CN108390366B

CN108390366B - 一种三线间直流潮流控制器拓扑控制方法

Info

Publication number: CN108390366B
Application number: CN201810028240.0A
Authority: CN
Inventors: 朱淼; 徐莉婷; 钟旭; 李修一; 蔡旭
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2038-01-11
Also published as: CN108390366A

Abstract

本发明提供了一种三线间直流潮流控制器拓扑控制方法，包括如下步骤：建立三线间直流潮流控制器，通过直流潮流控制器连接3条输电线路，实现3条输电线路的潮流调节功能，三线间直流潮流控制器包括直流潮流控制器以及旁路开关等；将3条直流线路连接于同一电压源型变换器的直流母线，电压源型变换器衔接直流电力系统和交流电力系统，转换交流电与直流电，三线间直流潮流控制器等效于在三条线路中串联一个电压源，实现3个串联电压源之间的功率转移，进而调节3个串联电压源电压的大小，实现对线路潮流的控制。本发明实现3条线路潮流的控制，提高复杂多端直流电力系统的潮流控制维度；具备对称性结构，适用于潮流反转的场合。

Description

一种三线间直流潮流控制器拓扑控制方法

技术领域

本申请涉及电力电子变换器与直流输电领域，尤其涉及到一种三线间直流潮流控制器拓扑控制方法，主要用于直流潮流控制器(DC Power Flow Controller,简称DCPFC)电路拓扑设计与运行控制。

背景技术

随着电力电子器件与模块化多电平技术的迅速发展和成熟，直流输电作为实现大规模可再生能源发电并网、大容量远距离海上/陆地新能源电力传输的先进技术手段已得到广泛的关注，并将成为构建智能电网的支撑性技术。未来直流输配电网络，拓扑架构复杂，其换流站节点数目通常小于直流输电支路数目，因而存在线路潮流控制自由度不足的缺点。具体表现为：一个直流潮流控制器无法独立实现任意一条支路上直流潮流的主动控制调节。为解决上述问题，需要在多端复杂直流网络中引入直流潮流控制器以增加系统控制自由度，实现各支路直流潮流主动协同优化控制。

目前，直流潮流控制器分为“电阻型”与“电压型”两类。电阻型直流潮流控制器的拓扑和控制较为简单，其概念为主动增大输电线路的等效电阻，进而减小输电线路潮流。该方案具有损耗较大、潮流仅能单向调节的缺点，故其实用性较低。

电压型直流潮流控制器分为“直流变压器型”、“串联可调电压源型”和“线间型”三类技术路线。直流变压器型，如图1(a)所示，其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，其示意图如图1(b)所示。线间型直流潮流控制器，在线路之间存在能量通道，其基本特征在于将1条线路上的部分功率转移到相邻的另1条线路，利用线路之间的功率交换实现2条线路的潮流控制，其示意图如图1(c)所示。线间型直流潮流控制器亦可以通过增加外部能量补偿装置，增加能量交换渠道。

现有技术中存在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。而现有技术也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2条线路潮流的电压源型直流潮流控制器。仅能主动控制1条线路的潮流，另1条线路潮流的被动控制，无法同时主动控制2条线路的潮流，应用场合受限。

现有技术中，线间直流潮流控制器依靠输电线路间的功率交换实现直流潮流控制，在两条输电线路中串入2个可调电压源，2个可调电压源之间进行功率交换，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。

综上所述，现有技术中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2线路潮流控制模式，应用场合受限，故目前缺乏新的直流潮流控制器，实现2条线路潮流的主动控制。

发明内容

针对既有技术存在的缺点和不足，本专利旨在解决以下问题：实现3条线路的潮流控制功能，其中2条线路的潮流实现主动控制，提高潮流控制维度；潮流控制器的功能多样化：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的功能模式。

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种三线间直流潮流控制器拓扑控制方法，能够能控制3条线路潮流的新型直流潮流控制器，其中2条线路潮流实现主动控制，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。

本发明是根据以下技术方案实现的：

一种三线间直流潮流控制器拓扑控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立三线间直流潮流控制器，通过直流潮流控制器连接3条输电线路，实现3条输电线路的潮流调节功能，所述三线间直流潮流控制器包括6组直流潮流控制器及对应反向的并联二极管、6个串联二极管、1个耦合电感、3个输电线路串联电容和3个旁路开关构成；

