随着直流电网结构的日益复杂，许许多多挑战也随之产生，其中之一即为直流潮流不可控问题。潮流分布的不合理将引发线路过载，导致直流电网低效率运行甚至带来严重的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是设计一种可安装在多条线路上的多端口直流电网潮流控制器，通过在每一条线路上串入额外的直流电压来控制潮流的多端口直流电网潮流控制器拓扑结构及控制方法。

本发明多端口直流电网潮流控制器拓扑结构是：模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，将若干个全桥型子模块级联构成桥臂，两个桥臂相连接构成一个相单元，三个相单元并联即为模块化多电平换流器；包括交流出线和直流出线，每个相单元中上、下桥臂的连接处为相单元的交流出线，模块化多电平换流器中的三个相单元交流出线分别连接A、B、C三相；三个相单元的并联处为直流出线；基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的端口数M＝直流电网线路数b﹣换流站数N+2；将M个模块化多电平换流器的交流侧使用三相变压器连接。

本发明的控制方法：

①根据基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的拓扑结构，并将三相变压器视为交流母线，得模块化多电平换流器交流出线连至三相变压器的dq等值电路，进一步得dq坐标系下等效方程：

式中：L_i为第i个模块化多电平换流器端口折算后的桥臂电抗，R_i为第i个模块化多电平换流器端口折算后的桥臂电阻，I_di、I_qi分别为第i个模块化多电平换流器端口流向交流母线的电流的d轴分量和q轴分量，v_di、v_qi分别为第i个模块化多电平换流器端口交流电压的d轴分量和q轴分量，u_di、u_qi分别为交流母线电压的d轴分量和q轴分量。模块化多电平换流器端口交流电压与端口直流电压的关系：

式中：v_i为第i个端口的交流电压，V_Mi为第i个端口的直流电压，M_i为第i个端口的调制比；

②模块化多电平换流器电压初始值生成：将基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律得到的方程联立：

式中：A₁为M×b的矩阵，阵中元素为线路阻值或零，B₁为M×1的列阵，阵中元素为模块化多电平换流器端口串入的直流电压值V_Mi；A₂为(N-1)×b的矩阵，阵中元素为±1或零，B₂为(N-1)×1的列阵，阵中元素为换流站流入/流出的电流值；

式(3)乘以得直流线路电流与模块化多电平换流器端口串入的直流电压值的关系：

为了使基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器内部功率平衡，端口直流端功率之和应为零，即

式中：I_i流入为模块化多电平换流器第i个端口的直流线路电流。

设定直流线路电流，并把直流线路电流值代入式(4)和式(5)，解方程组即得到模块化多电平换流器端口电压；

③基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的端口控制：基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的控制策略是端口1用以维持交流电压稳定，其余端口均运行在定直流电压模式以在线路中串入直流电压；

(1)端口1控制：

为了令端口1维持稳定的交流电压，要控制端口1直流侧电压稳定；V_M1的一端需要与直流电网的定直流电压站相连接，微调定直流电压站得到稳定的V_M1，

式中：V_M1ref是端口1直流侧电压指令值；V_M1是端口1直流侧电压实测值；V_3ref1是定直流电压站未修正直流电压指令值；ΔV_3ref是定直流电压站直流电压修正量；V_3ref2是修正后的定直流电压站的直流电压参考值；k_p为比例系数；k_i为积分系数；

(2)其余端口控制：

其余端口均运行在以式(1)为基础的定直流电压控制模式，定直流电压控制分为外环控制和内环控制，分别如式(7)和式(8)所示，将第i个端口的直流电压V_Mi代入到式(7)，由式(7)产生的i_diref代入式(8)，再经PWM触发即可得到稳定的V_Mi

i_diref＝[k_p(V_Miref-V_Mi)+k_i∫(V_Miref-V_Mi)dt] (7)

