CN110518621A - 基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器 - Google Patents

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钟旭
王帅
陈阳
徐莉婷
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Abstract

本发明提供了一种基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器，包括：连接第一输电线路的第一组件和第二组件、连接第二输电线路的第三组和第四组件、连接第三输电线路的第五组件和第六组件，以及连接第四输电线路的第七组件以及第八组件；每个组件均包括：IGBT、反向并联二极管以及串联二极管，所述反向并联二极管与所述IGBT构成反向并联结构，所述串联二极管与所述反向并联结构串联；每个输电线路上的两个组件的连接方向相反。实现4条线路的潮流控制功能，其中3条线路的潮流实现主动控制，提高潮流控制维度；除了可以主动控制三条线路的潮流功能，也可以主动控制两条线路的潮流，亦可实现线间直流潮流控制器的功能模式。

Description

基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器
技术领域
本发明涉及电力电子变换器与直流输电领域，具体地，涉及基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器。
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：单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(DC PowerFlow Controller,简称DCPFC)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1a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1b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1c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。
文献[1]“Chen W，Zhu X，Yao L Z，et al.An interline DC power-flowcontroller(IDCPFC)for mult iterminal HVDC system[J].IEEE Transactions onPower 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[2]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。
根据文献[2]“Chen W，Zhu X，Yao L Z，et al.A novel interline DC powerflow controller(IDCPFC)for meshed HVDC grids[J].IEEE Transact ions on PowerDelivery，2016，30(4)：1719-1727.”，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，文献[1]和[2]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
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器。
根据本发明提供的一种基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器，包括：连接第一输电线路的第一组件和第二组件、连接第二输电线路的第三组和第四组件、连接第三输电线路的第五组件和第六组件，以及连接第四输电线路的第七组件以及第八组件；
每个组件均包括：IGBT、反向并联二极管以及串联二极管，所述反向并联二极管与所述IGBT构成反向并联结构，所述串联二极管与所述反向并联结构串联；
每个输电线路上的两个组件的连接方向相反。
优选地，每个输电线路上分别串联有串联电容，每个所述串联电容分别设置有旁路开关，四个输电线路分别通过所述串联电容后连接在一起作为第一输出。
优选地，所述串联二极管的负极连接所述反向并联结构的IGBT集电极所在端。
优选地，第一组件、第三组件、第五组件以及第七组件的所述串联二极管的负极作为输入端分别连接在输电线路上，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。
优选地，所述第二输出通过第一电感连接所述第一输出。
优选地，第二组件、第四件、第六组件以及第八组件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输电线路上，所述串联二极管的负极作为输出端相互连接在一起作为第三输出。
优选地，所述第三输出通过第二电感连接所述第一输出。
优选地，所述第一电感与所述第二电感耦合。
优选地，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。
优选地，所述旁路开关包括两个反向串联的IGBT。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、电路以耦合电感为能量枢纽，实现4条线路潮流的控制，其中三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；
2、具备的对称性结构，赋予该方案适用于潮流反转的场合的能力，丰富应用场景；
3、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；
4、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；
5、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1a、1b、1c为三种传统直流潮流控制器的原理图；
图2为本发明四线间直流潮流控制器拓扑结构示意图；
图3为本发明实施例五端直流输电系统示意图；
图4为本发明四线间直流潮流控制器原理示意图；
图5a、5b、5c、5d分别为本发明四种不同工作状态的工作原理图；
图6a为本发明实施例的控制策略框图；
图6b为开关管信号生产过程示意图；
图7为基于四端直流输电系统的仿真模型示意图；
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。
一种基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器，包括：连接第一输电线路的第一组件和第二组件、连接第二输电线路的第三组和第四组件、连接第三输电线路的第五组件和第六组件，以及连接第四输电线路的第七组件以及第八组件；
每个组件均包括：IGBT、反向并联二极管以及串联二极管，反向并联二极管与IGBT构成反向并联结构，串联二极管与反向并联结构串联；
每个输电线路上的两个组件的连接方向相反。
每个输电线路上分别串联有串联电容，每个串联电容分别设置有旁路开关，四个输电线路分别通过串联电容后连接在一起作为第一输出。
串联二极管的负极连接反向并联结构的IGBT的集电极所在端。
第一组件、第三组件、第五组件以及第七组件的串联二极管的负极作为输入端分别连接在输电线路上，反向并联结构的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。第二输出通过第一电感连接第一输出。
第二组件、第四件、第六组件以及第八组件的反向并联结构的IGBT的发射极所在端作为输入端分别连接在输电线路上，串联二极管的负极作为输出端相互连接在一起作为第三输出。第三输出通过第二电感连接第一输出。