将3条直流线路连接于同一电压源型变换器的直流母线，电压源型变换器衔接直流电力系统和交流电力系统，转换交流电与直流电，三线间直流潮流控制器等效于在三条线路中串联一个电压源，实现3个串联电压源之间的功率转移，进而调节3个串联电压源电压的大小，实现对线路潮流的控制。

上述技术方案中，对于单极大地回线直流系统，仅在单极线路上安装所述三线间潮流控制器，对于双极中性线接地直流系统，在正极线路和负极线路安装所述三线间直流潮流控制器。

上述技术方案中，所述电压源型变换器包括VSC1、VSC2、VSC3、VSC4四个电压源型变换器，其中VSC1、VSC2和VSC4为恒功率端向直流网络输送能量，VSC3作为功率接收端，采用恒定电压控制，接受从其他3个电压源型变换器输送的能量，电阻R₁₂、电阻R₁₃、电阻R₂₃和电阻R₃₄为直流输电线路的等效电阻，三条直流输电线路接在VSC3的直流侧母线上，三线间直流潮流控制器设置在VSC3直流端处。

上述技术方案中，3个所述旁路开关分别为S₁、S₂和S₃，3个输电线路串联电容分别为C₁、C₂和C₃，当旁路开关S₁、S₂和S₃闭合时，电容C₁、C2和C3被短路，不影响原有输电线路的潮流；当旁路开关S₁、S₂和S₃断开时，通过控制6组直流潮流控制器的通断来进行对3条输电线路的潮流控制，其中电容C₁、C₂和C₃等效于在分别在3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：

本发明实现3条线路潮流的控制，其中两条线路实现主动控制，从而提高复杂多端直流电力系统的潮流控制维度；并且具备的对称性结构，赋予该方案适用于潮流反转的场合，丰富应用场景；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；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；该拓扑无需外部电压源，装置成本和难度较低。

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(a)、图1(b)、图1(c)分别为现有技术中的三种直流潮流控制器的原理图；

图2为三线间直流潮流控制器拓扑结构示意图；

图3为四端直流输电系统示意图；

图4为三线间直流潮流控制器原理示意图；

图5(a)、图5(b)、图5(c)分别为三线间直流潮流控制器的仅开通Q₁、仅开通Q₅、仅开通Q₃的工作原理示意图；

图6为本发明的控制策略框图；

图7为本发明的基于四端直流输电系统的仿真模型图；

图8为开关信号仿真波形图；

图9为线路电流仿真波形图；

图10为线路串电容电压仿真波形图。

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图2为三线间直流潮流控制器拓扑结构示意图；如图2所示，本发明的电路该潮流控制器连接3条输电线路，实现3条输电线路的潮流调节功能，故称为直流潮流控制器(Trible Interline DC Power Flow Controller,简称TI-DCPFC)。本发明的三线间直流潮流控制器由6组直流潮流控制器(Q₁至Q₆)及对应反向并联二极管(D_b1至D_b6)、6个串联二极管(D₁至D₆)、1个耦合电感、3个输电线路串联电容(C₁、C₂和C₃)和3个旁路开关(S₁、S₂和S₃)构成，各电气量的参考正方向如图2所示。

本发明对其应用场景、工作原理和控制策略进行简要阐述。

对于单极大地回线直流系统，仅在单极线路上安装所述三线间潮流控制器，对于双极中性线接地直流系统，在正极线路和负极线路安装所述三线间直流潮流控制器。其中单极大地回线直流系统是指单条正极性线路和大地回线组成的直流系统，而极中性线接地直流系统是指正负极性线路和大地回路组成的直流系统。

三线间直流潮流控制器应用于3条直流线路连接于同一电压源型变换器的直流母线上的场景，该应用场景示意图如下图3所示，图3为四端环网式单极大地回线直流输电系统示意图。电压源型变换器包括VSC1、VSC2、VSC3、VSC4四个电压源型变换器，其中VSC1、VSC2和VSC4为恒功率端向直流网络输送能量，VSC3作为功率接收端，采用恒定电压控制，接受从其他3个电压源型变换器输送的能量，电阻R₁₂、电阻R₁₃、电阻R₂₃和电阻R₃₄为直流输电线路的等效电阻，三条直流输电线路接在VSC3的直流侧母线上，三线间直流潮流控制器设置在VSC3直流端处，即图3中涂灰的变换器处。