式中：i_diref为第i个模块化多电平换流器端口流向交流母线的电流指令值的d轴分量，V_Miref为第i端口直流电压的指令值，V_Mi为第i个端口的直流电压；

式中：v_di、v_qi分别为第i个模块化多电平换流器端口交流电压的d轴分量和q轴分量，u_di、u_qi分别为交流母线电压的d轴分量和q轴分量，i_diref、i_qiref分别为第i个模块化多电平换流器端口流向交流母线的电流指令值的d轴分量和q轴分量，i_di、i_qi分别为第i个模块化多电平换流器端口流向交流母线的电流的d轴分量和q轴分量。

本发明在直流电网中潮流控制的方法：

当线路上压降发生变化时，线路上流通的功率随之变化

式中：P_L是线路上流通的功率，V是换流站端点电压，ΔV是线路上压降，R_L是线路上电阻；

(1)将基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器中的直流侧接入到直流电网中的直流线路中；

(2)利用公式(3)、(4)、(5)求得在设定直流线路电流时，在线路中所需串入的各个端口直流电压值；

(3)将第i个端口的直流电压V_M1代入到公式(6)中，建立稳定的内部交流电压；

(4)将其余端口的直流电压代入到公式(7)、(8)中，保证其余端口的直流电压稳定。

本发明提出基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器，其特点是能够同时控制直流电网中多条线路上的潮流。本发明在直流电网潮流分布机理的基础上，进一步对直流潮流控制器进行深入地研究，具有明显的工程应用价值和现实意义。本发明提出了多端口直流电网潮流控制器的拓扑结构，并分析其工作原理，设计出能够使基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器稳定运行的控制策略，确定了基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的控制效果，为进一步提升直流系统运行的可靠性提供指导。本发明提供的控制直流电网潮流的方法一定程度上解决了直流电网潮流不可控的问题，具有推广价值。

附图说明

图1是基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的拓扑结构图；

图2是基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的dq等值电路；

图3是端口电压参考值生成图；

图4是与式(6)相对应的控制框图；

图5是端口1控制框图；

图6是其余端口控制框图；

图7是基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器等效电路图；

图8是三端基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器用于舟山柔性直流输电系统示意图；

图9是投入基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器图；

图10是反向调节图。

具体实施方式

本发明公开一种控制直流电网中潮流分布的方法，主要内容是提出基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器，其特点通过控制直流线路电流实现潮流控制，并且能够同时控制直流电网中多条线路上的潮流。

本发明模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，将若干个全桥型子模块级联构成桥臂，两个桥臂相连接构成一个相单元，三个相单元并联即为模块化多电平换流器；模块化多电平换流器的作用是交直流变换，因此其包括交流出线和直流出线，每个相单元中上、下桥臂的连接处为相单元的交流出线，模块化多电平换流器中的三个相单元交流出线分别连接A、B、C三相；三个相单元的并联处为直流出线；基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的端口数与直流电网中线路条数、换流站个数有关，基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器端口数M＝直流电网线路数b﹣换流站数N+2；将M个模块化多电平换流器的交流侧使用三相变压器连接。其作用是实现基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的内部功率交换与变压；模块化多电平换流器的直流侧以串联的形式接入到线路中，以改变线路上的压降实现潮流控制。基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的拓扑结构如图1所示。

本发明基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的控制方法：

①根据基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的拓扑结构，并将三相变压器视为交流母线，得模块化多电平换流器交流出线连至三相变压器的dq等值电路，由基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的dq等值电路，如图2所示。得dq坐标系下等效方程：

式中：L_i为第i个模块化多电平换流器端口折算后的桥臂电抗，R_i为第i个模块化多电平换流器端口折算后的桥臂电阻，I_di、I_qi分别为第i个模块化多电平换流器端口流向交流母线的电流的d轴分量和q轴分量，v_di、v_qi分别为第i个模块化多电平换流器端口交流电压的d轴分量和q轴分量，u_di、u_qi分别为交流母线电压的d轴分量和q轴分量。模块化多电平换流器端口交流电压与端口直流电压的关系：

