一种直流潮流控制器、控制方法及直流输电系统
阅读：65发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种直流潮流控制器、控制方法及直流输电系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种直流潮流 控制器 、控制方法及直流输电系统，涉及高中压直流输配电技术。所述直流潮流控制器及控制方法，通过控制每条桥臂的输出直流 电压 ，实现了输电线路 电流 的调节，从而实现了潮流分配控制；通过环流功率实现了吸收功率向发出功率的转移，从而实现了桥臂间的功率平衡控制，同时通过对每个子模 块 的均压和稳压控制，实现了子模块的功率平衡控制；在 短路 故障时，通过对每个子模块的直流电容进行充电，实现了短路故障限流功能，再在达到直流电容的安全电压上限时，通过过压保护装置实现该子模块的旁路，实现了子模块和整个直流潮流控制器的自保护功能，具有很高的可靠性。，下面是一种直流潮流控制器、控制方法及直流输电系统专利的具体信息内容。
1.一种直流潮流控制器，其特征在于，包括：
呈三角形连接的三条桥臂；
每条所述桥臂均由多个子模块串联构成，每条桥臂子模块的数量相同；
每个所述子模块均包括H桥电路、直流电容以及过压保护装置，所述直流电容并联于H桥电路的输入端，所述过压保护装置并联于H桥电路的输出端。
2.如权利要求1所述的一种直流潮流控制器，其特征在于，所述过压保护装置为反并联晶闸管。
3.一种直流潮流控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将权利要求1或2所述的直流潮流控制器接入多端直流输电线路，所述多端直流输电线路至少包括一个主换流站1和两个从换流站2/3，所述直流潮流控制器的一条桥臂A1串联于主换流站1和从换流站2之间的输电线路中，另一条桥臂A2串联于主换流站1和从换流站3之间的输电线路中；
步骤2：在潮流调控时，使每个子模块的过压保护装置处于封锁状态，控制每条桥臂的输出直流电压，调节流经输电线路的电流，维持直流潮流控制器的功率平衡，实现潮流状态调控；
步骤3：在短路故障时，通过每个子模块的直流电容吸收故障电流，再通过每个子模块的过压保护装置实现对应子模块的旁路，从而实现故障限流和自保护功能。
4.如权利要求3所述的一种直流潮流控制器的控制方法，其特征在于，所述步骤2包括以下子步骤：
步骤2.1控制每条桥臂的输出直流电压，调节该直流潮流控制器的输出直流电压，从而调节输电线路的电流，实现潮流分配控制；
步骤2.2控制桥臂A3产生交流环流，桥臂A1和A2产生额外的交流电压，以实现桥臂间功率平衡控制；
步骤2.3采集每个桥臂中n个子模块的直流电容电压，对n个子模块直流电容电压求和以及求平均值，使每个子模块的直流电容电压跟随平均值，n个子模块直流电容电压之和跟随n倍直流电容额定电压值，实现子模块的均压和稳压控制。
5.如权利要求4所述的一种直流潮流控制器的控制方法，其特征在于，所述步骤2.1中，桥臂A1的输出直流电压UA1,DC为：
UA1,DC＝I1R12(1-a)[b(1-a)-a-ac]+I2R12(1-a)c
桥臂A2的输出直流电压UA2,DC为：
UA2,DC＝-I1R12a[b(1-a)-a-ac]+I2R12ac
第三条桥臂A3的输出直流电压UA3,DC为：
UA3,DC＝-I1·R12[b(1-a)-a-ac]
其中，I1为主换流站1的端口电流，I2为从换流站2的端口电流，R12为主换流站1与从换流站2之间输电线路的等效电阻，a为支路电流比例系数， b、c为支路电阻比例系数，I12为流经主换流站1与从换流站2之间输电线路的电流，R13为主换流站1与从换流站3之间输电线路的等效电阻，R23为换流站2与换流站3之间输电线路的等效电阻。
6.如权利要求4所述的一种直流潮流控制器的控制方法，其特征在于，所述步骤2.2中，桥臂A3产生的交流环流与桥臂A1或A2产生的额外交流电压满足如下关系式：
