CN107612011B - 协同式直流潮流控制器电路拓扑结构与运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种协同式直流潮流控制器电路拓扑结构，包括第一VR电路、第二VR电路和IDCPFC电路，所述第一VR电路、第二VR电路分别与IDCPFC电路串联。同时提供了一种协同式直流潮流控制器的运行控制方法，IDCPFC电路主动控制线路2或线路3中一条线路的潮流，第一VR电路或第二VR电路主动控制线路2或线路3中另一条线路的潮流；功率从线路2传输到线路3时，电阻R_z工作；当功率从线路3传输到线路2时，电阻R_y工作。本发明可以主动控制一条线路的潮流，亦可控制两条线路的潮流，功能较为全面，适用场合较多，对直流输电系统的潮流控制器维度较高等优点。

Description

协同式直流潮流控制器电路拓扑结构与运行控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换器与柔性直流输电领域，尤其涉及一种面对多端直流电力系统的协同式直流潮流控制器(DC Power Flow Controller，DCPFC)电路拓扑结构与运行控制方法。

背景技术

随着大规模光伏发电站/风电场的快速建设，经济有效的大规模新能源场站的直流汇集技术和传输技术已被日益关注。高压直流输电具有输送距离远、运行调度灵活等优点，适用于输电距离更远的新能源场站的并网，成为智能电网领域的研发热点。多端直流输电系统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。以电压源型换流器(VSC)技术为核心的换流站，可以有效控制进入多端直流电力系统的输入功率，各条直流线路的其潮流由自身线路电阻被动决定。

随着多端直流电力系统电网节点增多和网络复杂化的趋势发展，单一地调控换流站已经无法实现各条输电线路的潮流解耦控制，直流电网的多线路的潮流控制正成为一项关键技术挑战。部分学者提出在直流电力网络中引入直流电力系统潮流控制器来达到有效控制潮流的目的。

直流电力系统中不存在无功功率、电抗和相角，所以直流电网的潮流只能通过改变输电线路的等效电阻和改变两端直流电压来实现控制，对应的潮流控制器可分别定义为“电阻型潮流控制器”和“电压源型潮流控制器”。

“电阻型潮流控制器”改变线路的电阻，在线路中串入可调电阻器是一种典型的电阻型直流潮流控制器方案。可调电阻器(Variable Resistor，VR)的拓扑电路和控制都比较简单，但是电阻型潮流控制器只能单向调节线路潮流，并且会额外消耗传输能量。

“电压源型潮流控制器”改变线路的线电压，具体技术方案包括直流变压器、串联可调电压源和线间直流潮流控制器(Interline DC Power Flow Controller，IDCPFC)。直流变压器用于连接不同电压等级的直流电网，在直流线路汇总相当于串入一个电压源，并且具有故障隔离的作用，但直流变压器需要承受直流电力系统的高电压，制造设备的难度和费用较高。

经过检索发现：

文献[1]，姚良忠等在《中国电机工程学报》(2016，36(4)：945-952.)上发表的《柔性直流电网串联直流潮流控制器及其控制策略研究[J]》，提出一种串联可调电压源，通过与外部电压源的功率交换对直流线路中注入功率，实现对线路电压的调节。虽然可调电压源不再承受直流电网大电压，但是其外部电压源需要承受电网高电压，稳定的外部电源提高了设计成本，一定程度上限制了可调电压源的应用前景。且该装置只可以调节一条线路的潮流，应用范围有限。

文献[2]，陈武等在《电力系统自动化》(2015，39(11)：76-81.上发表的《适用于多端柔性直流输电系统的直流潮流控制器[J]》)，提出线间直流潮流控制利用输电线路中的功率转移实现潮流控制，其电路拓扑简单、电力电子开关器件数目较少且无需外部电源；然而线路潮流反转时，该IDCPFC无法正常工作。且该装置无法适用于潮流反转的场合，且无法主动两条线路潮流，应用范围有限。

