CN107196287B - 一种具备直流潮流与短路控制的复合装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种直流电网用的具备直流潮流控制与直流短路控制的复合装置及其控制方法，复合控制装置包括：潮流控制装置，其包括一对耦合电感、四个开关管、四个二极管和两个电容；短路控制装置，其包括两个高压快速机械开关、三个避雷器和三个开关管。所述第一电容作为第一可调电压源串联在第一条输电线路中，第二电容作为第二可调电压源串联在第二条输电线路中，用于潮流控制；快速机械开关分别串联在两条线路的出线端；三个避雷器分别和三个开关管并联，用于控制短路电流。正常情况下，潮流控制装置投入工作，控制线路潮流；一旦发生短路，潮流部分闭锁，短路电流控制装置投入工作。本发明不仅可以实现灵活的潮流调节，还可以实现及时的短路电流控制。

Description

一种具备直流潮流与短路控制的复合装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，主要应用于多端直流输电场合，特别是涉及一种具备直流潮流与短路控制的复合装置及其控制方法 。

背景技术

随着传统能源的不断消耗和环境问题的日益加剧，清洁可持续能源的发展和应用逐渐引起了广泛的关注。传统的电网消纳能力有限，加之新能源发电的间歇性和不确定性，以至于新能源发电效率不高。为此，我们需要一种新的电力设备、电网结构和运行技术来适应大规模可再生能源接入电网。在此需求下，多端直流输电和直流电网技术变应运而生。

高压柔性直流输电技术因此经济性好、传送距离远、稳定性高等优点成为解决分布式电源并网和构建新型电网的研究热点。多端直流输电和直流电网技术迅速发展，用于满足多电源供电和多落点受电的需求。然后，对于一个确定拓扑的直流系统，N个独立的换流站可以对N-1条支路进行有效的潮流控制；而对系统中超出N-1条线路上的潮流无法控制，因此需要引入潮流控制器来实现潮流的调节。由于直流电网不存在交流系统中的无功、电抗和相角，只需要改变电压和电阻值便能实现潮流调节，所以已有的潮流控制器主要分为电阻型和电压型两类。电阻型控制器方案和结构比较简单，但潮流只能实现单向调节，且通态损耗较大；电压型控制器一般分为三类，直流变压器、串联可调电压源和线间潮流控制器。在线路中串入直流变压器可以实现线路电压的改变进行潮流调节，但是其需要承受系统级的高压和大功率，增加了成本和系统的复杂性；在系统串入可调电压源，不需要承受高电压，但是其需要外部电源与之交互。为了略去串联可调电压源方案中额外的电源，研究人员提出了线间潮流控制器。通过设计合理的方案，使得潮流在不同线路之间实现传递，从何实现调节。

另外，直流电网的线路阻抗很小，较小的电压变化会引起很大，因此发展直流电网快速限流和短路切断装置是直流电网的重要环节。目前已有的短路限流装置主要应用于交流电网，大部分利用交流电流的自然过零点进行分断。但是，由于直流电网发生短路时，不存在自然过零点，所以分断难度很大，很难满足安全性和可靠性的要求。目前已有的研究主要是基于电力电子技术的混合型直流断路器和通过在电网中串入限流电路来限制故障电流峰值和电流上升率等。

然而，目前基于直流潮流控制和短路控制的装置研究和运行都相对独立，很少涉及短路和潮流复合控制，因此存在成本相对较高、体积较大以及不便统一控制等缺点。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明针对多端直流输电系统中的潮流控制和短路控制问题，提出一种直流电网用的具备直流潮流控制与直流短路控制的复合装置及其控制方法，为达此目的，本发明提供一种具备直流潮流与短路控制的复合装置，包括潮流控制装置和短路控制装置，所述潮流控制装置和短路控制装置有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：所述潮流控制装置包括耦合电感L1和L2、电容C1和C2、四个开关管Q1~Q4、四个二极管Db1~Db4；所述短路控制装置，包括两个高压快速机械开关UFD1和UFD2、三个避雷器SA1~SA3和三个开关管MB1~MB3；

所述电容C1作为可调电压源Vc1串联在第一条输电线路中，电容C2作为可调电压源Vc2串联在第二条输电线路中，用于潮流控制；所述可调电压源Vc1两侧并联第一电路单元和第二电路单元，所述可调电压源Vc2两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Db1、电感L1串联组成，所述第二电路单元由第二开关管Q2与二极管Db2、电感L2串联组成，所述第三电路单元由第三开关管Q3与三极管Db3、电感L1串联组成，所述第四电路单元由第四开关管Q4与二极管Db4、电感L2串联组成；所述电感L1和电感L2顺接耦合；

