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电感共用式线间直流潮流控制器及其控制
资料介绍
在多端柔性直流输电中,存在换流站不能完全控制各线路潮流的问题.为了实现潮流的灵活控制,提出一种电感共用式线间直流潮流控制器.该潮流控制器通过在两条输电线路中各串入一个电容,利用共用电感进行功率交换,实现潮流控制,其拓扑结构和控制都较为简单,可模块化,适用于多端直流电网.首先分析了该潮流控制器的工作原理及控制策略,然后在PLECS仿真软件中搭建三端直流输电系统进行验证.仿真结果表明,电感共用式线间直流潮流控制器在正常供电、换流站功率缺失等多种工况下,对直流输电系统潮流进行了灵活和准确的控制.
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Vol.42No.23Dec.10 2018
第
卷
42
第
期
23
年
月
日
20 1 8 1 2 1 0
:
/
DOI 10.7500 AEPS20180615013
电感共用式线间直流潮流控制器及其控制
,
,
,
,
张家奎 徐千鸣 罗 安 马伏军 何志兴
(
,
)
410082
湖南大学电气与信息工程学院 湖南省长沙市
:
,
。
摘要 在多端柔性直流输电中 存在换流站不能完全控制各线路潮流的问题 为了实现潮流的灵
,
。
活控制 提出一种电感共用式线间直流潮流控制器 该潮流控制器通过在两条输电线路中各串入
,
,
,
,
,
一个电容 利用共用电感进行功率交换 实现潮流控制 其拓扑结构和控制都较为简单 可模块化
。
,
适用于多端直流电网 首先分析了该潮流控制器的工作原理及控制策略 然后在
仿真软
PLECS
。
,
件中搭建三端直流输电系统进行验证 仿真结果表明 电感共用式线间直流潮流控制器在正常供
、
,
。
电 换流站功率缺失等多种工况下 对直流输电系统潮流进行了灵活和准确的控制
:
;
;
;
关键词 直流电网 直流潮流控制器 共用电感 模块化结构
,
/
DCDC
,
变换器承受系统电压问题 但
快速 解决了
引言
0
[,
]
8 15-17
,
。
其需从外部取能 电路较复杂且建设成本高
针对辅助电压源型潮流控制器的外部取能问
, [ ]
由于传统能源的日渐枯竭以及环境问题的日益
,
。
突出 可再生能源的开发利用日益受到重视 可再
题 文献 提出通过将一个电容分时频繁地串
18-19
、
,
生能源属于间歇性 随机性能源 多端柔性直流系统
,
、
入两条不同线路来控制潮流 该方案结构简单 成本
,
在大规模新能源输送和消纳方面具有一定的优势
1-5 。 ,
,
低 但电容频繁接入线路会使线路中造成额外的电
将成为未来电网的重要发展趋势[ ] 但是 当多端
。 [ ]
流纹波 文献 提出一种线间直流潮流控制器
20
),
解
interlineDC owerflowcontroller IDCPFC
,
柔性直流系统换流站个数少于输电线路数目时 存
(
,
p
在某些线路不能依靠换流站来进行潮流 调节的问
[ ]
决了文献
中潮流控制器引入电流纹波的问
18-19
。 ,
,
题
为此 需要引入额外的直流潮流控制装置 来增
,
,
在线路潮流反转时无法工作
题 然而该
IDCPFC
强直流系统的潮流控制能力[]
6
。
。 [ ]
只适用于单向潮流传输的系统 文献
提出
的缺
21-23
[ ]
中
20 IDCPFC
,
近年来 国内外相关领域学者就直流潮流控制
,
改进的
解决了文献
IDCPFC
,
,
问题 进行了一系列研究 并提出了多种直流潮流控
,
,
利用反激变换器的原理 给耦合电
陷 其
IDCPFC
感的绝缘设计增加了难度 而且其往多线间拓展时
。 [ ]
。
制器拓扑 现有直流潮流控制器从设计思路方面来
,
。
类
看主要分为
3
难度较 大 文 献 提 出 了 更 加 简 洁 的
