CN107749634A - 面向直流电力系统的统一直流潮流控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向直流电力系统的统一直流潮流控制器，包括第一旁路开关等，第八二极管与第二IGBT管的集电极连接且与第一电容并联，第一电容与第一旁路开关并联，第二电容与第二旁路开关、第九二极管并联，第九二极管与第三二极管的发射极连接，第十二极管与第四IGBT管的集电极连接。本发明能主动控制两条线路潮流，能适用于多潮流控制目标的场合，增大了多端直流输电系统的潮流控制自由度。

Description

面向直流电力系统的统一直流潮流控制器

技术领域

本发明涉及一种控制器，具体地，涉及一种面向直流电力系统的统一直流潮流 控制器(Unified DC Power Flow Controller，简称UDCPFC)。

背景技术

柔性直流输电以其显著的技术优势，在大容量远距离电力输送、大规模可再生能源 发电并网等方面日益起到愈发重要的作用。对于复杂多端直流输电系统，其直流线路数往往大于换流站数目，在任意一条线路上缺乏主动潮流分配与协调控制能力。学者们提 出在直流电网中引入直流潮流控制器以增加直流潮流的控制维度，实现控制各条线路潮 流的目标。

决定直流电网中的潮流因素仅为线路电阻和线路端电压，故改变直流电网的潮流必 须通过改变线路的电阻和线路端电压来实现。从功能看，直流潮流控制器分为电阻型直流潮流控制器和电压型直流潮流控制器。电阻性直流潮流控制器的拓扑和控制较为简单，等效于增大输电线路的等效电阻，但具有损耗较大、潮流仅能单向调节的缺点。相比于 电压型潮流控制器，电阻性潮流控制器实用性较低。

从拓扑结构分类，电压型直流潮流控制器分为直流变压器、串联可调电压源和线间 直流潮流控制器。直流变压器的输入和输出侧连接不同电压等级直流电网的正极性线路 和负极性线路，等效于在输电线路中串联了一个可调电压源，进而改变线路的潮流，但装置需要承受系统级电压，设计复杂且成本较高。在正极性线路或负极性线路中串联可 调电压源，进而调节线路潮流，装置所需承受电压等级和功率等级较低，但需要提供外 部电源。线间直流潮流控制器将一条线路上的部分功率转移到另一条线路，利用线路之 间的功率交换实现两条线路的潮流控制，无需外部电源。文献一(Chen W，Zhu X，Yao L Z，etal.An interline DC power-flow controller(IDCPFC)for multiterminal HVDC system[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2015,30(4):2027-2036.)提出一种电感 作为能量转移枢纽的新型线间直流潮流控制器，线路串电容的方式较大幅度降低了电压、 电流纹波。文献二(Chen W，Zhu X，Yao L Z，et al.A novel interline DC power flowcontroller(IDCPFC)for meshed HVDC grids[J].IEEE Transactions on PowerDelivery，2016， 30(4)：1719-1727.)改进了该线间直流潮流控制器，引入耦合电感使用使其能适用于线 路潮流反转的场合，满足不同潮流方向场合的需要。然而，线间直流潮流控制器作为调 节两条线路潮流的电压源型直流潮流控制器。仅能主动控制一条线路的潮流，另一条线 路潮流的被动控制，无法同时主动控制两条线路的潮流，应用场合受限。

根据文献一，线间直流潮流控制器的特征是仅依靠输电线路间的功率流动来实现直 流潮流控制，在两条输电线路中串入两个功率相互交换的可调电压源，省去可调电压源的外部电源以及可调电压源与串入可调电压源之间的高压隔离功率传输路径。从线间直流潮流控制器的控制效果上看，线间直流潮流控制器有效地控制一条线路的潮流，另一 条线路的潮流被动变化，即单一的线间直流潮流控制器只能实现单一目标的直流潮流控 制。对单条线路的潮流控制，线间直流潮流控制器具有潮流双向调节、容量小、损耗小 和不需要外部电源的优点。

对于两条输电线路的潮流调节，应该有三种模式：同时增大两条输电线路的潮流(同 增)、同时减小两条输电线路的潮流(同减)、增一条输电线路的潮流且减小另一条输电线路的潮流(单增单减)。文献一和文献二所提的线间直流潮流控制器只能实现一条线 路潮流主动增大/减小，另一条线路潮流被动减小/增大，不能同时主动控制两条线路的 潮流，属于退化的单增单减模式，应用场合受限，故需要新的直流潮流控制器，保证直 流输电系统的线路潮流控制多样性。

