CN115333106A - 一种具有多端口直流潮流控制的柔直换流器及其控制方法 - Google Patents

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CN115333106A CN202210850282.9A CN202210850282A CN115333106A CN 115333106 A CN115333106 A CN 115333106A CN 202210850282 A CN202210850282 A CN 202210850282A CN 115333106 A CN115333106 A CN 115333106A
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Abstract

本发明公开了一种具有多端口直流潮流控制的柔直换流器及其控制方法，包括模块化多电平柔直变换器和内嵌于柔直换流器中的直流潮流控制器。其具有模块化、端口数量可灵活调整的特点，能双向控制两条或多条线路的直流潮流，解决网状直流系统中直流潮流控制自由度不足的问题。直流潮流控制器直接内嵌于柔直换流器，无需外部的供电电源与高压隔离装置即可实现能量平衡，潮流调节范围广。本发明提出的控制方法能够控制所述装置的内部与外部能量平衡。本发明提出的主回路参数设计方法能够为设计所述装置提供电路元件的选型依据。本发明提出的故障保护策略和故障电流主动抑制方法能够提升所述装置在复杂极端工况下的可靠性，协助系统实现故障穿越。

Description

一种具有多端口直流潮流控制的柔直换流器及其控制方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输配电、电力电子技术领域，特别是一种适用于高压直流输电电网的具有多端口直流潮流控制的模块化多电平柔直换流器及其控制方法。
背景技术
柔性直流输电技术，具有有功无功独立可控、无需无功补偿、可向无源网络供电、潮流反转时电压极性不变等特点，可提高系统运行控制的灵活性。柔性直流输、配电系统，从最初的单送端到单受端的“点对点”结构，发展成为多电源供电和多落点受电的多端柔直系统结构，未来向更复杂的环网状拓扑结构发展。网状柔直系统可进一步增强运行控制的灵活性、系统冗余度和供电的可靠性，有利于整合广域多类型电源，实现大范围内电能的高效传输与优化分配，迎合了当下规模化开发的新能源多端并网、多落点受电和广域互联的应用需求，可有效缓解新能源功率波动引发的电压稳定和大型互联交流网的频率稳定问题。
在网状结构的直流系统中，部分可控节点之间存在多条回路，可提升配置及控制的灵活性、供电的可靠性。但是当输电线路数大于等于可控节点的个数时，却无法单纯依靠换流器的控制实现直流线路潮流的完全受控，因而容易引发输电断面堵塞、线路过载、线损过高等问题。
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，本发明提供了一种具有多端口直流潮流控制的柔直换流器及其控制方法，能够解决输电断面堵塞、线路过载、线损过高等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种具有多端口直流潮流控制的柔直换流器，包括：
模块化多电平柔直换流器；以及，
内嵌于模块化多电平柔直换流器中的直流潮流控制器。
作为本发明所述的具有多端口直流潮流控制的柔直换流器的一种优选方案，其中：所述直流潮流控制器包括两个或多个直流潮流控制单元，直流潮流控制单元数量与直流潮流控制器的端口数量相等，各个直流潮流控制单元能够调整所连接的直流线路上的直流潮流。
作为本发明所述的具有多端口直流潮流控制的柔直换流器的一种优选方案，其中：所述直流潮流控制单元由三相星形连接的子模块链和桥臂电感器组成，子模块链和电感器连接的三相中性点，作为直流潮流调节端口。
作为本发明所述的具有多端口直流潮流控制的柔直换流器的一种优选方案，其中：所述模块化多电平柔直换流器为中压级或高压级、具有模块化多电平结构的、三相的、电压源型变流器，其具备交直流电能变换的功能，可以实现中高压交流电网和直流系统的联接。
作为本发明所述的具有多端口直流潮流控制的柔直换流器的一种优选方案，其中：所述内嵌式直流潮流控制器可以对称地安装在模块化多电平柔直换流器的上下桥臂，也可以只安装在模块化多电平柔直换流器的上桥臂或者下桥臂。
作为本发明所述的具有多端口直流潮流控制的柔直换流器的一种优选方案，其中：所述子模块链为单极性子模块链或双极性子模块链，也可以是单极性与双极性子模块组成的混合型子模块链。
本发明还提供如下技术方案，一种内嵌式多端口直流潮流控制器的控制方法包括，多条线路上的直流潮流控制环、模块化多电平柔直换流器与直流潮流控制器之间的能量平衡控制环、以及直流潮流控制器内部能量均衡控制环；
所述内嵌式多端口直流潮流控制器连接了两条或多条直流线路时，所有输出线路上的功率之和等于模块化多电平柔直换流器的总功率，设上述内嵌式多端口直流潮流控制器一共连接了N条直流输出线路，那么可以对其中N-1条线路上的潮流进行主动控制，剩下的一条线路上的直流潮流大小等于总潮流减去其他线路潮流之和。
作为本发明所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的控制方法的一种优选方案，其中：所述多条线路上的直流潮流控制环包括，
线路潮流控制环将其他线路的电压参考值与参考电路的电压作差，计算各直流潮流控制单元的电压的直流分量，数学方程为：
Figure BDA0003753186810000031
其中，Ud为直流系统额定电压、也等于参考线路的电压，Up1a、Upka、UpNa分别是与第1条线路、第k条线路和第N条线路相连的直流潮流控制单元的电压的直流分量，Uo1、Uok、UoN分别是第1条线路、第k条线路和第N条线路的直流电压参考值。
作为本发明所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的控制方法的一种优选方案，其中：所述模块化多电平柔直换流器与直流潮流控制器之间的能量平衡控制环包括，
模块化多电平柔直换流器与直流潮流控制器之间的能量平衡控制环，通过分别在直流潮流控制单元的桥臂上和模块化多电平变换器的桥臂上叠加能量平衡控制电压，形成交流耦合能量，补偿累积的直流能量，直流潮流控制器整体的输入输出能量的数学方程为：
Figure BDA0003753186810000032
其中，PDCPFC_out为多端口直流潮流控制器的输出总能量，PDCPFC_in为多端口直流潮流控制器的输入总能量。Upia,dc和Upia,ac分别是与第i条线路相连的直流潮流控制单元的电压的直流与交流分量，Ioi是第i条线路的直流电流，Id是所有线路直流电流之和，ijp,ac是模块化多电平模块化多电平柔直换流器j相上桥臂电流的交流分量。
作为本发明所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的控制方法的一种优选方案，其中：所述直流潮流控制器内部能量均衡控制环包括，
直流潮流控制器内部的能量关系的数学方程为：
Figure BDA0003753186810000033
且
Figure BDA0003753186810000034
其中，Δp1、Δpk和ΔpN分别是第1个、第k个和第N个直流潮流控制单元的直流能量，Δpc1a、Δpcka和ΔpcNa分别是第1个、第k个和第N个直流潮流控制单元的交流耦合能量。
本发明还提供如下技术方案，一种内嵌式多端口直流潮流控制器的主回路参数设计方法包括，所述主回路参数设计方法包括所述直流潮流控制单元和模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块数量设计方法，直流潮流控制单元和模块化多电平柔直换流器的子模块电容设计方法，直流潮流控制器的桥臂电感设计方法，以及直流潮流控制单元和模块化多电平柔直换流器的子模块功率器件设计方法。
作为本发明所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的主回路参数设计方法的一种优选方案，其中：
所述直流潮流控制器采用非对称安装方式，直流潮流控制器内嵌于模块化多电平柔直换流器上桥臂末端。
所述直流潮流控制器采用双极性全桥型子模块，模块化多电平模块化多电平柔直换流器采用单极性半桥型子模块。