文献[3]，陈武等在《中国电机工程学报》(2016，39(7)：1969-1976上发表的《一种改进型线间直流潮流控制器的仿真与实验[J]》)提出一种改进型IDCPFC，可以应用于任意潮流方向的场合，但其电容工作在连续充放电状态，电容电压的波动会在直流网中引入谐波。IDCPFC技术方案只能控制单条输电线路的潮流，与之相关的另一条输电线路的潮流将发生被动改变现象。根据功率守恒定律，一条输电线路潮流减小，一条输电线路潮流必然增大，由此可见IDCPFC对直流电网潮流的控制维度较低。且该装置无法主动控制两条线路的潮流，适用范围有限。

各类直流潮流控制器，均可以典型三端环网式双极性VSC-MTDC系统作为应用场景，加以原理阐述与技术对比，如图1所示。其中换流站VSC1与VSC2号为恒功率输出端，换流站VSC3号为电压输出端，用于维持直流系统的功率平衡。对于两条线路中的潮流调节，应有三种模式：同增、同减、单增单减。IDCPFC作为潮流控制装置，应安置在终端处，便于使用和检测，如图2所示。针对正极性电路的等效电路分析，可如图3所示。其中，线路2的正极线上串入一个等效正电压源，线路3的正极线上串入一个等效负电压源，从而IDCPFC实现两个等效电压源之间的功率交换功能。

文献[2]和文献[3]电路拓扑虽不同，但基本功能相同。从系统潮流的控制维度上分析，当IDCPFC工作时，两条线路中串入两个等效电压源(电容)，IDCPFC实现两个电压源之间的功率转移，保证恒定的电容电压，从而实现线路中的潮流转移及控制，即：V3yI13＝V3xI23。当串入线路1的等效电压源为正时，串入线路2的等效电压源为负；当串入线路1的等效电压源为负时，串入线路2的等效电压源为正，即IDCPFC的原理决定了IDCPFC只能单一地调节系统的潮流(单一增加或者单一减少)。

通过以上背景技术介绍可知：现有各类直流潮流控制器的潮流调控能力有限，仅能控制单条线路潮流，缺乏对多条线路主动调控的技术能力。面向多条线路潮流主动控制场景的先进潮流控制器，目前相关理论与技术方案均呈现空白。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种面对多端直流电力系统的协同式直流潮流控制器电路拓扑结构与运行控制方法。该结构及方法可有效增大多端直流输电系统的潮流控制维度，主动控制多条线路潮流，从而实现多端直流电力系统网的系统级潮流控制。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种协同式直流潮流控制器电路拓扑结构，包括第一VR电路、第二VR电路和IDCPFC电路，所述第一VR电路、第二VR电路分别与IDCPFC电路串联。

优选地，具体包括：双向开关Q₁、双向开关Q₂、双向开关Q₃、双向开关Q₄、双向开关Q₅、双向开关Q₆、电容C₁、电容C₂、电感L_f、旁路开关S₁、旁路开关S₂、电阻R_y和电阻R_z；其中：

所述电容C₁分别与双向开关Q₃和双向开关Q₄连接且与旁路开关S₁并联，所述电容C₂分别与双向开关Q₁和双向开关Q₂连接且与旁路开关S₂并联，所述电感L_f分别与双向开关Q₁、双向开关Q₂、双向开关Q₃和双向开关Q₄连接，所述电阻R_y分别与双向开关Q₃和电容C₁连接且与双向开关Q₆并联，所述电阻R_z分别与双向开关Q₁和电容C₂连接且与双向开关Q₅并联；

所述电阻R_y和双向开关Q₆之间的并联电路构成第一VR电路，所述电阻R_z和双向开关Q₅之间的并联电路构成第二VR电路，所述双向开关Q₁、双向开关Q₂、双向开关Q₃、双向开关Q₄、电容C₁、电容C₂、电感L_f、旁路开关S₁和旁路开关S₂之间的连接电路构成IDCPFC电路。