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，实现安全输电和降低损耗的作用。为了实现快速、灵活、多目标的直流潮流控制，需要组合构造新的直流潮流控制器。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种面向直流电力系统的统一直流潮流控制器，其能主动控制两条线路潮流，能适用于多潮流控制目标的场合，增大 了多端直流输电系统的潮流控制自由度。

根据本发明的一个方面，提供一种面向直流电力系统的统一直流潮流控制器， 其特征在于，包括第一旁路开关、第二旁路开关、第一电容、第二电容、第三电容、第 一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管、第四IGBT管、第五IGBT管、第六IGBT 管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、 第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第一电感、第二电感，第八二极 管与第二IGBT管的集电极连接且与第一电容并联，第一电容与第一旁路开关并联，第 二电容与第二旁路开关、第九二极管并联，第九二极管与第三二极管的发射极连接，第 十二极管与第四IGBT管的集电极连接，第八二极管与第十二极管串联，第一电感的两 端分别与第二IGBT管的发射极、第六IGBT管的集电极连接，第二电感的两端分别与 第三二极管的发射极、第六IGBT管的集电极连接，第五二极管的一端、第三电容的一 端都与第五IGBT管的发射极连接，第三电容的另一端与第六IGBT管的发射极连接， 第五二极管的另一端与第五IGBT管的集电极连接，第六二极管的两端分别与第六 IGBT管的集电极、发射极连接，第一二极管的两端分别与第一IGBT管的集电极、发 射极连接，第七二极管与第一IGBT管的发射极连接，第二二极管的两端分别与第二IGBT管的集电极、发射极连接，第三二极管的两端分别与第三IGBT管的集电极、发 射极连接，第四二极管的两端分别与第四IGBT管的集电极、发射极连接。

优选地，所述第一旁路开关和第二旁路开关闭合时，第一电容和第二电容被短路；当第一旁路开关和第二旁路开关断开时，通过控制第一IGBT管、第二IGBT管、第三 IGBT管、第四IGBT管、第五IGBT管、第六IGBT管的通断实现对两条输电线路的潮 流控制；第一电容和第二电容等效于在分别主动在两条线路中串联电压源，实现输电线 路中电流的改变。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

一，实现两条线路潮流的“完全解耦控制”，从而提高复杂多端直流电力系统的潮流控制维度；

二，本发明具备对称性结构，赋予该方案适用于潮流反转的场合，丰富应用场景；

三，由于采用串联电容接入输电线路的方式，因而线路直流电压纹波较小；

四，该拓扑的电压应力较低，可应用于各直流电压等级，易于工程实现；

五，该拓扑具备模块化特点，具备可扩展性，可适用于多条线路的潮流完全解耦控制。

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为统一直流潮流控制器的电路图。

图2为本发明面向直流电力系统的统一直流潮流控制器的电路图。

图3a为本发明仅开通第一IGBT管Q₁的电路图。

图3b为本发明仅开通第四IGBT管Q₄的电路图。

图3c为本发明仅开通第五IGBT管Q5、第六IGBT管Q6的电路图。

图4为本发明控制策略框图。

图5为控制策略的波形图。

图6为基于三端环网式直流输电系统的仿真模型图。

图7a为线路电流仿真波形图。

图7b为VSC端口电压仿真波形图。

图7c为第一电容C₁和第二电容C₂电压仿真波形图。

图7d为开关信号仿真波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。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。

复合式的直流潮流继承了串联可调电压源和线间直流潮流控制器的功能，同时亦可 以实现两条线路三种潮流调节模式，功能完善，称之为统一直流潮流控制器。

如图1所示，本发明面向直流电力系统的统一直流潮流控制器包括第一旁路开关S₁、第二旁路开关S₂、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第一IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)管Q₁、第二IGBT管Q₂、第三IGBT管 Q₃、第四IGBT管Q₄、第五IGBT管Q₅、第六IGBT管Q₆、第一二极管D₁、第二二极 管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管 D_1b、第八二极管D_2b、第九二极管D_3b、第十二极管D_4b、第一电感L₁、第二电感L₂， 第八二极管D₂与第二IGBT管Q₂的集电极连接且与第一电容C₁并联，第一电容C₁与 第一旁路开关S₁并联，第二电容C₂与第二旁路开关S₂、第九二极管D_3b并联，第九二 极管D_3b与第三二极管D₃的发射极连接，第十二极管D_4b与第四IGBT管Q₄的集电极 连接，第八二极管D_2b与第十二极管D_4b串联，第一电感L₁的两端分别与第二IGBT管 Q₂的发射极、第六IGBT管Q₆的集电极连接，第二电感L₂的两端分别与第三二极管D₃的发射极、第六IGBT管Q₆的集电极连接，第五二极管D₅的一端、第三电容C₃的 一端都与第五IGBT管Q₅的发射极连接，第三电容C₃的另一端与第六IGBT管Q₆的 发射极连接，第五二极管D₅的另一端与第五IGBT管Q₅的集电极连接，第六二极管 D₆的两端分别与第六IGBT管Q₆的集电极、发射极连接，第一二极管D₁的两端分别与 第一IGBT管Q₁的集电极、发射极连接，第七二极管D_1b与第一IGBT管Q₁的发射极 连接，第二二极管D₂的两端分别与第二IGBT管Q₂的集电极、发射极连接，第三二极 管D₃的两端分别与第三IGBT管Q₃的集电极、发射极连接，第四二极管D₄的两端分别 与第四IGBT管Q₄的集电极、发射极连接。