所述高压快速机械开关UFD1串联在第一条输电线路中，高压快速机械开关UFD2串联在第二条输电线路中；第五电路单元两端分别连接在直流输电端口1和高压快速机械开关UFD1的出线端，第六电路单元两端分别连接在直流输电端口1和高压快速机械开关UFD2的出线端；所述第五电路单元为第七电路单元和第八电路单元反向串联组成；所述第六电路单元为第七电路单元和第九电路单元反向串联组成；所述第七电路单元为开关管MB1和避雷器SA1并联组成；所述第八电路单元为开关管MB2和避雷器SA2并联组成；所述第九电路单元为开关管MB3和避雷器SA3并联组成。

本发明的进一步改进，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。

本发明的进一步改进，所述开关管MB1、开关管MB2和开关管MB3均由一个绝缘栅双极型晶体管和一个二极管反并联组成。

本发明提供一种具备直流潮流与短路控制的复合装置的控制方法：

(1) 在未发生故障时，潮流控制装置投入工作，其控制方法如下：

1) 设置第一条输电线路的电流参考值为I1ref、第二条输电线路的电流参考值为I2ref；

2) 将第一条输电线路的电流参考值I1ref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I2ref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I1ref和I2ref；

(2) 在发生故障之后，潮流控制装置立即闭锁，短路控制装置立即投入，具体控制方法及步骤如下：

1) 假设某一条出线支路发生短路故障的时刻为tf，其所在支路的电流采样值超过短路控制设定的阈值Imax；

2) 在t1时刻，通过控制第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4的开关驱动信号，立即闭锁潮流控制装置，使其不再进行潮流调节；同时，根据系统短路时的潮流方向，选择特定的两条支路作为故障换流支路，此时该两条线路的开关管即为故障换流开关管，分别命名为第一换流开关管LCS1和第二换流开关管LCS2，控制LCS1和LCS2的开关信号，使其立即导通，并关闭非换流支路上的其余开关管；

3) 在t2时刻，通过控制短路控制装置上的开关管MB1、开关管MB2和开关管MB3的驱动信号，使其导通，此时大部分的故障电流将转移到开关管MB所在的支路上；

4) 在t3时刻，通过控制第一换流开关管LCS1和第二换流开关管LCS2的驱动信号，关断其中故障支路上的换流开关管，保持非故障支路上的换流开关继续导通；

5) 在t4时刻，关断其中故障线路上的高压快速机械开关UFD，切断故障支路，保持另外非故障支路上的高压快速机械开关UFD继续导通；

6) 在t5时刻，通过控制第一换流开关管LCS1和第二换流开关管LCS2的驱动信号，使LCS1和LCS2导通，此时非故障线路恢复运行；

7) 在t6时刻，通过控制短路控制装置上的开关管MB1、开关管MB2和开关管MB3的驱动信号，使其全部关断，剩余的故障电流通过MB开关管的反向二极管和避雷器SA1、避雷器SA2和避雷器SA3进行消耗释放。

本发明公开了一种直流电网用的具备直流潮流控制与直流短路控制的复合装置及其控制方法，复合控制装置包括：潮流控制装置，其包括一对耦合电感、四个开关管、四个二极管和两个电容；短路控制装置，其包括两个高压快速机械开关、三个避雷器和三个开关管。所述第一电容作为第一可调电压源串联在第一条输电线路中，第二电容作为第二可调电压源串联在第二条输电线路中，用于潮流控制；快速机械开关分别串联在两条线路的出线端；三个避雷器分别和三个开关管并联，用于控制短路电流。正常情况下，潮流控制装置投入工作，控制线路潮流；一旦发生短路，潮流部分闭锁，短路电流控制装置投入工作。本发明不仅可以实现灵活的潮流调节，还可以实现及时的短路电流控制。

附图说明

图1是本发明直流电网用的具备直流潮流控制与直流短路控制的复合装置的电路拓扑示意图；

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同为正向，线路1出口处发生故障时的工作模态图；

图5是I1及I2同为正向，线路1出口处发生故障时的工作模态图；

图6是I1及I2同为正向，线路1出口处发生故障时的工作模态图；

图7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8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9是I1及I2同为反向及I1为正向、I2为反向，线路1出口处发生故障时的工作模态图；