其中，IAC为桥臂A3产生的交流环流，UAi,AC为桥臂A1或A2产生的额外交流电压，i＝1,2表示桥臂A1或A2， 为交流环流IAC与额外交流电压UAi,AC之间的相位差，I1为主换流站1的端口电流，I2为从换流站2的端口电流，R12为主换流站1与从换流站2之间输电线路的等效电阻，a为支路电流比例系数， b、c为支路电阻比例系数， I12为流经主换流
站1与从换流站2之间输电线路的电流，R13为主换流站1与从换流站3之间输电线路的等效电阻，R23为换流站2与换流站3之间输电线路的等效电阻。
7.如权利要求4所述的一种直流潮流控制器的控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体操作为：
步骤3.1将每个子模块H桥电路的功率器件处于封锁状态，所有子模块的直流电容接入输电线路中；
步骤3.2直流电容吸收故障电流，当直流电容电压大于该直流电容的安全电压上限时，对应的过压保护装置动作，将该子模块旁路，实现子模块的自保护；
步骤3.3当所有子模块的直流电容电压均大于对应直流电容的安全电压上限时，将该直流潮流控制器旁路，实现直流潮流控制器的自保护。
8.一种直流输电系统，其特征在于：包括权利要求1或2所述的直流潮流控制器和多端直流输电线路，所述多端直流输电线路至少包括一个主换流站和两个从换流站，所述直流潮流控制器的一条桥臂串联于主换流站与其中一个从换流站之间的输电线路中，另一条桥臂串联于主换流站与另一个从换流站之间的输电线路中。
一种直流潮流控制器、控制方法及直流输电系统
技术领域
[0001] 本发明属于高中压直流输配电技术，尤其涉及一种多端限流型直流潮流控制器、控制方法及直流输电系统。
背景技术
[0002] 近年来，世界能源发展战略开始从传统化石能源转向新能源，但新能源具有分布不均、间歇性等问题，直流输电是解决该问题的有效方案之一。目前，制约直流输电发展的主要因素有两个：一个是潮流控制问题，在直流输电网络中，当输电线路多于换流站时，存在潮流不完全可控的问题；另一个是短路故障问题，直流输电系统惯性小，发生短路故障时，故障电流增长快，峰值大。针对潮流控制问题，直流潮流控制器可以增加直流输电系统的控制自由度，从而实现直流输电系统潮流完全可控。针对短路故障问题，在发生故障时，需要依靠直流断路器来清除故障，但高压、大容量的直流断路器尚未研发完成。目前对直流潮流控制和直流故障限流的研究，都是作为独立领域展开进行的。
[0003] 国内外学者已经对直流潮流控制器进行了大量研究，现有的直流潮流控制器主要是分为两种类型：电压型和电阻型。电阻型直流潮流控制器通过改变线路电阻实现线路电流重新分配，此类型方案结构简单、建设成本低，但是运行时损耗过大且需要配套冷却系统，同时只能进行单向调节潮流。电压型直流潮流控制器改变输电线路上的电压降，从而改变输电线路的电流大小，根据改变线路电压的方式不同，电压型直流潮流控制器主要分有两种：(1)使用直流变压器，改变端口的电压来实现线路电压降的控制，其缺点是整个设备直接承受系统额定电压，对绝缘性能要求很高，建设成本高，运行时损耗大；(2)在线路中串联可调电压源，直接调节线路电压降，但是其需要从母线上取电，取电部分会承受系统额定电压，绝缘要求和建设成本都高。
[0004] 线间直流潮流控制器是近来一种新的发展趋势，它可以在线路中串入直流电压，并且无需外部供电，直接在内部进行功率交换，相对于上述的直流潮流控制器，其具有工作电压低、设备简单、损耗小等优势。线间直流潮流控制器主要有两种：磁耦合型和环路耦合型。其中，磁耦合型需要用到变压器，增加了成本和损耗，而环路耦合型无需使用变压器，具有冗余性、可靠性和灵活性。
[0005] 现有的直流潮流控制器只具备潮流控制功能，在故障时的运行特性有待研究。
发明内容
[0006] 针对现有技术的不足，本发明提供一种直流潮流控制器、控制方法及直流输电系统，既具备潮流控制功能，又具备故障限流功能。
[0007] 本发明通过如下的技术方案来解决上述技术问题：一种直流潮流控制器，包括：
[0008] 呈三角形连接的三条桥臂；
[0009] 每条所述桥臂均由多个子模块串联构成，每条桥臂子模块的数量相同；
