CN114069595A - 一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法，包括：模块化多电平直流变压器；嵌入变压器中的多端口直流潮流控制模块与所述模块化多电平直流变压器通过整流器进行连接。本发明将多端口潮流控制模块内嵌于直流变压器，通过两者之间的耦合实现能量平衡，不需要对直流潮流控制模块单独供电，潮流控制模块串联在直流线路上，无需承担系统级功率；本发明具有装置成本低、占地面积小、潮流控制范围广等优势；本发明中的多端口直流潮流控制模块具备模块化的特点，通过增加直流潮流控制模块中并联的斩波器数量，可快速、经济地实现直流输出端口的拓展。

Description

一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输配电技术、电力电子的技术领域，尤其涉及一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法。
背景技术
直流电网与交流电网相比，具有电能质量高、控制灵活和电能损耗低等优点。随着柔性直流输配电技术的发展，为提高直流电网的控制灵活性及供电可靠性，充分利用直流系统易于多端馈入、多端成网的优势，未来直流电网将是环状、网状的拓扑结构。
但是，环状、网状直流电网的发展提出了同电压等级线路潮流控制和不同电压等级线路互联的需求。一方面，网状多端直流系统内包含多种不同电压等级的线路，需要进行不同直流电压等级的变换；另一方面，在网状多端直流电网中，直流线路潮流取决于换流器的控制及线路阻抗。当线路数大于或等于换流站个数时，系统潮流控制能力不足，线路潮流按照线路阻抗自然分配，容易引起部分线路损耗较大甚至过载的问题。
为解决上述问题，通常用高变比直流变压器实现直流电压的变换和不同电压等级线路的互联；通过在直流系统中加入直流潮流控制器(DC Power Flow Controller，DCPFC)来优化直流潮流分配。
现有的直流潮流控制器可以分为电阻型潮流控制器和电压型潮流控制器，其中电压型潮流控制器又可以进一步分为变压器型、可控电压源型和线间潮流控制器；电阻型潮流控制器通过在线路中串入可变电阻来改变系统潮流，其结构简单，成本低廉，但是只能单向调节，且需要大容量散热设备；变压器型直流潮流控制器通过在线路中并入直流变压器，调节端口电压以控制线路潮流。其优势在于控制方式简单，可以双向调节，具有故障隔离能力，但是潮流控制器需要承担线路上全部的电压和功率，增加了损耗，且设备成本高。串联电压源型潮流控制器克服了变压器型潮流控制器的缺点，通过在线路中串联小容量的受控电压源来改变直流线路电压，实现对潮流的灵活控制。串联电压源型潮流控制器无需承担全电压及全功率，但是需要外部电源供电以及高电压隔离；线间潮流控制器通过在不同线路间建立能量耦合通道，无需外部供电即可对不同线路的电潮流进行控制，但是，线间潮流控制器需要满足多端口之间的能量平衡约束条件，因此潮流控制能力依然受限。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：现有技术中潮流控制能力无法兼顾多方面的要求而达到最好的效果。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：模块化多电平直流变压器；嵌入变压器中的多端口直流潮流控制模块与所述模块化多电平直流变压器通过整流器进行连接。
作为本发明所述的具备直流潮流控制的直流变压器系统的一种优选方案，其中：所述多端口直流潮流控制模块包括所述整流器、公共连接母线电容和多个共享同一公共连接母线且彼此互相并联的斩波器，三者通过直流母线进行连接；所述多端口直流潮流控制模块和直流输出线路通过所述斩波器进行连接。
作为本发明所述的具备直流潮流控制的直流变压器系统的一种优选方案，其中：所述模块化多电平直流变压器的类型包括中高频隔离变压器的隔离型直流变压器。
作为本发明所述的具备直流潮流控制的直流变压器系统的一种优选方案，其中：所述模块化多电平直流变压器的原边侧拓扑为模块化多电平结构，子模块为半桥型子模块；所述模块化多电平直流变压器的副边侧拓扑包括半桥型逆变器、全桥型逆变器或其他多电平电压源型逆变器。