24
IDCPFC
结构 元件数量少 控制简单 但只适用于两线路同
。 [ ]
)
:
,
可变电阻器 在线路中串入可变电阻器 通过
1
,
、
,
,
对电阻器的投切进行线路潮流的控制 该方案结构
向潮流的系统 文献 提出了基于电压源型换流
25
、
、 ,
、
简单 方便安装 成本低 缺点是有额外运行损耗 只
(
, )
结构的多端口直
器
volta esourceconverterVSC
g
能单向调节[ ]
7-9
。
,
,
流潮流控制器 可同时参与多线路潮流调控 结构易
) /
2 DCDC
: /
变 换 器 将
变 换 器 串 入 线
DCDC
,
,
。
于拓展 但结构较为庞大 成本较高
,
/
路 通过控制
变换器的增益来实现线路潮
DCDC
[ ]
20-25
,
的研究基础 本文提出一种电
基于文献
,
,
流调节 其优点是可以连接不同电压等级的电网 缺
(
感共用 式 线 间 直 流 潮 流 控 制 器
inductorsharin
g
/
, ,
变换器承受系统高电压 损耗较大 建
点是
DCDC
,
),
interlineDC owerflowcontroller ISI-DCPFC
p
设成本高[
]
10-14
。
、 、 。
结构简单 元件少 成本低 既解决了文献
[ ]
中潮
20
)
:
,
辅助电压源 在线路中串入电压源 通过控制
3
,
流反向不能工作的缺陷 又降低了电感的绝缘设计
,
、
电压源压降来调节线路潮流 该方案控制灵活 响应
,
,
难度 控制相对灵活 能直接将两线间拓扑结构向多
。
线间进行拓展 本文详细阐述了该
的
ISI-DCPFC
:
;
: 。
2018-08-20
收稿日期
上网日期
修回日期
2018-06-15
,
工作原理及工作特性 并在三端直流输电系统中进
:
。
2018-10-24
。
行了仿真验证
(
)。
国家重点研发计划资助项目
2018YFB0904600
万方数据
20
,
等
张家奎
电感共用式线间直流潮流控制器及其控制
拓扑结构
1 ISI-DCPFC
工作原理
2 ISI-DCPFC
,
,
ISI-DCPFC
拓扑结构如图 所示 在两条线路
下文以 种典型的工况为例 对
进
ISI-DCPFC
1
3
,
。
中各串入一个电容 两个电容在线路中等效为可调
行工作原理的详细介绍
同为正向
,
,
电压源 并且每个电容均并联一个旁路开关 共用电
和
2.1 i
i
2
1
,
8
感作为两条线路的功率交换装置
个单向开关管
。
线路电流方向如图 中所示 因为电路及拓扑
2
。
作为直接被控功率器件 通过 个单向开关管开通
8
,
“ 、 ”
结构的对称性 以控制需求 减小 增大 为例
i
i
1
2
,
。
与关断的配合 实现两条线路的功率转移 单向开
,
,
进行说明 即线路 中电容的电压极性为左正右负
1
( ),
关管采用逆阻型绝缘栅双极型晶体管
正向
IGBT
。
线路 中电容的电压极性为左负右正 如果 个单
2
8
[
]
26-28
,
,
。
该单向
可控导通 反向阻断 可承受较高反压
,
,
向开关管都关断 则线路 会持续向
充电
持
1
C C
1
2
。
开关管也可以由
串二极管的组合进行替代
S1
IGBT
,
,
续向线路 放电 为了维持两个电容的能量稳定 需
2
。
上
C
2
要将 上的能量转移到
C
1
i1
S1
+
S1
+
C1
线路1
i1
i1
-
C1
-
C1
线路1
线路1
V2
V1
V5
V2
V6
V3
V7
V4
V8
V1
V3 V4
V7 V8
V1 V2
V5 V6
V3 V4
V7 V8
L1
L1
L1
V5 V6
i2
i2
C2
+
C2
+
-
-
线路2
线路2
S2
S2
i2
C2
(a)
(b)
线路2
图
电流正向运行原理
2
S2