[0010] 每个所述子模块均包括H桥电路、直流电容以及过压保护装置，所述直流电容并联于H桥电路的输入端，所述过压保护装置并联于H桥电路的输出端。
[0011] 本发明的直流潮流控制器，每条桥臂由相同数量的子模块串联构成，高度模块化，结构易于拓展，适用范围广；三条桥臂呈三角形连接形成环路，使用环路耦合各条桥臂，不需要变压器或者电感进行耦合，降低了设备成本和体积；该潮流控制器由内部环流进行功率平衡，无需增设外部电路，且同时兼备潮流控制和故障限流功能，其发展利用空间大；该潮流控制器还具有短路故障自保护功能，在短路故障达到其所能承受的上限时，会进行自保护，具有高可靠性。
[0012] 进一步地，所述过压保护装置为反并联晶闸管，反并联晶闸管为受控部件，通过反并联晶闸管可以使子模块旁路，实现故障时子模块或直流潮流控制器的切出，实现自保护，而无需另设旁路电路，同时相较于压敏电阻，反并联晶闸管的过压保护可选范围更宽。
[0013] 相应的，本发明还提供一种直流潮流控制器的控制方法，包括以下步骤：
[0014] 步骤1：将上述直流潮流控制器接入多端直流输电线路，所述多端直流输电线路至少包括一个主换流站1和两个从换流站2/3，所述直流潮流控制器的一条桥臂A1串联于主换流站1和从换流站2之间的输电线路中，另一条桥臂A2串联于主换流站1和从换流站3之间的输电线路中；
[0015] 步骤2：在潮流调控时，使每个子模块的过压保护装置处于封锁状态，控制每条桥臂的输出直流电压，调节流经输电线路的电流，维持直流潮流控制器的功率平衡，实现潮流状态调控；
[0016] 步骤3：在短路故障时，通过每个子模块的直流电容吸收故障电流，再通过每个子模块的过压保护装置实现对应子模块的旁路，从而实现故障限流和自保护功能。
[0017] 本发明的控制方法通过每条桥臂输出直流电压的控制，以及过压保护装置的控制，不仅仅可以实现潮流状态调控，还能够实现故障限流和自保护功能。
[0018] 进一步地，所述步骤2包括以下子步骤：
[0019] 步骤2.1控制每条桥臂的输出直流电压，调节该直流潮流控制器的输出直流电压，从而调节输电线路的电流，实现潮流分配控制；
[0020] 步骤2.2控制桥臂A3产生交流环流，桥臂A1和A2产生额外的交流电压，以实现桥臂间功率平衡控制；
[0021] 步骤2.3采集每个桥臂中n个子模块的直流电容电压，对n个子模块直流电容电压求和以及求平均值，使每个子模块的直流电容电压跟随平均值，n个子模块直流电容电压之和跟随n倍直流电容额定电压值，实现子模块的均压和稳压控制。
[0022] 通过控制每条桥臂输出的直流电压而实现潮流分配控制，在潮流分配控制时，从一条输电线路上吸收直流功率，再向另一条输电线路发出直流功率，但并不能保证吸收的直流功率正好通过另一条输电线路发出，因此，通过桥臂A3产生交流环流，通过环流功率实现吸收功率的转移，从而实现桥臂间的功率平衡控制；对每个子模块进行均压和稳压控制，避免了各个子模块的功率发散，实现了子模块的功率平衡控制。
[0023] 进一步地，所述步骤2.1中，桥臂A1的输出直流电压UA1,DC为：
[0024] UA1,DC＝I1R12(1-a)[b(1-a)-a-ac]+I2R12(1-a)c
[0025] 桥臂A2的输出直流电压UA2,DC为：
[0026] UA2,DC＝-I1R12a[b(1-a)-a-ac]+I2R12ac
[0027] 第三条桥臂A3的输出直流电压UA3,DC为：
[0028] UA3,DC＝-I1·R12[b(1-a)-a-ac]
[0029] 其中，I1为主换流站1的端口电流，I2为从换流站2的端口电流，R12为主换流站1与从换流站2之间输电线路的等效电阻，a为支路电流比例系数， b、c为支路电阻比例系数， I12为流经主换流站1与从换流站2之间输电线路的电流，R13为主换流站1与从换流站3之间输电线路的等效电阻，R23为换流站2与换流站3之间输电线路的等效电阻。
