一种无变压器型广义统一潮流控制器、方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无变压器型广义统一潮流控制器、方法及系统包括：无功补偿模块和潮流调节模块，无功补偿模块包括级联桥型逆变器，潮流调节模块包括多端口单相MMC，其中，多端口单相MMC与级联桥型逆变器进行串联，无功补偿模块为电压源型变流器，具备无功功率双向补偿功能，可以从系统吸收无功，也可以为系统提供无功补偿，潮流调节模块实现输电线有功功率和无功功率的解耦控制。和现有统一潮流控制器相比，本发明专利技术省去了昂贵且笨重的工频隔离变压器，不仅减小了装置的占地面积，更降低了装置安装运行的成本，且无变压器型的设计使得装置响应速度更快，损耗更低。损耗更低。

【技术实现步骤摘要】
一种无变压器型广义统一潮流控制器、方法及系统


[0001]本专利技术涉及交流电网潮流控制、电力电子
，特别是一种适用于交流电网的具备多端口主动潮流控制能力的无变压器型广义统一潮流控制器及其控制方法和系统。

技术介绍

[0002]随着负荷增长及大规模可再生能源的接入，电网结构日趋复杂。一方面，现代电力系统已经发展为大型互联网络，存在着发电机出力和负荷需求不平衡，导致电网潮流分布不均、线路过载、损耗增大，输电量下降等问题。另一方面，高比例的可再生能源的接入和负荷的不断发展，由源荷互动引起的电力系统运行方式多样变化，将导致电力系统潮流分布极为复杂，进而给电力系统的可靠运行带来了巨大的挑战。
[0003]为了解决上述问题，通常有两种方案：第一种方案为升级现有输电线路或增设输电线路，增强网架结构，这种方案受输电走廊匮乏、新增变电站征地困难以及经济性等因素的限制而难以实现；第二种方案为通过柔性交流输电装置实现输电线路的主动潮流控制。这种方案可通过电力电子装置对影响功率传输的所有电气参数进行控制，使得电网灵活可控，不仅不需要改变现有电网的结构，还具有灵活调节潮流、动态补偿以及抑制振荡等优点。同时充分利用电力电子装置控制的实时性和快速性，实现输电线上潮流快速动态的调节，从而优化潮流分布。
[0004]现有潮流调节功能最全面的潮流控制器主要是广义统一潮流控制器，现有的广义统一潮流控制器典型拓扑结构由一个并联的电压源型换流器和多个串联的电压源型换流器背靠背连接，换流器通过工频隔离变压器和输电线路相连接。通过调节串联侧换流器电压的幅值与相角可独立调节多条输电线路的有功功率和无功功率。然而，该拓扑需要采用昂贵且笨重的工频隔离变压器，这导致装置总体体积大，安装运行和维护的成本很高，同时在拓展设备连接端口时需增加串联工频隔离变压器和三相的电压源型换流器，端口拓展成本高。

