CN218124322U - 一种具有功率放大功能的多端直流潮流控制器 - Google Patents

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曹琬钰
周月宾
曹润彬
赵晓斌
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Abstract

本发明公开了一种具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，包括：n个端口、隔离型的第一直流变换器和n‑1个输入输出共地、输出电压正负可调的第二直流变换器；n个端口包括一个第一端口和n‑1个第二端口，第一端口分别与第一换流站、第一直流变换器的输入端连接，各第二端口分别与第二直流变换器的输出端、第二换流站连接，各第二直流变换器串联在第一换流站和其他换流站之间；第一直流变换器将第一换流站的输入电压转换为内部直流母线的供电电压以给所有第二直流变换器自给供电，第一直流变换器的输入端正极、输出端负极均与第一换流站连接。本发明能自取供电，变换效率高，可灵活控制线路潮流，使线路潮流可反转，直流潮流控制的自由度高。

Description

一种具有功率放大功能的多端直流潮流控制器
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其是涉及一种具有功率放大功能的多端直流潮流控制器。
背景技术
多端直流(multi-terminal high voltage direct current，MTDC)输电是在传统高压直流输电的基础上发展而来。由于其具有多电源供电和多落点受电的优势，且系统运行方式较为经济灵活，在解决大容量电能远距离输送和新能源并网等方面优势明显，因此成为了未来直流输电系统发展的主要应用形式。MTDC输电系统内换流站和输电线路的数目相对较多，仅依靠换流站之间的功率协调控制对系统进行潮流管理较为困难，可能会引起不必要的线路损耗和导致线路过载等问题，危及整个系统的安全与稳定运行。
对于多端柔性直流输电系统，由于每个直流端口上可能同时连接两条或者多条直流线路，所以内部含有环、网状结构，这样会存在潮流不可控的支路，即直流潮流控制的自由度不足。传统的线间直流潮流控制器采用共用电容的拓扑方案主要适用于无线路反转需求的应用场合，但共用电容结构使不同线路间存在的电流耦合，无法实现线路电流的独立控制；也会由于系统中潮流分布不均引起某条直流线路连续工作在满负荷状态，而其他线路工作于轻负荷状态，这加大了系统的功率传输压力，同时增大了电能的传输损耗，大大降低了系统运行的经济性，极端情况下甚至引发线路过载，从而使导体过热，危及系统安全运行。
同时，多端柔性直流输电系统的端口处输出电压浪费，开关器件易过压；电流耦合，无法实现潮流反转需求；结构复杂，成本较高，经济性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，以解决现有直流潮流控制的自由度不足的技术问题。
本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：
一种具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，包括：
n个端口、一个第一直流变换器和n-1个第二直流变换器；所述第一直流变换器为隔离型直流/直流变换器，所述第二直流变换器为输入端输出端共地、输出端电压正负可调的双极性共地型直流/直流变换器；
其中，所述n个端口包括一个第一端口和n-1个第二端口，所述第一端口分别与第一换流站、所述第一直流变换器的输入端连接，各所述第二端口分别与所述第二直流变换器的输出端、第二换流站连接；所述第一换流站为所述多端直流潮流控制器提供电源的换流站，所述第二换流站为多端直流输电系统中除所述第一换流站外的其他换流站；
所述第一直流变换器的输出端产生一条内部直流母线，所述第一直流变换器的输入端正极、输出端负极均与所述第一换流站连接，所述第一直流变换器将所述第一换流站的输入电压转换为所述内部直流母线的供电电压；各所述第二直流变换器均与所述内部直流母线连接以自给供电。
可选地，所述第一直流变换器为ISOP-LLC变换器。
可选地，各所述第二直流变换器均与所述内部直流母线连接包括：
各所述第二直流变换器的输入端与所述内部直流母线的正极连接，各所述第二直流变换器的接地端与所述内部直流母线的负极连接。
可选地，所述第一直流变换器的输出端产生一条内部直流母线包括：