作为本发明所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的主回路参数设计方法的一种优选方案，其中：
所述直流潮流控制单元和模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块数量设计方法，
选取直流潮流控制器子模块数量的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000041
其中，NPFC为直流潮流控制器内一个子模块链的子模块数量，UCPFC为直流潮流控制器内子模块的额定电压，Ud为直流电网额定电压，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，ΔP1,2为两条直流线路直流潮流的最大差值，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure BDA0003753186810000042
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感；
选取模块化多电平模块化多电平柔直换流器子模块数量的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000051
其中，NMMC,p和NMMC,n分别为模块化多电平柔直换流器上桥臂和下桥臂的子模块数量，UC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器子模块的额定电压，Ud为直流电网额定电压，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，ΔP1,2为两条直流线路直流潮流的最大差值，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure BDA0003753186810000053
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感。
作为本发明所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的主回路参数设计方法的一种优选方案，其中：
所述直流潮流控制单元和模块化多电平柔直换流器的子模块电容设计方法，
选取直流潮流控制器子模块容值的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000052
其中，CPFC为直流潮流控制器的子模块电容大小，NPFC为直流潮流控制器内一个子模块链的子模块数量，UCPFC为直流潮流控制器内子模块的额定电压，r1和r2分别为子模块电容电压的基频与二倍频波动率，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure BDA0003753186810000054
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感。
选取模块化多电平子模块容值的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000061
其中，C0为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块电容大小，NMMC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器一个桥臂的子模块数量，UC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块电容额定电压，ε1和ε2分别为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块电容电压的基频与二倍频波动率，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure BDA0003753186810000063
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差。
作为本发明所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的主回路参数设计方法的一种优选方案，其中：
所述直流潮流控制器的桥臂电感设计方法，
选取直流潮流控制器的桥臂电感的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000062
其中，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感，ω0是基频角频率，ωres是直流潮流控制器和模块化多电平柔直换流器整体的相单元内子模块链与桥臂电感串联谐振角频率，LT为联接变压器的电感值，L0为模块化多电平模块化多电平柔直换流器桥臂电感值，Ldc为直流系统平波电抗器电感值，NPFC为直流潮流控制器内一个子模块链的子模块数量，UCPFC为直流潮流控制器内子模块的额定电压，Ud为直流电网额定电压，Id为直流电网额定电流，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，λ为短路故障下暂态电流变化率上限，η为负序电流幅值的标幺值，C0为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块电容大小，NMMC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器一个桥臂的子模块数量。
作为本发明所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的主回路参数设计方法的一种优选方案，其中：
所述直流潮流控制单元和模块化多电平柔直换流器的子模块功率器件设计方法，
计算直流潮流控制单元功率器件电压和电流应力的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000071
Figure BDA0003753186810000072
其中，APFC_U和APFC_Ures分别为直流潮流控制器的桥臂子模块单个电力电子器件承受最大电压峰值和有效值，APFC_I和APFC_Ires分别为直流潮流控制器的桥臂子模块单个电力电子器件承受最大电流峰值和有效值，P1和P2分别为两条直流线路的直流潮流，ΔP1,2为两条直流线路直流潮流的最大差值，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，Ud为直流电网额定电压，NPFC为直流潮流控制器内一个子模块链的子模块数量，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure BDA0003753186810000073
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感。
计算模块化多电平柔直换流器的功率器件电压和电流应力的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000081
Figure BDA0003753186810000082
其中，AMMC_U和AMMC_Ures分别为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的桥臂子模块单个电力电子器件承受最大电压峰值和有效值，AMMC_I和AMMC_Ires分别为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的桥臂子模块单个电力电子器件承受最大电流峰值和有效值，ΔP1,2为两条直流线路直流潮流的最大差值，Ud为直流电网额定电压，NMMC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器一个桥臂的子模块数量，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure BDA0003753186810000083
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感。
