CN111525540A - 一种混合式模块化直流潮流控制器及其控制方法 - Google Patents

一种混合式模块化直流潮流控制器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合式模块化直流潮流控制器及其控制方法,所述直流潮流控制器包括三相完全相同的结构,每相均包含四个晶闸管阀、一个子模块串和一个电感;所述直流潮流控制器具有3个端子,每相中第1个晶闸管阀和第3个晶闸管阀反向并联后,一端与端子1相连,另一端与子模块串的电流输入端相连;每相中第2个晶闸管阀和第4个晶闸管阀反向并联后,一端与端子2相连,另一端与子模块串的电流输入端相连;所述子模块串的电流输出端与电感的一端相连,电感的另一端与端子3相连;所述直流潮流控制器的端子1和端子2分别与直流线路1和直流线路2相连,端子3与直流母线相连。本发明的直流潮流控制器具有子模块数量少、成本低的优点。

Description

一种混合式模块化直流潮流控制器及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术和柔性直流输电领域,涉及一种直流潮流控制器及其控制方法,具体涉及一种混合式模块化直流潮流控制器及其控制方法。
背景技术
近年来,柔性直流输电技术得到了极为快速的发展,其未来的必然趋势是逐渐构成带有网孔的高压直流电网,从而提高柔性直流输电的灵活性和可靠性。然而,带有网孔的直流电网面临着线路电流控制自由度不足的问题,在特殊工况下存在线路电流过载的可能性,严重危害高压直流电网的可靠运行。
CN107039980A中提出了一种模块化直流潮流控制器,由于采用模块化技术,该直流潮流控制器具有良好的可拓展性,可应用于高压大容量的直流电网的潮流控制场合。但该直流潮流控制器需要的子模块数量多,因此成本较高,限制了其在实际工程中的应用。
发明内容
为了解决现有模块化直流潮流控制器需要子模块数量多、成本较高的问题,本发明提供了一种混合式模块化直流潮流控制器及其控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种混合式模块化直流潮流控制器,包括三相完全相同的结构,每相均包含四个晶闸管阀、一个子模块串和一个电感,其中:
所述四个晶闸管阀的电路结构均相同,每个晶闸管阀均包括多个串联的晶闸管;
所述子模块串由多个电路结构相同的全桥子模块串联组成,每个全桥子模块包括4个IGBT开关管和一个电容;每个全桥子模块的电流输出端与后一个全桥子模块的电流输入端相连,第一个全桥子模块的电流输入端作为子模块串的电流输入端,最后一个全桥子模块的电流输出端作为子模块串的电流输出端;
所述直流潮流控制器具有3个端子,每相中第1个晶闸管阀和第3个晶闸管阀反向并联后,一端与端子1相连,另一端与子模块串的电流输入端相连;每相中第2个晶闸管阀和第4个晶闸管阀反向并联后,一端与端子2相连,另一端与子模块串的电流输入端相连;子模块串的电流输出端与电感的一端相连,电感的另一端与端子3相连;
所述直流潮流控制器的端子1和端子2分别与直流线路1和直流线路2相连,端子3与直流母线相连;
所述直流潮流控制器根据直流线路1和直流线路2的电流方向以及需要控制的线路电流的增减状态来决定每相中4个晶闸管阀的通断状态以及子模块串输出的电压极性;
当直流线路1和直流线路2中的电流均流向直流母线时,交替地触发第1个晶闸管阀和第4个晶闸管阀,第2个晶闸管阀和第3个晶闸管阀则保持闭锁状态,同时子模块串输出的电压极性也交替变化;
当直流线路1和直流线路2中的电流均流出直流母线时,交替地触发第2个晶闸管阀和第3个晶闸管阀,第1个晶闸管阀和第4个晶闸管阀则保持闭锁状态,同时子模块串输出的电压极性也交替变化;
当直流线路1中的电流流向直流母线,而直流线路2中的电流流出直流母线时,交替地触发第1个晶闸管阀和第2个晶闸管阀,第3个晶闸管阀和第4个晶闸管阀则保持闭锁状态,同时子模块串输出的电压极性不变;
当直流线路1中的电流流出直流母线,而直流线路2中的电流流向直流母线时,交替地触发第3个晶闸管阀和第4个晶闸管阀,第1个晶闸管阀和第2个晶闸管阀则保持闭锁状态,同时子模块串输出的电压极性不变。
一种上述混合式模块化直流潮流控制器的控制方法,通过子模块串与晶闸管阀的配合,使全桥子模块中的电容交替处于充电和放电状态,从而维持直流潮流控制器内部能量平衡,包括如下步骤:
步骤一、通过线路电流控制环节使直流线路1或直流线路2中流经的电流等于其参考值I1_ref或I2_ref
步骤二、通过能量平衡控制环节使直流潮流控制器内部子模块电容电压平均值UC_avg跟踪其参考值UC_ref
步骤三、将线路电流控制环节和能量平衡控制环节的输出相加,进一步得到流过子模块串的电流的参考信号iP_ref