Fi .2 O eration rinci le of ositive current direction
g
p
p
p
p
图
拓扑结构
1 ISI-DCPFC
Fi .1 To olo structure of ISI-DCPFC
g
p
gy
, ()
先将 上的能量转移到共用电感上 如图
C
1
2 a
,
,
,
向
1
所示 开通
和
管 使 充
和
并联
V1 V3 C L C L
:
;
的电流
1 2 C
1
1
1
图
中
1
和
分别为线路
和
i
i
2
1
1
,
, ; ,
中电流增大 电流方向向左 一段时间后 再
电
L
1
;
和
为
L
分别为串入线路
和
的电容
和
分别
C
2
1 2
S1 S2
, () ,
上 如图 所示
将共用电感上的能量转移到
C
2
2 b
;
;
个单向开关
V1~V8 8
和
的旁路开关
为
C C
1
2
,
,
关断
和
管 开通
和
管 使
和
并
再
V1 V3
V6 V8 L C
1
2
。
为共用电感
1
,
,
,
。
联
向
放电
中电流减小 电流方向向左
L C L
1
2
1
,
当潮流控制器不参与潮流调节时
和
开
S1 S2
,
,
上的能量转移到共用电感上
C
1
过一段时间 又将
,
通 电容
,
;
和
被旁路
全部关断 当参与
C C
V1~V8
1
2
。
重复上述过程
同为反向
,
,
,
潮流调节时
和
关断 两个电容投入线路 并
S1 S2
和
2.2 i
i
2
1
。
根据潮流控制需要来控制相关单向开关管的通断
的工作原理是在两条输电线 路 中
。
线路电流方向如附录
图
中所示 因为电
A A3
ISI-DCPFC
,
“ 、
路及拓扑结构的对称性 以控制需求 减小 增大
,
,
i
分别串入一个电容 作为可调电压源 来调节线路潮
1
”
。
为例进行说明 则线路 中电容 上电压极性
i
1
C
。
流
当
的电容串入线路的电压降方向
ISI-DCPFC
2
1
,
为左负右正 线 路 中 电 容
上 电 压 极 性 为 左 正
C
2
(
) , ,
与电流方向一致 关联方向 时 线路会向电容充电
2
。
右负
;
从而降低所在线路的电流 当电容串入线路的电压
,
,
同理 为了维持两个电容的能量稳定 先将
C
1
(
) ,
降方向与电流方向相反 非关联方向 时 电容会向
,
,
管 使
上的能量转移到共用电感上 开通
和
V2 V4
,
。
线路放电 从而增大线路电流
,
, ,
并联 中电流增大 电流方
C L C L L
和
向
充电
,
1
1
1
1
1
该拓扑结构可以模块化 进而方便向多线路间
,
() ;
,
向向左 如附录
图
所示 一段时间后 再将
A A3 a
,
。
拓展 单线路的模块化结构如附 录
图
所示
A A1
,
,
管
共用电感上的能量转移到 上 关断
和
C
V2 V4
2
,
是共用式结构 中间起到功率传递作用
ISI-DCPFC
,
,
,
1
开通
和
管 使
和
并联
向
放电
V5 V7 L C L C L
1
2
1
2
,
,
的电感是共用元件 当向多线间拓展时 只需要将多
,
,
()
所
中电流减小 电流方向向左 如附录
图
A A3 b
,
个模块进行并联即可 如附录
图
所示为三线
A A2
。
,
示
再过一段时间 又将 上的能量转移到共用电
C
1
。
,
间的拓扑结构 因为拓展结构是直接并联实现 故
,
。
感上 重复上述过程
。
,
拓展 较 为 简 单 限 于 篇 幅 本 文 以 两 线 间
ISI-
和
互为反向
i
2
2.3 i
。
1
为例进行工作原理和控制策略分析
DCPFC
、
(
线路 电流为正向 线路 电流为反向 如附
1
2
万方数据
://
htt www.ae s-info.com
p
p
21
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