CN111711183B - 多端直流电网潮流控制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多端直流电网潮流控制电路及其控制方法，其特征在于：该电路设置在多端直流电网中的源端，与整流电路构成串联，包括：分别位于背靠背的双H桥结构两侧的调压电路和多端DC/DC电路；所述调压电路一侧的H桥的一端连接模块电容C₁，另一端连接输出滤波电路；所述多端DC/DC电路一侧的H桥连接高频电压器的绕组。为了避免多种控制可能引起的冲突，本发明还提出了一种主从结构的控制策略。主控单元调压电路不进行潮流控制，而是维持自身电容电压稳定；从控单元则调压电路进行潮流控制，从而最终实现多端直流系统的潮流控制，其电容电压稳定则通过多端DC/DC电路实现。其简化了直流电网结构，降低了成本。

Description

多端直流电网潮流控制电路及其控制方法

技术领域

本发明属于电网电路领域，具体涉及一种多端直流电网潮流控制电路及其控制方法，特别适合局部多源输入直流电网，需要进行潮流及功率控制的情况。

背景技术

直流电网在实际应用中越来越多。直流电网可能存在多个源端和负载端，多个源端一起为负载提供电能。为了限制功率，实现有效潮流控制，通常要求源端的整流器具有较强的控制能力，例如采用VSC(电压源型变换器)实现能量变换，而传统的二极管整流方式将面临不能调压，功率不能自主控制等问题。但是VSC型整流变换器结构复杂，功耗大，而传统的二极管整流结构简单，功耗低，稳定性高。因此，如果能够解决潮流控制问题，将为多端直流电网结构设计提供更多的灵活性。

为了控制不同整流变换器的能量，现有技术有采用在电网中串联调节单元，通过一个VSC单元控制节点间的电压，从而实现潮流控制的方案。但该结构需要采用大容量的工频变压器，占用体积，结构复杂。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种基于多端DC/DC变换器的用于潮流控制的电路及控制方法。该电路特别适用于不控整流型电路，且多端电源部分距离较近的情况。该潮流控制电路其电压等级远低于直流电网电压，可通过低压器件实现对高压直流电网的控制，也降低了开关器件功耗。同时由于该电路具备较强的电压控制能力，直流电网中无需再增加电容实现稳压，简化了直流电网结构，降低了成本。

如说明书附图图1所示，本发明提供的方案中，该电路与整流电路串联，包含调压电路和多端DC/DC电路。调压电路实现直流侧电压谐波补偿，同时进行潮流控制。考虑到潮流控制过程会引起电路能量不平衡，为此通过多端DC/DC电路实现不同电路间的能量交换。为了避免多种控制可能引起的冲突，本发明还提出了一种主从结构的控制策略。主控单元调压电路不进行潮流控制，而是维持自身电容电压稳定；从控单元的调压电路则进行潮流控制，进而最终实现多端直流系统的潮流控制，其电容电压稳定则通过多端DC/DC电路实现。本发明特别适合于不控整流的多端直流系统，同时多个源端距离较近的情况。

本发明具体采用以下技术方案：

一种多端直流电网潮流控制电路，如图1所示，其特征在于：配置在多端直流电网中的源端，与整流电路构成串联，包括：分别位于背靠背的双H桥结构两侧的调压电路和多端DC/DC电路；所述调压电路一侧的H桥的一端连接模块电容C₁，另一端连接输出滤波电路(包含滤波电感L₁和滤波电容C_O1)并最终与直流电网串联；所述多端DC/DC电路一侧的H桥连接高频电压器的绕组。

优选地，所述调压电路用于补偿电压中的谐波，并进行潮流控制；所述多端DC/DC电路用于不同DC/DC模型之间的能量传输控制。

优选地，所述多端直流电网潮流控制电路至少有两个，分别连接同一个高频变压器的不同端的绕组。

优选地，将其中一个多端直流电网潮流控制电路作为主控单元，其余作为从控单元；所述主控单元的调压电路通过对电容电压的闭环控制将自身模块电容电压维持在设定值，不进行潮流控制；所述从控单元的调压电路用于进行潮流控制。

