CN111541260B - 一种具有直流潮流控制的模块化多电平换流器及调制方法 - Google Patents

一种具有直流潮流控制的模块化多电平换流器及调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有直流潮流控制的模块化多电平换流器，包括模块化多电平拓扑和直流潮流控制模块，所述直流潮流控制模块输入端与所述三相桥臂串联，所述直流潮流控制模块的正负母线引出同一电压等级的两个直流输出端口，通过微调所述两个直流输出端口之间的电压差，实现灵活控制线路潮流。其中直流潮流控制模块可采用单个模块或上下对称的两个模块组成。本发明还公开一种上述具有直流潮流控制的模块化多电平换流器的调制方法。本发明通过引入直流潮流控制模块，形成同一电压等级的两个可控直流端口，增加了直流潮流的控制自由度，达到了控制线路潮流的效果，可实现环状/网状的多端直流输配电系统。

Description

一种具有直流潮流控制的模块化多电平换流器及调制方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输配电技术、电力电子技术等领域，具体地，涉及一种适用于环状/网状多端柔性直流电网的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器及调制方法。
背景技术
我国能源资源与负荷需求分布极不均衡，客观上要求在广域上对能源进行优化调配，另一方面，随着新能源发电的兴起，由于其间歇性、随机性的特点受限于电力系统消纳能力，大量可再生能源未得到有效利用，出现“弃光”、“弃风”现象。为解决上述问题，多端直流输电技术凭借其输送距离远、容量大、损耗低等优势，成为我国未来能源互联网发展的有效支撑。为了充分利用直流系统的优势，多端直流输电技术在多电源供电，多落点受电的基础上，通过换流器直流端直接互联构成环状/网状多端柔性直流电网，可增强系统冗余度和供电可靠性，在降低建设成本与传输损耗的同时提高运行控制的灵活性，实现大范围内电能的高效传输与优化分配。
分布式电源、储能及直流负荷的发展对配用电系统供需互动及灵活调控需求增强，电能质量与能效要求提高，给传统的配电网结构与配电方式带来巨大挑战。相对于交流配电网，直流配电网可减少电力变换环节、避免频率、相位同步及无功环流问题、降低传输损耗，提高电能质量。采用环状/网状直流配电网结构相比其他拓扑具有更丰富的能量路径和更灵活的调控手段，可实现区域间互联互济、新能源多端消纳以及配网潮流优化，此外，一旦局部发生故障，可通过有效的隔离手段和网络重构手段，使配电网受到最小的影响。
但在含有环、网状结构的直流系统中，可控节点之间可能存在多条直流线路，当输电线路数大于或等于换流站个数时，单纯依靠换流站直流电压或功率控制，直流潮流控制自由度的不足会导致潮流控制能力受限的问题，容易引起部分输电断面堵塞、线路过载、线损过高等状况,因此需要引入直流潮流控制模块(DCPFC)，实现对直流线路潮流的有效控制。
直流潮流控制可以通过调整线路阻抗和改变直流电压的方式实现。对于调整线路阻抗，不同于交流系统中串入仅与系统进行无功交互的可调容抗的方式，需要采用串联可变电阻的方案，其结构与控制简单，但只能单向调节线路的等效电阻，调节能力受限，而且增加了系统运行损耗。对于改变直流电压，可采用直流变压器、串联可调直流电压源的方式实现潮流的双向调节。在线路中接入直流变压器的方案，在连接相同或不同电压等级网络的同时，可以通过调节电压变比改变线路潮流分布，同时能够进行故障隔离以及大电网之间解耦运行。但作为全功率设备，直流变压器需承担系统运行的全电压与全功率，因此装置成本与运行损耗较高。采用串联直流电压源控制系统潮流的方式可根据是否外接供电电源分为独立可调直流电源及线间潮流控制器等方案。独立可调直流电源串入直流线路，无需承担系统级的电压与功率，以较小的电压及容量即可实现潮流的灵活控制，因此系统成本及损耗相对较低。但该方案需要外部电源供电及高压隔离，增加了装置成本与构造难度。
线间潮流控制器(IDCPFC)可实现各线路之间功率的相互流通，且在不与外部网络发生功率交换的情况下改变线路潮流，省去了外部供电与高压隔离部分。单电容控制IDCFPC通过控制各条线路开关器件的配合通断，使电容完成线路间的能量转移。缺点是电容在线路中频繁投切，会引入额外的纹波电流，甚至引起谐振。双电容控制IDPFC在两条线路中各串入一个电容作为稳定电压源，避免了电容的投切，但是电容间的能量交换需依赖直流变压器或耦合电感，增加了设备体积与构造成本。在此基础上，MMC型线间潮流控制器引入了MMC拓扑结构，以多个MMC换流器连接多绕组交流变压器，使更多的输电线路参与潮流分配，并且扩大了电压调节范围。但是IDCPFC需满足多端口之间功率平衡的约束条件，潮流控制自由度受限，扩展难度大。
本申请人于2019-07-26提交了发明专利申请，申请号为201910679619.2，提出了一种多端口直流潮流控制的模块化多电平变流器及控制方法，其中的直流潮流控制器的输入端与模块化多电平换流器拓扑的上桥臂最上层子模块串联连接，通过模块化多电平换流器拓扑与交流电网进行功率传递和能量交互，输出端采用直流/直流变换器以调节输出电压，多个直流/直流变换器共直流母线且端口连接不同的直流出线，以实现多个灵活可控的直流端口。