作为本发明所述的具备直流潮流控制的直流变压器系统的一种优选方案，其中：所述多端口直流潮流控制模块与所述模块化多电平直流变压器的原边侧相桥臂末端连接。
作为本发明所述的具备直流潮流控制的直流变压器系统的一种优选方案，其中：所述多端口直流潮流控制模块中的斩波器的拓扑包括两电平半桥型斩波器或其他可实现功率双向流动的非隔离型直流变换器。
作为本发明所述的具备直流潮流控制的直流变压器系统的一种优选方案，其中：所述多端口直流潮流控制模块中的整流器包括全桥型整流器。
作为本发明所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法的一种优选方案，其中：包括直流变压器功率控制环、多端口直流潮流控制环和直流潮流控制模块母线电压平衡控制环。
作为本发明所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法的一种优选方案，其中：所述直流变压器功率控制环的控制目标为直流变压器的总功率PDCT等于参考值
Figure BDA0003393755450000031
作为本发明所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法的一种优选方案，其中：所述直流变压器功率控制环的控制过程包括，利用传感器采集直流变压器副边侧逆变器的直流电压Ui和直流电流Ii，并计算实际功率PDCT，将总功率PDCT及其参考值
Figure BDA0003393755450000032
输入比例积分控制器，实现所述直流变压器总功率的闭环控制；所述直流变压器功率控制环根据总功率参考值
Figure BDA0003393755450000033
计算所述直流变压器副边侧交流电压和原边侧交流电压之间的移相比dM，所述直流变压器总功率与移相比之间具体的数学方程为：
Figure BDA0003393755450000034
其中，Up和Us是直流变压器副边侧和原边侧直流电压，N是隔离变压器的变比，Lac是直流变压器交流回路的总等效电感，总等效电感归算到副边侧，f是开关器件的开关频率，dM是直流变压器副边侧交流电压和原边侧交流电压之间的移相比，dM大于0时表示副边侧交流电压超前于原边侧交流电压。
作为本发明所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法的一种优选方案，其中：所述多端口直流潮流控制环的控制目标为所述多端口直流潮流控制模块的n-1条输出线路上的直流潮流达到参考值，其中n为总输出线路数量。
作为本发明所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法的一种优选方案，其中：所述多端口直流潮流控制环的控制过程包括，所述多端口直流潮流控制环先根据给定的各个输出端口潮流大小参考值和直流变压器原边侧直流电压大小，计算出各个输出端口的直流电流参考值大小，再对各个输出端口的直流电流进行闭环控制；所述多端口直流潮流控制环一共包含n-1个比例积分控制器，通过所述比例积分控制器对n-1条输出线路上的直流电流进行控制，剩下的一条线路潮流等于直流变压器总功率减去其他n-1条线路的潮流之和；所述多端口直流潮流控制环中的第k个比例积分器控制第k条线路上的直流电流Iok大小，其输入为直流潮流控制模块的第k个输出端口直流电流的参考值与瞬时值之差，输出为直流潮流控制模块的第k个斩波器的占空比dok，第k个输出端口的电流与第k个斩波器占空比之间的数学方程为：
Figure BDA0003393755450000041
其中，Pok是直流潮流控制模块第k个输出端口的功率，Iok是第k条输出线路上的直流电流，dok是直流潮流控制模块第k个斩波器的占空比，Us是直流变压器原边侧直流电压，UC是直流潮流控制模块的直流母线电压。
作为本发明所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法的一种优选方案，其中：所述直流潮流控制模块母线电压平衡控制环的控制目标为保持所述多端口直流潮流控制模块的直流母线电压稳定为参考值
Figure BDA0003393755450000044