本发明还提供如下技术方案，一种内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法包括，所述保护方法包括直流短路故障下直流潮流控制器的保护方法，以及直流短路故障下主动限制故障电流的方法。
作为本发明所述的内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法的一种优选方案，其中：
所述直流短路故障下直流潮流控制器的保护方法包括，
通过控制所述直流潮流控制器内子模块运行在特定的开关状态，或在所述直流潮流控制器中的子模块上加装一个保护装置实现；
所述子模块的特定开关状态是指将子模块的电容旁路、电流只从开关器件中流过的状态，所述保护装置由卸荷电路或晶闸管旁路开关组成；
所述子模块开关器件承受故障电流，通过将子模块运行在特定的开关状态，避免故障电流流入子模块电容，实现故障保护。
作为本发明所述的内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法的一种优选方案，其中：
所述保护装置是与子模块电容并联的卸荷回路，
所述卸荷回路由二极管、电阻、开关器件串并联组合而成，消耗故障电流的能量，避免子模块电容过电压，实现故障保护。
作为本发明所述的内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法的一种优选方案，其中：
所述保护装置是分布式或集中式晶闸管旁路开关，分别所述晶闸管旁路开关由反并联晶闸管、阻容回路、静态电阻并联后构成，所述分布式晶闸管旁路开关安装在各个子模块内，所述集中式晶闸管旁路开关与子模块链并联，通过双向晶闸管的快速动作旁路子模块，避免故障电流流经子模块，实现故障保护。
作为本发明所述的内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法的一种优选方案，其中：
所述直流短路故障下主动限制故障电流的方法包括，
通过控制所述直流潮流控制器内子模块运行在特定的开关状态，或在所述直流潮流控制器中的子模块上加装一个保护装置实现；
所述子模块的特定开关状态是指将子模块闭锁或正向投入的状态，所述保护装置由卸荷电路、故障限流器组成；所述卸荷回路由二极管、电阻、开关器件串并联组合而成，所述故障限流器由电阻、电感、避雷器串并联组合而成；
所述子模块电容承受一定故障电压、子模块开关器件承受故障电流，通过将子模块运行在特定的开关状态，子模块以负电压的方式串入线路中，实现故障电流的抑制。
作为本发明所述的内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法的一种优选方案，其中：
所述保护装置是与子模块电容并联的卸荷回路，实现降压型故障电流主动抑制；所述保护装置是分布式或集中式故障电流限流装置，所述故障电流限流器由晶闸管旁路开关、电阻、电感、避雷器等串联后构成，所述分布式故障电流限流装置安装在各个子模块内，所述集中式故障电流限流装置与子模块链并联。通过故障电流限流装置，限制故障电流上升，协助直流电网抑制及清除故障。
与现有柔性互联装置相比，本发明具有如下有益效果：
1、现有的自平衡型串联调压型直流潮流控制器，控制相对复杂，且潮流调节能力及控制灵活性受限；现有的外平衡型直流潮流控制器，需要承受系统级电压和系统级绝缘，增加了装置成本与构造难度。而本发明提出的内嵌于模块化多电平柔直换流器的多端口直流潮流控制器，通过与主MMC协调控制实现能量平衡，无需外部电源与隔离变压器。且装置桥臂采用子模块组合而成，具有模块化、多端口、易扩展、调节范围宽、调控能力强、可适用于高压系统、双向潮流可控等优势。
2、本发明中的多端口直流潮流控制器具备模块化的特点，通过调整直流潮流控制单元的数量，可快速、经济地实现输出端口的拓展。
3、本发明中的直流潮流控制器及模块化多电平柔直换流器主回路参数选型设计方法，考虑了直流潮流控制器嵌入后对模块化多电平柔直换流器的影响，提供快速、有效、可靠的参数计算方法与选型依据。
4、本发明中的内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法，不仅有效保障直流故障极端工况下直流潮流控制器的安全稳定运行，也能有效抑制故障电流，协助直流电网抑制及清除故障。
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为本发明所述内嵌式多端口直流潮流控制器和所嵌入的模块化多电平柔直换流器的拓扑结构示意图；
图2为本发明所述内嵌式多端口直流潮流控制器和所嵌入的模块化多电平柔直换流器的拓扑结构示意图；
图3为本发明所述内嵌式多端口直流潮流控制器中的直流潮流控制单元拓扑示意图，以及所述内嵌式多端口直流潮流控制器中的单极型子模块和双极型子模块典型拓扑举例示意图；
图4为本发明所述内嵌式多端口直流潮流控制器的典型应用场景图。
图5为本发明所述内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法和保护装置示意图；
图6为实施方案一中内嵌式多端口直流潮流控制器和所嵌入的模块化多电平柔直换流器的拓扑结构示意图。
图7为实施方案一中的内嵌式多端口直流潮流控制器及模块化多电平模块化多电平柔直换流器的控制方法框图。
图8为实施方案一中两种工况、四个阶段的仿真波形图，包括各端口电压和电流波形图、各端口间的电压差波形图、模块化多电平模块化多电平柔直换流器和直流潮流控制器内子模块电容电压波形图；
图9为实施方案二中的直流短路故障示意图；
图10为直流潮流控制器在实施方案二中的故障发生时加入故障保护策略后的子模块电容电压和故障电流波形图；
图11为直流潮流控制器在实施方案二中的故障发生时加入主动限流策略后的故障电流和子模块电容电压波形图。
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1～6，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种具有多端口直流潮流控制的柔直换流器及其控制方法，包括：
模块化多电平柔直换流器；以及，
内嵌于模块化多电平柔直换流器中的直流潮流控制器。
更进一步的，所述直流潮流控制器包括两个或多个直流潮流控制单元，直流潮流控制单元数量与直流潮流控制器的端口数量相等。各个直流潮流控制单元能够调整所连接的直流线路上的直流潮流；
所述直流潮流控制单元由三相星形连接的子模块链和桥臂电感器组成。子模块链和电感器连接的三相中性点，作为直流潮流调节端口；
所述模块化多电平柔直换流器为中压级或高压级、具有模块化多电平结构的、三相的、电压源型变流器，其具备交直流电能变换的功能，可以实现中高压交流电网和直流系统的联接。
更进一步的，所述模块化多电平柔直换流器是耐压等级为中高压等级的、模块化多电平变换器。
更进一步的，如图1、图2，所述内嵌式直流潮流控制器可以对称地安装在模块化多电平柔直换流器的上下桥臂，也可以只安装在模块化多电平柔直换流器的上桥臂或者下桥臂。
更进一步的，如图3，上述子模块链为单极性子模块链或双极性子模块链，也可以是单极性与双极性子模块组成的混合型子模块链。
本发明还提供一种适用于所述内嵌式多端口直流潮流控制器的控制方法，所述控制方法包括多条线路上的直流潮流控制环、模块化多电平柔直换流器与直流潮流控制器之间的能量平衡控制环、以及直流潮流控制器内部能量均衡控制环；
所述内嵌式多端口直流潮流控制器连接了两条或多条直流线路时，所有输出线路上的功率之和等于模块化多电平柔直换流器的总功率。设上述内嵌式多端口直流潮流控制器一共连接了N条直流输出线路，那么可以对其中N-1条线路上的潮流进行主动控制，剩下的一条线路上的直流潮流大小等于总潮流减去其他线路潮流之和。
更进一步的，所述线路潮流控制环的控制目标为N条输出线路的直流电压等于参考值。
应说明的是，N为上述内嵌式多端口直流潮流控制器一共连接的线路数量；所述线路潮流控制环首先根据装置外部系统给定的输出线路电压参考值，选取电压相对最低的线路作为参考线路。
更进一步的，与参考线路相连的直流潮流控制单元，内部子模块链的电压的直流分量被设置为零。所述线路潮流控制环将其他线路的电压参考值与参考电路的电压作差，计算各直流潮流控制单元的电压的直流分量，数学方程为：
Figure BDA0003753186810000131