所述第一直流变换器的输出端正极与所述内部直流母线的正极连接，所述第一直流变换器的输出端负极与所述内部直流母线的负极连接。
可选地，所述第一端口与第一换流站连接包括：
所述第一端口的正极与第一换流站的正极端口连接。
可选地，所述第一端口与所述第一直流变换器的输入端连接包括：
所述第一端口的正极与所述第一直流变换器的输入端正极连接，所述第一端口的负极与所述第一直流变换器的输入端负极连接并接地。
可选地，所述第一直流变换器的输入端正极、输出端负极均与所述第一换流站连接包括：
所述第一直流变换器的输入端正极、输出端负极均与所述第一换流站的正极端口连接。
可选地，各所述第二端口与第二换流站连接包括：
各所述第二端口与第二换流站的正极端口连接。
可选地，所述第一直流变换器包括：
多个输入端串联、输出端并联的谐振变换器。
可选地，所述谐振变换器为LLC谐振变换器。
本发明提供了一种具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，包括：n个端口、一个第一直流变换器和n-1个第二直流变换器；所述第一直流变换器为隔离型直流/直流变换器，所述第二直流变换器为输入端输出端共地、输出端电压正负可调的双极性共地型直流/直流变换器；其中，所述n个端口包括一个第一端口和n-1个第二端口，所述第一端口分别与第一换流站、所述第一直流变换器的输入端连接，各所述第二端口分别与所述第二直流变换器的输出端、第二换流站连接；所述第一换流站为所述多端直流潮流控制器提供电源的换流站，所述第二换流站为多端直流输电系统中除所述第一换流站外的其他换流站；所述第一直流变换器的输出端产生一条内部直流母线，所述第一直流变换器的输入端正极、输出端负极均与所述第一换流站连接，所述第一直流变换器将所述第一换流站的输入电压转换为所述内部直流母线的供电电压；各所述第二直流变换器均与所述内部直流母线连接以自给供电。
有鉴如此，本发明带来的有益效果是：
本发明通过第一端口将第一换流站与第一直流变换器连接，利用第一直流变换器将第一换流站的输入电压转换为内部直流母线的供电电压，内部直流母线为与其连接的所有第二直流变换器供电，通过第一直流变换器能实现自取供电，适应高压大容量需求，变换效率高。通过第二端口将第二直流变换器串联在第一换流站和对应的第二换流站之间，由于第二直流变换器为输入端输出端共地、输出端电压正负可调的双极性共地型直流/直流变换器，通过调节第二直流变换器的输出电压即可控制线路潮流，使线路潮流可反转，调节灵活，直流潮流控制的自由度高。同时，采用三环控制策略来控制多端直流潮流控制器，控制策略简单高效，能保证多端直流输电系统的稳定运行。
附图说明
图1为本发明直流潮流控制器的拓扑结构示意图；
图2为本发明ISOP-LLC的内部拓扑结构示意图；
图3为本发明单个LLC谐振变换器的拓扑结构示意图；
图4为本发明的三环控制策略示意图；
图5为本发明第二直流变换器与第二换流站的连接示意图。
具体实施方式
术语解释：
ISOP-LLC变换器：输入串联输出并联(ISOP)结构的LLC谐振变换器。
本发明实施例提供了一种具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，以解决现有直流潮流控制的自由度不足的技术问题。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
多端直流(multi-terminal high voltage direct current，MTDC)输电是在传统高压直流输电的基础上发展而来。由于其具有多电源供电和多落点受电的优势，且系统运行方式较为经济灵活，在解决大容量电能远距离输送和新能源并网等方面优势明显，因此成为了未来直流输电系统发展的主要应用形式。MTDC输电系统内换流站和输电线路的数目相对较多，仅依靠换流站之间的功率协调控制对系统进行潮流管理较为困难，可能会引起不必要的线路损耗和导致线路过载等问题，危及整个系统的安全与稳定运行。
作为目前解决MTDC输电系统潮流控制的有效手段，直流潮流控制器主要包括串联型MTDC和并联型MTDC。串联型MTDC：各换流站之间以同等级直流电流运行，功率分配通过改变直流电压来实现；并联型MTDC，各换流站之间以同等级直流电压运行，功率分配通过改变各换流站的电流来实现；既有并联又有串联的混合型MTDC则增加了系统接线方式的灵活性。值得注意的是，与串联型接线结构相比，并联型接线结构具有更小的线路损耗、更大的调节范围、更易实现的绝缘配合、更灵活的扩建方式以及更突出的经济性，因此目前已运行的MTDC输电工程，多数均采用并联型接线结构。同时，根据系统换流站采用的拓扑类型，可将现有的MTDC输电主要分为线换相换流器型MTDC(line commutated converter basedMTDC，LCC-MTDC)和电压源换流器型MTDC(voltage source converter based MTDC，VSC-MTDC)两种。
