CN104767218B - 一种直流潮流控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流潮流控制器，适用于多端直流输电***，该控制方案包括两个变换器。变换器的输出分别串联在不同的输电线路中，每个变换器在以一个直流输出或吸收功率的同时，可以交流吸收或发出功率。在两个变换器之间的带通滤波器可以将交流电压、电流形成的功率限制在辅助通路中，可以有效抑制直流输电线路上的交流分量。因此直流功率环和交流功率环中的功率可以实现解耦控制，直流功率环专门用于直流输电线上的潮流控制，交流功率环用于变换器的功率平衡。本发明的直流潮流控制器电路结构简单、开关器件少、无需低频隔离变压器以及外部电源。

Description

一种直流潮流控制器
技术领域
本发明涉及一种基于正交功率解耦的新型直流潮流控制器，属于电力电子技术领域，主要应用于直流输电场合。
背景技术
多端直流输电***是由3个及以上换流站，通过串联、并联或混联方式连接起来的直流输电***，它能够实现多电源供电以及多落点受电，相比于两端高压直流输电***运行更为经济灵活，是解决我国目前面临的大规模可再生能源并网、大容量远距离电能输送和输电走廊紧缺等问题的有效技术手段之一。相比于传统电流源型换流器，电压源换流器(voltage source converter,VSC)在潮流反转时直流电流方向反转而直流电压不变，且没有换相失败等问题，因而有利于构成多端柔性直流输电(VSC based multi-terminal highvoltage direct current,VSC-MTDC)***。典型的环网式三端VSC-MTDC***等效电路如图10所示，假设VSC1和VSC2分别是两个海上风电场的换流站，为定功率模式运行，VSC3为岸上换流站，为定直流电压模式运行，功率从VSC1和VSC2向VSC3传输。为了调节直流输电线上的潮流，需要在输电线中串入直流潮流控制器。由于不存在交流电的无功功率、电抗和相角，VSC-MTDC***只能调节输电线路电阻和直流电压来控制直流潮流。
在控制输电线路电阻方面，通常是在输电线路中串入可变电阻来控制直流潮流。输电线路中串入可变电阻方案的优点是结构和控制简单，其缺点也很明显，如损耗大，对装置散热提出了很高要求，且只能增大输电线路等效电阻，潮流单向调节。
在控制直流电压方面，有学者提出了采用DC/DC变压器的方案，该方案的优点是可以用于连接不同电压等级的直流***，以提高直流输电***的运行灵活性，还可将变比为1左右的DC/DC变压器串入同一电压等级的直流***中，通过微调变比来调节直流***潮流，不足是所有的功率都需要通过DC/DC变压器，损耗较大。另一个方案是在输电线路中串入可调电压源来改变直流电压进而控制直流潮流。如加拿大麦吉尔大学的B.-T.Ooi教授等提出了一种基于晶闸管控制的可调电压源电路结构(Veilleux E，Ooi B.Multiterminal HVDCwith thyristor power-flow controller.IEEE Transactions on Power Delivery，2012，27(3)：1205-1212)以及中国电力科学研究院的李亚楼高工等提出了一种AC/DC+DC/DC两级式可调电压源电路结构(Mu Q,Liang J,Li Y,Zhou X.Power flow controldevices in DC grids.IEEE Power and Energy Society General Meeting,2012:1-7)。相比于DC/DC变压器，串入可调电压源的功率和相应损耗都小，电压等级低，更易实现。但这种两种方案的电路结构需要一个外部电源来为可调电压源提供功率或吸收其功率，还需低频高压隔离变压器进行电压隔离，且所需的开关器件较多。
发明内容
技术问题：本发明针对多端直流输电***中直流潮流控制的技术要求，提出一种基于正交功率解耦的直流潮流控制器,该控制器不需要低频隔离变压器以及外部电源的直流潮流控制方式，通过简单的控制方法即可实现潮流的有效控制，提高了输电网络潮流方向的控制能力以及输电线路输送能力。
技术方案：一种直流潮流控制器，适用于多端直流输电网络，包括两个变换器和一个带通滤波器；
所述两个变换器的输出分别串联在多端直流输电网络的某个换流站任意两个不同的输电线路中，所述带通滤波器串联于两个变换器的输出之间，使得两个变换器的输出、带通滤波器和换流站之间形成一个辅助环路；
每个变换器在以一个直流输出或吸收功率的同时，能够交流吸收或发出功率；在两个变换器之间的带通滤波器能够将直流输电线路上的交流电压、交流电流形成的功率限制在辅助通路中，抑制直流输电线路上的交流分量；实现直流功率环和交流功率环中功率的解耦控制，使直流功率环专门用于直流输电线上的潮流控制，交流功率环用于变换器的功率平衡。
进一步的，所述变换器包括H桥、连接于H桥输入端的输入电容Cin和连接于H桥输出端的LC滤波电路，所述LC滤波电路包括串联的电感和输出电容Cout，所述输出电容Cout串联在输电线路中。当H桥的直流功率与交流功率相平衡时，输入电容Cin的电压就能稳定在设定值。且潮流控制器工作时在Cout中会产生一个直流量和一个固定频率的交流量，直流量参与潮流调节，交流量用于平衡H桥的功率。H桥上的直流功率和交流功率是相互独立，互不影响的，稳态时H桥上的直流功率与交流功率相平衡，H桥无需外部电源。