本发明的实施例对三线间直流潮流控制器的工作原理进行描述，3个所述旁路开关分别为S₁、S₂和S₃，3个输电线路串联电容分别为C₁、C₂和C₃，当旁路开关S₁、S₂和S₃闭合时，电容C₁、C₂和C₃被短路，不影响原有输电线路的潮流；当旁路开关S₁、S₂和S₃断开时，通过控制6组直流潮流控制器的通断来进行对3条输电线路的潮流控制，其中电容C₁、C₂和C₃等效于在分别在3条线路中串联电压源，实现输电线路中电流的改变。

顾名思义，三线间直流潮流控制器实现3条直流线路之间的功率交换，进而实现三条线路的潮流控制功能，其原理图如下图4所示。三线间直流潮流控制器等效于在三条线路中串联一个电压源，该潮流控制器实现3个串联电压源之间的功率转移，进而调节3个串联电压源电压的大小，实现对线路潮流的控制。对于单极大地回线直流系统，仅需在单极线路上安装该潮流控制器，对于双极中性线接地直流系统，需要在正极线路和负极线路安装该直流潮流控制器。由于双极中心线接地直流系统具有对称性，本发明选择单极大地回线直流系统作为应用背景对该直流潮流控制器进行说明。

此处以功率从线路1和线路3向线路2传递为例，对TI-DCPFC的工作原理进行说明，该工况的原理图如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示，由于TI-DCPFC工作时，旁路开关全部断开，故图中省略旁路开关。

根据电容电压极性以及能量转移路径，首先开通Q₁，则C₁、L₂、Q₁和D₁形成回路，电感C₁向电容L₂转移能量，电感L₂的电流线性增大，如图5(a)所示；

一段时间后关断Q₁，并开通Q₅，则C₃、L₂、Q₅和D₅形成回路，电感C₂向电容L₂转移能量，电感L₂的电流线性增加，如图5(b)所示；

一段时间后关断Q₅，开通Q₃，此时C₂、L₂、Q₅和Q₅形成回路，电感L₂向电容C₂转移能量，电感L₂的电流线性减小，如图5(c)所示。一段时间后再开通Q₁，则电路又重复上一周期的过程。该潮流控制器利用电感L₂将能量从C₁和C₃中转移到C₂，达到减小I_c1和I_c2，增大I_c3的目标。

从以上分析可知，本工况需要控制Q₁、Q₃和Q₅的通断。Q₁、Q₃和Q₅互补导通，其他开关Q₂、Q₄和Q₆一直处于关断状态。该TI-DCPFC可以适用于线路潮流方向的任意组合，实现2条线路向另1条线路的功率转移，或者1条线路向另2条线路的功率转移，其他工况类似，不再赘述。

本发明根据上述工况来分析该TI-DCPFC的控制特性。设Q₁的占空比为D₁，Q₅的占空比为D₂，与Q₁、Q₅互补导通的Q₃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：

V_c1D₁+V_c3D₂-V_c2(1-D₁-D₂)＝0

式中V_c1、V_c2和V_c3分别为电容C₁、C₂和C₃的电压。

电容C₁、C₁的电压连续时，根据安秒平衡原则有：

简化得I_c1＝D₁I_L

I_c3＝D₂I_L

I_c2＝(1-D₁-D₂)I_L

式中T_s为开关周期，I_L为电感的平均电流。

由上述公式，可得：

-V_c1I_c1-V_c2I_c2+V_c3I_c3＝0

该公式表明，当TI-DCPFC不产生额外损失，可实现100％功率转移。

进一步推导，可得占空比D₁和D₂的表达式：

特别的，当D₁＝0或D₂＝0或D₁+D₂＝1时，C₂与C₃或C₁与C₃或C₁与C₂交换能量，此时TI-DCPFC实现2条线路之间的能量交换。

控制策略框图如图6所示。I_1ref为线路1的电流参考值，I_3ref为线路3的电流参考值，该参考值与采样得到的电流I₁和I₃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Q₁、Q₃与Q₅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2个控制目标，产生3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。

为了验证本专利提出的TI-DCPFC拓扑的可行性和有效性，搭建了一个四端环网式单极大地回线直流输电系统，如图7所示。VSC1、VSC2、VSC3和VSC4以恒电压模式工作，V₁＝V₄＝152kV，V₂＝151kV,V₃＝150kV，线路等效电阻R₁₂、R₂₃和R₃₄均取1kA。TI-DCPFC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＝C₂＝C₃＝35mF,L₁＝L₂＝L＝2mH,开关频率为1kHz。根据图7可以得到以下潮流计算公式。