上述专利中提出的直流潮流控制模块，输出端采用多个的直流/直流变换器并联，易于多端口拓展，可实现多条线路潮流的主动控制，控制自由度高，但开关器件数目较多。
发明内容
针对直流潮流控制及其扩展的需求，结合模块化多电平变流器的拓扑结构特点，本发明提出一种具有直流潮流控制的模块化多电平换流器，该模块化多电平换流器是一种适用于环状/网状多端柔性直流电网的三相桥式双出线内嵌型直流潮流控制的模块化多电平换流器，大大降低了开关器件数目。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
根据本发明的第一方面，提供一种具有直流潮流控制的模块化多电平换流器，包括模块化多电平拓扑和直流潮流控制模块，所述直流潮流控制模块输入端与所述三相桥臂串联，所述直流潮流控制模块的正负母线引出同一电压等级的两个直流输出端口，通过微调所述两个直流输出端口之间的电压差，实现灵活控制线路潮流。
可选地，所述直流潮流控制模块可以为一个，所述直流潮流控制模块的输入端与所述三相桥臂中最顶端或最底端的子模块串联连接。
可选地，所述直流潮流控制模块也可以为两个，两个所述直流潮流控制模块上下对称设置，即在所述三相桥臂中最顶端、最底端的子模块各串联连接一个所述直流潮流控制模块。
可选地，所述直流潮流控制模块由三相桥和直流母线电容构成，所述三相桥作为所述直流潮流控制模块的输入端，与模块化多电平拓扑的三相桥臂中最顶端或最底端的子模块串联连接，所述直流母线电容跨接在所述直流潮流控制模块的正负母线之间，所述直流潮流控制模块的正负母线引出同一电压等级的两个直流输出端口。
可选地，所述三相桥可以是两电平三相桥电路，也可以是三电平三相桥电路，或者其他多电平三相桥电路。
可选地，所述两个直流输出端口分别与两条直流线路相联，通过改变所述直流潮流控制模块的直流母线电容的电压以控制所述两个直流输出端口的输出电压，实现两条出线潮流的灵活调配。
本发明上述具有直流潮流控制的模块化多电平换流器使基于模块化多电平拓扑结构的换流站具备灵活可控的两出线直流端口，通过单个直流潮流控制模块或多个直流潮流控制模块的协同运行，达到直流线路潮流灵活可控的效果，可实现网状/环状多端柔性直流输电系统与网状/环状多端柔性直流配电系统。
根据本发明的第二方面，提供一种具有直流潮流控制的模块化多电平换流器的调制方法，其中，所述直流潮流控制模块输入端的调制策略决定了电压调制度mPFC的取值范围，mPFC∈[mPFC-min,mPFC-max]，所述直流潮流控制模块的运行边界条件为：
Figure BDA0002483468730000041
上述中，P1、P2为MMC直流侧的输出有功功率为两个直流端口输出功率，E为电压幅值，
Figure BDA0002483468730000042
为功率因数角，mPFC-min、mPFC-max分别为直流潮流控制模块输入端的电压调制度mPFC的最小值和最大值，Ud为MMC上、下桥臂子模块总输出电压的直流分量之和，δPFC为直流潮流控制模块开关管输出电压中交流分量相对于电网电压的相角差。
根据本发明第三方面，提供一种换流站，包括上述的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器。
根据本发明第四方面，提供一种固态变压器，包括上述的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器。
根据本发明第五方面，提供一种网状/环状多端柔性直流输电系统，包括多个换流站，所述换流站包括上述的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器。
根据本发明第六方面，提供一种网状/环状多端柔性直流配电系统，包括多个固态变压器，所述固态变压器包括上述的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器。
与现有拓扑相比，本发明实施例具有以下至少一种有益效果：
1、现有的基于模块化多电平结构(MMC)的电力电子换流器拓扑不具备直流潮流控制功能，而本发明通过引入直流潮流控制模块，形成同一电压等级的两个可控直流端口，增加了直流潮流的控制自由度，达到了控制线路潮流的效果，可实现环状/网状的多端直流输配电系统。
2、本发明与现有的直流潮流控制器相比，采用MMC子模块组合，并由MMC拓扑直接衍生获得，实现了设备构造的模块化；功率可双向流动，潮流调节范围广；开关器件较少，损耗较低；无需隔离变压器以及外部电源；控制策略简单；易于构成多端系统，便于协调控制达到多网孔直流电网的潮流灵活可控。
3、本发明与之前提交的发明专利申请(201910679619.2)所提出的一种多端口直流潮流控制的模块化多电平变流器相比，输出端通过正负母线直接引出两个同电压等级的直流端口，无需直流/直流变换器，拓扑结构更加简单，开关器件更少，损耗与成本更低，控制策略更加简单，尤为适用于所需控制自由度较低的直流输配电系统。
4、本发明直流潮流控制模块可单个运行或多个共同协调配合运行，实现更高的潮流控制自由度和更广的潮流调节范围，满足含有多个网孔的复杂直流电网潮流调配需求。