作为本发明所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法的一种优选方案，其中：所述直流潮流控制模块母线电压平衡控制环的控制过程包括，所述直流潮流控制模块的直流母线电容上产生的能量累积PPo的数学方程为：
Figure BDA0003393755450000042
其中，Iok是第k条输出线路上的直流电流，dok是直流潮流控制模块第k个斩波器的占空比，UC为直流潮流控制模块直流母线电压；
所述直流潮流控制模块母线电压平衡控制环通过调节所述直流变压器副边侧交流电压和直流潮流控制模块的整流器输入交流电压的移相比dP来改变直流潮流控制模块的整流器输出电流、补偿直流潮流控制模块直流母线电容上的能量累积，所述移相比dP与直流母线电容补偿充电功率之间满足方程：
Figure BDA0003393755450000043
其中，Is为交流变压器原边侧交流电流的幅值，UC为直流潮流控制模块直流母线电压，dM为直流变压器副边侧交流电压和原边侧交流电压之间的移相比，dP为直流变压器副边侧交流电压和直流潮流控制模块的整流器输入交流电压的移相比；
所述直流潮流控制模块母线电压平衡控制环使用比例积分控制器实现闭环控制，所述比例积分控制器的输入为所述直流潮流控制模块的直流母线电压UC及其参考值
Figure BDA0003393755450000051
输出为直流变压器副边侧交流电压和直流潮流控制模块的整流器输入交流电压的移相比dP，在平衡状态下，满足所述直流潮流控制模块的能量平衡方程：
PPi+PPo＝0
其中，PPi为整流器向潮流控制模块直流母线电容的平均充电功率，PPo为所有斩波器向潮流控制模块直流母线电容的平均充电功率。
本发明的有益效果：本发明将多端口潮流控制模块内嵌于直流变压器，通过两者之间的耦合实现能量平衡，不需要对直流潮流控制模块单独供电，潮流控制模块串联在直流线路上，无需承担系统级功率；本发明具有装置成本低、占地面积小、潮流控制范围广等优势；本发明中的多端口直流潮流控制模块具备模块化的特点，通过增加直流潮流控制模块中并联的斩波器数量，可快速、经济地实现直流输出端口的拓展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例提供的一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法的拓扑结构示意图；
图2为本发明一个实施例提供的一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法的另一个拓扑结构示意图；
图3为本发明一个实施例提供的一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法的柔性直流电网示意图；
图4为本发明一个实施例提供的一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法的基本流程示意图；
图5为本发明一个实施例提供的一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法的实施方案一中包含两个直流潮流控制模块的、直流变压器副边侧采用全桥型逆变器、直流潮流控制模块采用全桥整流器和半桥斩波器、具有两个中压直流输出端口的直流变压器系统示意图；
图6为本发明一个实施例提供的一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法的实施方案二中只包含一个直流潮流控制模块的、直流变压器副边侧采用全桥型逆变器、直流潮流控制模块采用全桥整流器和半桥斩波器、具有两个中压直流输出端口的直流变压器系统示意图；
图7为本发明一个实施例提供的一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法的实施方案一中各个仿真工况下直流变压器中压直流侧、低压直流侧的电压电流波形、直流变压器内部子模块电压波形、潮流控制模块直流电压母线波形、变压器交流电压电流波形和潮流控制模块输入交流电压波形图；