技术实现思路

[0005]本部分的目的在于概述本专利技术的实施案例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施案例。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。
[0006]鉴于现有技术中存在的问题，提出了本专利技术。
[0007]因此，本专利技术解决的技术问题是：针对现阶段存在着现有的潮流控制器设备总体体积大，运行维护成本高以及设备体积和运行维护成本降低后与潮流控制器所要达到的功能之间难以权衡的问题，充分考虑潮流控制器的轻便性、经济性和实用性设计了一种无变压器的潮流控制器的新型结构。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]无变压器型广义统一潮流控制器包括，
[0010]无功补偿模块，所述无功补偿模块包括级联桥型逆变器；
[0011]潮流调节模块，所述潮流调节模块包括多端口单相MMC；
[0012]其中，所述多端口单相MMC与所述级联桥型逆变器进行串联；
[0013]所述无功补偿模块为电压源型变流器，具备无功功率双向补偿功能，可以从系统吸收无功，也可以为系统提供无功补偿；
[0014]所述潮流调节模块实现输电线有功功率和无功功率的解耦控制。
[0015]作为本专利技术所述的无变压器型广义统一潮流控制器，其中：所述级联桥型逆变器是由多个子模块级联而成。
[0016]作为本专利技术所述的无变压器型广义统一潮流控制器，其中：所述多端口单相MMC包括潮流调节多端口单相MMC和能量平衡多端口单相MMC；
[0017]所述能量平衡多端口单相MMC与潮流调节多端口单相MMC并联；
[0018]所述级联桥型逆变器与能量平衡多端口单相MMC的交流输出端口相连，实现级联桥型逆变器与多端口单相MMC的串联连接；
[0019]所述潮流调节多端口单相MMC的交流输出端口与输电线串联，通过调节串联在输电线上的多端口单相MMC交流输出端口电压的幅值相位，实现输电线有功功率和无功功率的解耦控制。
[0020]作为本专利技术所述的无变压器型广义统一潮流控制器的控制方法，其中：所述线路潮流控制环的控制目标为：
[0021]获取潮流控制输电线的有功功率的参考值和无功功率的参考值
[0022]设定线路潮流控制环输出
[0023]其中，为与潮流调节平衡输电线相连的潮流调节多端口单相MMC交流输出端口的输出电压的交流成分的参考值，为与潮流控制输电线相连的潮流调节多端口单相MMC交流输出端口的输出电压的交流成分的参考值，下标i表示第i条输电线为潮流调节平衡输电线，下标j表示第j条潮流控制输电线。
[0024]作为本专利技术所述的无变压器型广义统一潮流控制器的控制方法，其中：所述级联桥型逆变器控制环包括，
[0025]电压控制外环、无功功率控制外环和电流控制内环；
[0026]所述级联桥型逆变器控制环的控制目标为潮流调节平衡输电线的无功功率达到参考值和级联桥型逆变器三相电容电压之和稳定为参考值级联桥型逆变器控制环的输出为级联桥型逆变器交流输出端口的电压的交流成分的参考值
[0027]所述无功功率控制外环根据潮流调节平衡输电线的无功功率参考值计算潮流调节平衡输电线电流q轴分量参考值
[0028]所述电流控制内环在dq坐标系下进行控制，利用比例积分控制器，对潮流调节平
衡输电线电流的d轴分量和q轴分量分别控制，数学方程为：
[0029][0030]其中，和乘以帕克逆转换矩阵，再乘以
‑
1反相后，得到abc坐标系下的级联桥型逆变器控制环输出参考电压即V
pa
、V
pb
、V
pc
；
[0031]其中，V
Cid
和V
Ciq
为与潮流调节平衡输电线相连的潮流调节多端口单相MMC交流输出端口电压的交流成分的d轴分量和q轴分量，V
SMd
和V
SMq
为与级联桥型逆变器相连的能量平衡多端口单相MMC交流输出端口电压的交流成分的d轴分量和q轴分量，k
p2
为比例积分控制器比例环节增益系数，k
i2
为比例积分控制器积分环节增益系数，V
id
、V
iq
、V
Cid
、V
Ciq
、V
SMd
、V
SMq
为前馈项，作用是增强控制环抗干扰能力，加快控制环响应速度，为解耦项，作用是实现d轴和q轴的解耦控制。
[0032]作为本专利技术所述的无变压器型广义统一潮流控制器的控制方法，其中：所述公共直流母线电压平衡控制环的控制目标为公共直流母线电压稳定为参考值公共直流母线电压平衡控制环的输出为公共直流母线平衡参考电压