第一电感与第二电感耦合。
反向并联二极管的正极连接IGBT的发射极，反向并联二极管的负极连接IGBT的集电极。旁路开关包括两个反向串联的IGBT。
本申请的一种基于四模态控制技术和耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器电路拓扑。该电路该潮流控制器的系统结构如图2所示，该直流潮流控制器连接4条输电线路，实现4条输电线路的潮流调节功能，故称为四线间直流潮流控制器(QuadrupleInterline DC Power Flow Controller,简称QI-DCPFC)。QI-DCPFC由8个IGBT(Q1至Q8)及对应反向并联二极管(Db1至Db8)、8个串联二极管(D1至D8)、1个耦合电感、4个输电线路串联电容(C1、C2、C3和C4)和4个旁路开关(S1、S2、S3和S4)构成，其中旁路开关由2个IGBT反向串联组成。各电气量的参考正方向如图2所示。下面对其应用场景、工作原理和控制策略进行简要阐述。
A、四线间直流潮流控制器的应用场景和基本原理
四线间直流潮流控制器应用于4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为五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VSC作为直流电力系统和交流电力系统的衔接装置，实现交流电与直流点转换功能,电阻R15、R25、R35、R45、R12、R23和R34为直流输电线路的等效电阻。VSC1、VSC2、VSC3和VSC4为恒功率端向直流网络输送能量，VSC5作为功率接收端，采用恒定电压控制模式，接受从其他4端输送的能量。可以看到，四条直流输电线路接在VSC5的直流侧母线上，四线间直流潮流控制器安置在VSC5直流端处，即图中涂灰的变换器处。
顾名思义，四线间直流潮流控制器实现4条直流线路之间的功率交换，进而实现四条线路的潮流控制功能，其原理图如下图4所示。四线间直流潮流控制器等效于在四条线路中串联一个电压源，该潮流控制器实现4个串联电压源之间的功率转移，进而调节4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，本专利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。
B、四线间直流潮流控制器的工作原理
本部分针对图2所示的拓扑结构的工作原理进行阐述。
当旁路开关S1、S2、S3和S4闭合时，电容C1、C2、C3和C4被短路，QI-DCPFC不影响原有输电线路的潮流。当旁路开关S1、S2、S3和S4断开时，通过控制8个IGBT的通断实现对4条输电线路的潮流控制。电容C1、C2、C3和C4等效于在分别主动在4条线路中串联电压源，实现输电线路中电流的改变。
此处以功率从线路1、线路2和线路3向线路4传递为例，对QI-DCPFC的工作原理进行说明，该工况的原理图如图5a-5d所示，由于QI-DCPFC工作时，旁路开关全部断开，故图5a-5d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、L1、Q1和D1形成回路，电感C1向电容L1转移能量，电感L1的电流线性增大，如图5a所示；
一段时间后关断Q1，并开通Q3，则C2、L1、Q3和D3形成回路，电容C2向电感L1转移能量，电感L1的电流线性增加，如图5b所示；
一段时间后关断Q3，并开通Q5，则C3、L1、Q5和D5形成回路，电容C2向电感L1转移能量，电感L1的电流线性增加，如图5c所示；
一段时间后关断Q5，开通Q7，此时C4、L1、Q7和Q7形成回路，电感L1向电容C7转移能量，电感L1的电流线性减小，如图5d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L1将能量从C1、C2和C3中转移到C4，达到减小Ic1、Ic2和Ic3，增大Ic4的目标。
从以上分析可知，本工况需要控制Q1、Q3、Q5和Q7的通断。Q1、Q3、Q5和Q7互补导通，其他开关Q2、Q4、Q6和Q8一直处于关断状态。该QI-DCPFC可以适用于线路潮流方向的任意组合，实现3条线路向另1条线路的功率转移，或者1条线路向另3条线路的功率转移，或2条线路与另外2条线路之间的功率转移，其他工况类似，不再赘述。
C、四线间直流潮流控制器的特性分析
根据上述工况来分析该QI-DCPFC的控制特性。设Q1的占空比为D1，Q3的占空比为D2，Q5的占空比为D3，与Q1、Q3、Q5互补导通的Q7的占空比为1-D1-D2-D3。
耦合电感的电流连续时，根据伏秒平衡原则有：
Vc1D1+Vc2D2+Vc3D3-Vc4(1-D1-D2-D3)＝0
式中Vc1、Vc2、Vc3和Vc4分别为电容C1、C2、C3和C4的电压。
电容C1的电压连续时，根据安秒平衡原则有：
简化得：
Ic1＝D1IL
Ic2＝D2IL
Ic3＝D3IL
Ic4＝(1-D1-D2-D3)IL
式中Ts为开关周期，IL为电感的平均电流。
由上述公式，可得：
-Vc1Ic1-Vc2Ic2-Vc3Ic3+Vc4Ic4＝0
该公式表明，当QI-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D3＝0时，此时QI-DCPFC实现3条线路之间的能量交换；当D1＝D2＝0或D1＝D3＝0或D2＝D3＝0时，此时QI-DCPFC实现2条线路之间的能量交换。
D、QI-DCPFC的控制策略
控制策略框图如图6a所示。I1_ref为线路1的电流参考值，I2_ref为线路2的电流参考值，I3_ref为线路3的电流参考值。该参考值与实际测量得到的电流I1，I2和I3进行比较，所得差值经过PID调节器后与锯齿载波生成PWM波(PWM1、PWM2、PWM3)，特别地，PWM0＝1，PWM4＝0，通过逻辑运算得到四路互补的脉冲信号CH1、CH2、CH3、CH4。
分别用来驱动子状态1～4中的各个开关。电流参考信号和采样电流也可换成电压信号，即以线路1、2和3的串联等效电压为控制量。该控制策略需要利用逻辑电路，由3个控制目标产生4组驱动信号。对于不同的工况和控制目标，控制策略与之类似，改变被测电流、电流参考值以及被控器件即可。具体的开关管信号生产过程如图6b所示。
为了验证本申请提出的QI-DCPFC拓扑的可行性和有效性，搭建了一个五端单极大地回线直流输电系统，如图7所示。VSC1、VSC2、VSC3、VSC4和VSC5以恒电压模式工作，V1＝V2＝152kV，V3＝V4＝151kV,V5＝150kV，线路等效电阻R15、R25、R35和R45均取1kΩ。QI-DCPFC接入在VSC5处，其电容C1、C2和C3分别串入线路1、线路2和线路3。仿真参数设置为：C1＝C2＝C3＝0.6mF，C4＝2mF，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QI-DCPFC控制线路1和线路2的电流均为1kA、控制线路3为0.5kA，t＝1s时，QI-DCPFC投入运行，仿真波形如图8、图9和图10所示，QI-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4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4条线路电流的波形图，可以看到QI-DCPFC运行0.2s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Vc1、Vc2、Vc3和Vc4电压均稳定在预期电压值，系统稳定。可见线路电流I15、I25、I35和I45受QI-DCPFC控制后基本稳定维持在1.0kA、1.0kA、0.5kA和1.95kA，控制效果良好。
表1 QI-DCPFC投入运行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 (10)