图10是I1及I2同为反向及I1为正向、I2为反向，线路1出口处发生故障时的工作模态图；

图11是I1及I2同为反向及I1为正向、I2为反向，线路1出口处发生故障时的工作模态图；

图12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13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14与图15是本发明的拓扑的变形与延伸。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明的直流电网用的具备直流潮流控制与直流短路控制的复合装置拓扑示意图如图1所示。一种直流电网用的具备直流潮流控制与直流短路控制的复合装置，涉及的直流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直流输电线路；所述一种直流电网用的具备直流潮流控制与直流短路控制的复合装置，包括潮流控制装置和短路电流控制装置。所述潮流控制装置包括耦合电感L1和L2、电容C1和C2、四个开关管Q1~Q4、四个二极管Db1~Db4；所述短路控制装置，包括两个高压快速机械开关UFD1和UFD2、三个避雷器SA1~SA3和三个开关管MB1~MB3。

直流系统正常运行时，所述复合装置的潮流控制器投入工作，参与系统的潮流调节。当系统发生短路故障时，通过控制开关管Q1~Q4立即闭锁潮流控制装置，同时短路控制装置投入工作，切断故障电流。

下面以3种典型的工况为例，对该直流电网用的具备直流潮流控制与直流短路控制的复合装置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：

a) 潮流控制。短路故障未发生的情况下，潮流控制装置投入工作，参与系统的潮流调节。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Vc1将不断升高，Vc2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Db1形成回路，在Vc1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、Db3、C2及L1、形成回路，在Vc2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。

b) 短路控制。由于I1和I2方向相同，根据对称性，以线路1的出口处短路为例。线路1发生故障时，立即开通开关管Q1与Q3，关断开关管Q2与Q4，此时开关管Q1与Q3所在支路则为故障换流支路。延时一段时间，开通开关管MB1、MB2和MB3，此时故障电流大部分转移到MB开关管所在支路。再延时一段时间，关闭故障支路上的开关管Q1，然后关断高压快速机械开关UFD1，切断故障支路。继续延时一段时间，开通Q1，之后关断开关管MB1、MB2和MB3，使得剩余故障电流通过SA1和开关管MB2的反并联二极管进行流通和消耗。具体开关模态如图4~6所示。此时，故障支路已从系统中切除，非故障支路恢复运行。

2． I1及I2同为反向：

a) 潮流控制。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、Db2、Q2及L2形成回路；一段时间后关断Q2，并开通Q4，此时C2、Db4、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7、8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。

b) 短路控制。同样以线路1出口处短路为例。当线路1发生故障时，立即开通开关管Q1与Q4，关断开关管Q2与Q3，此时开关管Q1与Q4所在支路则为故障换流支路。延时一段时间，开通开关管MB1、MB2和MB3，此时故障电流大部分转移到MB开关管所在支路。再延时一段时间，关闭故障支路上的开关管Q1，然后关断高压快速机械开关UFD1，切断故障支路。继续延时一段时间，开通Q1，之后关断开关管MB1、MB2和MB3，使得剩余故障电流通过SA1和开关管MB2的反并联二极管进行流通和消耗。具体开关模态如图9~11所示。此时，故障支路已从系统中切除，非故障支路恢复运行。

3． I1和I2不同向：

a) 潮流控制。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12、13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。

b) 短路控制。同样以I1 正向，I2反向，且线路1出口处短路为例。当线路1发生故障时，立即开通开关管Q1与Q4，关断开关管Q2与Q3，此时开关管Q1与Q4所在支路则为故障换流支路。延时一段时间，开通开关管MB1、MB2和MB3，此时故障电流大部分转移到MB开关管所在支路。再延时一段时间，关闭故障支路上的开关管Q1，然后关断高压快速机械开关UFD1，切断故障支路。继续延时一段时间，开通Q1，之后关断开关管MB1、MB2和MB3，使得剩余故障电流通过SA1和开关管MB2的反并联二极管进行流通和消耗。具体开关模态如图9~11所示。此时，故障支路已从系统中切除，非故障支路恢复运行。