优选地，所述电容C₁所在线路串联负电压源，所述电容电容C₂所在线路串联正电压源。

优选地，所述电阻R_y和电阻R_z为电阻值为正或为零。

优选地，所述协同式直流潮流控制器电路拓扑结构用于替换典型三端环网式直流输电系统的线间直流潮流控制器部分。

根据本发明的另一个方面，提供了一种协同式直流潮流控制器电路拓扑结构的运行控制方法，包括如下过程：

-协同式直流潮流控制器的IDCPFC电路主动控制线路2或线路3中一条线路的潮流，协同式直流潮流控制器的第一VR电路或第二VR电路主动控制线路2或线路3中另一条线路的潮流，三个部分一起工作，协同控制，实现对2条线路的主动潮流控制；

-功率从线路2传输到线路3时，控制电压为负，线路1、线路2和线路3三条线路潮流对电阻R_z的变化敏感，电阻R_z工作；当功率从线路3传输到线路2时，控制电压为正，线路1、线路2和线路3三条线路潮流对电阻R_y敏感，电阻R_y工作；

其中，

所述线路1为电压输出线路；

所述线路2和线路3分别为恒功率输出线路。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

一、本发明针对现有技术存在的缺点和不足，解决了以下问题：

1、本发明实现主动控制两条线路的潮流，提高直流潮流控制器的控制维度；

2、协同式直流潮流控制器的使用，有效避免了环网式直流输电系统的“环流现象”的出现；

3、本发明实现了直流潮流控制器从单线路控制向双线路主动控制的技术跨越。

二、本发明具有如下技术优点：

1、本发明对两条线路实现完全解耦式的潮流控制，相比于其他直流潮流控制器的潮流控制维度较高；

2、本发明提供的潮流控制器无需外部电压源，制造成本较低；

3、本发明提供的潮流控制器控制较为简单，实现难度较低；

4、本发明提供的潮流控制器的电路拓扑结构，具备模块化特点，具备可扩展性，可适用于多条线路的潮流完全解耦控制(N＞2)。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为典型技术场景：三端柔性直流输电系统；

图2为配置线间直流潮流控制器的的技术场景；

图3为线间直流潮流控制器等效示意图(正极性回路)；

图4为本发明提供的协同式直流潮流控制器电路拓扑结构示意图；

图5为协同式直流潮流控制器的等效表达形式；

图6为协同控制下的潮流曲线；其中(a)为不同R_y时的潮流特性曲线，(b)为不同R_z时的潮流特性曲线；

图7为协同控制下的组合特性曲线；

图8为IDCPFC控制策略框图；

图9为VR控制策略框图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种协同式直流潮流控制器电路拓扑结构，该电路拓扑结构如图4所示。

为了应对各种可能发生的潮流调度情况，潮流控制器的调节目标应为灵活地调节直流电网的潮流，实现安全送电和降低电网损耗的作用。为了实现快速、灵活、高维度的直流潮流控制，需要组合使用不同直流潮流控制器。

下面以图1所示的典型三端环网式直流输电系统为技术场景，对本实施例提供的技术方案进行原理阐述，并通过灵敏度分析阐明对其潮流控制维度的有效提升程度。

本实施例提供的电路拓扑结构，主要由六个双向开关(Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆)、两个线路串联电容(C₁、C₂)、一个电感L_f和两个旁路开关(S₁、S₂)构成。电容C₁与双向开关Q₃和双向开关Q₄连接且与旁路开关S₁并联，电容C₂与双向开关Q₁和双向开关Q₂连接且与旁路开关S₂并联，电感L_f与双向开关Q₁、双向开关Q₂、双向开关Q₃和双向开关Q₄连接，电阻R_y与双向开关Q₃和电容C₁连接且与双向开关Q₆并联，电阻R_z与双向开关Q₁和电容C₂连接且与双向开关Q₅并联。当旁路开关断开时，协同式直流潮流控制器正常工作；当旁路开关和Q₅、Q₆闭合时，协同式直流潮流控制器被旁路。该拓扑的等效表达形式如图5所示，协同式直流潮流控制器可以等效表达为两个VR和IDCPFC串联而成。IDCPFC的功能相当于在一条线路中串联正电压源，增大线路潮流，一条线路中串联负电压源，减小线路潮流，即一条线路中串联负电阻，一条线路中串联正电阻。VR的功能相当于在两条线路中串联一定的正电阻或者串联电阻值为零。将IDCPFC和VR组合起来，综合改变线路等效电阻，实现两条线路(线路2和线路3)的潮流控制。一个IDCPFC和两个可调电阻器(VR电路)的串联组合可以增大直流潮流的控制维度。协同式直流潮流控制器依然安置在VSC3直流端。