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为本发明一实施例中采用双模块直流潮流控制模块的模块化多电平换流器的拓扑结构；
图1b为本发明一实施例中采用单模块直流潮流控制模块的模块化多电平换流器的拓扑结构；
图1c为本发明一实施例中直流潮流控制模块的组成连接图；
图1d为本发明一实施例中包含直流潮流控制模块的环状/网状多端柔性直流电网示意图；
图2为本发明一实施例中采用单个模块时的拓扑结构及其与模块化多电平拓扑(MMC)的连接方式示意图；
图3为本发明一实施例中采用单个模块时的单相直流等效电路；
图4为本发明一实施例中采用单个模块时的单相交流等效电路；
图5本发明一实施例中采用上下对称的两个模块时的拓扑结构及其与模块化多电平拓扑(MMC)的连接方式示意图；
图6为本发明一实施例中采用上下对称的两个模块时的单相直流等效电路；
图7为本发明一实施例中采用上下对称的两个模块时的单相交流等效电路；
图8为本发明直流潮流控制模块以及MMC换流站应用于三端环网直流输电系统的实施方案一与实施方案二示意图；
图9为实施方案一中直流潮流控制模块以及MMC换流站控制策略；
图10为实施方案一中MMC换流站1直流端口1、2输出电压波形图；
图11为实施方案一中MMC换流站1直流端口1、2输出电流波形图；
图12为实施方案一中MMC换流站1的子模块电容电压波形图；
图13为实施方案一中直流潮流控制模块电容电压波形图；
图14为实施方案一中MMC换流站1交流侧电压波形图；
图15为实施方案一中MMC换流站1交流侧电流波形图；
图16为实施方案一中MMC换流站1桥臂电流波形图
图17为实施方案二中直流潮流控制模块以及MMC换流站控制策略；
图18为实施方案二中MMC换流站1直流端口1、2输出电压波形图；
图19为实施方案二中MMC换流站1直流端口1、2输出电流波形图；
图20为实施方案二中MMC换流站1的子模块电容电压波形图；
图21为实施方案二中直流潮流控制模块电容电压波形图；
图22为实施方案二中MMC换流站1交流侧电压波形图；
图23为实施方案二中MMC换流站1交流侧电流波形图；
图24为实施方案二中MMC换流站1桥臂电流波形图。
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。
图1b为本发明一实施例中采用单模块直流潮流控制模块的模块化多电平换流器的拓扑结构；图2为本发明一实施例中采用单个模块时的拓扑结构及其与模块化多电平拓扑(MMC)的连接方式示意图。
参照图1b、图2所示，该实施例中是一种适用于环状/网状多端柔性直流电网的具有三相桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块的模块化多电平拓扑(MMC)换流器，包括模块化多电平拓扑和直流潮流控制模块，直流潮流控制模块输入端与三相桥臂串联，直流潮流控制模块的正负母线引出同一电压等级的两个直流输出端口，通过微调两个直流输出端口之间的电压差，实现灵活控制线路潮流。其中，模块化多电平换流器拓扑为现有技术，其由多个结构相同的上下桥臂组成，每个桥臂由多个子模块级联构成。直流潮流控制模块为一个，其输入端与三相桥臂中最顶端的子模块串联连接。当然，在其他实施例中，直流潮流控制模块的输入端也可以与三相桥臂中最底端的子模块串联连接。如图2所示，直流潮流控制模块正负母线引出同一电压等级的两个直流输出端口，分别与两条直流线路相联，通过改变直流潮流控制模块的母线电容电压以控制直流端口输出电压，实现两条出线潮流的灵活调配。
本实施例中，直流潮流控制模块输入端与所述模块化多电平拓扑(MMC)串接，通过两者之间的功率交互与协同运行，达成直流潮流控制模块的内部能量平衡及其直流母线电压恒定。
作为一优选实施例，直流潮流控制模块采用简单的三相桥式电路，配合直流母线电容，实现两个直流出线端口。具体的，如图1c、图2所示，直流潮流控制模块由三相桥和直流母线电容C0构成。其中，三相桥作为直流潮流控制模块的输入端，与模块化多电平拓扑(MMC)三相桥臂中最顶端(或最底端)的子模块串联连接，直流母线电容C0跨接在直流潮流控制模块的正负母线之间。直流潮流控制模块正负母线引出同一电压等级的两个直流输出端口，分别与两条直流线路相联。在该实施例中，通过改变直流潮流控制模块的直流母线电容的电压以控制两个直流输出端口的输出电压，实现两条出线潮流的灵活调配。
图1a为本发明一实施例中采用双模块直流潮流控制模块的模块化多电平换流器的拓扑结构；图5本发明一实施例中采用上下对称的两个模块时的拓扑结构及其与模块化多电平拓扑(MMC)的连接方式示意图。
在另一优选实施例中，参照1a、图5所示，直流潮流控制模块可以采用上下对称的两个模块组成，各模块结构一致。两个直流潮流控制模块A、B上下对称设置，其中一个直流潮流控制模块A与三相桥臂中最顶端的子模块串联连接，另一个直流潮流控制模块B与三相桥臂中最底端的子模块串联连接。如图1c、图2所示，直流潮流控制模块由三相桥和直流母线电容C0构成，三相桥作为各直流潮流控制模块的输入端，直流母线电容C0跨接在各直流潮流控制模块的正负母线之间。直流潮流控制模块正负母线引出同一电压等级的两个直流输出端口，分别与两条直流线路相联。通过改变各直流潮流控制模块的直流母线电容的电压以控制两个直流输出端口的输出电压，实现多条出线潮流的灵活调配。