进一步的，所述带通滤波器由LC串联谐振电路构成，一端连接一个变换器输出电容Cout的正极、一端连接另一个变换器输出电容Cout的负极，带通滤波器的谐振频率为辅助环路中交流功率环的频率。
有益效果：本发明的直流潮流控制器适用于多端直流输电场合，与传统的直流潮流控制器相比，本发明的直流潮流器电路结构简单、开关器件少、无需低频隔离变压器以及外部电源，通过简单的控制方法即可实现潮流的有效控制，提高了输电网络潮流方向的控制能力以及输电线路输送能力。
附图说明
图1是包含本发明的直流潮流控制器的环网式三端直流输电***；
图2是包含本发明的直流潮流控制器的环网式三端直流输电***等效电路；
图3是可调电压源直流分量的等效电路；
图4是可调电压源交流分量的等效电路；
图5是可调电压源的电路拓扑；
图6是潮流控制器不参与工作时输电线路的电流波形；
图7是潮流控制器参与工作时输电线路的电流波形；
图8是潮流控制器参与工作时H桥输入侧电容的电压波形；
图9是潮流控制器参与工作时H桥输出侧电容的电压波形；
图10是典型的环网式三端VSC-MTDC***等效电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明适用多端(三端及三端以上)高压直流输电***，下面仅以三端直流输电***为例进行详细阐述。
包含本发明直流潮流控制器的三端直流输电***如图1所示，VSC3为定直流电压模式运行，VSC1和VSC2为定功率模式运行，直流潮流控制方案包括两个变换器，变换器安装在变流站VSC2内，变换器的输出(Vx和Vy)分别串联在VSC2处的两个输电线路中。包含本发明直流潮流控制方式的三端直流输电***等效电路如图2所示。变换器一和变换器二均同时产生直流电压(Vxd，Vyd)和交流电压(Vxac，Vyac)。选用变换器为H桥电路，H桥由开关S1-S4构成，S1与S2的串联支路与S3和S4的串联支路并联。H桥的输入侧为电容Cin，H桥的输出侧采用LC滤波，其中电容Cout串联在输电线路中，潮流控制器工作时在Cout中会产生一个直流量和一个固定频率的交流量，为减少交流量在直流输电线上的流动范围，增加了LC旁路环节。当H桥的直流功率与交流功率相平衡时，输入电容Cin的电压就能稳定住。设功率Pxac为电压源Vx发出的交流功率，Pxd为电压源Vx发出的直流功率，Pyac为电压源Vy发出的交流功率，Pyd为电压源Vy发出的直流功率则有：
Pxac+Pxd＝0
Pyac+Pyd＝0
可调电压源无需向外界传递能量，能量通过输电线在两个可调电压源之间传递，忽略线路损耗则一个电压源发出的直流功率和交流功率会被另一个电压源完全吸收，则有：
Pxac+Pyac＝0
Pxd+Pyd＝0
如图4所示，直流量通过整个直流输电线来传递能量，用于调节直流潮流。通过将Ls和Cs的谐振频率设计在可调电压源交流电压的频率下，可以使交流量通过极短的直流输电线，极大得减少了输电线上的交流损耗。可调电压源的交流量只用于H桥的功率自平衡，对直流输电线的潮流控制没有贡献。
本发明的基于正交功率解耦的新型直流潮流控制器可以用于控制直流输电线上某条线路的电流，下面以一个具体的仿真实例来分析直流控制器对直流输电线潮流的控制作用。仿真采用图1所示的三端环网式柔性直流输电***，VSC3为为定直流电压模式运行，控制V3＝1000V，VSC1和VSC2为定功率模式运行，分别向***注入P1＝50kW和P2＝100kW功率，三段输电线路的参数如表1所示。
表1图1所示的三端柔性直流输电***的线路参数
输电线路参数 Line1 Line2 Line3
电阻/Ω 0.2 0.1 0.3
电感/mH 0.2 0.1 0.3
直流潮流调节器不工作时直流输电线上的电流波形如图6所示，此时线路1上的电流为40A。假设此时线路1需要降电流运行在30A(I12＝30)，投入潮流控制器后输电线上的电流波形如图7所示，I12为30A且由于LC串联谐振电路的作用，直流线路上的电流只存在直流量。稳态工作后潮流控制器自身达到了直流功率和交流功率的平衡，其输入侧的电容电压波形如图8所示，电压稳定在20V。图9为稳态时潮流控制器输出电容上的电压波形，电容电压均为直流量和交流量的叠加。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种直流潮流控制器，适用于多端直流输电网络，其特征在于：包括两个变换器和一个带通滤波器；
所述两个变换器的输出分别串联在多端直流输电网络的某个换流站任意两个不同的输电线路中，所述带通滤波器串联于两个变换器的输出之间，使得两个变换器的输出、带通滤波器和换流站之间形成一个辅助环路；
每个变换器在以一个直流输出或吸收功率的同时，能够交流吸收或发出功率；在两个变换器之间的带通滤波器能够将直流输电线路上的交流电压、交流电流形成的功率限制在辅助通路中，抑制直流输电线路上的交流分量；实现直流功率环和交流功率环中功率的解耦控制，使直流功率环专门用于直流输电线上的潮流控制，交流功率环用于变换器的功率平衡。
2.根据权利要求1所述的一种直流潮流控制器，其特征在于：所述变换器包括H桥、连接于H桥输入端的输入电容Cin和连接于H桥输出端的LC滤波电路，所述LC滤波电路包括串联的电感和输出电容Cout，所述输出电容Cout串联在输电线路中。
3.根据权利要求2所述的一种直流潮流控制器，其特征在于：所述带通滤波器由LC串联谐振电路构成，一端连接一个变换器输出电容Cout的正极、一端连接另一个变换器输出电容Cout的负极。
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