式中：v_i为第i个端口的交流电压，V_Mi为第i个端口的直流电压，M_i为第i个端口的调制比；

②模块化多电平换流器电压初始值生成：直流潮流控制器是以控制线路上电流作为直接目标，而模块化多电平换流器是以端口电压作为控制初始值，故必须求得在控制直流线路电流时所需的模块化多电平换流器端口电压初始值。

将基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律得到的方程联立：

式中：A₁为M×b的矩阵，阵中元素为线路阻值或零，B₁为M×1的列阵，阵中元素为第i个端口的直流电压V_Mi；A₂为(N-1)×b的矩阵，阵中元素为±1或零，B₂为(N-1)×1的列阵，阵中元素为换流站流入/流出的电流值。

式(3)乘以得直流线路电流与模块化多电平换流器端口串入的直流电压值的关系：

为了使基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器内部功率平衡，端口直流端功率之和应为零，即

式中：I_i流入为模块化多电平换流器第i个端口的直流线路电流。

设定直流线路电流，并把直流线路电流值代入式(4)和式(5)，解方程组即得到模块化多电平换流器端口电压；如计算框图3所示。得到的模块化多电平换流器端口电压值，在基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的端口控制中被使用。

③基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的端口控制：由于各端口是通过内部交流连接，故内部交流电压稳定是可靠运行的前提。基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的控制策略是端口1用以维持交流电压稳定，其余端口均运行在定直流电压模式以在线路中串入直流电压。

(1)端口1控制：

为了令端口1维持稳定的交流电压，要控制端口1直流侧电压稳定；V_M1的一端需要与直流电网的定直流电压站相连接，微调定直流电压站得到稳定的V_M1，如式(6)所示。图4为与式(6)相对应的控制框图

式中：V_M1ref是端口1直流侧电压指令值；V_M1是端口1直流侧电压实测值；V_3ref1是定直流电压站未修正直流电压指令值；ΔV_3ref是定直流电压站直流电压修正量；V_3ref2是修正后的定直流电压站的直流电压参考值；k_p为比例系数；k_i为积分系数。

在稳定的端口1直流电压的基础上，即可维持内部交流电压稳定。该控制策略采用无源逆变的形式，给定正弦量三要素而来。其中，幅值为一半的与调制比的乘积，频率定为50Hz，相角为随时间变化的量。经过PWM调制，产生内部交流电压实现功率交换，如图5所示。

(2)其余端口控制：

其余端口均运行在以式(1)为基础的定直流电压控制模式，目的是控制在线路中串入的直流电压。控制框图如图6所示。

定直流电压控制分为外环控制和内环控制，分别如式(7)和式(8)所示，将第i个端口的直流电压V_Mi代入到式(7)，由式(7)产生的i_diref代入式(8)，再经PWM触发即可得到稳定的V_Mi

i_diref＝[k_p(V_Miref-V_Mi)+k_i∫(V_Miref-V_Mi)dt] (7)

式中：i_diref为第i个模块化多电平换流器端口流向交流母线的电流指令值的d轴分量，V_Miref为第i端口直流电压的指令值，V_Mi为第i个端口的直流电压；

式中：v_di、v_qi分别为第i个模块化多电平换流器端口交流电压的d轴分量和q轴分量，u_di、u_qi分别为交流母线电压的d轴分量和q轴分量，i_diref、i_qiref分别为第i个模块化多电平换流器端口流向交流母线的电流指令值的d轴分量和q轴分量，i_di、i_qi分别为第i个模块化多电平换流器端口流向交流母线的电流的d轴分量和q轴分量。

公式(6)、公式(7)和公式(8)中均使用了比例积分系数，即PI系数。k_i称为比例系数，k_p称为积分系数。公式(6)、(7)和(8)中的k_i和k_p是以同样方式获得，具体如下：首先，给定系数一个较大的数值，观察电流、电压等仿真电气量是否稳定。若稳定，说明该值即为系数值；但多为不稳定，则减小参数值，直至仿真系统能够稳定运行即可。