步骤四、把流过子模块串的电流的参考信号iP_ref与反馈得到的流过子模块串的电流iP之间的误差送入比例积分(PI)调节器,再加上由晶闸管阀控制环节提供的反向电压信号,即可输出子模块串的电压参考信号uP_ref
步骤五、将子模块串的电压参考信号uP_ref送入载波移相调制与子模块平衡环节,即可得到子模块串中每个全桥子模块对应的IGBT开关管的驱动信号;
步骤六、通过晶闸管阀控制给出相应的晶闸管阀触发脉冲。
相比于现有技术,本发明具有如下优点:
本发明的直流潮流控制器具有子模块数量少、成本低的优点;适用于带有网孔的高压大容量直流电网中直流线路的电流控制应用场合。
附图说明
图1为本发明提出的混合式模块化直流潮流控制器的电路原理图;
图2为晶闸管阀的电路原理图;
图3为全桥子模块的电路原理图;
图4为本发明提出的直流潮流控制器在直流线路电流均流向直流母线时的工作原理示意图;
图5为本发明提出的直流潮流控制器在直流线路1电流流向直流母线,直流线路2电流流出直流母线时的工作原理示意图;
图6为本发明提出的直流潮流控制器的控制原理框图;
图7为本发明提出的直流潮流控制器配置旁路晶闸管的电路原理图;
图8本发明提出的直流潮流控制器晶闸管阀替换为IGCT开关管阀的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种混合式模块化直流潮流控制器,如图1所示,所述直流潮流控制器包括三相完全相同的结构,每相均包含四个晶闸管阀、一个子模块串以及一个电感,其中:
所述晶闸管阀的电路结构均相同,如图2所示,每个晶闸管阀均包括多个串联的晶闸管;
所述子模块串由多个电路结构相同的全桥子模块串联组成,如图3所示,每个全桥子模块包括4个IGBT开关管和一个电容;每个全桥子模块的电流输出端与后一个全桥子模块的电流输入端相连,第一个全桥子模块的电流输入端作为子模块串的电流输入端,最后一个全桥子模块的电流输出端作为子模块串的电流输出端;
所述直流潮流控制器具有3个端子,每相中第1个晶闸管阀和第3个晶闸管阀反向并联后,一端与端子1相连,另一端与子模块串的电流输入端相连;每相中第2个晶闸管阀和第4个晶闸管阀反向并联后,一端与端子2相连,另一端与子模块串的电流输入端相连;子模块串的电流输出端与电感的一端相连,电感的另一端与端子3相连;
所述直流潮流控制器的端子1和端子2分别与直流线路1和直流线路2相连,端子3与直流母线相连。
本发明根据直流线路1和直流线路2的电流方向以及需要控制的线路电流的增减状态来决定每相中4个晶闸管阀的通断状态以及子模块串输出的电压极性,具体方法如下:
如图4所示,当直流线路1和直流线路2中的电流均流向直流母线时,交替地触发第1个晶闸管阀和第4个晶闸管阀,第2个晶闸管阀和第3个晶闸管阀则保持闭锁状态,同时子模块串输出的电压极性也交替变化;类似的,当直流线路1和直流线路2中的电流均流出直流母线时,交替地触发第2个晶闸管阀和第3个晶闸管阀,第1个晶闸管阀和第4个晶闸管阀则保持闭锁状态,同时子模块串输出的电压极性也交替变化;
如图5所示,当直流线路1中的电流流向直流母线,而直流线路2中的电流流出直流母线时,交替地触发第1个晶闸管阀和第2个晶闸管阀,第3个晶闸管阀和第4个晶闸管阀则保持闭锁状态,同时子模块串输出的电压极性不变;类似的,当直流线路1中的电流流出直流母线,而直流线路2中的电流流向直流母线时,交替地触发第3个晶闸管阀和第4个晶闸管阀,第1个晶闸管阀和第2个晶闸管阀则保持闭锁状态,同时子模块串输出的电压极性不变。
一种混合式模块化直流潮流控制器的控制方法,通过子模块串与晶闸管阀的配合,使全桥子模块中的电容交替处于充电和放电状态,从而维持直流潮流控制器内部能量平衡,如图6所示,所述方法具体包括如下步骤:
步骤一、通过线路电流控制环节使直流线路1或直流线路2中流经的电流等于其参考值I1_ref或I2_ref
步骤二、通过能量平衡控制环节使直流潮流控制器内部子模块电容电压平均值UC_avg跟踪其参考值UC_ref
步骤三、将线路电流控制环节和能量平衡控制环节的输出相加,进一步得到流过子模块串的电流的参考信号iP_ref
步骤四、把子模块串的电流的参考信号iP_ref与反馈得到的流过子模块串的电流iP之间的误差送入比例积分(PI)调节器,再加上由晶闸管阀控制环节提供的反向电压信号,即可输出子模块串的电压参考信号uP_ref
步骤五、将子模块串的电压参考信号uP_ref送入载波移相调制与子模块平衡环节,即可得到子模块串中每个全桥子模块对应的IGBT开关管的驱动信号;
步骤六、通过晶闸管阀控制给出相应的晶闸管阀触发脉冲。