上述实施例中的三相桥可以是两电平三相桥电路，也可以是三电平三相桥电路，或者其他多电平三相桥电路。
上述实施例中直流潮流控制模块可单个运行或多个共同协调配合运行，实现更高的潮流控制自由度和更广的潮流调节范围，满足含有多个网孔的复杂直流电网潮流调配需求。
本发明上述各实施例的具有三相桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块的模块化多电平拓扑(MMC)换流器，直流潮流控制模块的嵌入改变了模块化多电平拓扑(MMC)上下桥臂原有架构，建立直流潮流控制模块参与在内的MMC能量平衡机制，保持MMC和直流潮流控制模块的稳定工作。基于此，本发明以下实施例中提供上述模块化多电平拓扑(MMC)换流器的调制方法的详细说明。
在一实施例中，对于采用单个直流潮流控制模块的模块化多电平拓扑(MMC)换流器，以输入端采用两电平的三相桥结构，与模块化多电平拓扑(MMC)三相桥臂中最顶端子模块串联连接为例，其拓扑结构及其与MMC的连接方式如图1b和图2所示，其中，ua、ia为a相电网电压和电流；eap和ean为MMC的a相基波电压；uap、uan分别为MMC的a相上、下桥臂子模块总输出电压；uPFC-ap、uPFC-an分别为直流潮流控制模块的a相上、下开关管输出电压；iap和ian分别为a相上、下桥臂电流；Iok为第k个直流端口所联直流线路电流平均值，Uok为第k个直流端口输出电压平均值，k＝1,2。
假设交流侧电网电压的幅值和相位为：
Figure BDA0002483468730000081
式(1)中，U、I为交流电网相电压、电流幅值，ω为电网电压角频率，
Figure BDA0002483468730000083
为功率因数角，t为时间。
假设MMC的a相基波电压eap为：
eap＝ean＝E sin(ωt-δ) (2)
式(2)中，E为电压幅值，δ为MMC出口电压相对于电网电压的相角差。
MMC交流侧输入有功功率与无功功率Pin、Qin分别为：
Figure BDA0002483468730000082
由图2可知，MMC三相桥臂电流中直流分量之和为两个直流端口输出电流之和，因此，可设其为：
Id＝Io1+Io2 (4)
Id为MMC三相桥臂电流中直流分量之和，Io1、Io2为两个直流端口输出电流。
根据MMC工作原理，控制MMC换流站三相桥臂电流的直流分量一致，且交流电流在上、下桥臂间均分。则MMC的a相上、下桥臂电流iap和ian分别为：
Figure BDA0002483468730000091
根据直流潮流控制模块工作原理，流经上、下开关管电流的三相直流分量之和分别为两个直流端口输出电流。控制三相桥单元电流的直流分量一致，交流电流在上、下开关管间均分。则流经直流潮流控制模块的a相上、下开关管电流iPFC-ap、iPFC-an分别为：
Figure BDA0002483468730000092
设直流潮流控制模块的a相上、下开关管输出电压和MMC的a相上、下桥臂子模块总输出电压分别为：
Figure BDA0002483468730000093
式(7)中，uPFC-ap、uPFC-an分别为直流潮流控制模块的a相上、下开关管输出电压，eap和ean为MMC的a相基波电压；uap、uan分别为MMC的a相上、下桥臂子模块总输出电压。Ud为MMC上、下桥臂子模块总输出电压的直流分量之和，UC0为直流潮流控制模块直流母线电压；mPFC为直流潮流控制模块输入端的电压调制度，δPFC为直流潮流控制模块开关管输出电压中交流分量相对于电网电压的相角差。a1、a2分别为MMC上、下桥臂子模块总输出电压的直流分量系数，以上系数需满足以下约束：
a1+a2＝1 (8)
由式(5)～(7)，可得桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块的单相直流、交流等效电路分别如图3和图4所示，其中，uPFC-jp,ac、uPFC-jn,ac分别为直流潮流控制模块的j相上、下开关管输出电压的交流分量；ijp,ac、ijn,ac分别为MMC的j相上、下桥臂电流的交流分量；iPFC-jp,ac和iPFC-jn,ac分别为流经直流潮流控制模块的j相上、下开关管电流的交流分量，j＝a,b,c。
根据桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块的单相直流等效电路，得到两个直流端口输出电压Uo1、Uo2分别为：
Figure BDA0002483468730000101
MMC直流侧的输出有功功率Pout为两个直流端口输出功率P1、P2之和：
Figure BDA0002483468730000102
根据桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块的单相直流、交流等效电路，计算得到直流潮流控制模块的功率变化量PPFC为：