图8为本发明一个实施例提供的一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法的实施方案二中各个仿真工况下直流变压器中压直流侧、低压直流侧的电压电流波形、直流变压器内部子模块电压波形、潮流控制模块直流电压母线波形、变压器交流电压电流波形和潮流控制模块输入交流电压波形图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1～3，为本发明的一个实施例，提供了一种具备直流潮流控制的直流变压器系统，包括：
模块化多电平直流变压器(Modular-multilevel DC Transformer，MMDCT)；
嵌入变压器中的多端口直流潮流控制模块与模块化多电平直流变压器通过整流器进行连接。
需要说明的是，如图1～2所示，本发明提供了一种适用于环状、网状直流电网的具备多端口直流潮流控制能力的直流变压器系统，具备多端口直流潮流控制能力的直流变压器系统包括模块化多电平直流变压器和多端口直流潮流控制模块，进一步的，一种核心设备为具有潮流控制能力的直流变压器系统的柔性直流电网如图3所示。
具体的，模块化多电平直流变压器的类型包括中高频隔离变压器的隔离型直流变压器。
多端口直流潮流控制模块包括一个整流器、一个公共连接母线电容和多个共享同一公共连接母线且彼此互相并联的斩波器，优选的，多端口直流潮流控制模块中的公共连接母线为直流母线。
进一步的，直流潮流控制模块和模块化多电平直流变压器通过整流器连接；直流潮流控制模块和多条直流输出线路分别通过斩波器相连，通过调节串联在各个直流线路上的斩波器的输出电压的大小，实现多端口直流潮流主动控制。
多端口直流潮流控制器与中压级直流变压器的相桥臂相连，实现所述多端口直流潮流控制器与所述直流变压器的能量耦合；通过调节直流潮流控制模块输入电压的相位，实现所述多端口直流潮流控制模块的公共连接母线电压稳定。
优选的，具有多端口潮流控制能力的模块化多电平直流变压器系统可以包含两个直流潮流控制模块，也可以仅包含一个直流潮流控制模块。
当具备多端口直流潮流控制能力的直流变压器系统仅含有一个多端口直流潮流控制模块时，直流潮流控制模块与模块化多电平直流变压器的一端相桥臂相连，通过调节直流潮流模块内各个斩波器的输出电压大小，实现多端口直流潮流主动控制。
当具备多端口直流潮流控制能力的直流变压器系统含有两个多端口直流潮流控制模块时，两个直流潮流控制模块分别对称连接到模块化多电平直流变压器相桥臂的两端，通过对两个直流潮流控制模块的共同控制，调节输出线路的直流潮流。
优选的，模块化多电平直流变压器的原边侧拓扑为模块化多电平结构，子模块为半桥型子模块；模块化多电平直流变压器的副边侧拓扑可以是半桥型逆变器、也可以是全桥型逆变器或其他多电平电压源型逆变器。
优选的，多端口直流潮流控制模块与模块化多电平直流变压器的原边侧相桥臂末端连接。
优选的，多端口直流潮流控制模块中的斩波器的拓扑可以是两电平半桥型斩波器或其他可实现功率双向流动的非隔离型直流变换器。
优选的，多端口直流潮流控制模块中的整流器可以是一个全桥型整流器。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
实施例2
参照图4为本发明另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法，包括：直流变压器功率控制环、多端口直流潮流控制环和直流潮流控制模块母线电压平衡控制环。
需要说明的是，直流变压器功率控制环的控制目标为直流变压器的总功率PDCT等于参考值
Figure BDA0003393755450000101
直流变压器功率控制环的控制过程包括：
利用传感器采集直流变压器副边侧逆变器的直流电压Ui和直流电流Ii，并计算实际功率PDCT，将总功率PDCT及其参考值
Figure BDA0003393755450000102
输入比例积分控制器，实现直流变压器总功率的闭环控制；
直流变压器功率控制环根据总功率参考值
Figure BDA0003393755450000103
计算直流变压器副边侧交流电压和原边侧交流电压之间的移相比dM，直流变压器总功率与移相比之间具体的数学方程为：
Figure BDA0003393755450000104