其中，Ud为直流系统额定电压、也等于参考线路的电压，Up1a、Upka、UpNa分别是与第1条线路、第k条线路和第N条线路相连的直流潮流控制单元的电压的直流分量，Uo1、Uok、UoN分别是第1条线路、第k条线路和第N条线路的直流电压参考值。
更进一步的，所述模块化多电平柔直换流器与直流潮流控制器之间的能量平衡控制环，其控制目标为维持直流潮流控制器内部所有子模块电容电压平均值等于参考值。
应说明的是，直流潮流控制器在控制直流潮流的过程中，与直流系统产生直流能量交互。直流能量的累积造成直流潮流控制器内部子模块电容电压失去稳定。所述模块化多电平柔直换流器与直流潮流控制器之间的能量平衡控制环，通过分别在直流潮流控制单元的桥臂上和模块化多电平变换器的桥臂上叠加能量平衡控制电压，形成交流耦合能量。直流潮流控制器整体的输入输出能量的数学方程为：
Figure BDA0003753186810000141
其中，PDCPFC_out为多端口直流潮流控制器的输出总能量，PDCPFC_in为多端口直流潮流控制器的输入总能量。Upia,dc和Upia,ac分别是与第i条线路相连的直流潮流控制单元的电压的直流与交流分量，Ioi是第i条线路的直流电流，Id是所有线路直流电流之和，ijp,ac是模块化多电平模块化多电平柔直换流器j相上桥臂电流的交流分量。
更进一步的，为保证所述直流潮流控制器稳定运行，直流潮流控制器的潮流调节端口输出功率与能量平衡端口输入功率平衡，数学方程为：
PDCPFC_out＝PDCPFC_in
应说明的是，使用比例积分控制器，对直流潮流控制器和模块化多电平模块化多电平柔直换流器的能量平衡控制电压幅值和相角进行控制，输入为直流潮流控制器内所有的子模块电压平均值与参考值之差，输出为能量平衡控制电压的幅值和相角的参考值。
更进一步的，令能量平衡控制电压的相角始终等于模块化多电平模块化多电平柔直换流器的桥臂电流的相角，只需控制能量平衡控制电压的幅值，且三相能量平衡控制电压幅值相等，则比例积分控制器方程为：
Figure BDA0003753186810000142
其中，kp为比例积分控制器比例环节增益系数，ki为比例积分控制器积分环节增益系数，UC*为直流潮流控制单元内部子模块电容电压参考值，UC,i为第k个直流潮流控制单元内部子模块电容电压平均值，UPFC*是直流潮流控制器与模块化多电平模块化多电平柔直换流器之间的能量平衡控制电压幅值参考值，N是上述内嵌式多端口直流潮流控制器一共连接的线路数量。
更进一步的，所述直流潮流控制器内部能量均衡控制环的控制目标为维持各个直流潮流控制单元内部子模块电容电压一致。
应说明的是，上述线路潮流控制环使直流潮流控制单元的直流电压各不相同，形成直流能量偏差，进而导致各个直流潮流控制单元内部子模块电容电压不一致。因此，所述直流潮流控制器内部能量均衡控制环，通过主动在直流潮流控制单元之间注入交流电流环流，利用交流耦合能量补偿直流能量偏差，保持子模块电压稳定和能量平衡。各个直流潮流控制单元直流能量的计算公式为：
Figure BDA0003753186810000151
其中，Δpk是第k个直流潮流控制单元直流能量，Upka,dc和Upia,dc分别是与第k条、第i条线路相连的直流潮流控制单元的电压的直流分量，Iok是第k条线路的直流电流，N为上述内嵌式多端口直流潮流控制器一共连接的线路数量。
更进一步的，各直流潮流控制单元在所述直流潮流控制器内部能量均衡控制环的控制下，注入交流电压的数学方程为：
Δucka＝xksin(ωt-βk),k＝1,2...N
其中，Δucka是第k个直流潮流控制单元的a相调制电压中额外叠加的正序环流电压，xi和βi分别是基频正序环流电压的幅值和相角，ω是角频率。
应说明的是，上述主动注入的交流电压使得直流潮流控制器内部产生交流耦合能量，交流耦合能量在基频周期内平均值的数学方程为：
Figure BDA0003753186810000152
其中，Δpcka是第k个直流潮流控制单元的交流耦合能量，LPFC是直流潮流控制单元内的桥臂电感数值，UPFC,ac和δPFC分别是上述模块化多电平柔直换流器与直流潮流控制器之间的能量平衡控制电压幅值和相角，xk和xi分别是第k个、第i个直流潮流控制单元的环流电压幅值，βk和βi分别是第k个、第i个直流潮流控制单元的环流电压相角。
更进一步的，为了实现直流潮流控制单元之间的能量平衡，所述直流潮流控制器内部能量均衡控制环，通过控制环流电压幅值和环流电压相角，用交流耦合能量补偿上述直流能量偏差，即交流耦合能量与直流能量偏差之和为零。同时，所有直流潮流控制单元的交流耦合能量之和也为零。直流潮流控制器内部的能量关系的数学方程为：
Figure BDA0003753186810000161
且
Figure BDA0003753186810000162
其中，Δp1、Δpk和ΔpN分别是第1个、第k个和第N个直流潮流控制单元的直流能量，Δpc1a、Δpcka和ΔpcNa分别是第1个、第k个和第N个直流潮流控制单元的交流耦合能量。
应说明的是，使用比例积分控制器对直流潮流控制单元的环流电压幅值和相角进行控制，输入为各个直流潮流控制单元内部子模块电压与所有直流潮流控制单元的子模块电压平均值之差，输出为对应直流潮流控制单元的环流电压幅值和相角参考值。
更进一步的，令所有直流潮流控制单元的环流电压相角参考值都相等，只控制环流电压的幅值，则比例积分控制器方程为：
Figure BDA0003753186810000163
其中，kp为比例积分控制器比例环节增益系数，ki为比例积分控制器积分环节增益系数，UC,k和UC,i分别为第k个和第i个直流潮流控制单元内部子模块电容电压平均值，xk是第k个直流潮流控制单元环流电压幅值参考值，N是上述内嵌式多端口直流潮流控制器一共连接的线路数量。
本发明还提供一种所述内嵌式多端口直流潮流控制器的主回路参数设计方法，所述主回路参数设计方法包括所述直流潮流控制单元和模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块数量设计方法，直流潮流控制单元和模块化多电平柔直换流器的子模块电容设计方法，直流潮流控制器的桥臂电感设计方法，以及直流潮流控制单元和模块化多电平柔直换流器的子模块功率器件设计方法。
应说明的是，上述直流潮流控制器采用非对称安装方式，直流潮流控制器内嵌于模块化多电平柔直换流器上桥臂末端。
还应说明的是，上述直流潮流控制器采用双极性全桥型子模块，模块化多电平模块化多电平柔直换流器采用单极性半桥型子模块。
还应说明的是，所述多端口直流潮流控制器连接两条直流线路。
更进一步的，所述直流潮流控制单元和模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块数量设计方法，目的是选取合适的直流潮流控制器和模块化多电平柔直换流器桥臂的子模块数量，避免过调制与直流潮流控制范围不足的问题。当系统外部参数确定时，根据所述直流潮流控制单元的子模块数量设计方法，可以快速计算出直流潮流控制单元的子模块数量下限，以及模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块数量下限。
该方法选取直流潮流控制器子模块数量的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000171
其中，NPFC为直流潮流控制器内一个子模块链的子模块数量，UCPFC为直流潮流控制器内子模块的额定电压，Ud为直流电网额定电压，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，ΔP1,2为两条直流线路直流潮流的最大差值，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure BDA0003753186810000174
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感。
该方法选取模块化多电平模块化多电平柔直换流器子模块数量的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000172
其中，NMMC,p和NMMC,n分别为模块化多电平柔直换流器上桥臂和下桥臂的子模块数量，UC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器子模块的额定电压，Ud为直流电网额定电压，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，ΔP1,2为两条直流线路直流潮流的最大差值，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure BDA0003753186810000173