[0030] 通过控制桥臂A1、A2中任意一条桥臂输出正直流电压，另一条桥臂输出负直流电压，即直流潮流控制器从一条输电线路上吸收直流功率，再向另一条输电线路发出直流功率，实现输电线路的潮流分配控制，同时桥臂A3输出直流电压，保证了直流潮流控制器无直流环流。
[0031] 进一步地，所述步骤2.2中，桥臂A3产生的交流环流与桥臂A1或A2产生的额外交流电压满足如下关系式：
[0032]
[0033] 其中，IAC为桥臂A3产生的交流环流，UAi,AC为桥臂A1或A2产生的额外交流电压，i＝1,2表示桥臂A1或A2， 为交流环流IAC与额外交流电压UAi,AC之间的相位差，I1为主换流站1的端口电流，I2为从换流站2的端口电流，R12为主换流站1与从换流站2之间输电线路的等效电阻，a为支路电流比例系数， b、c为支路电阻比例系数， I12为流经
主换流站1与从换流站2之间输电线路的电流，R13为主换流站1与从换流站3之间输电线路的等效电阻，R23为换流站2与换流站3之间输电线路的等效电阻。
主换流站1与从换流站2之间输电线路的电流，R13为主换流站1与从换流站3之间输电线路的等效电阻，R23为换流站2与换流站3之间输电线路的等效电阻。
[0034] 桥臂A3产生的交流环流与桥臂A1或A2产生的额外交流电压形成环流功率，通过环流功率实现桥臂间的功率交换平衡。
[0035] 进一步地，所述步骤3的具体操作为：
[0036] 步骤3.1将每个子模块H桥电路的功率器件处于封锁状态，所有子模块的直流电容接入输电线路中；
[0037] 步骤3.2直流电容吸收故障电流，当直流电容电压大于该直流电容的安全电压上限时，对应的过压保护装置动作，将该子模块旁路，实现子模块的自保护；
[0038] 步骤3.3当所有子模块的直流电容电压均大于对应直流电容的安全电压上限时，将该直流潮流控制器旁路，实现直流潮流控制器的自保护。
[0039] 相应的，本发明还提供一种直流输电系统，包括上述直流潮流控制器和多端直流输电线路，所述多端直流输电线路至少包括一个主换流站和两个从换流站，所述直流潮流控制器的一条桥臂串联于主换流站与其中一个从换流站之间的输电线路中，另一条桥臂串联于主换流站与另一个从换流站之间的输电线路中。
[0040] 有益效果
[0041] 与现有技术相比，本发明提供一种直流潮流控制器及控制方法，由呈三角形连接的三条桥臂构成，通过控制每条桥臂的输出直流电压而控制整个直流潮流控制器的输出直流电压，实现了输电线路电流的调节，从而实现了潮流分配控制；在潮流调控过程中，通过环流功率实现了吸收功率向发出功率的转移，使某条桥臂从输电线路上吸收的功率正好通过另一条桥臂从另一输电线路发出，从而实现了桥臂间的功率平衡控制，同时通过对每个子模块的均压和稳压控制，实现了子模块的功率平衡控制，保证了整个直流潮流控制器潮流调控的稳定性。
[0042] 本发明的直流潮流控制器及控制方法，在短路故障时，通过对每个子模块的直流电容进行充电，吸收掉短路故障电流，实现了短路故障限流功能，再在达到直流电容的安全电压上限时，通过过压保护装置实现该子模块的旁路，实现了子模块和整个直流潮流控制器的自保护功能，具有很高的可靠性。
[0044] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045] 图1是本发明实施例中直流潮流控制器的拓扑结构图；
[0046] 图2是本发明实施例中潮流调控下直流潮流控制器的等效电路图；
[0047] 图3是本发明实施例中潮流调控下三层控制框图；
[0048] 图4是本发明实施例中短路故障下的控制流程图；
[0049] 图5是本发明实施例中短路故障下的等效电路图，图5的左边为第一阶段的等效电路图，图5的右边为第二阶段的等效电路图；
[0050] 图6是本发明实施例中三端直流输电系统的仿真模型图；
[0051] 图7是本发明实施例中潮流调控的仿真验证图，图7(a)为流经每条输电线路的电流的仿真曲线，图7(b)为对应的每条桥臂子模块的直流电容电压曲线，图7(c)为对应的每条桥臂的桥臂电流曲线，图7(d)为对应的每条桥臂的桥臂电压曲线；