其中，Up和Us是直流变压器副边侧和原边侧直流电压，N是隔离变压器的变比，Lac是直流变压器交流回路的总等效电感，总等效电感归算到副边侧，f是开关器件的开关频率，dM是直流变压器副边侧交流电压和原边侧交流电压之间的移相比，dM大于0时表示副边侧交流电压超前于原边侧交流电压。
进一步的，多端口直流潮流控制环的控制目标为多端口直流潮流控制模块的n-1条输出线路上的直流潮流达到参考值，其中n为总输出线路数量。
多端口直流潮流控制环的控制过程包括：
多端口直流潮流控制环先根据给定的各个输出端口潮流大小参考值和直流变压器原边侧直流电压大小，计算出各个输出端口的直流电流参考值大小，再对各个输出端口的直流电流进行闭环控制；
多端口直流潮流控制环一共包含n-1个比例积分控制器，通过比例积分控制器对n-1条输出线路上的直流电流进行控制，剩下的一条线路潮流等于直流变压器总功率减去其他n-1条线路的潮流之和；
多端口直流潮流控制环中的第k个比例积分器控制第k条线路上的直流电流Iok大小，其输入为直流潮流控制模块的第k个输出端口直流电流的参考值与瞬时值之差，输出为直流潮流控制模块的第k个斩波器的占空比dok，第k个输出端口的电流与第k个斩波器占空比之间的数学方程为：
Figure BDA0003393755450000111
其中，Pok是直流潮流控制模块第k个输出端口的功率，Iok是第k条输出线路上的直流电流，dok是直流潮流控制模块第k个斩波器的占空比，Us是直流变压器原边侧直流电压，UC是直流潮流控制模块的直流母线电压。
更进一步的，直流潮流控制模块母线电压平衡控制环的控制目标为保持多端口直流潮流控制模块的直流母线电压稳定为参考值
Figure BDA0003393755450000112
直流潮流控制模块母线电压平衡控制环的控制过程包括：
直流潮流控制模块的直流母线电容上产生的能量累积PPo的数学方程为：
Figure BDA0003393755450000113
其中，Iok是第k条输出线路上的直流电流，dok是直流潮流控制模块第k个斩波器的占空比，UC为直流潮流控制模块直流母线电压；
直流潮流控制模块母线电压平衡控制环通过调节直流变压器副边侧交流电压和直流潮流控制模块的整流器输入交流电压的移相比dP来改变直流潮流控制模块的整流器输出电流、补偿直流潮流控制模块直流母线电容上的能量累积，移相比dP与直流母线电容补偿充电功率之间满足方程：
Figure BDA0003393755450000114
其中，Is为交流变压器原边侧交流电流的幅值，UC为直流潮流控制模块直流母线电压，dM为直流变压器副边侧交流电压和原边侧交流电压之间的移相比，dP为直流变压器副边侧交流电压和直流潮流控制模块的整流器输入交流电压的移相比；
直流潮流控制模块母线电压平衡控制环使用比例积分控制器实现闭环控制，比例积分控制器的输入为直流潮流控制模块的直流母线电压UC及其参考值
Figure BDA0003393755450000121
输出为直流变压器副边侧交流电压和直流潮流控制模块的整流器输入交流电压的移相比dP，在平衡状态下，满足直流潮流控制模块的能量平衡方程：
PPi+PPo＝0
其中，PPi为整流器向潮流控制模块直流母线电容的平均充电功率，PPo为所有斩波器向潮流控制模块直流母线电容的平均充电功率。
与现有的直流潮流控制器相比，本发明将多端口潮流控制模块内嵌于直流变压器，通过两者之间的耦合实现能量平衡，不需要对直流潮流控制模块单独供电；潮流控制模块串联在直流线路上，无需承担系统级功率；本发明通过将直流变压器和直流潮流控制模块组合，采用串联电压源的方式实现主动潮流控制，具有装置成本低、占地面积小、潮流控制范围广等优势；本发明中的多端口直流潮流控制模块具备模块化的特点，通过增加直流潮流控制模块中并联的斩波器数量，可快速、经济地实现直流输出端口的拓展。
实施例3
参照图4～8为本发明另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法的验证测试，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用本发明方法进行测试，以科学论证的手段验证本方法所具有的真实效果。