当第一旁路开关S₁和第二旁路开关S₂闭合时，第一电容C₁和第二电容C₂被短路，UDCPFC不影响原有输电线路的潮流；当第一旁路开关S₁和第二旁路开关S₂断开时， 通过控制六个IGBT的通断实现对两条输电线路的潮流控制；第一电容C₁和第二电容 C₂等效于在分别主动在两条线路中串联电压源，实现输电线路中电流的改变。

下面以一种不同潮流流向的工况下一种潮流调节方式为例，对该UDCPFC的工作原理进行分析。

第一电容C₁通过的电流I_c1和第二电容C₁通过的电流I_c2不同向的情况分为两种：I_c1正向，I_c2反向，或I_c1反向，I_c2正向。根绝对称性，此处以减小I_c1和增大I_c2为例进行 说明I_c1正向I_c2反向时的工况，即在第一线路和第二线路中串联负直流电压源，第一电 容C₁和第二电容C₂的电压方向如图3所示。

根据电容电压极性以及能量转移路径，首先开通第一IGBT管Q₁，则第一电容C₁、 第一电感L₁、第一IGBT管Q₁和第七二极管D_b1形成第一回路，第一电感C₁向第一电 感L₁转移能量，第一电感L₁的电流线性增大，如图3a所示；

一段时间后关断第一IGBT管Q₁，并开通第四IGBT管Q₄，则第二电容C₂、第二电 感L₂、第四IGBT管Q₄和第十二极管D_b4形成第四回路，由于电感的耦合作用，第一电 感L₁中的能量转移到第二电感L₂中，第二电感L₂向第二电容C₂转移能量，第二电感 L₂的电流线性减少，如图3b所示；

一段时间后关断第四IGBT管Q₄，开通第五IGBT管Q₅和第六IGBT管Q₆，此时 C₃、第一电感L₁、第五IGBT管Q₅和第六IGBT管Q₆形成第五回路，如图3c所示，由 于电感的耦合作用，第二电感L₂中的能量转移到第一电感L₁。

根据上述一种工况来分析该UDCPFC的控制特性。设第一IGBT管Q₁的占空比为 D₁，第四IGBT管Q₄的占空比为D₂，与第一IGBT管Q₁、第四IGBT管Q₄互补导通的 第五IGBT管Q₅与第六IGBT管Q₆的占空比为1-D₁-D₂，耦合电感的电流连续时，根 据伏秒平衡原则有如下式(1)：

V_c1D₁T_s-V_c2D₂T_s-V_f(1-D₁-D₂)T_s＝0……(1)

式中T_s为开关周期。

第一电容C₁的电压连续时，根据安秒平衡原则有如下式(2)和(3)：

I_c1(1-D₁)T_s+(I_c1-I_L)D₁T_s＝0……(2)

(I_c2-I_L)D₂T_s+I_c2(1-D₂)T_s＝0……(3)

简化得I_c1＝D₁I_L，如下式(4)：

I_c2＝D₂I_L……(4)

式中I_L为电感的平均电流，表明控制UDCPFC的占空比D₁、D₂可以控制两条线路 的电流的特点。

由上述公式，可得如下式(5)和(6)：

V_c1I₁-V_c2I₂-V_fI_L(1-D₁-D₂)＝0……(5)

特别的，当D₁+D₂＝1时，仅为第一电容C₁和第二电容C₂交换能量，此时UDCPFC实 现IDCPFC的功能。当D₁＝0或D₂＝0时，第二电容C₂与第三电容C₃或第一电容C₁与 第三电容C₃交换能量，此时UDCPFC实现单个串联可调电压源的功能。