Figure BDA0002483468730000103
MMC三相上、下桥臂子模块的总功率变化量Pp、Pn分别为：
Figure BDA0002483468730000104
由式(11)和(12)，为实现MMC子模块和直流潮流控制模块的能量平衡，应满足：
Figure BDA0002483468730000105
将式(8)代入式(13)，得到装置的能量平衡方程：
Figure BDA0002483468730000106
式(14)中，P为MMC交直流侧传输的总有功功率。
由式(13)和(14)，此时MMC上、下桥臂子模块总输出电压的直流分量系数a1、a2分别为：
Figure BDA0002483468730000111
直流潮流控制模块输入端的电压调制度为：
Figure BDA0002483468730000112
由于δ和UC0较小可忽略其影响，因此：
Figure BDA0002483468730000113
Uo1≈Uo2≈Ud (18)
直流潮流控制模块输入端的调制策略决定了电压调制度mPFC的取值范围，mPFC∈[mPFC-min,mPFC-max]；因此，结合式(16)～(18)，可得桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块的运行边界条件为：
Figure BDA0002483468730000114
在另一实施例中，参照图1a所示，对于采用上下对称的两个模块的直流潮流控制模块，即直流潮流控制模块A和直流潮流控制模块B，以输入端采用两电平三相桥结构为例，其拓扑结构及其与模块化多电平拓扑(MMC)的连接方式如1b、图5所示，其中，ua、ia为a相电网电压和电流；eap和ean为MMC的a相基波电压；uap、uan分别为MMC的a相上、下桥臂子模块总输出电压；uaAp、uaAn和uaBp、uaBn分别为直流潮流控制模块A、B的a相上、下开关管输出电压；iap和ian分别为a相上、下桥臂电流；Iok为第k个直流端口所联直流线路电流平均值，Uok为第k个直流端口输出电压平均值，k＝1,2。
假设交流侧电网电压的幅值和相位为：
Figure BDA0002483468730000121
式(20)中，U、I为交流电网相电压、电流幅值，ω为电网电压角频率，
Figure BDA0002483468730000125
为功率因数角。
假设MMC的a相基波电压为：
eap＝ean＝Esin(ωt-δ) (21)
式(21)中，E为电压幅值，δ为MMC出口电压相对于电网电压的相角差。
MMC交流侧输入有功与无功功率分别为：
Figure BDA0002483468730000122
由图5可知，MMC三相桥臂电流中直流分量之和为两个直流端口输出电流之和，因此，可设其为：
Id＝Io1+Io2 (23)
根据MMC工作原理，控制MMC换流站三相桥臂电流的直流分量一致，且交流电流在上、下桥臂间均分。则MMC的a相上、下桥臂电流分别为：
Figure BDA0002483468730000123
根据直流潮流控制模块工作原理，流经上、下开关管电流的三相直流分量之和分别为两个直流端口输出电流。控制三相桥单元电流的直流分量一致，交流电流在上、下开关管间均分。则流经直流潮流控制模块A、B的a相上、下开关管电流分别为：
Figure BDA0002483468730000124
设直流潮流控制模块A、B的a相上、下开关管的平均开关函数为：
Figure BDA0002483468730000131
式(26)中，mPFC为直流潮流控制模块输入端的电压调制度，δPFC为直流潮流控制模块输入端平均开关函数中交流分量相对于电网电压的相角差。
直流潮流控制模块A、B的a相上、下开关管输出电压由直流潮流控制模块直流母线电压UC0和平均开关函数相乘决定：
Figure BDA0002483468730000132
设Ud为MMC上、下桥臂子模块总输出电压的直流分量之和，MMC的a相上、下桥臂子模块总输出电压为：
Figure BDA0002483468730000133
由式(24)、(25)(27)和(28)，可得桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块的单相直流、交流等效电路分别如图6和图7所示，其中，ijp,ac、ijn,ac分别为MMC的j相上、下桥臂电流的交流分量；ujAp,ac、ujAn,ac和ujBp,ac、ujBn,ac分别为直流潮流控制模块A、B的j相上、下开关管输出电压的交流分量；ijAp,ac、ijAn,ac和ijBp,ac、ijBn,ac分别为流经直流潮流控制模块A、B的j相上、下开关管电流的交流分量，j＝a,b,c。
根据桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块的单相直流等效电路，得到两个直流端口输出电压分别为：
Figure BDA0002483468730000141
MMC直流侧的输出有功功率为两个直流端口输出功率P1、P2之和：
Pout＝P1+P2＝Uo1Io1+Uo2Io2＝UdId+UC0(Io1-Io2) (30)