如图7所示,所述混合式模块化直流潮流控制器亦可额外配置旁路晶闸管。在直流线路发生短路故障时将直流潮流控制器快速旁路,避免较大的短路电流流过子模块。
如图8所示,所述混合式模块化直流潮流控制器中的晶闸管阀可替换为IGCT阀;IGCT阀由多个IGCT开关管串联组成,IGCT开关管是全控型器件,具有自关断的能力,因此具有更高的可靠性。
虽然在本文中参照了特定的实施方法来描述本发明,但是应该理解的是,这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是,可以对示例性的实施例进行许多修改,并且可以设计出其他的布置,只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是,可以通过不同于原始权利要求所描述的方法来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是,结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种混合式模块化直流潮流控制器,其特征在于所述直流潮流控制器包括三相完全相同的结构,每相均包含四个晶闸管阀、一个子模块串和一个电感,其中:
所述直流潮流控制器具有3个端子,每相中第1个晶闸管阀和第3个晶闸管阀反向并联后,一端与端子1相连,另一端与子模块串的电流输入端相连;每相中第2个晶闸管阀和第4个晶闸管阀反向并联后,一端与端子2相连,另一端与子模块串的电流输入端相连;子模块串的电流输出端与电感的一端相连,电感的另一端与端子3相连;
所述直流潮流控制器的端子1和端子2分别与直流线路1和直流线路2相连,端子3与直流母线相连。
2.根据权利要求1所述的混合式模块化直流潮流控制器,其特征在于所述四个晶闸管阀的电路结构均相同,每个晶闸管阀均包括多个串联的晶闸管。
3.根据权利要求1所述的混合式模块化直流潮流控制器,其特征在于所述子模块串由多个电路结构相同的全桥子模块串联组成,每个全桥子模块的电流输出端与后一个全桥子模块的电流输入端相连,第一个全桥子模块的电流输入端作为子模块串的电流输入端,最后一个全桥子模块的电流输出端作为子模块串的电流输出端。
4.根据权利要求3所述的混合式模块化直流潮流控制器,其特征在于所述每个全桥子模块包括4个IGBT开关管和一个电容。
5.根据权利要求1所述的混合式模块化直流潮流控制器,其特征在于所述直流潮流控制器根据直流线路1和直流线路2的电流方向以及需要控制的线路电流的增减状态来决定每相中4个晶闸管阀的通断状态以及子模块串输出的电压极性;
当直流线路1和直流线路2中的电流均流向直流母线时,交替地触发第1个晶闸管阀和第4个晶闸管阀,第2个晶闸管阀和第3个晶闸管阀则保持闭锁状态,同时子模块串输出的电压极性也交替变化;
当直流线路1和直流线路2中的电流均流出直流母线时,交替地触发第2个晶闸管阀和第3个晶闸管阀,第1个晶闸管阀和第4个晶闸管阀则保持闭锁状态,同时子模块串输出的电压极性也交替变化;
当直流线路1中的电流流向直流母线,而直流线路2中的电流流出直流母线时,交替地触发第1个晶闸管阀和第2个晶闸管阀,第3个晶闸管阀和第4个晶闸管阀则保持闭锁状态,同时子模块串输出的电压极性不变;
当直流线路1中的电流流出直流母线,而直流线路2中的电流流向直流母线时,交替地触发第3个晶闸管阀和第4个晶闸管阀,第1个晶闸管阀和第2个晶闸管阀则保持闭锁状态,同时子模块串输出的电压极性不变。
6.根据权利要求1、2或5所述的混合式模块化直流潮流控制器,其特征在于所述晶闸管阀替换为IGCT阀。
7.根据权利要求6所述的混合式模块化直流潮流控制器,其特征在于所述IGCT阀由多个IGCT开关管串联组成。
8.一种权利要求1-7任一权利所述混合式模块化直流潮流控制器的控制方法,其特征在于所述控制方法包括如下步骤:
步骤一、通过线路电流控制环节使直流线路1或直流线路2中流经的电流等于其参考值I1_ref或I2_ref
步骤二、通过能量平衡控制环节使直流潮流控制器内部子模块电容电压平均值UC_avg跟踪其参考值UC_ref
步骤三、将线路电流控制环节和能量平衡控制环节的输出相加,进一步得到流过子模块串的电流的参考信号iP_ref
步骤四、把流过子模块串的电流的参考信号iP_ref与反馈得到的流过子模块串的电流iP之间的误差送入比例积分调节器,再加上由晶闸管阀控制环节提供的反向电压信号,即可输出子模块串的电压参考信号uP_ref
步骤五、将子模块串的电压参考信号uP_ref送入载波移相调制与子模块平衡环节,即可得到子模块串中每个全桥子模块对应的IGBT开关管的驱动信号;
步骤六、通过晶闸管阀控制给出相应的晶闸管阀触发脉冲。
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