结合现有的直流潮流控制器进行分析，本实施例研究对象是柔性直流输电系统，属于高电压、大功率电网，不适合使用直流变压器和需要大功率外部电源的可调电压源，所以适用于高压直流输电网的潮流控制器为可调电阻器和线间潮流控制器。因此，本实施例提出的协同式直流潮流控制器适用于高电压、大功率电网的场合。

本实施例应用场景为三端柔性直流输电系统中，1、2号终端(AC1和AC2)为恒功率输出端，3号终端(AC3)为电压输出端，用于维持直流系统的功率平衡。为了便于潮流控制性能的比较，部分参数如表1所示，P₁＝160kW、P₂＝80kW、V₃＝150kV。

表1 输电线路的参数

下面对本实施例提供的协同式直流潮流控制器的特性进行分析

对可调电阻器和线间潮流控制器的组合应用进行分析。将协同式直流潮流控制器代替图2中IDCPFC的位置，可以得到下面的潮流方程。

式中：P₁、P₂、P₃分别为VSC1、VSC2与VSC3的额定功率，R_y、R_z分别为线路2和线路3串联的可调电阻器等效电阻值，R₁₂、R₁₃、R₂₃分别为线路1、线路2和线路3的等效电阻阻值，V₁、V₂、V₃分别为VSC1、VSC2与VSC3的额定电压。

对IDCPFC采用控制输入端端口电压方式。当IDCPFC功率由线路3传入线路2时，控制电压为V_3x；当IDCPFC功率由线路2传入线路3时，控制电压为V_3y。由上式可计算得线电流I₁₂、I₁₃、I₂₃随V_3x、V_3y的变化曲线，分别将R_y、R_z的等效阻值改为0Ω、0.5Ω、1Ω、1.5Ω、2Ω，得到不同的潮流特性曲线，结果分别如下图6(a)所示。

图6(a)中V_3x的取值范围为[0，6kV]，V_3y的取值范围为为[-4kV，0]。先分析串入可调电阻器为零的工况：从图中可以看出，当功率从线路2传输到线路3时，电流I₁₂和I₂₃随着V_3y绝对值的增大而增大，电流I₁₃随着V_3y绝对值增大而减小，V_3y为3.6kV时，I₁₃为零，继续增大V_3y的绝对值，I₁₃会反向，此时三端直流环式系统会发生环流现象，因此V_y的工作范围为[-3.6kV，0]。同理，当V_3x大于5.4kV，I₁₂和I₂₃均反向，此时三端直流环式系统会发生环流，因此V_3x的工作范围为[0，5.4kV]。引入可调电阻器后，V_3x或V_3y的理论工作范围会发生改变。当R_y工作时，R_y对应线路2的潮流过零点没有变化，非对应的线路1和线路3潮流过零点横轴绝对值均变大；当R_z工作时，R_z对应线路3的潮流过零点没有变化，非对应的线路1和线路2潮流过零点横轴绝对值均变大。故当每条线路串入的可调电阻器为不同的阻值时，相应线路的潮流过零点均没有发生改变，此时线路潮流为零，电阻上承受的电压为零，相当于被短路，但非对应线路的潮流过零点均发生变化，过零点的横轴绝对值均变大，扩大了IDCPFC中V_3x和V_3y的工作范围。所以单个IDCPFC和单个可调电阻器组合使用，会增大IDCPFC一端V_3x或者V_3y的工作范围。