[0033]所述公共直流母线电压平衡控制环的控制在abc坐标系下进行，利用比例积分控制器对abc三相的公共直流母线电压进行控制，数学方程为：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无变压器型广义统一潮流控制器，其特征在于，包括：无功补偿模块，所述无功补偿模块包括级联桥型逆变器；潮流调节模块，所述潮流调节模块包括多端口单相MMC；其中，所述多端口单相MMC与所述级联桥型逆变器进行串联；所述无功补偿模块为电压源型变流器，具备无功功率双向补偿功能，可以从系统吸收无功，也可以为系统提供无功补偿；所述潮流调节模块实现输电线有功功率和无功功率的解耦控制。2.如权利要求1所述的一种无变压器型广义统一潮流控制器，其特征在于：所述级联桥型逆变器是由多个子模块级联而成。3.如权利要求1所述的一种无变压器型广义统一潮流控制器，其特征在于：所述多端口单相MMC包括潮流调节多端口单相MMC和能量平衡多端口单相MMC；所述能量平衡多端口单相MMC与潮流调节多端口单相MMC并联；所述级联桥型逆变器与能量平衡多端口单相MMC的交流输出端口相连，实现级联桥型逆变器与多端口单相MMC的串联连接；所述潮流调节多端口单相MMC的交流输出端口与输电线串联，通过调节串联在输电线上的多端口单相MMC交流输出端口电压的幅值相位，实现输电线有功功率和无功功率的解耦控制。4.一种基于如权利要求1～3任一所述的无变压器型广义统一潮流控制器的控制方法，其特征在于，包括：主要控制模块，包括线路潮流控制环、级联桥型逆变器控制环和公共直流母线平衡控制换，实现控制器的基本功能，保证控制正常运转；采用环流抑制控制和桥臂电压均衡控制抑制潮流调节模块的环流和电压不均衡的现象，提高控制器的性能；锁相环锁定潮流调节平衡输电线的节点三相电压，获得锁定线路的相位，锁相环输出的相角为abc坐标系到dq坐标系的帕克转换矩阵提供角度。5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述线路潮流控制环的控制目标为：获取潮流控制输电线的有功功率的参考值和无功功率的参考值设定线路潮流控制环输出其中，为与潮流调节平衡输电线相连的潮流调节多端口单相MMC交流输出端口的输出电压的交流成分的参考值，为与潮流控制输电线相连的潮流调节多端口单相MMC交流输出端口的输出电压的交流成分的参考值，下标i表示第i条输电线为潮流调节平衡输电线，下标j表示第j条潮流控制输电线。6.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述级联桥型逆变器控制环包括，电压控制外环、无功功率控制外环和电流控制内环；所述级联桥型逆变器控制环的控制目标为潮流调节平衡输电线的无功功率达到参考值和级联桥型逆变器三相电容电压之和稳定为参考值级联桥型逆变器控
制环的输出为级联桥型逆变器交流输出端口的电压的交流成分的参考值所述无功功率控制外环根据潮流调节平衡输电线的无功功率参考值计算潮流调节平衡输电线电流q轴分量参考值所述电流控制内环在dq坐标系下进行控制，利用比例积分控制器，对潮流调节平衡输电线电流的d轴分量和q轴分量分别控制，数学方程为：其中，和乘以帕克逆转换矩阵，再乘以
‑
1反相后，得到abc坐标系下的级联桥型逆变器控制环输出参考电压即V
pa
、V
pb
、V
pc
；其中，V
Cid
和V
Ciq
为与潮流调节平衡输电线相连的潮流调节多端口单相MMC交流输出端口电压的交流成分的d轴分量和q轴分量，V
SMd
和V
SMq
为与级联桥型逆变器相连的能量平衡多端口单相MMC交流输出端口电压的交流成分的d轴分量和q轴分量，k
p2
为比例积分控制器比例环节增益系数，k
i2
为比例积分控制器积分环节增益系数，V
id
、V
iq
、V
Cid
、V
Ciq
、V
SMd
、V
SMq
为前馈项，作用是增强控制环抗干扰能力，加快控制环响应速度，为解耦项，作用是实现d轴和q轴的解耦控制。7.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述公共直流母线电压平衡控制环的控制目标为公共直流母线电压稳定为参考值公共直流母线电压平衡控制环的输出为公共直流母线平衡参考电压所述公共直流母线电压平衡控制环的控制在abc坐标系下进行，利用比例积分控制器对abc三相的公共直流母线电压进行控制，数学方程为：其中，V
linka
、V
linkb
、V
linkc
为三相公共直流母线电压，I
pa
、I
pb
、I
pc
为级联桥型逆变器支路三相电流，为前馈的三相参考电压，k
p3
为比例积分控制器比例环节增益系数，k
i3
为比例积分控制器积分环节增益系数。8.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述环流抑制控制的控制目标为抑制每相的多端口单相MMC之间的环流，环流抑制控制的输出为产生环流的二倍频电压，通过对子模块调制信号进行补偿，实现环流的抑制；所述环流抑制控制在abc坐标系下进行，利用准比例谐振控制器对abc三相的相内环流进行抑制，数学方程为：
其中，G
QPR
(s)为准PR控制器的传递函数，ω为谐振频率，ω
c
为截至频率主要影响系统带宽，k
p4
为准比例谐振控制器比例环节增益系数，k
r
为准比例谐振控制器谐振环节增益系数，为与第k条输电线连接的潮流调节多端口单相MMC子模块环流补偿电压，s为拉普拉斯变化下的模型变量，为能...

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