本发明在直流电网中潮流控制的方法：

根据上述的拓扑结构和端口控制方法，基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器能够稳定运行，现要将其接入到直流电网中。

根据式(9)，当线路上压降发生变化时，线路上流通的功率随之变化

式中：P_L是线路上流通的功率，V是换流站端点电压，ΔV是线路上压降，R_L是线路上电阻。

基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器将其直流侧接入到直流线路中，则可在线路中串入额外的电压进而实现控制系统潮流的原理，如图7所示。具体操作如下：

(1)将基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器中的直流侧接入到直流电网中的直流线路中；

(2)利用公式(3)、(4)、(5)求得在设定直流线路电流时，在线路中所需串入的各个端口直流电压值；

(3)将端口1的直流电压V_M1代入到公式(6)中，建立稳定的内部交流电压；

(4)将其余端口的直流电压代入到公式(7)、(8)中，保证其余端口的直流电压稳定。

搭建仿真模型，验证控制效果：

利用RT-LAB仿真平台，搭建装有基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的五端柔性直流输电系统，如图8所示，系统参数如表1、表2所示。该直流系统中有5个换流站、6条输电线路，故有2条输电线路潮流不可控，需要具有3个模块化多电平换流器端口的基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器。

表1

表2

利用仿真模型，验证基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的控制效果。

(1)投入基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器。

在未装有基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的直流系统中，线路中的电流呈现自然分布，其中I₁₂＝0.25kA、I₁₃＝0.37kA、I₁₄＝-0.17kA、I₁₅＝-0.21kA、I₃₄＝-0.63kA、I₄₅＝-0.05kA。投入基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器，并在此设定I_13ref＝0.1kA，I_14ref＝-0.4kA，进行仿真验证，可以发现I₁₃、I₁₄为电流设定值大小，即I₁₃＝0.1kA、I₁₄＝-0.4kA且其它线路电流也随之变化，具体为I₁₂＝0.25kA、I₁₅＝0.3kA、I₃₄＝-0.9kA、I₄₅＝-0.55kA。说明投入基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器后，直流系统中的潮流分布发生了变化，如图9所示。基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器有控制系统潮流的作用。

(2)反向调节。

在未投入基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器时，线路中的电流呈现自然分布，其中I₁₂＝0.25kA、I₁₃＝0.37kA、I₁₄＝-0.17kA、I₁₅＝-0.21kA、I₃₄＝-0.63kA、I₄₅＝-0.05kA。为了验证基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的反向调节能力，设定I_13ref＝0.5kA，I_14ref＝-0.1kA，此时I₁₃增大而I₁₄减小，恰好与上文相反。进行仿真验证，可以发现I₁₃＝0.5kA、I₁₄＝-0.1kA，均为设定值大小，且其它线路电流也发生变化，其中I₁₂＝0.25kA、I₁₅＝-0.4kA、I₃₄＝-0.5kA、I₄₅＝0.15kA，如图10所示。说明基于模块化多电平换流器的多端口直流申网潮流控制器能够调节系统的功率分布，并具有反向调节的能力。

Claims (2)

1.一种多端口直流电网潮流控制器拓扑结构，其特征在于：模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，将若干个全桥型子模块级联构成桥臂，两个桥臂相连接构成一个相单元，三个相单元并联即为模块化多电平换流器；包括交流出线和直流出线，每个相单元中上、下桥臂的连接处为相单元的交流出线处，模块化多电平换流器中的三个相单元交流出线分别连接A、B、C三相；三个相单元的并联处为直流出线处；基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的端口数M＝直流电网线路数b-换流站数N+2，将M个模块化多电平换流器的交流侧使用三相变压器连接；

①根据基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的拓扑结构，并将三相变压器视为交流母线，得模块化多电平换流器的交流出线连至三相变压器的dq等值电路，进一步得dq坐标系下等效方程：