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感。
更进一步的，所述直流潮流控制单元和模块化多电平柔直换流器的子模块电容设计方法，目的是选取合适的直流潮流控制器和模块化多电平柔直换流器桥臂的子模块电容大小，将电压纹波控制在合理区间内。由于直流潮流控制单元对模块化多电平柔直换流器的影响，电容参数设计方法与传统模块化多电平柔直换流器的设计方法不同。当系统外部参数确定时，根据所述直流潮流控制单元的子模块电容设计方法，可以快速计算出直流潮流控制单元的子模块电容容值下限，以及模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块电容容值下限；
上述方法选取直流潮流控制器子模块容值的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000181
其中，CPFC为直流潮流控制器的子模块电容大小，NPFC为直流潮流控制器内一个子模块链的子模块数量，UCPFC为直流潮流控制器内子模块的额定电压，r1和r2分别为子模块电容电压的基频与二倍频波动率，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure BDA0003753186810000183
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感。
上述方法选取模块化多电平子模块容值的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000182
其中，C0为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块电容大小，NMMC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器一个桥臂的子模块数量，UC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块电容额定电压，ε1和ε2分别为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块电容电压的基频与二倍频波动率，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure BDA0003753186810000192
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差。
更进一步的，所述直流潮流控制器的桥臂电感设计方法，目的是选取合适的直流潮流控制器的桥臂电感数值大小，满足功率传输的容量需求，减小负序电流，抑制短路故障电流，以及形成合适大小的相单元内子模块链与桥臂电感串联谐振角频率。当系统外部参数确定时，根据所述直流潮流控制器的桥臂电感设计方法，可以快速计算出直流潮流控制器的桥臂电感的取值范围。
上述方法选取直流潮流控制器的桥臂电感的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000191
其中，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感，ω0是基频角频率，ωres是直流潮流控制器和模块化多电平柔直换流器整体的相单元内子模块链与桥臂电感串联谐振角频率，LT为联接变压器的电感值，L0为模块化多电平模块化多电平柔直换流器桥臂电感值，Ldc为直流系统平波电抗器电感值，NPFC为直流潮流控制器内一个子模块链的子模块数量，UCPFC为直流潮流控制器内子模块的额定电压，Ud为直流电网额定电压，Id为直流电网额定电流，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，λ为短路故障下暂态电流变化率上限，η为负序电流幅值的标幺值，C0为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块电容大小，NMMC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器一个桥臂的子模块数量。
更进一步的，所述直流潮流控制单元和模块化多电平柔直换流器的子模块功率器件设计方法，目的是选取合适的直流潮流控制器和模块化多电平柔直换流器子模块电力电子器件。当系统外部参数确定时，根据所述直流潮流控制单元和模块化多电平柔直换流器的子模块功率器件设计方法，可以确定电力电子器件的电压应力和电流应力。
上述方法计算直流潮流控制单元功率器件电压和电流应力的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000201
其中，APFC_U和APFC_Ures分别为直流潮流控制器的桥臂子模块单个电力电子器件承受最大电压峰值和有效值，APFC_I和APFC_Ires分别为直流潮流控制器的桥臂子模块单个电力电子器件承受最大电流峰值和有效值，P1和P2分别为两条直流线路的直流潮流，ΔP1,2为两条直流线路直流潮流的最大差值，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，Ud为直流电网额定电压，NPFC为直流潮流控制器内一个子模块链的子模块数量，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure BDA0003753186810000202
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感。
应说明的是，嵌入直流潮流控制器的模块化多电平模块化多电平柔直换流器的上、下桥臂电流及电压应力与传统工作模式的不同。
更进一步的，上述方法计算模块化多电平柔直换流器的功率器件电压和电流应力的数学方程式为：
Figure BDA0003753186810000211
Figure BDA0003753186810000212
其中，AMMC_U和AMMC_Ures分别为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的桥臂子模块单个电力电子器件承受最大电压峰值和有效值，AMMC_I和AMMC_Ires分别为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的桥臂子模块单个电力电子器件承受最大电流峰值和有效值，ΔP1,2为两条直流线路直流潮流的最大差值，Ud为直流电网额定电压，NMMC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器一个桥臂的子模块数量，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure BDA0003753186810000213
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感。
本发明还提供一种所述内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法，所述保护方法包括直流短路故障下直流潮流控制器的保护方法，以及直流短路故障下主动限制故障电流的方法。
更进一步的，所述直流短路故障下直流潮流控制器的保护方法，该方法为：通过控制所述直流潮流控制器内子模块运行在特定的开关状态，或者在所述直流潮流控制器中的子模块上加装一个保护装置实现。
更进一步的，所述子模块的特定开关状态是指将子模块的电容旁路、电流只从开关器件中流过的状态，所述保护装置由卸荷电路或晶闸管旁路开关组成；
应说明的是，如果所述子模块开关器件能够承受故障电流，通过将子模块运行在特定的开关状态，如图5(a)，避免故障电流流入子模块电容，实现故障保护。
应说明的是，该方法目的是防止直流潮流控制器在直流短路故障下，因子模块电容过电压或子模块开关器件过电流而损坏。
更进一步的，所述保护装置是与子模块电容并联的卸荷回路，如图5(b)，所述卸荷回路由二极管、电阻、开关器件串并联组合而成，消耗故障电流的能量，避免子模块电容过电压，实现故障保护。