优选地，所述从控单元通过多端DC/DC电路进行模块电容电压平衡。

以及根据以上优选的多端直流电网潮流控制电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A1：采集源端交流侧相电压U_P，并根据式(1)计算整流后直流电压平均值U_mean：

步骤A2：采集整流侧直流电压U_rec；

步骤A3：如图2所示，所述调压电路输出电压u_oref：

u_oref＝U_rec-U_mean+u_cc (2)

其中u_cc为调压电路控制量，根据主控单元和从控单元而有所不同。

优选地，对于所述主控单元，检测自身电容电压U_c1，与设定值V_capref进行做差后，送入比例微分调节器PI1，得到控制量u_cc，实现主控单元模块电容电压控制，如图3所示。

优选地，对于所述从控单元，系统检测直流电网总负载电流I_LALL，从控单元检测所在支路电流I_L1，设期望的潮流控制下该支路电流为I_R1＝ηI_LALL，其中η为比例系数(例如进行平均控制，则I_R1＝I_LALL/N，N是支路数量)，则将I_R1与支路实际电流I_L1做差后，送入比例微分调节器PI2，得到控制量u_cc，实现支路潮流控制，如图4所示。

优选地，在计算得到应输出的电压u_oref后，通过双环控制实现最终电压输出；如图5所示，在所述双环控制当中：调压电路实际输出为滤波电路中的滤波电容C_o1上的电压，即u_co1，其与参考电压u_oref做差后，送入比例微分控制器PI3，得到电流参考值i_cref，并与实际输出电流i_c1做差后，送入比例微分控制器PI4，得到最终输出电压参考值U_ref，并以此进行调制，用于控制调压电路一侧H桥的各开关器件的状态。

优选地，所述主控单元的多端DC/DC电路输出相位固定且相移始终为零的矩形波电压；所述从控单元的多端DC/DC电路根据自身电容电压调整相位，输出相位超前或滞后于主控单元的矩形波电压。

本发明及其优选方案特别适用于不控整流型电路，且电源部分距离较近的情况。该潮流控制电路其电压等级远低于直流电网电压，可通过低压器件实现对高压直流电网的控制，也降低了开关器件功耗。同时由于该电路具备较强的电压控制能力，直流电网中无需再增加电容实现稳压，简化了直流电网结构，降低了成本。

为了避免多种控制可能引起的冲突，本发明还提出了一种主从结构的控制策略。主控单元调压电路不进行潮流控制，而是维持自身电容电压稳定；从控单元则调压电路进行潮流控制，从而最终实现多端直流系统的潮流控制，其电容电压稳定则通过多端DC/DC电路实现。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例多端潮流控制电路原理示意图；

图2为本发明实施例调压电路控制原理示意图；

图3为本发明实施例主控单元电容电压闭环控制原理示意图；

图4为本发明实施例从控单元潮流控制原理示意图；

图5为本发明实施例调压电路双环控制原理示意图；

图6为本发明实施例多端DC/DC电路输出相位调整原理示意图；

图7为本发明实施例主控和从控单元多端DC/DC电路输出电压示意图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

本实施例提出的潮流控制电路如图1所示。对于多端直流电网中的每个源端，增加潮流控制电路，该电路与源端为串联关系。每个潮流控制电路包括调压电路与多端DC/DC电路，形成背靠背的双H桥结构。调压电路由H桥臂(由四个开关管S₁，S₂，S₃和S₄组成)，模块电容C₁及输出滤波电路L₁和C_O1构成。多端DC/DC电路则由一个H桥及高频变压器(T₁，T₂，…)构成，其中T₁，T₂是同一个高频变压器的不同端的绕组。