式中：L_i为第i个端口折算后的桥臂电抗，R_i为第i个端口折算后的桥臂电阻，I_di、Iq_i分别为第i个端口流向交流母线的电流的d轴分量和q轴分量，v_di、v_qi分别为第i个端口交流电压的d轴分量和q轴分量，u_di、u_qi分别为交流母线电压的d轴分量和q轴分量；

端口交流电压与端口直流电压的关系：

式中：v_i为第i个端口的交流电压，V_Mi为第i个端口的直流电压，M_i为第i个端口的调制比；

②模块化多电平换流器电压初始值生成：将基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律得到的方程联立：

式中：A₁为(M-1)×b的矩阵，阵中元素为线路阻值或零，B₁为(M-1)×1的列阵，阵中元素为第i个端口的直流电压V_Mi；A₂为(N-1)×b的矩阵，阵中元素为±1或零，B₂为(N-1)×1的列阵，阵中元素为换流站流入/流出的电流值；

式(3)乘以得直流线路电流与端口直流电压的关系：

为了使基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器内部功率平衡，端口直流侧功率之和应为零，即

式中：I_Mi为流入模块化多电平换流器第i个端口的直流线路电流；

设定直流线路电流，并把直流线路电流值代入式(4)和式(5)，解方程组即得到端口直流电压；

③基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的端口控制：基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器的控制策略是端口1用以维持交流电压稳定，其余端口均运行在定直流电压模式以在线路中串入直流电压；

(1)端口1控制：

为了令端口1维持稳定的交流电压，要控制端口1直流侧电压稳定；V_M1的一端需要与直流电网的定直流电压站相连接，微调定直流电压站得到稳定的V_M1，

V_3ref2＝V_3ref1+ΔV_3ref

＝V_3ref1+[k_p(V_M1ref-V_M1)+k_i∫(V_M1ref-V_M1)dt](6)

式中：V_M1ref是端口1直流电压指令值；V_M1是第i个端口的直流电压；V_3ref1是定直流电压站的未修正直流电压指令值；ΔV_3ref是定直流电压站的直流电压修正量；V_3ref2是修正后的定直流电压站的直流电压参考值；k_p为比例系数；k_i为积分系数；

(2)其余端口控制：

其余端口均运行在以式(1)为基础的定直流电压控制模式，定直流电压控制分为外环控制和内环控制，分别如式(7)和式(8)所示，将第i个端口的直流电压V_Mi代入到式(7)，由式(7)产生的i_diref代入式(8)，再经PWM触发即可得到稳定的V_Mi

i_diref＝[k_p(V_Miref-V_Mi)+k_i∫(V_Miref-V_Mi)dt](7)

式中：i_diref为第i个端口流向交流母线的电流指令值的d轴分量，V_Miref为第i端口直流电压的指令值，V_Mi为第i个端口的直流电压；

式中：v_di、v_qi分别为第i个端口交流电压的d轴分量和q轴分量，u_di、u_qi分别为交流母线电压的d轴分量和q轴分量，i_diref、i_qiref分别为第i个端口流向交流母线的电流指令值的d轴分量和q轴分量，i_di、l_qi分别为第i个端口流向交流母线的电流的d轴分量和q轴分量。

2.权利要求1所述多端口直流电网潮流控制器在直流电网中潮流控制的方法，其特征在于：

当线路上压降发生变化时，线路上流通的功率随之变化

式中：P_L是线路上流通的功率，V是换流站端点电压，ΔV是线路上压降，R_L是线路上电阻；

(1)将基于模块化多电平换流器的多端口直流电网潮流控制器中的直流侧接入到直流电网中的直流线路中；

(2)利用公式(3)、(4)、(5)求得在设定直流线路电流时，在线路中所需串入的各个端口直流电压值；

(3)将端口1的直流电压V_M1代入到公式(6)中，建立稳定的内部交流电压；

(4)将其余端口的直流电压代入到公式(7)、(8)中，保证其余端口的直流电压稳定。