控制策略框图如图4所示。I_1ref为第一线路的电流参考值，I_2ref为第二线路的电流参 考值，该参考值与采样得到的第一电流I₁(第一电流I₁为第一线路通过的电流)和第二电流I₂(第二电流I₂为第二线路通过的电流)进行比较，所得差值经过PID调节器后与 锯齿载波比较，通过逻辑预算得到第一IGBT管Q₁、第四IGBT管Q₄、第五IGBT管 Q₅与第六IGBT管Q₆的驱动信号。电流参考信号和采样电流也可均换成电压信号。该 控制策略较为特别，有两个控制目标，产生三组驱动信号，因此需要增加逻辑电路。对 于其他工况，控制策略与之类似，将电流采样、电流参考值以及被控器件替换即可。

为了构造三组互补导通的驱动信号，需要对其中一组输入信号的占空比进行额外限 幅，图7中第二二极管D₂不能超过第一二极管D₁，确保三组驱动信号不出现叠加重合 的情况，详细的控制信号如下图7所示。

本发明继承线间直流潮流控制器的固有优点的同时，主动控制两条线路的潮流，提 高潮流控制维度。本发明的功能多样化：除了可以主动控制两条线路的潮流功能，亦可实现线间直流潮流控制器和串联可调电压源的功能模式。

为了验证本专利提出的UDCPFC拓扑的可行性和有效性，搭建了一个三端环网式单极大地回线直流输电系统，如图7所示。VSC1和VSC2以恒功率模式工作，分别向 系统输送160MW和80MW功率。VSC3以恒电压模式工作，作为系统功率输出端， V3＝150kV,输电线路参数同文献一。UDCPFC接入在VSC3处，其第一电容C₁、第二 电容C₂分别串入第二线路和第三线路。UDCPFC需要的外部电源采用一种基于DAB结 构的电压源，该电压源取能于VSC3的直流母线，外部电压源提供5kV电压值。仿真参 数设置为：C₁＝35mF,C₂＝8.5mF,L₁＝L₂＝L＝2mH,开关频率为1kHz。根据图7可以得到以 下公式(7)：

设置UDCPFC控制第二线路和第三线路的电流分别为0.85kA和0.7kA,在t＝3s 时，VSC2的输入功率从80MW跳变到90MW，VSC1的输出功率保持不变，仿真波形如 图7所示，线路电流经过短暂震荡后回到期望电流值，功率源功率跳变前后的参数 对比如下表所示。可见受控的线路电流I₁₃和I₂₃在功率源功率跳变前后维持在 0.85kA和0.7kA，控制效果良好。如果UDCPFC不工作，I₁₃和I₂₃必然减小。端口输 出功率变化时，UDCPFC成功保证了两条线路的潮流不发生变化。图7(d)为三组互 补导通的开关信号波形，与控制策略的分析一致，验证了工作原理的正确性。

表1 VSC2功率跳变前后系统参数对比图

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)

1.一种面向直流电力系统的统一直流潮流控制器，其特征在于，包括第一旁路开关、第二旁路开关、第一电容、第二电容、第三电容、第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管、第四IGBT管、第五IGBT管、第六IGBT管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第一电感、第二电感，第八二极管与第二IGBT管的集电极连接且与第一电容并联，第一电容与第一旁路开关并联，第二电容与第二旁路开关、第九二极管并联，第九二极管与第三二极管的发射极连接，第十二极管与第四IGBT管的集电极连接，第八二极管与第十二极管串联，第一电感的两端分别与第二IGBT管的发射极、第六IGBT管的集电极连接，第二电感的两端分别与第三二极管的发射极、第六IGBT管的集电极连接，第五二极管的一端、第三电容的一端都与第五IGBT管的发射极连接，第三电容的另一端与第六IGBT管的发射极连接，第五二极管的另一端与第五IGBT管的集电极连接，第六二极管的两端分别与第六IGBT管的集电极、发射极连接，第一二极管的两端分别与第一IGBT管的集电极、发射极连接，第七二极管与第一IGBT管的发射极连接，第二二极管的两端分别与第二IGBT管的集电极、发射极连接，第三二极管的两端分别与第三IGBT管的集电极、发射极连接，第四二极管的两端分别与第四IGBT管的集电极、发射极连接。

2.根据权利要求1所述的面向直流电力系统的统一直流潮流控制器，其特征在于，所述第一旁路开关和第二旁路开关闭合时，第一电容和第二电容被短路；当第一旁路开关和第二旁路开关断开时，通过控制第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管、第四IGBT管、第五IGBT管、第六IGBT管的通断实现对两条输电线路的潮流控制；第一电容和第二电容等效于在分别主动在两条线路中串联电压源，实现输电线路中电流的改变。