应说明的是，所述保护装置是分布式或集中式晶闸管旁路开关，分别所述晶闸管旁路开关由反并联晶闸管、阻容回路、静态电阻并联后构成。如图5(c)，所述分布式晶闸管旁路开关安装在各个子模块内。如图5(d)，所述集中式晶闸管旁路开关与子模块链并联。通过双向晶闸管的快速动作旁路子模块，避免故障电流流经子模块，实现故障保护。
更进一步的，所述直流短路故障下直流潮流控制器主动限制故障电流的方法，该方法为：通过控制所述直流潮流控制器内子模块运行在特定的开关状态，或者在所述直流潮流控制器中的子模块上加装一个保护装置实现。
应说明的是，所述子模块的特定开关状态是指将子模块闭锁或正向投入的状态，所述保护装置由卸荷电路、故障限流器组成；所述卸荷回路由二极管、电阻、开关器件串并联组合而成，所述故障限流器由电阻、电感、避雷器串并联组合而成。
更进一步的，如果所述子模块电容能够承受一定故障电压、子模块开关器件能够承受故障电流，通过将子模块运行在特定的开关状态，如图5(e)，子模块以负电压的方式串入线路中，实现故障电流的抑制。
应说明的是，该方法目的是利用直流潮流控制器，协助直流电网抑制及清除故障。
应说明的是，所述保护装置是与子模块电容并联的卸荷回路，如图5(f)，实现降压型故障电流主动抑制。
应说明的是，所述保护装置是分布式或集中式故障电流限流装置，所述故障电流限流器由晶闸管旁路开关、电阻、电感、避雷器等串联后构成。如图5(g)，所述分布式故障电流限流装置安装在各个子模块内。如图5(h)，所述集中式故障电流限流装置与子模块链并联。通过故障电流限流装置，限制故障电流上升，协助直流电网抑制及清除故障。
在第一种实施例中，安装场景和直流潮流控制器具体拓扑分别如图4和图6，本发明使用内嵌于模块化多电平柔直换流器的多端口直流潮流控制器实现三条直流线路的潮流控制；所述模块化多电平柔直换流器为模块化多电平模块化多电平柔直换流器；所述多端口直流潮流控制器采用非对称安装方式，嵌入在模块化多电平柔直换流器的上桥臂末端；所述多端口直流潮流控制器包括三个直流潮流控制模块，每个直流潮流控制模块包含三相星形连接的桥臂；每个桥臂由双极性全桥型子模块链和桥臂电感组成。通过调节直流潮流控制模块上的直流电压、交流电压的幅值相位，一方面实现直流潮流控制器与模块化多电平模块化多电平柔直换流器之间的能量平衡，以及多端口直流潮流控制器的内部能量平衡，另一方面实现三条输出线路上直流潮流的主动控制。
对于图6所示的基于多端口直流潮流控制器实现的系统，通过直流潮流控制环，调节多端口直流潮流控制器的直流电压，进而改变输出线路的直流电压，从而实现直流潮流的控制；直流潮流控制器和模块化多电平柔直换流器间的能量平衡，以及多端口柔性交流互联装置内部能量平衡分别通过模块化多电平柔直换流器与直流潮流控制器之间的能量平衡控制环、直流潮流控制器内部能量均衡控制环进行控制，实现多端口直流潮流控制器所有的子模块电容电压稳定。
实施例2
参照图7～11，多端口直流潮流控制器子模块拓扑与第一种实施例一致，但是直流潮流控制器连接线路数量改为两个。该实施例中，采用所述直流短路故障下主动限制故障电流的方法对多端口直流潮流控制器进行控制。在直流短路故障发生时，分别应用所述直流短路故障下直流潮流控制器的故障保护方法和主动限制故障电流的方法，分别实现抑制直流潮流控制器的子模块电容电压上升和抑制故障电流上升，确保装置在复杂极端工况稳定运行，协助直流电网抑制及清除故障。
该实施例中，实现多条线路直流潮流控制、多端口直流潮流控制器与模块化多电平柔直换流器的能量平衡、以及多端口直流潮流控制器的内部能量平衡的原理与上述实施例相同，此处不赘述。
以下结合具体的仿真实例来对上述两个实施例中的结构和方法的应用分别进行进一步说明。
结合上述实施例，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。
Figure BDA0003753186810000241
仿真实例一：
实施方案一的基于内嵌于模块化多电平柔直换流器的多端口直流潮流控制器，其在直流系统种的安装位置如图4，直流潮流控制器及模块化多电平柔直换流器具体拓扑示意图参照图7，实施方案一的控制方法如图8所示。多端口直流潮流控制器与三个直流线路相连，通过调整输出端口直流电压控制直流潮流，对应的控制环为直流潮流控制环。直流潮流控制器嵌入模块化多电平模块化多电平柔直换流器，通过共同控制，实现总体能量平衡，对应的控制环为模块化多电平柔直换流器与直流潮流控制器之间的能量平衡控制环。直流潮流控制器内部通过注入基频环流实现子模块能量平衡，对应的控制环为直流潮流控制器内部能量均衡控制环。
为验证多端口直流潮流控制器的潮流控制能力、装置内能量平衡控制稳定性以及主回路参数设计合理性，仿真依据模块化多电平模块化多电平柔直换流器功率方向设定两种工况，同一工况分为两个阶段：潮流不控时以及潮流受控时的潮流分布，具体工况设计如下：
工况一(整流模式)：
第一阶段(自然潮流)：模块化多电平模块化多电平柔直换流器整流功率为1500MW，此时直流潮流控制器不动作，则直流线路潮流按线路阻抗自然分配，由于三条直流线路的电阻不一样，因此，三条直流线路电流不一致，如图8(c)区间[0～3s]所示；
第二阶段(潮流受控)：通过直流潮流控制器各端口直流电压差，端口电压及端口电压差分别如图8(a)和图8(e)所示，控制三个直流端口所联直流线路电流一致，如图8(c)区间[3～6s]所示。工况一的模块化多电平柔直换流器及直流潮流控制器内部子模块电容电压波形如图8(g)所示。
工况二(逆变模式)：
第一阶段(自然潮流)：模块化多电平模块化多电平柔直换流器逆变功率为1500MW，此时直流潮流控制器不动作，则直流线路潮流按线路阻抗自然分配，由于三条直流线路的电阻不一样，因此，所连直流线路电流不一致，如图8(d)区间[0～3s]所示；
第二阶段(潮流受控)：通过直流潮流控制器各端口直流电压差，端口电压及端口电压差分别如图8(b)和图8(f)所示，控制三个直流端口所联直流线路电流一致，如图8(d)区间[3～6s]所示。工况二的模块化多电平柔直换流器及直流潮流控制器内部子模块电容电压波形如图8(h)所示。
图8为实施方案一中工况一和工况二的仿真结果，包含8幅波形图，从左到右、从上到下依次为工况一和工况二的各线路端口直流电压波形、工况一和工况二的各线路端口直流电流波形、工况一和工况二的各线路端口直流电压差波形、工况一和工况二的模块化多电平柔直换流器及直流潮流控制器内部子模块电容电压波形。
仿真波形结果表明，在不同直流电流流向下，所述内嵌式多端口直流潮流控制器可有效地调节多条直流线路的潮流，且具备双向潮流控制的能力。所述模块化多电平柔直换流器与直流潮流控制器之间的能量平衡控制环、直流潮流控制器内部能量均衡控制环能够有效维持装置的子模块能量平衡。所述主回路参数设计方法也能够有效设计选取主回路电气参数。
仿真实例二：
实施方案二的多端口直流潮流控制器与两条线路相连，如图9所示。稳态工作时的控制策略也与实施方案一保持一致，如图7所示。不同之处在于，实施方案二增加了直流短路故障下的电流抑制策略。
仿真假设多端口直流潮流控制器的直流端口1发生双极短路，如图9所示。
工况一(直流潮流控制器故障保护)：
故障发生1.5ms后完成故障定位，将直流潮流控制器子模块旁路，避免故障电流进入子模块电容，实现故障保护。
工况二(故障电流主动抑制)：
故障发生1.5ms后执行主动限流策略，将双极性子模块正向投入，形成反向电压，减缓故障电流的上升，协助系统故障穿越。
图10和图11分别为为工况一、工况二的仿真结果。图10总共包含4幅波形图，从左到右、从上到下依次为：采取与不采取故障保护策略时两个直流潮流控制单元内子模块电容电压、采取与不采取故障保护策略时两个直流潮流控制单元内子模块开关器件电流。图11总共包含4幅波形图，从左到右、从上到下依次为：模块化多电平模块化多电平柔直换流器加入故障限流策略前后的故障电流对比波形图、多端口直流潮流控制器加入故障限流策略前后的两个端口故障电流对比波形图、模块化多电平模块化多电平柔直换流器加入故障限流策略前后的子模块电容电压对比波形图、多端口直流潮流控制器加入故障限流策略前后的子模块电容电压对比波形图。
仿真波形结果表明，所述内嵌式多端口直流潮流控制器故障保护策略能够有效避免故障电流进入子模块电容，避免子模块电容过电压；所述内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法能够有效抑制直流潮流控制器的故障电流，同时对模块化多电平模块化多电平柔直换流器的故障电流有一定抑制作用。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