在第一种实施方式中，如图5，本实施例使用含有两个多端口直流潮流控制模块的直流变压器装置实现直流变压和两条线路输出潮流控制；每个所述多端口直流潮流控制模块包括一个全桥型输入端整流器、一个直流母线电容和与之并联的两个半桥型斩波器。通过调节模块化多电平直流变压器副边侧和原边侧交流电压的相位差，实现直流变压器总功率控制；通过调节模块化多电平直流变压器副边侧交流电压和多端口直流潮流控制器整流器交流电压的相位差，实现直流变压器和直流潮流控制模块之间的能量平衡；通过调节直流潮流模块输出端各个斩波器的占空比，改变端口之间的直流电压差，调节各条输出线路上的直流潮流。
在第二种实施方式中，参照图6，具备直流潮流控制能量的直流变压器仅包含一个多端口直流潮流控制模块；该直流潮流控制模块含有两个共用直流母线的斩波器，斩波器的输出端口分别连接两条直流输出线路，两条直流输出线路的另一端都连接到直流变压器的另一侧相桥臂上。
该实施方式中，由于拓扑结构的不对称，直流变压器上下桥臂能量不平衡，为此增加现有的桥臂能量平衡控制环。除此以外，实现直流变压器总功率控制、直流潮流控制模块内部能量平衡的原理和输出潮流控制的原理与第一种实施方式相同。
以下结合具体的仿真实例对上述二个实施方式中的结构和方法的应用分别进行进一步说明。
结合上述实施方式，以下采用MATLAB/Simulink软件针对系统进行仿真验证，仿真参数如表1所示。
表1：仿真参数表。
Figure BDA0003393755450000131
Figure BDA0003393755450000141
仿真实例一：
针对所述具有两个多端口直流潮流控制模块的中压级直流变压器进行仿真实验，其接线示意图参照图5，控制方法如图4所示。具有直流潮流控制能力的直流变压器包含一个模块化多电平直流变压器和两个直流潮流控制模块，每个多端口直流潮流控制模块包含两个半桥型斩波器，分别与两条中压直流输出线路连接，对应的控制环为直流潮流控制环，两个直流潮流控制模块分别与直流变压器的相桥臂连接，与直流变压器相连的全桥型整流器控制直流潮流控制模块的直流母线电压平衡，对应的控制环为潮流控制模块母线电压平衡控制环，此外，直流变压器功率控制环控制直流变压器总传递功率的大小和方向。
为验证多端口直流变压器装置的双向潮流控制能力，仿真设定了四种运行工况。
工况1：直流变压器维持总传输功率为额定值2MW，潮流控制器旁路，直流线路电流仅与线路电阻有关，两条输出线路的直流潮流自然流动，两条输出线路上的直流电压相等，而直流电流分别为-33A和-67A。
工况2：直流变压器维持总传输功率为额定值，将两个潮流控制模块投入运行，通过潮流控制模块的调节功能使得两条输出线路上直流电流相等，两条线路上的直流电流均为-50A。
工况3：直流变压器的低压端口功率反向，总功率大小为额定值，再次旁路潮流控制模块，直流潮流自然分配，两条输出线路上的直流电压相等，而直流电流分别为33A和67A。
工况4：直流变压器维持功率反向，总传输功率为额定值，潮流控制模块再次投入运行，控制两条输出线路的直流电流相等，两条线路上的直流电流均为50A。
图7为实施方案一的仿真结果，从左到右、从上到下依次为变压器中压直流侧两个端口的输出电压和电流波形、变压器副边侧输入直流电流和电压波形、直流潮流控制模块直流母线电压波形、子模块电容电压波形、四种工况下的变压器副边侧和原边侧交流电压波形、四种工况下的直流潮流控制模块交流电压波形、变压器副边侧交流电流波形。
仿真波形结果表明，直流潮流控制模块投入运行后，两条中压直流输出线路上的电流就从原先的不相等转变为相等，表明多端口直流潮流控制模块在不同工况下，可对多个输出端口上的直流潮流进行快速准确的控制。
仿真波形结果表明，具有多端口直流潮流控制功能的直流变压器装置在功率正向、反向传输的情况下，既实现了高变比直流变压，同时也对两条线路上的直流潮流进行双向控制，控制方法在各种工况下均能保持直流变压器总功率稳定、直流潮流控制器内部内部能量平衡、输出端口潮流灵活可控。
仿真实例二：
针对所述具有两个多端口直流潮流控制模块的中压级直流变压器进行仿真实验，其接线示意图参照图6，控制方法如图4所示。实施方案二与实施方案一的不同之处在于，具有直流潮流控制能力的直流变压器只包含一个直流潮流控制模块。直流潮流模块通过全桥型整流器与直流变压器相桥臂的一端相连，形成不对称结构，输出直流线路接在直流潮流控制模块的输出端和直流变压器相桥臂的另一端之间，不对称的拓扑结构造成直流变压器上下桥臂能量不平衡，为此使用现有的桥臂能量平衡控制方法进行控制。在方案一控制方案的基础上，增加一个直流变压器桥臂能量平衡控制环，除此之外，方案二实现直流变压器总功率控制、直流潮流控制模块内部能量平衡和输出潮流控制的控制方法与第一种实施方案相同。
