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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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；本发明专利技术具有装置成本低、占地面积小、潮流控制范围广等优势；本发明专利技术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。地实现直流输出端口的拓展。地实现直流输出端口的拓展。

【技术实现步骤摘要】
一种具备直流潮流控制的直流变压器系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及柔性直流输配电技术、电力电子的
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本部分的目的在于概述本专利技术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专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
[0007]鉴于上述现有存在的问题，提出了本专利技术。
[0008]因此，本专利技术解决的技术问题是：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。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：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。
[0010]作为本专利技术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。
[0011]作为本专利技术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。
[0012]作为本专利技术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。
[0013]作为本专利技术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。
[0014]作为本专利技术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。
[0015]作为本专利技术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。
[0016]作为本专利技术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。
[0017]作为本专利技术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P
DCT
等于参考值
[0018]作为本专利技术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U
i
和直流电流I
i
，并计算实际功率P
DCT
，将总功率P
DCT
及其参考值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d
M
，所述直流变压器总功率与移相比之间具体的数学方程为：
[0019][0020]其中，U
p
和U
s
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，L
ac
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，d
M
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，d
M
大于0时表示副边侧交流电压超前于原边侧交流电压。
[0021]作为本专利技术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。
[0022]作为本专利技术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
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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P
DCT
等于参考值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U
i
和直流电流I
i
，并计算实际功率P
DCT
，将总功率P
DCT
及其参考值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d
M
，所述直流变压器总功率与移相比之间具体的数学方程为：
其中，U
p
和U
s
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，L
ac
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，d
M
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，d
M
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建文，刘禹闻，周剑桥，施刚，梁克靖，王晗，蔡旭，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：