根据桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块的单相直流、交流等效电路，计算得到直流潮流控制模块A、B的功率变化量分别为：
Figure BDA0002483468730000142
MMC三相上、下桥臂子模块的总输入功率为分别为：
Figure BDA0002483468730000143
MMC三相上、下桥臂子模块的总输出功率分别为：
Figure BDA0002483468730000144
MMC三相上、下桥臂子模块的总功率变化量分别为：
Figure BDA0002483468730000151
由式(31)和(34)，为实现MMC子模块和直流潮流控制模块的能量平衡，应满足：
Figure BDA0002483468730000152
由式(35)，得到装置的能量平衡方程：
Figure BDA0002483468730000153
式(36)中，P为MMC交直流侧传输的总有功功率。
此时，直流潮流控制模块输入端的电压调制度为：
Figure BDA0002483468730000154
由于δ和UC0较小可忽略其影响，因此：
Figure BDA0002483468730000155
Uo1≈Uo2≈Ud (39)
直流潮流控制模块输入端的调制策略决定了电压调制度mPFC的取值范围，mPFC∈[mPFC-min,mPFC-max]；因此，结合式(37)～(39)，可得桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块的运行边界条件为：
Figure BDA0002483468730000156
参照图1d所示，为本发明一实施例中包含直流潮流控制模块的环状/网状多端柔性直流电网示意图。在本发明另一实施例中，还提供一种换流站，包括上述任一项实施例的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器。
进一步的，在本发明另一实施例中，还提供一种网状/环状多端柔性直流输电系统，包括多个换流站，所述换流站包括上述任一项实施例的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器。具体改进在于具有直流潮流控制的模块化多电平换流器，其他部分均可以采用现有技术，在此不再赘述。
在本发明另一实施例中，还提供一种固态变压器，包括上述任一项实施例的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器。进一步的，在本发明另一实施例中，还提供一种网状/环状多端柔性直流配电系统，包括多个固态变压器，所述固态变压器包括上述任一项实施例的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器。具体改进在于具有直流潮流控制的模块化多电平换流器，其他部分均可以采用现有技术，在此不再赘述。
以下结合具体的仿真实例来对上述结构和方法的应用进行进一步说明。
实施方案一：
如图8所示，为基于本发明实施例的三端环网直流输电系统实例，为采用单个直流潮流控制模块时的三端环网直流输电系统。其中，MMC换流站1与换流站2采用定功率控制模式，MMC换流站3采用定电压控制模式。MMC换流站1装配桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块，其拓扑结构如图2所示，直流潮流控制模块输入端采用两电平三相桥结构，与MMC换流站1的三相桥臂中最顶端子模块串联连接。
结合上述实施方案一，以下采用MATLAB/Simulink软件针对该系统进行仿真验证，仿真参数如表1所示。
图8中，Io1和Io2分别为MMC换流站1直流端口1、2所联直流线路电流，Uo1和Uo2分别为直流端口1、2的输出电压。
表1
Figure BDA0002483468730000161
Figure BDA0002483468730000171
在上述实施方案一中，桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块以及MMC换流器控制策略如图9所示。其中，直流潮流控制模块的能量平衡控制通过附加平衡控制环实现，在直流潮流控制模块输入端电压的参考值基础上，叠加平衡控制电压，通过调节平衡控制电压的幅值及相角，即可调节MMC桥臂与直流潮流控制模块间能量转移的大小，维持直流潮流控制模块的直流母线电压稳定。
为验证直流潮流控制模块在不同工况下的潮流控制能力，仿真设定了三种运行工况。
工况一：MMC换流站1总输出功率为1.0MW,直流潮流控制模块不动作，直流端口1和2向直流侧输出功率按线路电阻自然分配。
工况二：在工况一的基础上，通过直流潮流控制模块的潮流控制，MMC换流站1的直流端口1向直流侧输出功率控制为0.80MW，直流端口2向直流侧输出功率控制为0.20MW。
工况三：为了验证双向潮流可控能力，调节直流潮流控制模块，控制MMC换流站1的直流端口1向直流侧输出功率控制为1.1MW，直流端口2向直流侧输出功率控制为-0.10MW，而MMC换流站1保持总输出功率仍为1.0MW。