为验证多端口直流变压器装置的双向潮流控制能力，方案二的仿真设定了四种运行工况，与方案一相同。
图8为实施方案二的仿真结果，从左到右、从上到下依次为变压器中压直流侧两个端口的输出电压和电流波形、变压器副边侧输入直流电流和电压波形、直流潮流控制模块直流母线电压波形、子模块电容电压波形、四种工况下的变压器副边侧和原边侧交流电流波形、四种工况下的直流潮流控制模块交流电流波形、变压器副边侧交流电流波形。
仿真波形结果表明，具有多端口直流潮流控制功能的直流变压器装置在只接一个直流潮流控制模块的情况下，同样可以实现功率正向、反向传输和高变比直流变压，同时能实现两条线路直流潮流的双向控制；在只接一个直流潮流控制模块的情况下，控制方法仍可以保持直流变压器总功率稳定、直流潮流控制器内部内部能量平衡、输出端口潮流灵活可控。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的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，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种具备直流潮流控制的直流变压器系统，其特征在于，包括：
模块化多电平直流变压器；
嵌入变压器中的多端口直流潮流控制模块与所述模块化多电平直流变压器通过整流器进行连接。
2.如权利要求1所述的具备直流潮流控制的直流变压器系统，其特征在于：所述多端口直流潮流控制模块包括所述整流器、公共连接母线电容和多个共享同一公共连接母线且彼此互相并联的斩波器，三者通过直流母线进行连接；
所述多端口直流潮流控制模块和直流输出线路通过所述斩波器进行连接。
3.如权利要求1所述的具备直流潮流控制的直流变压器系统，其特征在于：所述模块化多电平直流变压器的类型包括中高频隔离变压器的隔离型直流变压器。
4.如权利要求3所述的具备直流潮流控制的直流变压器系统，其特征在于：所述模块化多电平直流变压器的原边侧拓扑为模块化多电平结构，子模块为半桥型子模块；
所述模块化多电平直流变压器的副边侧拓扑包括半桥型逆变器、全桥型逆变器或其他多电平电压源型逆变器。
5.如权利要求1～4任一所述的具备直流潮流控制的直流变压器系统，其特征在于：所述多端口直流潮流控制模块与所述模块化多电平直流变压器的原边侧相桥臂末端连接。
6.如权利要求1或2所述的具备直流潮流控制的直流变压器系统，其特征在于：所述多端口直流潮流控制模块中的斩波器的拓扑包括两电平半桥型斩波器或其他可实现功率双向流动的非隔离型直流变换器。
7.如权利要求5所述的具备直流潮流控制的直流变压器系统，其特征在于：所述多端口直流潮流控制模块中的整流器包括全桥型整流器。
8.如权利要求1所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法，其特征在于：包括直流变压器功率控制环、多端口直流潮流控制环和直流潮流控制模块母线电压平衡控制环。
9.如权利要求8所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法，其特征在于：所述直流变压器功率控制环的控制目标为直流变压器的总功率PDCT等于参考值
Figure FDA0003393755440000011
10.如权利要求8或9所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法，其特征在于：所述直流变压器功率控制环的控制过程包括，
利用传感器采集直流变压器副边侧逆变器的直流电压Ui和直流电流Ii，并计算实际功率PDCT，将总功率PDCT及其参考值
Figure FDA0003393755440000021
输入比例积分控制器，实现所述直流变压器总功率的闭环控制；
所述直流变压器功率控制环根据总功率参考值
Figure FDA0003393755440000022