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。
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。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (22)

1.一种具有多端口直流潮流控制的柔直换流器，其特征在于：包括，
模块化多电平柔直换流器；以及，
内嵌于模块化多电平柔直换流器中的直流潮流控制器。
2.如权利要求1所述的一种具有多端口直流潮流控制的柔直换流器，其特征在于：所述直流潮流控制器包括两个或多个直流潮流控制单元，直流潮流控制单元数量与直流潮流控制器的端口数量相等，各个直流潮流控制单元能够调整所连接的直流线路上的直流潮流。
3.如权利要求2所述的一种具有多端口直流潮流控制的柔直换流器，其特征在于：所述直流潮流控制单元由三相星形连接的子模块链和桥臂电感器组成，子模块链和电感器连接的三相中性点，作为直流潮流调节端口。
4.如权利要求3所述的一种具有多端口直流潮流控制的柔直换流器，其特征在于：所述模块化多电平柔直换流器为中压级或高压级、具有模块化多电平结构的、三相的、电压源型变流器，其具备交直流电能变换的功能，可以实现中高压交流电网和直流系统的联接。
5.如权利要求4所述的一种具有多端口直流潮流控制的柔直换流器，其特征在于：所述内嵌式直流潮流控制器可以对称地安装在模块化多电平柔直换流器的上下桥臂，也可以只安装在模块化多电平柔直换流器的上桥臂或者下桥臂。
6.如权利要求5所述的一种具有多端口直流潮流控制的柔直换流器，其特征在于：所述子模块链为单极性子模块链或双极性子模块链，也可以是单极性与双极性子模块组成的混合型子模块链。
7.一种应用于如权利要求1所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括多条线路上的直流潮流控制环、模块化多电平柔直换流器与直流潮流控制器之间的能量平衡控制环、以及直流潮流控制器内部能量均衡控制环；
所述内嵌式多端口直流潮流控制器连接了两条或多条直流线路时，所有输出线路上的功率之和等于模块化多电平柔直换流器的总功率，令上述内嵌式多端口直流潮流控制器一共连接了N条直流输出线路，那么可以对其中N-1条线路上的潮流进行主动控制，剩下的一条线路上的直流潮流大小等于总潮流减去其他线路潮流之和。
8.如权利要求7所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的控制方法，其特征在于：所述多条线路上的直流潮流控制环包括，
线路潮流控制环将其他线路的电压参考值与参考电路的电压作差，计算各直流潮流控制单元的电压的直流分量，数学方程为：
Figure FDA0003753186800000021
其中，Ud为直流系统额定电压、也等于参考线路的电压，Up1a、Upka、UpNa分别是与第1条线路、第k条线路和第N条线路相连的直流潮流控制单元的电压的直流分量，Uo1、Uok、UoN分别是第1条线路、第k条线路和第N条线路的直流电压参考值。
9.如权利要求8所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的控制方法，其特征在于：所述模块化多电平柔直换流器与直流潮流控制器之间的能量平衡控制环包括，
模块化多电平柔直换流器与直流潮流控制器之间的能量平衡控制环，通过分别在直流潮流控制单元的桥臂上和模块化多电平变换器的桥臂上叠加能量平衡控制电压，形成交流耦合能量，补偿累积的直流能量，直流潮流控制器整体的输入输出能量的数学方程为：
Figure FDA0003753186800000022
其中，PDCPFC_out为多端口直流潮流控制器的输出总能量，PDCPFC_in为多端口直流潮流控制器的输入总能量。Upia,dc和Upia,ac分别是与第i条线路相连的直流潮流控制单元的电压的直流与交流分量，Ioi是第i条线路的直流电流，Id是所有线路直流电流之和，ijp,ac是模块化多电平模块化多电平柔直换流器j相上桥臂电流的交流分量。
10.如权利要求9所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的控制方法，其特征在于：所述直流潮流控制器内部能量均衡控制环包括，
直流潮流控制器内部的能量关系的数学方程为：
Figure FDA0003753186800000031
其中，Δp1、Δpk和ΔpN分别是第1个、第k个和第N个直流潮流控制单元的直流能量，Δpc1a、Δpcka和ΔpcNa分别是第1个、第k个和第N个直流潮流控制单元的交流耦合能量。
11.一种应用于如权利要求1所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的主回路参数设计方法，其特征在于，所述主回路参数设计方法包括所述直流潮流控制单元和模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块数量设计方法，直流潮流控制单元和模块化多电平柔直换流器的子模块电容设计方法，直流潮流控制器的桥臂电感设计方法，以及直流潮流控制单元和模块化多电平柔直换流器的子模块功率器件设计方法。
12.如权利要求11所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的主回路参数设计方法，其特征在于：所述直流潮流控制器采用非对称安装方式，直流潮流控制器内嵌于模块化多电平柔直换流器上桥臂末端；
所述直流潮流控制器采用双极性全桥型子模块，模块化多电平模块化多电平柔直换流器采用单极性半桥型子模块。
13.如权利要求12所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的主回路参数设计方法，其特征在于：所述直流潮流控制单元和模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块数量设计方法，
选取直流潮流控制器子模块数量的数学方程式为：
Figure FDA0003753186800000032
其中，NPFC为直流潮流控制器内一个子模块链的子模块数量，UCPFC为直流潮流控制器内子模块的额定电压，Ud为直流电网额定电压，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，ΔP1,2为两条直流线路直流潮流的最大差值，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure FDA0003753186800000033
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感；
选取模块化多电平模块化多电平柔直换流器子模块数量的数学方程式为：
Figure FDA0003753186800000041
其中，NMMC,p和NMMC,n分别为模块化多电平柔直换流器上桥臂和下桥臂的子模块数量，UC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器子模块的额定电压，Ud为直流电网额定电压，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，ΔP1,2为两条直流线路直流潮流的最大差值，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure FDA0003753186800000043
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感。
14.如权利要求13所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的主回路参数设计方法，其特征在于：所述直流潮流控制单元和模块化多电平柔直换流器的子模块电容设计方法，
选取直流潮流控制器子模块容值的数学方程式为：
Figure FDA0003753186800000042