[0052] 图8是本发明实施例中潮流反转的仿真验证图，图8(a)为反转后流经每条输电线路的电流的仿真曲线，图8(b)为对应的每条桥臂子模块的直流电容电压曲线，图8(c)为对应的每条桥臂的桥臂电流曲线，图8(d)为对应的每条桥臂的桥臂电压曲线；
[0053] 图9是本发明实施例中短路故障限流仿真验证图，图9(a)为无限流措施故障短路时的输电线路电流，图9(b)为故障限流作用下的输电线路电流，图9(c)为对应的子模块的直流电容电压。
具体实施方式
[0054] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0055] 如图1所示，本发明所提供的一种直流潮流控制器，包括呈三角形连接的三条桥臂；每条桥臂均由多个子模块串联构成，每条桥臂子模块的数量相同；每个子模块均包括H桥电路、直流电容以及过压保护装置，直流电容并联于H桥电路的输入端，过压保护装置并联于H桥电路的输出端。在本实施例中，过压保护装置为反并联晶闸管，反并联晶闸管为受控部件，通过反并联晶闸管可以使子模块旁路，从而使整个直流潮流控制器旁路，实现故障时子模块或直流潮流控制器的切出，实现自保护，而无需另设旁路电路，同时相较于压敏电阻，反并联晶闸管的过压保护可选范围更宽。图1中的电感表示桥臂自身的杂散参数，会在直流环流电压下产生直流环流电流，但是很小，可以忽略不计。
[0056] 本发明提供一种直流潮流控制器的控制方法，具有两个工作状态：潮流调控状态和短路故障状态，具体包括以下步骤：
[0057] 1、将上述直流潮流控制器接入多端直流输电线路，多端直流输电线路至少包括一个主换流站1和两个从换流站2/3，直流潮流控制器的一条桥臂A1串联于主换流站1和从换流站2之间的输电线路中，另一条桥臂A2串联于主换流站1和从换流站3之间的输电线路中。
[0058] 如图1所示，I1、I2以及I3分别为主换流站1、从换流站2以及从换流站3的端口电流，由于主输电线路很短，I1也为主输电线路的电流，U1、U2以及U3分别为主换流站1、从换流站2以及从换流站3的端口电压，I12为流经主换流站1与从换流站2之间输电线路的电流，即支输电线路2的电流，I13为流经主换流站1与从换流站3之间输电线路的电流，即支输电线路3的电流。
[0059] 2、在潮流调控状态时，使每个子模块的过压保护装置处于封锁状态，控制每条桥臂的输出直流电压，调节流经输电线路的电流，维持直流潮流控制器的功率平衡，实现潮流状态调控。潮流状态调控包括三层控制，第一层为潮流分配控制，第二层为桥臂间功率平衡控制，第三层为子模块功率平衡控制，既实现了潮流分配控制，又维持了直流潮流控制器的功率平衡，保证了直流潮流控制器的稳定性。
[0060] 2.1潮流分配控制
[0061] 在潮流调控状态下，子模块的过压保护装置始终封锁。而每个桥臂通过控制子模块的输出直流电压，使直流潮流控制器产生不同的输出电压。每个子模块工作在潮流调控状态时，有三种输出电平：+Uc、0、-Uc，Uc为直流电容两侧的电压。设直流潮流控制器的每条桥臂Ax(x＝1,2,3)含有n个子模块，则其最多可以产生2n+1个电平，输出电平的最大幅值为nUc。将通过桥臂产生的输出直流电压串入到输电线路中，改变输电线路的电压降，从而起到调节输电线路电流的作用，实现潮流分配控制。
[0062] 在正常的直流输配电时，线路等效电路如图2所示。为了描述潮流的分配规律，在此定义三个变量：a为支路电流比例系数，b、c为支路电阻比例系数，具体的定义式如下：
[0063]
[0064] 其中，R12为主换流站1与从换流站2之间输电线路的等效电阻，R13为主换流站1与从换流站3之间输电线路的等效电阻，R23为换流站2与换流站3之间输电线路的等效电阻，I23为流经从换流站2与从换流站3之间输电线路的电流。
[0065] 由此可设定输电线路电流I12、I13为：
[0066]
[0067] 设桥臂A1和A2需要插入对应的输电线路的直流电压为UA1,DC、UA2,DC，理想情况下，直流潮流控制器不消耗功率，即桥臂A1和A2与两支输电线路交互的净功率为0，有
[0068]
[0069] 又根据KVL有