请参阅图1，本发明一种具有功率放大功能的多端直流潮流控制器的实施例，包括：n个端口、一个第一直流变换器和n-1个第二直流变换器；所述第一直流变换器为隔离型直流/直流变换器，所述第二直流变换器为输入端输出端共地、输出端电压正负可调的双极性共地型直流/直流变换器；
其中，所述n个端口包括一个第一端口和n-1个第二端口，所述第一端口分别与第一换流站、所述第一直流变换器的输入端连接，各所述第二端口分别与所述第二直流变换器的输出端、第二换流站连接；所述第一换流站为所述多端直流潮流控制器提供电源的换流站，所述第二换流站为多端直流输电系统中除所述第一换流站外的其他换流站；
所述第一直流变换器的输出端产生一条内部直流母线，所述第一直流变换器的输入端正极、输出端负极均与所述第一换流站连接，所述第一直流变换器将所述第一换流站的输入电压转换为所述内部直流母线的供电电压；
各所述第二直流变换器串联在第一换流站和对应的第二换流站之间，各所述第二直流变换器均与所述内部直流母线连接以自给供电。
在本实施例中，对于一个具有n个端口的多端直流潮流控制器DCPFC，包括一个第一端口和n-1个第二端口，连接第一换流站VSC1的第一端口为P0端，连接第二换流站VSCi的第二端口为Pi(i＝1,2,…,n-1)，每个第二端口Pi分别连接一个第二换流站VSCi。第一端口分别与第一换流站、第一直流变换器的输入端连接，各第二端口分别与第二直流变换器的输出端Vout、第二换流站连接，即第一直流变换器通过第一端口与第一换流站连接，各第二直流变换器通过对应的第二端口与对应的第二换流站连接，第二直流变换器、第二端口、第二换流站之间具有一一对应的关系。
图1中，VT表示第一换流站VSC1的输入电压；VTP表示第一换流站VSC1的输入电压经过ISOP-LLC变换器后得到的内部直流母线的电压。
需要说明的是，第一直流变换器为隔离型直流/直流变换器，第二直流变换器为输入端输出端共地、输出端电压正负可调的双极性共地型直流/直流变换器。第一换流站、第二换流站之间具有可互换性，任何一个第二换流站可以作为第一换流站，同时第一换流站也可以作为第二换流站。
由于多端直流输电系统中的所有换流站负极是连接在一起的，当某个第二直流变换器通过第二端口与对应的第二换流站连接时，该第二直流变换器串联在第一换流站和对应的第二换流站之间。
基于本实施例提供的多端直流潮流控制器的拓扑结构，每一台双极性共地型DC/DC变换器能够对其串联进的回路的线路潮流进行独立控制，因此该直流潮流控制器的自由度高。针对有潮流反转需求的线路，本实施例提出了利用第二直流变换器(双极性共地型DC/DC变换器)串联在第一换流站和其他换流站之间进行线路潮流控制的电路，使潮流可反转，调节灵活，直流潮流控制的自由度高。
具体地，第一端口与第一换流站连接包括：第一端口的正极与第一直流变换器的输入端正极连接，第一端口的负极与第一直流变换器的输入端负极连接并接地，第一换流站的电源经第一端口到达第一直流变换器。
具体地，第一端口与第一直流变换器的输入端连接包括：第一端口的正极与第一直流变换器的输入端正极连接，第一端口的负极与第一直流变换器的输入端负极连接并接地。
第一直流变换器的输出端产生一条内部直流母线，第一直流变换器的输出端正极与内部直流母线的正极连接，输出端负极与内部直流母线的负极连接。同时，第一直流变换器的输出端负极与其输入端正极连接，第一直流变换器的输出端负极、输入端正极通过第一端口均与第一换流站的正极端口连接。
第一直流变换器的输出端产生一条内部直流母线，第一直流变换器的输出端正极与内部直流母线的正极连接，第一直流变换器的输出端负极与内部直流母线的负极连接。第一直流变换器的输入端正极、输出端负极均与第一换流站连接，各第二直流变换器的输入端Vin与内部直流母线的正极连接，各第二直流变换器的接地端与内部直流母线的负极连接。
可以理解的是，第二直流变换器具有输入输出共地的特点，且输出电压可以为正负极可调，第二直流变换器包括三端：输入端、输出端和接地端，分别连接内部直流母线的正极、第二端口、内部直流母线的负极。