计算所述直流变压器副边侧交流电压和原边侧交流电压之间的移相比dM，所述直流变压器总功率与移相比之间具体的数学方程为：
Figure FDA0003393755440000023
其中，Up和Us是直流变压器副边侧和原边侧直流电压，N是隔离变压器的变比，Lac是直流变压器交流回路的总等效电感，总等效电感归算到副边侧，f是开关器件的开关频率，dM是直流变压器副边侧交流电压和原边侧交流电压之间的移相比，dM大于0时表示副边侧交流电压超前于原边侧交流电压。
11.如权利要求8所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法，其特征在于：所述多端口直流潮流控制环的控制目标为所述多端口直流潮流控制模块的n-1条输出线路上的直流潮流达到参考值，其中n为总输出线路数量。
12.如权利要求8或11所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法，其特征在于：所述多端口直流潮流控制环的控制过程包括，
所述多端口直流潮流控制环先根据给定的各个输出端口潮流大小参考值和直流变压器原边侧直流电压大小，计算出各个输出端口的直流电流参考值大小，再对各个输出端口的直流电流进行闭环控制；
所述多端口直流潮流控制环一共包含n-1个比例积分控制器，通过所述比例积分控制器对n-1条输出线路上的直流电流进行控制，剩下的一条线路潮流等于直流变压器总功率减去其他n-1条线路的潮流之和；
所述多端口直流潮流控制环中的第k个比例积分器控制第k条线路上的直流电流Iok大小，其输入为直流潮流控制模块的第k个输出端口直流电流的参考值与瞬时值之差，输出为直流潮流控制模块的第k个斩波器的占空比dok，第k个输出端口的电流与第k个斩波器占空比之间的数学方程为：
Figure FDA0003393755440000031
其中，Pok是直流潮流控制模块第k个输出端口的功率，Iok是第k条输出线路上的直流电流，dok是直流潮流控制模块第k个斩波器的占空比，Us是直流变压器原边侧直流电压，UC是直流潮流控制模块的直流母线电压。
13.如权利要求8所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法，其特征在于：所述直流潮流控制模块母线电压平衡控制环的控制目标为保持所述多端口直流潮流控制模块的直流母线电压稳定为参考值
Figure FDA0003393755440000032
14.如权利要求8或13所述的一种用于具备直流潮流控制的直流变压器系统的控制方法，其特征在于：所述直流潮流控制模块母线电压平衡控制环的控制过程包括，
所述直流潮流控制模块的直流母线电容上产生的能量累积PPo的数学方程为：
Figure FDA0003393755440000033
其中，Iok是第k条输出线路上的直流电流，dok是直流潮流控制模块第k个斩波器的占空比，UC为直流潮流控制模块直流母线电压；
所述直流潮流控制模块母线电压平衡控制环通过调节所述直流变压器副边侧交流电压和直流潮流控制模块的整流器输入交流电压的移相比dP来改变直流潮流控制模块的整流器输出电流、补偿直流潮流控制模块直流母线电容上的能量累积，所述移相比dP与直流母线电容补偿充电功率之间满足方程：
Figure FDA0003393755440000034
其中，Is为交流变压器原边侧交流电流的幅值，UC为直流潮流控制模块直流母线电压，dM为直流变压器副边侧交流电压和原边侧交流电压之间的移相比，dP为直流变压器副边侧交流电压和直流潮流控制模块的整流器输入交流电压的移相比；
所述直流潮流控制模块母线电压平衡控制环使用比例积分控制器实现闭环控制，所述比例积分控制器的输入为所述直流潮流控制模块的直流母线电压UC及其参考值
Figure FDA0003393755440000041
输出为直流变压器副边侧交流电压和直流潮流控制模块的整流器输入交流电压的移相比dP，在平衡状态下，满足所述直流潮流控制模块的能量平衡方程：
PPi+PPo＝0
其中，PPi为整流器向潮流控制模块直流母线电容的平均充电功率，PPo为所有斩波器向潮流控制模块直流母线电容的平均充电功率。
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