[0070] UA1,DC+I12R12+(I12-I2)R23＝UA2,DC+I13R13 (4)
[0071] 结合式(3)、(4)可得，桥臂A1和A2需要输出的直流电压：
[0072]
[0073] 由式(5)可知，UA1,DC、UA2,DC的值取决于支路电流比例系数a，调整支路电流比例系数时，就可以调整输电线路上流过的功率，则直流潮流控制器输出UA1,DC、UA2,DC即可实现输电线路潮流分配。直流潮流控制器三个桥臂呈三角形连接，为了防止出现直流环流，桥臂的输出直流电压须满足：
[0074] UA1,DC+UA3,DC-UA2,DC＝0 (6)
[0075] 根据图2和式(6)可得，桥臂A3需要输出的直流电压为：
[0076] UA3,DC＝-I1·R12[b(1-a)-a-ac] (7)
[0077] 为了不影响整体的净功率平衡以及产生直流环流，桥臂A3上输出直流电压，但不流过直流电流。第一层控制通过桥臂A1、A2中任意一条桥臂输出正直流电压，另一条桥臂输出负直流电压，即直流潮流控制器从一条输电线路上吸收直流功率，再向另一条输电线路发出直流功率，以实现输电线路的潮流分配控制，同时桥臂A3上输出直流电压保证了直流潮流控制器无直流环流。
[0078] 2.2桥臂间功率平衡控制
[0079] 由第一层控制可知，某段时间，桥臂A1、A2中会有一桥臂从一条支输电线路吸收功率，另一桥臂向另一条支输电线路发出功率，功率流动方向取决于支输电线路中电流方向和桥臂的输出直流电压方向。如果桥臂只有吸收或者发出功率，则会导致桥臂功率发散。为此，需要进行桥臂之间的配合，实现桥臂功率平衡，即当一条桥臂吸收功率时，将吸收的功率转移到另一条桥臂，供另一条桥臂发出。
[0080] 为了防止直流潮流控制器产生直流环流，第二层控制采用交流环流来进行功率传递，且交流环流通过控制桥臂A3输出，同时，在桥臂A1、A2中产生额外的交流电压分量，与交流环流形成环流功率，实现桥臂间的功率交换平衡。
[0081] 设桥臂A3产生的交流环流幅值为IAC，桥臂A1、A2产生的额外交流电压分量幅值分别为UA1，AC、UA2，AC，根据图2，则有：
[0082]
[0083] 其中，IA1,AC、IA2,AC分别为桥臂A1、A2产生的交流电流，桥臂A1、A2上由额外交流电压和对应交流电流产生的环流功率中，有二倍频交流分量和直流分量，因为在半个周期里交流分量平均值为零，故在环流功率交换平衡中只考虑直流分量，其各自环流功率直流分量为：
[0084]
[0085] 式中：PA1,CCDC、PA2,CCDC分别为桥臂A1、A2环流功率的直流分量， 分别为桥臂A1、A2的交流电压UA1，AC、UA2，AC与交流电流IA1,AC、IA2,AC之间的相位差。
[0086] 桥臂间功率平衡由环流功率实现，故需要桥臂A1、A2的直流功率PA1,DC、PA2,DC与对应的环流功率的直流分量相平衡，即：
[0087]
[0088] 由式(2)、(3)、(5)和(8)-(10)可得：
[0089]
[0090] 由式(11)可知，当 时，功率平衡所需的交流电压、交流环流幅值是最小的。故设 桥臂A1、A2输出的额外交流电压分量幅值和桥臂A3输出的交
流环流幅值满足式(11)的关系式。
流环流幅值满足式(11)的关系式。
[0091] 桥臂间功率平衡控制，桥臂A1、A2中任意一条桥臂吸收的功率，通过环流功率传递给另一条桥臂，由另一条桥臂发出，从而实现了直流潮流控制器内部桥臂的功率平衡。
[0092] 2.3子模块功率平衡控制
[0093] 由第一、二层控制可知，每条桥臂作为一个整体进行工作。实际上，每条桥臂由n个子模块组成。工作时，需要对各个子模块进行均压和稳压控制，避免各个子模块功率发散。
[0094] 稳压控制：采集桥臂中n个子模块的直流电容电压，并求和，令n个子模块直流电容电压之和跟随n倍直流电容的额定电压值，控制器采用PI控制器。计算得到控制指令值后，将其附加到第一层控制中计算出的直流电压调制指令，并发送给各个子模块控制器。