设置UDCPFC控制线路1和线路3的电流均为1kA,t＝3s时，TI-CDPFC投入运行，仿真波形如图8、图9和图10所示，TI-DCPFC可以稳定控制3条线路的潮流，理论值和仿真值的数据对比表如下表1所示。图8为3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。图9为3条线路电流的波形图，可以看到TI-DCPFC运行0.3s后，线路电流已经被稳定控制，控制效果良好。图10为线路串电容电压仿真波形，可以看到V_c1、V_c2和V_c3电压均稳定在预期电压值，系统稳定。可见线路电流I₁₃、I₂₃和I₃₄受TI-DCPFC控制后稳定维持在1.0kA、1.0kA和1.5kA，控制效果良好。

表1

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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种三线间直流潮流控制器拓扑控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立三线间直流潮流控制器，通过直流潮流控制器连接3条输电线路，实现3条输电线路的潮流调节功能，所述三线间直流潮流控制器包括6组直流潮流控制器及对应反向的并联二极管、6个串联二极管、1个耦合电感、3个输电线路串联电容和3个旁路开关；

将3条直流线路连接于同一电压源型变换器的直流母线，电压源型变换器衔接直流电力系统和交流电力系统，转换交流电与直流电，三线间直流潮流控制器等效于在三条线路中串联一个电压源，实现3个串联电压源之间的功率转移，进而调节3个串联电压源电压的大小，实现对线路潮流的控制；

所述6组直流潮流控制器均是IGBT，所述IGBT分别与所述反向并联二极管构成6组反向并联结构，所述6组串联二极管与所述6组并联结构构成6组串联结构；所述6组串联结构中的串联二极管的负极连接所述反向并联结构的所述IGBT的集电极所在端；

第一组和第二组所述串联结构连接第一条输电线路，第三组和第四组所述串联结构连接第二条输电线路，第五组和第六组所述串联结构连接第三条输电线路，每条输电线路上所连接的两组串联结构的连接方向相反；

三条输电线路上分别串联有输电线路串联电容，每个所述输电线路串联电容分别并联旁路开关，且每个输电线路分别通过所述输电线路串联电容连接在一起作为第一输出；

第一组、第三组以及第五组串联结构的所述串联二极管的正极作为输入端分别连接在第一条、第二条和第三条输电线路上，所述反向并联结构的所述IGBT的发射极所在端作为输出端，相互连接在一起作为第二输出，所述第二输出通过第一电感连接所述第一输出；

第二组、第四组、以及第六组的所述反向并联结构的所述IGBT的发射极所在端作为输入端分别连接在第一条、第二条和第三条输电线路上，所述串联二极管的正极作为输出端相互连接在一起作为第三输出；

所述第三输出通过第二电感连接所述第一输出，所述第一电感与所述第二电感耦合构成所述耦合电感，所述反向并联二极管的正极连接所述IGBT的发射极，所述反向并联二极管的负极连接所述IGBT的集电极。

2.根据权利要求1所述的一种三线间直流潮流控制器拓扑控制方法，其特征在于：对于单极大地回线直流系统，仅在单极线路上安装所述三线间潮流控制器，对于双极中性线接地直流系统，在正极线路和负极线路安装所述三线间直流潮流控制器。

3.根据权利要求1所述的一种三线间直流潮流控制器拓扑控制方法，其特征在于：所述电压源型变换器包括VSC1、VSC2、VSC3、VSC4四个电压源型变换器，其中VSC1、VSC2和VSC4为恒功率端向直流网络输送能量，VSC3作为功率接收端，采用恒定电压控制，接受从其他3个电压源型变换器输送的能量，电阻R12、电阻R13、电阻R23和电阻R34为直流输电线路的等效电阻，三条直流输电线路接在VSC3的直流侧母线上，三线间直流潮流控制器设置在VSC3直流端处。

4.根据权利要求3所述的一种三线间直流潮流控制器拓扑控制方法，其特征在于：3个所述旁路开关分别为S1、S2和S3，3个输电线路串联电容分别为C1、C2和C3，当旁路开关S1、S2和S3闭合时，电容C1、C2和C3被短路，不影响原有输电线路的潮流；当旁路开关S1、S2和S3断开时，通过控制6组直流潮流控制器的通断来进行对3条输电线路的潮流控制，其中电容C1、C2和C3等效于分别在3条输电线路中串联电压源，实现输电线路中电流的改变。