具体地，由于第一直流变换器(如ISOP-LLC变换器)的输出端负极与第一换流站VSC1的正极端口(VSC1+端)相连，因此，相当于第一直流变换器的输出端负极的电位与第一换流站VSC1的正极端口VSC1+端等电位。由于第二直流变换器的接地端GND与内部直流母线的负极相连，因此相当于第二直流变换器在第一换流站VSC1的正极端口VSC1+端的电位上调节正负电压；而且第二直流变换器通过输出端串联在第一换流站和对应的第二换流站之间，因此，在两个换流站之间串联第二直流变换器相当于在线路中串联受控电压源，以此来控制线路潮流；通过调节第二直流变换器的输出电压可以控制线路潮流。
在多端直流输电系统中，流过第二直流变换器的功率仅为系统全部功率中的一部分功率，但通过控制第二直流变换器的输出电压即可以控制整个多端直流输电系统的潮流流向，因此，本实施例提供的多端直流潮流控制器具有功率放大的功能，能够实现多端直流输电系统的以小控大。
可以理解的是，第一直流变换器的输入端为多端直流潮流控制器DCPFC提供电源，第一直流变换器的输出端为所有的第二直流变换器提供电源，第一直流变换器将第一换流站的输入电压转换为内部直流母线的供电电压，通过内部直流母线为所有的第二直流变换器自给供电，内部直流母线将第一直流变换器的输出电源提供给所有的第二直流变换器。本实施例中，第一直流变换器产生的内部直流母线能为所有的第二直流变换器提供电源，多端直流潮流控制器DCPFC中所有的第二直流变换器无需连接外部的电源就能正常工作，相当于多端直流潮流控制器DCPFC能自给供电。
本实施例提供的多端直流潮流控制器DCPFC，直流侧通过第一直流变换器如ISOP-LLC变换器实现自取电，能适应高压大容量需求，变换效率高。
请参阅图2，第一直流变换器为隔离型DC/DC辅助变换器，优选的实施方式，第一直流变换器可以为ISOP-LLC变换器；第一直流变换器中包括如图2所示输入串联、输出并联的多个谐振变换器，优选的实施方式，谐振变换器可以为LLC谐振变换器，可降低输入侧即高压侧开关管的电压应力，增加输出电流的能力，同时，此结构可采用交错控制策略，其纹波抵消效应将大幅度减小输出电流纹波幅值，相较单个谐振变换器，在相同输出功率下，交错控制的电路系统所选用的输出电容更小，因此，可以提高第一直流变换器的功率密度。
请参阅图3，单个LLC谐振变换器采用双向全桥结构，其拓扑结构如图3所示，此拓扑结构不需要任何钳位电路来减小开关管的电压应力，其主电路结构如图3所示。其中，IGBT模块Q1～Q4与Q5～Q8分别构成2个H桥桥臂，Ci为串联侧滤波电容，Co为并联侧滤波电容。电感Lr1为谐振电感，电容Cr1为谐振电容，电感Lr1和电容Cr1构成串联侧变压器LC谐振网络Lr1Cr1，电感Lr2为谐振电感，电容Cr2为谐振电容，二者组成并联侧变压器LC谐振网络Lr2Cr2。为了保持变换器双向运行特性的一致性，设计变换器Lr1Cr1谐振与Lr2Cr2谐振具有相同的谐振频率。采用高频隔离变压器TR进行电压变换和电气隔离，Lm为变压器的励磁电感，与谐振电感和谐振电容组成LLC的谐振槽。
需要说明的是，本实施例中的LLC谐振变换器中也可使用全桥电路、半桥电路等。
请参阅图4和图5，多端直流潮流控制器DCPFC采用三环控制策略，其中，Ipdref是线路潮流的指令值，Ipi是第i个第二换流站上的线路潮流，其比较值经PI调节器后得到电压指令值Udref，电压指令值Udref与第i个第二直流变换器的输出电容电压采样值Uci进行比较，比较后的比较值经PI调节器得到最内环电流的指令值Ildref，其指令值与第二直流变换器的电感电流采样值IL进行比较，所得差值经过PI调节器后与三角波进行比较，得到开关管的驱动脉冲即PWM波。
三环控制策略的控制思路是：最内环是第二直流变换器的电感电流环，通过检测第二直流变换器滤波电感上的实时电流iL，对其差值进行PI调节，然后改变占空比，从而达到输出电流尽量接近预期设定电流iLref，运算最小，动态响应最快。
第二环是第二直流变换器的输出滤波电容的电压环，通过检测单个电容的输出电压来进行负反馈PI调节，它的PI输出直接作为电感电流环的电流指令值iLref，所以电压环控制时就包含了输出电压环和电感电流环，即任何形式都必须使用电流环，电流环是控制的根本。
第三环是潮流调节的电流环，它是最外环，由于它内部PI输出就是储能单元(电容)预期输出电压的指令值Uref，该环进行了所有3个环的运算，运算量最大，动态响应也较慢。
本实施例提供的多端直流潮流控制器DCPFC，采用由线路潮流-电容电压-电感电流组成的三环控制策略，控制策略简单高效，系统运行稳定。