1.一种基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器，其特征在于，包括：连接第一输电线路的第一组件和第二组件、连接第二输电线路的第三组和第四组件、连接第三输电线路的第五组件和第六组件，以及连接第四输电线路的第七组件以及第八组件；
每个组件均包括：IGBT、反向并联二极管以及串联二极管，所述反向并联二极管与所述IGBT构成反向并联结构，所述串联二极管与所述反向并联结构串联；
每个输电线路上的两个组件的连接方向相反。
2.根据权利要求1所述的基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器，其特征在于，每个输电线路上分别串联有串联电容，每个所述串联电容分别设置有旁路开关，四个输电线路分别通过所述串联电容后连接在一起作为第一输出。
3.根据权利要求2所述的基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器，其特征在于，所述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。
4.根据权利要求3所述的基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器，其特征在于，第一组件、第三组件、第五组件以及第七组件的所述串联二极管的负极作为输入端分别连接在输电线路上，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。
5.根据权利要求4所述的基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器，其特征在于，所述第二输出通过第一电感连接所述第一输出。
6.根据权利要求3所述的基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器，其特征在于，第二组件、第四件、第六组件以及第八组件的所述反向并联结构的IGBT发射极所在端作为输入端分别连接在输电线路上，所述串联二极管的负极作为输出端相互连接在一起作为第三输出。
7.根据权利要求6所述的基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器，其特征在于，所述第三输出通过第二电感连接所述第一输出。
8.根据权利要求7所述的基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器，其特征在于，所述第一电感与所述第二电感耦合。
9.根据权利要求1所述的基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器，其特征在于，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。
10.根据权利要求2所述的基于耦合电感能量枢纽的四线间直流潮流控制器，其特征在于，所述旁路开关包括两个反向串联的IGBT。
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CN107612011A (zh) * 2017-08-10 2018-01-19 上海交通大学 协同式直流潮流控制器电路拓扑结构与运行控制方法
CN108390366A (zh) * 2018-01-11 2018-08-10 上海交通大学 一种三线间直流潮流控制器拓扑控制方法
CN109038687A (zh) * 2018-08-30 2018-12-18 上海交通大学 适用于直流输电系统的全直流潮流控制器及其控制方法

Patent Citations (3)

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