对比图6(a)和(b)，功率从线路2传输到线路3(V_3y为负)时，三条线路(线路1、线路2、线路3)潮流对R_z的变化更为敏感；当功率从线路3传输到线路2(V_3x为正)时，三条线路潮流对R_y更为敏感(增加结论)。受此启发，本实施例同时提出了一种新的直流潮流控制器协同控制策略(协同式直流潮流控制器的运行控制方法)，即IDCPFC的功率流向不同时采用不同的线路可调电阻器，这样可以更灵敏地调节线路潮流，提高线路潮流控制的灵活性和安全性。

本实施例提供的直流潮流控制器协同控制策略，是一种实施例1提供的协同式直流潮流控制器的运行控制方法(组合控制策略)。

将R_y工作时V_3x为正的特性图和R_z工作时V_3y为正的特性图叠加在一起，如图7所示。从图7看出，可调电阻器和IDCPFC组合应用极大地提高了直流网潮流控制的灵活性。图中在V_3x为3kV时，通过调节线路电阻调节器的占空比，实现对相应线路潮流的控制，可以使I₁₂、I₁₃、I₂₃单独分别[-0.195kA，0)、(0，1.240kA]、(0kV，0.326kA]的潮流变化。

增大R_z或R_y，I₁₃或I₂₃的潮流斜率绝对值减小，会使I₁₃或I₂₃横轴过零点的绝对值增大。协同式直流潮流控制器的工作范围不再受限，通过增大R_z和R_y，可以延缓潮流过零点的发生，使环流现象不再发生，输电网络更加安全。

当可调电阻器均不工作时，随着|V_3x|或者|V_3y|的增大，线路潮流I₁₃或I₂₃会不断增大，会接近线路潮流阀值即输电线路允许的最大安全电流，输电线路存在安全隐患。因此需要引入可调电阻器协助IDCPFC的工作。在IDCPFC采用控制输入端电压端口电压方式基础上可调电阻器采用线路电流控制方式，使线路电流始终维持在最大安全电流及以下，起到保护作用。

通过以上分析，IDCPFC电路、第一VR电路和第二VR电路作为协同式直流潮流控制器的三个部分，分别控制两条线路(线路2和线路3)的潮流，相应的控制框如图8和图9所示。IDCPFC控制第一VR电路和第二VR电路不工作线路的潮流，I_1ref为VR不工作线路的潮流参考值，该参考值与采样得到的潮流值I_1d进行比较，得到差值经过PID调节器，再经过PWM信号产生器得到IDCPFC开关管的驱动信号。VR的控制同理，控制目标变为VR工作线路的潮流。该组合控制策略较为简单，易于实现。若IDCPFC电路对某一线路的潮流增幅较大时，可以启动对应线路的可调电阻器，实现对该条线路的潮流控制，使该线路潮流降低或者维持之前的幅值；若IDCPFC电路对某一条线路的潮流增幅较小时，必然会增大另一条线路的潮流，启动可调电阻器，同样实现对该线路的潮流控制。因此，组合直流潮流控制器可以有效弥补单个IDCPFC的缺点，实现多线路的潮流控制，更安全地保证输电网络的运行，提高直流电网的潮流控制维度，在潮流控制方面具有较大的灵活性。

下面结合附图及具体实例对上述实施例进行进一步的详细说明。

为了验证本实施例提出的协同式直流潮流控制器电路拓扑结构的可行性和有效性，搭建了一个三端环网式单极大地回线直流输电系统，系统参数如表1。协同式直流潮流控制器接入在VSC3处，其电容C₁和C₂分别串入线路2和线路3。仿真参数设置为：C₁＝35mF，C₂＝8.5mF，L₁＝L₂＝L＝2mH，开关频率为1kHz。

不妨假设该三端柔性直流输电系统的线路潮流不能大于1.25kA。由图7可知，当IDCPFC控制|V_3x|或|V_3y|分别增大到3.06kV或1.36kV时，线路潮流I₁₃或I₂₃达到1.25kA，启动可调电阻器，维持I₁₃或I₂₃为1.25kA的同时继续增大|V_3x|或|V_3y|，图7所示的工作点如下表2、3所示。可以看到，IDCPFC电路和VR电路组合控制确保两条线路的潮流处于最大安全电流以下，