这两部分的功能为，调压部分负责补偿电压中的谐波，并进行潮流控制；多端DC/DC电路实现不同DC/DC模型之间的能量传输控制。

调压部分和多端DC/DC电路要实现各自功能，需要各电路进行合理的控制。各H桥模块均有独立的电容，各电路要稳定工作，需要保证模块电容电压平衡。多端DC/DC只能在不同模块之间交换能量，即只能保证各模块的电容电压(即模块电容C₁两端的电压)均衡，因此并不能保证各模块的电容电压处于有效工作区域。为此，本实施例的各模块控制过程如下：

(1)采用主从控制方法，其中一个潮流控制电路作为主控单元，其余作为从控单元。主从单元的调压电路采用不同的控制策略。

(2)调压电路一部分功能是实现电网电压谐波的补偿。调压电路输出与整流后电压谐波相反的电压，以保证送到直流电网中的电压为直流电压。假设整流后的电压为U_rec，其平均值为U_mean，则谐波分量为U_ref-U_mean，这将作为调压电路输出的一部分。对于三相整流情况，如果交流侧相电压为U_P，可以根据式(1)推算输出平均电压U_mean。

(3)调压电路另外功能是，根据主从单元不同，分别实现维持电容电压稳定，和实现潮流控制。对于主控单元，通过对自身模块电容电压的闭环控制实现将电容电压维持在设定值。若电容电压设定值为V_capref，实际采样值为U_c1，则通过PI控制器得到调整电压u_cc，作为调压电路输出的一部分。即最终调压电路输出如式(2)所示。

假设流过调压电路的直流电流为IL且保持不变，则一个周期内调压电路积累能量为：

可见通过PI控制器调节u_cc最终能改变调压电路模块能量，也即改变其模块电容电压。

(4)对于从控单元，其调压电路只进行潮流控制。根据图1电路，直流电网电压U_grid与整流电压U_rec1，以及调压电路输出电压u_CO1之间为串联关系，即U_grid＝U_rec1–u_CO1，因此，调节u_CO1，能够改变送往直流侧的电压，从而实现潮流控制。最终潮流控制过程为，假设要控制的支路电流为I_R1，例如进行平均控制，则I_R1＝I_LALL/N，其中I_LALL是直流电网总的负载电流，N是支路数量。若支路实际采样电流为I_L1，则将其作为反馈量，I_R1作为参考量，通过PI控制器，得到调节电压u_cc。最终，调压电路输出为该调节电压叠加谐波电压，如式(2)所示。

(5)由于从控单元的调压电路作为潮流控制，不参与自身电容电压调整，因此其自身电容电压平衡，只能通过多端DC/DC电路实现。多端DC/DC电路用于各模块之间的能量交换。其中，主控单元输出相位固定的方波，从控单元则根据自身电容电压选择输出相位超前或者滞后的方波，以馈送或者吸收电能。

具体地，在本实施例中：

对于调压电路，其输出电压如式(2)所示，其控制逻辑结构图如图2所示。采集源端交流侧相电压U_P，并根据式(1)计算其平均值U_mean。采集整流侧直流电压U_rec。最终调压电路输出u_oref如式(2)所示。其中u_cc为调压电路控制量。

对于主控单元，调压电路控制量u_cc的获得过程如图3所示。主控单元检测自身模块电容电压U_c1，与设定值V_capref进行做差后，送入比例微分调节器PI1，得到控制量u_cc，完成自身电容电压的闭环控制。主控单元不进行潮流控制。

对于从控单元，控制量u_cc的获得过程如图4所示。系统检测直流电网总负载电流I_LALL，从控单元检测所在支路电流I_L1，若希望潮流控制下该支路电流为I_R1＝ηI_LALL(比如均分电流规则下，η＝1/N，N为支路总数)，则将其与支路实际电流I_L1做差后，送入比例微分调节器PI2，得到控制量u_cc，实现支路潮流控制。从控单元只进行潮流控制，不对自身模块电容电压进行控制。