其中，CPFC为直流潮流控制器的子模块电容大小，NPFC为直流潮流控制器内一个子模块链的子模块数量，UCPFC为直流潮流控制器内子模块的额定电压，r1和r2分别为子模块电容电压的基频与二倍频波动率，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure FDA0003753186800000044
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感。
选取模块化多电平子模块容值的数学方程式为：
Figure FDA0003753186800000051
其中，C0为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块电容大小，NMMC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器一个桥臂的子模块数量，UC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块电容额定电压，ε1和ε2分别为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块电容电压的基频与二倍频波动率，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure FDA0003753186800000053
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差。
15.如权利要求14所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的主回路参数设计方法，其特征在于：所述直流潮流控制器的桥臂电感设计方法，
选取直流潮流控制器的桥臂电感的数学方程式为：
Figure FDA0003753186800000052
其中，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感，ω0是基频角频率，ωres是直流潮流控制器和模块化多电平柔直换流器整体的相单元内子模块链与桥臂电感串联谐振角频率，LT为联接变压器的电感值，L0为模块化多电平模块化多电平柔直换流器桥臂电感值，Ldc为直流系统平波电抗器电感值，NPFC为直流潮流控制器内一个子模块链的子模块数量，UCPFC为直流潮流控制器内子模块的额定电压，Ud为直流电网额定电压，Id为直流电网额定电流，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，λ为短路故障下暂态电流变化率上限，η为负序电流幅值的标幺值，C0为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的子模块电容大小，NMMC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器一个桥臂的子模块数量。
16.如权利要求15所述的内嵌式多端口直流潮流控制器的主回路参数设计方法，其特征在于：所述直流潮流控制单元和模块化多电平柔直换流器的子模块功率器件设计方法，
计算直流潮流控制单元功率器件电压和电流应力的数学方程式为：
Figure FDA0003753186800000061
其中，APFC_U和APFC_Ures分别为直流潮流控制器的桥臂子模块单个电力电子器件承受最大电压峰值和有效值，APFC_I和APFC_Ires分别为直流潮流控制器的桥臂子模块单个电力电子器件承受最大电流峰值和有效值，P1和P2分别为两条直流线路的直流潮流，ΔP1,2为两条直流线路直流潮流的最大差值，ε为直流潮流控制器最大调节电压与直流电网额定电压的比值，Ud为直流电网额定电压，NPFC为直流潮流控制器内一个子模块链的子模块数量，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure FDA0003753186800000063
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感。
计算模块化多电平柔直换流器的功率器件电压和电流应力的数学方程式为：
Figure FDA0003753186800000062
其中，AMMC_U和AMMC_Ures分别为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的桥臂子模块单个电力电子器件承受最大电压峰值和有效值，AMMC_I和AMMC_Ires分别为模块化多电平模块化多电平柔直换流器的桥臂子模块单个电力电子器件承受最大电流峰值和有效值，ΔP1,2为两条直流线路直流潮流的最大差值，Ud为直流电网额定电压，NMMC为模块化多电平模块化多电平柔直换流器一个桥臂的子模块数量，P为模块化多电平柔直换流器总功率，
Figure FDA0003753186800000071
为模块化多电平柔直换流器交流电流的相角，δ为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量与电网电压的相角差，E为模块化多电平柔直换流器桥臂电压基波交流分量的幅值，ω为角频率，LPFC为直流潮流控制器的桥臂电感。
17.一种应用于如权利要求1所述的内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法，其特征在于，所述保护方法包括直流短路故障下直流潮流控制器的保护方法，以及直流短路故障下主动限制故障电流的方法。
18.如权利要求17所述的内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法，其特征在于：所述直流短路故障下直流潮流控制器的保护方法包括，
通过控制所述直流潮流控制器内子模块运行在特定的开关状态，或在所述直流潮流控制器中的子模块上加装一个保护装置实现；
所述子模块的特定开关状态是指将子模块的电容旁路、电流只从开关器件中流过的状态，所述保护装置由卸荷电路或晶闸管旁路开关组成；
所述子模块开关器件承受故障电流，通过将子模块运行在特定的开关状态，避免故障电流流入子模块电容，实现故障保护。
19.如权利要求18所述的内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法，其特征在于：所述保护装置是与子模块电容并联的卸荷回路，
所述卸荷回路由二极管、电阻、开关器件串并联组合而成，消耗故障电流的能量，避免子模块电容过电压，实现故障保护。
20.如权利要求19所述的内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法，其特征在于：所述保护装置是分布式或集中式晶闸管旁路开关，分别所述晶闸管旁路开关由反并联晶闸管、阻容回路、静态电阻并联后构成，所述分布式晶闸管旁路开关安装在各个子模块内，所述集中式晶闸管旁路开关与子模块链并联，通过双向晶闸管的快速动作旁路子模块，避免故障电流流经子模块，实现故障保护。
21.如权利要求17所述的内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法，其特征在于：所述直流短路故障下主动限制故障电流的方法包括，
通过控制所述直流潮流控制器内子模块运行在特定的开关状态，或在所述直流潮流控制器中的子模块上加装一个保护装置实现；
所述子模块的特定开关状态是指将子模块闭锁或正向投入的状态，所述保护装置由卸荷电路、故障限流器组成；所述卸荷回路由二极管、电阻、开关器件串并联组合而成，所述故障限流器由电阻、电感、避雷器串并联组合而成；
所述子模块电容承受一定故障电压、子模块开关器件承受故障电流，通过将子模块运行在特定的开关状态，子模块以负电压的方式串入线路中，实现故障电流的抑制。
22.如权利要求21所述的内嵌式多端口直流潮流控制器在直流短路故障下的保护方法，其特征在于：所述保护装置是与子模块电容并联的卸荷回路，实现降压型故障电流主动抑制；所述保护装置是分布式或集中式故障电流限流装置，所述故障电流限流器由晶闸管旁路开关、电阻、电感、避雷器等串联后构成，所述分布式故障电流限流装置安装在各个子模块内，所述集中式故障电流限流装置与子模块链并联。通过故障电流限流装置，限制故障电流上升，协助直流电网抑制及清除故障。
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