表2 I₁₂＝1.25kA时不同R_z下的潮流

表3 I₁₃＝1.25kA时不同R_y下的潮流

在IDCPFC电路采用控制输入端端口电压方式基础上，可调电阻器(VR)电路采用线路电流控制方式，使线路电流始终维持在最大安全电流及以下，起到保护作用。

协同式直流潮流控制器不仅可以作为输电线路的保护装置，还可以作为双线路潮流控制装置。表2和表3中，R_y和R_z为零时的潮流值即为单个IDCPFC的工作下的潮流。可调电阻器的引入，可以增加一条线路的潮流控制。例如，单独控制V_3x＝3.06kV时，线路2的潮流为1.25kA，线路1和线路3的潮流被动改变。增加可调电阻器后，其通过线路电流控制方式控制线路3的潮流为0.302kA，此时需要的R_y为1.5Ω，可调电阻电阻器会根据线路潮流与期望潮流的差反馈给控制器来调节其开关频率，进而调节线路电流。

本实施例提供的协同式直流潮流控制器电路拓扑结构与运行控制方法，克服了现有技术只可以调节一条线路的潮流、无法适用于潮流反转的场合，且无法主动两条线路潮流、无法主动控制两条线路的潮流、适用范围有限等问题，具有可以主动控制一条线路的潮流，亦可控制两条线路的潮流，功能较为全面，适用场合较多，对直流输电系统的潮流控制器维度较高等优点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种协同式直流潮流控制器电路拓扑结构，其特征在于，包括第一VR电路、第二VR电路和IDCPFC电路，所述第一VR电路、第二VR电路分别与IDCPFC电路串联；

包括如下过程：

-协同式直流潮流控制器的IDCPFC电路主动控制线路2或线路3中一条线路的潮流，协同式直流潮流控制器的第一VR电路或第二VR电路主动控制线路2或线路3中另一条线路的潮流，三个部分一起工作，协同控制，实现对2条线路的主动潮流控制；

-功率从线路2传输到线路3时，控制V_3y电压为负，线路1、线路2和线路3三条线路潮流对电阻R_z的变化敏感，电阻R_z工作；当功率从线路3传输到线路2时，控制V_3x电压为正，线路1、线路2和线路3三条线路潮流对电阻R_y敏感，电阻R_y工作；

其中，

所述线路1为电压输出线路；

所述线路2和线路3分别为恒功率输出线路；

电阻R_y和双向开关Q₆之间的并联电路构成第一VR电路，电阻R_z和双向开关Q₅之间的并联电路构成第二VR电路，双向开关Q₁、双向开关Q₂、双向开关Q₃、双向开关Q₄、电容C₁、电容C₂、电感L_f、旁路开关S₁和旁路开关S₂之间的连接电路构成IDCPFC电路；其中电容C₁与旁路开关S₁并联，且电容C₁一端与双向开关Q₃一端连接，另一端与双向开关Q₄一端连接，电容C₂与旁路开关S₂并联，且电容C₂一端与双向开关Q₁一端，另一端与双向开关Q₂一端连接，电感L_f一端与双向开关Q₁另一端、双向开关Q₃另一端连接，电感L_f一端与双向开关Q₂另一端和双向开关Q₄另一端连接，电阻R_y与双向开关Q₆并联，且电阻R_y一端与电容C₁一端连接，电阻R_z与双向开关Q₅并联，且电阻R_z一端与电容C₂一端连接；电阻R_y另一端与线路2一端连接，电阻R_z另一端与线路3一端连接；电容C₁另一端与电容C₂另一端连接并与换流器VSC3直流端连接；线路2另一端与线路1的一端、换流器VSCI直流端连接；线路3另一端与线路1的另一端、换流器VSC2直流端连接；其中电容C₁所在线路串联负电压源V_3y，电容C₂所在线路串联正电压源V_3x。

2.根据权利要求1所述的协同式直流潮流控制器电路拓扑结构，其特征在于，所述协同式直流潮流控制器电路拓扑结构用于替换典型三端环网式直流输电系统的线间直流潮流控制器部分。

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