对于调压电路，在计算得到应输出的电压u_oref后，通过双环控制实现最终电压输出。双环控制逻辑如图5所示。以图1电路为例，调压电路实际输出为滤波电容C_o1上电压，即u_co1，其与参考电压u_oref做差后，送入比例微分控制器PI3，得到电流参考值i_cref，并与实际输出电流i_c1做差后，送入比例微分控制器PI4，得到最终输出电压参考值U_ref，并以此进行PWM调制，最终控制调压电路H桥各开关器件的状态。

对于多端DC/DC部分，主控单元输出相位固定，或者说相移始终为零的矩形波电压，从控单元则根据自身模块电容电压调整相位，如图6所示，输出相位超前或滞后于主控单元的矩形波电压。主控和从控单元多端DC/DC电路输出电压如图7所示。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的多端直流电网潮流控制电路及其控制方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种多端直流电网潮流控制电路，其特征在于：设置在多端直流电网中的源端，与整流电路构成串联，包括：分别位于相连接的背靠背的双H桥结构两侧的调压电路和多端DC/DC电路；所述调压电路一侧的H桥的一端连接模块电容C₁，另一端连接LC输出滤波电路；所述多端DC/DC电路一侧的H桥连接同一高频变压器的不同绕组；

其中，所述调压电路由相连接的包括四个开关管S₁，S₂，S₃和S₄的H桥臂、模块电容C₁及输出滤波电路构成，并通过输出滤波电路串接至二极管整流电路和直流电网之间；所述多端DC/DC电路则由相连接的一个H桥及高频变压器的绕组构成；

所述调压电路用于补偿电压中的谐波，并进行潮流控制；所述多端DC/DC电路用于不同DC/DC模型之间的能量均衡控制；

所述多端直流电网潮流控制电路至少有两个；

将其中一个多端直流电网潮流控制电路作为主控单元，其余作为从控单元；所述主控单元的调压电路通过对电容电压的闭环控制将自身模块电容电压维持在设定值，不进行潮流控制；所述从控单元的调压电路则用于进行潮流控制；

其控制方法包括以下步骤：

步骤A1：采集源端交流侧相电压U_P，并根据式(1)计算其平均值U_mean：

步骤A2：采集整流侧直流电压U_rec；

步骤A3：所述调压电路输出电压u_oref：

u_oref＝U_rec-U_mean+u_cc (2)；

其中u_cc为调压电路控制量。

2.根据权利要求1所述的多端直流电网潮流控制电路，其特征在于：所述从控单元通过多端DC/DC电路进行模块电容电压平衡。

3.根据权利要求1所述的多端直流电网潮流控制电路的控制方法，其特征在于：对于所述主控单元，检测自身电容电压U_c1，与设定值V_capref进行做差后，送入比例微分调节器PI1，得到控制量u_cc。

4.根据权利要求1所述的多端直流电网潮流控制电路的控制方法，其特征在于：系统检测直流电网总负载电流I_LALL，从控单元检测所在支路电流I_L1，设期望的潮流控制下该支路电流为I_R1＝ηI_LALL，其中η为比例系数，则将其与支路实际电流I_L1做差后，送入比例微分调节器PI2，得到控制量u_cc，实现支路潮流控制。

5.根据权利要求1所述的多端直流电网潮流控制电路的控制方法，其特征在于：在计算得到应输出的电压u_oref后，通过双环控制实现最终电压输出；在所述双环控制当中：调压电路实际输出为滤波电路中的滤波电容C_o1上的电压，即u_co1，其与参考电压u_oref做差后，送入比例微分控制器PI3，得到电流参考值i_cref，并与实际输出电流i_c1做差后，送入比例微分控制器PI4，得到最终输出电压参考值U_ref，并以此进行调制，用于控制调压电路一侧H桥的各开关器件的状态。

6.根据权利要求1所述的多端直流电网潮流控制电路的控制方法，其特征在于：所述主控单元的多端DC/DC电路输出相位固定且相移始终为零的矩形波电压；所述从控单元的多端DC/DC电路根据自身电容电压调整相位，输出相位超前或滞后于主控单元的矩形波电压。

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