根据以上分析，本发明的复合控制装置可以进行拓扑的推广，如图14与图15所示。与图1相比，图14中的直流潮流控制部分增加了两个电感，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14中的潮流控制器则可以解决该问题。与图1相比，图15的拓扑结构在电容线路中串入双向开关管，可以在不同电压系统中，及时切除电容，避免故障时电容过充。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种具备直流潮流与短路控制的复合装置，包括潮流控制装置和短路控制装置，所述潮流控制装置和短路控制装置有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：所述潮流控制装置包括耦合电感L1和L2、电容C1和C2、四个开关管Q1~Q4、四个二极管Db1~Db4；所述短路控制装置，包括两个高压快速机械开关UFD1和UFD2、三个避雷器SA1~SA3和三个开关管MB1~MB3；

所述电容C1作为可调电压源Vc1串联在第一条输电线路中，电容C2作为可调电压源Vc2串联在第二条输电线路中，用于潮流控制；所述可调电压源Vc1两侧并联第一电路单元和第二电路单元，所述可调电压源Vc2两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Db1、电感L1串联组成，所述第二电路单元由第二开关管Q2与二极管Db2、电感L2串联组成，所述第三电路单元由第三开关管Q3与三极管Db3、电感L1串联组成，所述第四电路单元由第四开关管Q4与二极管Db4、电感L2串联组成；所述电感L1和电感L2顺接耦合；

所述高压快速机械开关UFD1串联在第一条输电线路中，高压快速机械开关UFD2串联在第二条输电线路中；第五电路单元两端分别连接在直流输电端口1和高压快速机械开关UFD1的出线端，第六电路单元两端分别连接在直流输电端口1和高压快速机械开关UFD2的出线端；所述第五电路单元为第七电路单元和第八电路单元反向串联组成；所述第六电路单元为第七电路单元和第九电路单元反向串联组成；所述第七电路单元为开关管MB1和避雷器SA1并联组成；所述第八电路单元为开关管MB2和避雷器SA2并联组成；所述第九电路单元为开关管MB3和避雷器SA3并联组成。

2.根据权利要求1所述的一种具备直流潮流与短路控制的复合装置，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.根据权利要求1所述的一种具备直流潮流与短路控制的复合装置，其特征在于：所述开关管MB1、开关管MB2和开关管MB3均由一个绝缘栅双极型晶体管和一个二极管反并联组成。

4.应用于权利要求1或2或3所述的具备直流潮流与短路控制的复合装置的控制方法，其特征在于：(1) 在未发生故障时，潮流控制装置投入工作，其控制方法如下：

1) 设置第一条输电线路的电流参考值为I1ref、第二条输电线路的电流参考值为I2ref；

2) 将第一条输电线路的电流参考值I1ref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I2ref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I1ref和I2ref；

(2) 在发生故障之后，潮流控制装置立即闭锁，短路控制装置立即投入，具体控制方法及步骤如下：

1) 假设某一条出线支路发生短路故障的时刻为tf，其所在支路的电流采样值超过短路控制设定的阈值Imax；

2) 在t1时刻，通过控制第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4的开关驱动信号，立即闭锁潮流控制装置，使其不再进行潮流调节；同时，根据系统短路时的潮流方向，选择特定的两条支路作为故障换流支路，此时两条线路的开关管即为故障换流开关管，分别命名为第一换流开关管LCS1和第二换流开关管LCS2，控制LCS1和LCS2的开关信号，使其立即导通，并关闭非换流支路上的其余开关管；

3) 在t2时刻，通过控制短路控制装置上的开关管MB1、开关管MB2和开关管MB3的驱动信号，使其导通，此时大部分的故障电流将转移到开关管MB所在的支路上；

4) 在t3时刻，通过控制第一换流开关管LCS1和第二换流开关管LCS2的驱动信号，关断其中故障支路上的换流开关管，保持非故障支路上的换流开关继续导通；

5) 在t4时刻，关断其中故障线路上的高压快速机械开关UFD，切断故障支路，保持另外非故障支路上的高压快速机械开关UFD继续导通；

6) 在t5时刻，通过控制第一换流开关管LCS1和第二换流开关管LCS2的驱动信号，使LCS1和LCS2导通，此时非故障线路恢复运行；

7) 在t6时刻，通过控制短路控制装置上的开关管MB1、开关管MB2和开关管MB3的驱动信号，使其全部关断，剩余的故障电流通过MB开关管的反向二极管和避雷器SA1、避雷器SA2和避雷器SA3进行消耗释放。