本实施例通过第一端口将第一换流站与第一直流变换器连接，利用第一直流变换器将第一换流站的输入电压转换为内部直流母线的供电电压，内部直流母线为与其连接的所有第二直流变换器供电，通过第一直流变换器能实现自取供电，适应高压大容量需求，变换效率高。通过第二端口将第二直流变换器串联在第一换流站和对应的第二换流站之间，由于第二直流变换器为输入端输出端共地、输出端电压正负可调的双极性共地型直流/直流变换器，通过调节第二直流变换器的输出电压即可控制线路潮流，使线路潮流可反转，调节灵活，直流潮流控制的自由度高。同时，采用三环控制策略来控制多端直流潮流控制器，控制策略简单高效，能保证多端直流输电系统的稳定运行。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，其特征在于，包括：
n个端口、一个第一直流变换器和n-1个第二直流变换器；所述第一直流变换器为隔离型直流/直流变换器，所述第二直流变换器为输入端输出端共地、输出端电压正负可调的双极性共地型直流/直流变换器；
其中，所述n个端口包括一个第一端口和n-1个第二端口，所述第一端口分别与第一换流站、所述第一直流变换器的输入端连接，各所述第二端口分别与所述第二直流变换器的输出端、第二换流站连接；所述第一换流站为所述多端直流潮流控制器提供电源的换流站，所述第二换流站为多端直流输电系统中除所述第一换流站外的其他换流站；
所述第一直流变换器的输出端产生一条内部直流母线，所述第一直流变换器的输入端正极、输出端负极均与所述第一换流站连接，所述第一直流变换器将所述第一换流站的输入电压转换为所述内部直流母线的供电电压；各所述第二直流变换器均与所述内部直流母线连接以自给供电。
2.根据权利要求1所述的具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，其特征在于，所述第一直流变换器为ISOP-LLC变换器。
3.根据权利要求1所述的具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，其特征在于，各所述第二直流变换器均与所述内部直流母线连接包括：
各所述第二直流变换器的输入端与所述内部直流母线的正极连接，各所述第二直流变换器的接地端与所述内部直流母线的负极连接。
4.根据权利要求1所述的具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，其特征在于，所述第一直流变换器的输出端产生一条内部直流母线包括：
所述第一直流变换器的输出端正极与所述内部直流母线的正极连接，所述第一直流变换器的输出端负极与所述内部直流母线的负极连接。
5.根据权利要求1所述的具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，其特征在于，所述第一端口与第一换流站连接包括：
所述第一端口的正极与第一换流站的正极端口连接。
6.根据权利要求1所述的具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，其特征在于，所述第一端口与所述第一直流变换器的输入端连接包括：
所述第一端口的正极与所述第一直流变换器的输入端正极连接，所述第一端口的负极与所述第一直流变换器的输入端负极连接并接地。
7.根据权利要求1所述的具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，其特征在于，所述第一直流变换器的输入端正极、输出端负极均与所述第一换流站连接包括：
所述第一直流变换器的输入端正极、输出端负极均与所述第一换流站的正极端口连接。
8.根据权利要求1所述的具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，其特征在于，各所述第二端口与第二换流站连接包括：
各所述第二端口与第二换流站的正极端口连接。
9.根据权利要求1所述的具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，其特征在于，所述第一直流变换器包括：
多个输入端串联、输出端并联的谐振变换器。
10.根据权利要求9所述的具有功率放大功能的多端直流潮流控制器，其特征在于，所述谐振变换器为LLC谐振变换器。
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