仿真时序设定如下：t＝0s时，MMC启动，运行在工况一；t＝3s时，直流潮流控制模块投入运行，切换为运行工况二；t＝6s时，切换为运行工况三；t＝9s时，仿真结束。
图10和图11分别为实施方案一中MMC换流站1直流端口1、2输出电压、电流波形图。可知，工况一时，直流潮流控制模块不动作，直流功率按线路电阻自然分配,Uo1＝Uo2＝20.03kV，Io1＝33.7A，Io2＝16.1A，直流端口1、2分别向直流侧输出0.68MW和0.32MW有功功率；工况二时，Uo1＝20.06kV，Uo2＝20.02kV，Io1＝39.9A，Io2＝9.92A，直流端口1、2分别向直流侧输出0.80MW和0.20MW有功功率；工况三时，Uo1＝20.12kV，Uo2＝19.99kV，Io1＝54.6A，Io2＝-4.99A，直流端口1、2分别向直流侧输出1.1MW和-0.10MW有功功率。各电压电流仿真结果与理论计算一致，表明直流潮流控制模块能够按指令实现不同工况下线路的潮流分配，并可实现潮流双向可控。
图12为实施方案一中MMC换流站1的子模块电容电压波形图。可看出各电容电压保持稳定，在实施方案一中的控制策略下可实现能量平衡。
图13为实施方案一中直流潮流控制模块电容电压波形图。可知，工况一时，直流潮流控制模块未投入运行，UC0＝0V；工况二时，UC0＝19.6V；工况三时，UC0＝64.0V。不同运行工况下直流潮流控制模块电容电压均可保持稳定，直流潮流控制模块在实施方案一中的控制策略下可实现能量平衡。
图14和图15分别为实施方案一中MMC换流站1交流侧相电压、电流波形图。可看出不同运行工况下交流侧相电压幅值保持8.165kV，相电流幅值保持83.21A，MMC换流站1总输出功率保持为1.0MW，交直流侧功率的平稳传输不受直流潮流控制模块潮流分配的影响。
图16为实施方案一中MMC换流站1桥臂电流波形图。可看出不同运行工况下上、下桥臂电流均可保持稳定，桥臂能量平衡不受直流潮流控制模块的影响。
实施方案二：
如图8所示，为基于本发明的三端环网直流输电系统实例，采用上下对称的两个直流潮流控制模块时的三端环网直流输电系统。其中，MMC换流站1与换流站2采用定功率控制模式，MMC换流站3采用定电压控制模式。MMC换流站1装配桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块，其拓扑结构如图5所示，直流潮流控制模块采用上下对称的两个模块，模块输入端采用两电平三相桥结构，分别与MMC换流站1的三相桥臂中最顶端和最低端子模块串联连接。
结合上述实施方案二，以下采用MATLAB/Simulink软件针对该系统进行仿真验证，仿真参数如表1所示。
在上述实施方案二中，桥式双出线内嵌型直流潮流控制模块以及MMC换流器控制策略如图17所示。其中，直流潮流控制模块的能量平衡控制通过附加平衡控制环实现，在直流潮流控制模块输入端电压的参考值基础上，叠加平衡控制电压，通过调节平衡控制电压的幅值及相角，即可调节MMC桥臂与直流潮流控制模块间能量转移的大小，维持直流潮流控制模块的直流母线电压稳定。
为验证直流潮流控制模块在不同工况下的潮流控制能力，仿真设定了三种运行工况。
工况一：MMC换流站1总输出功率为1.0MW,直流潮流控制模块不动作，直流端口1和2向直流侧输出功率按线路电阻自然分配。
工况二：在工况一的基础上，通过直流潮流控制模块的潮流控制，MMC换流站1的直流端口1向直流侧输出功率控制为0.80MW，直流端口2向直流侧输出功率控制为0.20MW。
工况三：为了验证双向潮流可控能力，调节直流潮流控制模块，控制MMC换流站1的直流端口1向直流侧输出功率控制为1.1MW，直流端口2向直流侧输出功率控制为-0.10MW，而MMC换流站1保持总输出功率仍为1.0MW。
仿真时序设定如下：t＝0s时，MMC启动，运行在工况一；t＝3s时，直流潮流控制模块投入运行，切换为运行工况二；t＝6s时，切换为运行工况三；t＝9s时，仿真结束。
图18和图19分别为实施方案二中MMC换流站1直流端口1、2输出电压、电流波形图。可知，工况一时，直流潮流控制模块不动作，直流功率按线路电阻自然分配,Uo1＝Uo2＝20.03kV，Io1＝33.7A，Io2＝16.1A，直流端口1、2分别向直流侧输出0.68MW和0.32MW有功功率；工况二时，Uo1＝20.06kV，Uo2＝20.02kV，Io1＝39.9A，Io2＝9.92A，直流端口1、2分别向直流侧输出0.80MW和0.20MW有功功率；工况三时，Uo1＝20.12kV，Uo2＝19.99kV，Io1＝54.6A，Io2＝-4.99A，直流端口1、2分别向直流侧输出1.1MW和-0.10MW有功功率。各电压电流仿真结果与理论计算一致，表明直流潮流控制模块能够按指令实现不同工况下线路的潮流分配，并可实现潮流双向可控。
图20为实施方案二中MMC换流站1的子模块电容电压波形图。可看出各电容电压保持稳定，在实施方案二中的控制策略下可实现能量平衡。
图21为实施方案二中直流潮流控制模块电容电压波形图。可知，工况一时，直流潮流控制模块未投入运行，UC0＝0V；工况二时，UC0＝39.2V；工况三时，UC0＝128.2V。不同运行工况下直流潮流控制模块电容电压均可保持稳定，直流潮流控制模块在实施方案二中的控制策略下可实现能量平衡。
图22和图23分别为实施方案二中MMC换流站1交流侧相电压、电流波形图。可看出不同运行工况下交流侧相电压幅值保持8.165kV，相电流幅值保持83.21A，MMC换流站1总输出功率保持为1.0MW，交直流侧功率的平稳传输不受直流潮流控制模块潮流分配的影响。
图24为实施方案二中MMC换流站1桥臂电流波形图。可看出不同运行工况下上、下桥臂电流均可保持稳定，桥臂能量平衡不受直流潮流控制模块的影响。
由上述实施例可见，本发明通过引入直流潮流控制模块，使基于模块化多电平拓扑结构的换流站具备两个灵活可控的同电压等级直流端口，增加了直流潮流的控制自由度，达到了控制线路潮流的效果；本发明直流潮流控制模块通过MMC拓扑衍生实现，构造模块化；功率可双向流动，潮流调节范围广；开关器件较少，损耗较低；无需隔离变压器以及外部电源；控制策略简单。
本发明与本申请人之前提交的发明专利申请(201910679619.2)所提出的一种多端口直流潮流控制的模块化多电平变流器相比，输出端通过正负母线直接引出两个同电压等级的直流端口，无需直流/直流变换器，开关器件更少，拓扑结构及控制策略更加简单，成本及损耗更低，尤为适用于所需控制自由度较低的直流输配电系统。
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 (10)

1.一种具有直流潮流控制的模块化多电平换流器的调制方法，其特征在于，
所述具有直流潮流控制的模块化多电平换流器，包括模块化多电平拓扑和直流潮流控制模块，所述直流潮流控制模块输入端与三相桥臂串联，所述直流潮流控制模块的正负母线引出同一电压等级的两个直流输出端口，通过微调所述两个直流输出端口之间的电压差，实现灵活控制线路潮流；
所述直流潮流控制模块输入端的调制策略决定了电压调制度mPFC的取值范围，mPFC∈[mPFC-min,mPFC-max]，所述直流潮流控制模块的运行边界条件为：
Figure FDA0003266966190000011
P1、P2为MMC直流侧的输出有功功率为两个直流端口输出功率，E为电压幅值，
Figure FDA0003266966190000012
为功率因数角，mPFC-min、mPFC-max分别为直流潮流控制模块输入端的电压调制度mPFC的最小值和最大值，Ud为MMC上、下桥臂子模块总输出电压的直流分量之和，δPFC为直流潮流控制模块开关管输出电压中交流分量相对于电网电压的相角差。
2.根据权利要求1所述的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器的调制方法，其特征在于，所述直流潮流控制模块为一个，所述直流潮流控制模块的输入端与所述三相桥臂中最顶端或最底端的子模块串联连接。
3.根据权利要求1所述的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器的调制方法，其特征在于，所述直流潮流控制模块为两个，两个所述直流潮流控制模块上下对称设置，即在所述三相桥臂中最顶端、最底端的子模块各串联连接一个所述直流潮流控制模块。
4.根据权利要求1所述的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器的调制方法，其特征在于，所述直流潮流控制模块由三相桥和直流母线电容构成，所述三相桥作为所述直流潮流控制模块的输入端，与模块化多电平拓扑的三相桥臂中最顶端或最底端的子模块串联连接，所述直流母线电容跨接在所述直流潮流控制模块的正负母线之间。
5.根据权利要求4所述的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器的调制方法，其特征在于，所述三相桥为两电平三相桥电路，或三电平三相桥电路，或者其他多电平三相桥电路。
6.根据权利要求4所述的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器的调制方法，其特征在于，所述两个直流输出端口分别与两条直流线路相联，通过改变所述直流潮流控制模块的直流母线电容的电压以控制所述两个直流输出端口的输出电压，实现两条出线潮流的灵活调配。
7.一种换流站，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器的调制方法。
8.一种固态变压器，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器的调制方法。
9.一种网状/环状多端柔性直流输电系统，其特征在于，包括多个换流站，所述换流站采用权利要求1-6任一项所述的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器的调制方法。
10.一种网状/环状多端柔性直流配电系统，其特征在于，包括多个固态变压器，所述固态变压器采用权利要求1-6任一项所述的具有直流潮流控制的模块化多电平换流器的调制方法。
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