[0095] 均压控制：对采集的n个子模块电容电压求取平均值，令桥臂上每个子模块的直流电容电压跟随此平均值，控制器采用PI控制器，计算得到控制指令后，将其附加到第一层控制中计算出的直流电压调制指令，并发送给各个子模块控制器。
[0096] 最终稳态时，桥臂上各个子模块电容电压收敛趋于额定电压值，通过占空比调节，使得桥臂的整体输出直流电压为第一层控制的给定值。
[0097] 直流潮流控制器的三层控制框图如图3所示，在潮流分配控制中，最终输出桥臂A1、A2的电压调制指令，DA1，DC、DA2，DC、DA3，DC为桥臂A1、A2、A3的直流电压调制指令值，DA1，AC、DA2，AC、DA3，AC为桥臂A1、A2、A3的交流电压调制指令值， 为根据式(5)得到的桥臂A1、A2输出直流电压的给定值(即参考值)；在桥臂功率平衡控制中，Clark变换为abc坐标系转换为αβ坐标系，Clark反变换为αβ坐标系转换为abc坐标系， 为桥臂Ai的直流电容电压求和， 为直流电容额定电压值的n倍；在子模块功率平衡控制中，IAi为桥臂Ai的电流值， 为桥臂Ai的第j个子模块的电压调制信号，DAi为桥臂Ai的电压调制信号。
[0098] 3、在短路故障状态时，通过每个子模块的直流电容吸收故障电流，再通过每个子模块的过压保护装置实现对应子模块的旁路，从而实现故障限流和自保护功能。
[0099] 在短路故障状态下，每个子模块H桥电路的四个IGBT始终处于封锁状态，子模块变成不可控的整流桥结构。在短路故障时，将所有子模块都接入到输电线路中，通过对直流电容进行充电而吸收短路故障电流，限制了短路故障电流的增长。直流电容吸收短路故障电流后，电容电压会升高，当电容电压高于安全电压上限时，子模块的过压保护装置动作，将该子模块旁路，保护子模块不被短路故障电流损坏。
[0100] 如图4所示，当处于短路故障状态时，直流潮流控制器有两个阶段：限流阶段和自保护阶段，通过第一阶段的限流来输出负电压，起到短路限流作用；通过第二阶段的自保护来保护直流电容损坏，且对短路故障电流无影响。
[0101] 设从换流站2的端口出口侧发生短路故障，线路等效电路如图5所示，UA1,cap、UA2,cap、UA3,cap分别为桥臂A1、A2、A3的直流电容电压，第一阶段：该输电线路的短路电流会急剧增加，直流潮流控制器检测到短路故障，需要进行短路故障电流的吸收，此时，立即封锁所有子模块H桥电路的IGBT，并将所有子模块的直流电容接入到该输电线路中，此时，子模块的过压保护装置处于关闭状态，只有IGBT的反并联二极管可以继续导通。子模块的直流电容从输电线路上吸收短路故障电流，输出负电压，如图5左边的等效图所示。
[0102] 第二阶段：子模块直流电容吸收短路故障电流，对电容进行充电，电容电压上升，当电容电压达到该直流电容的安全电压上限UC,lim时，需要将该子模块切出输电线路，此时，该子模块的过压保护装置会动作，将该子模块旁路，实现子模块的自保护；当所有子模块都达到UC,lim时，将该直流潮流控制器切出输电线路，实现直流潮流控制器的自保护，如图5右边的等效图所示，直流潮流控制器被切出输电线路。
[0103] 4、仿真验证
[0104] 如图6所示，在PLECS仿真平台上搭建了包含本发明直流潮流控制器的三端直流输电系统仿真模型，MMCL-DCPFC(Modular multi-terminal current-limiting DC power flow controller，MMCL-DCPFC)表示本发明中的直流潮流控制器。三端直流输电系统：换流站1(VSC1)为主换流站，控制直流侧电压U1＝200kV；从换流站2(VSC2)和从换流站3(VSC3)分别向三端直流输电系统注入的有功功率分别为-16.5MW和-7.5MW，子模块直流电容的额定电压值为200V，安全电压上限设为1000V，系统直流输电线路主要参数见表1。本实施例中，每条桥臂的子模块数量均为9个，子模块可以由短路限流控制的需求和交换的环流功率中附加的交流电压幅值来估算。
[0105] 表1直流输电系统线路参数表
[0107] 潮流调控：
[0108] (1)正常工况
[0109] 一开始直流潮流控制器并没有投入直流输电系统运行，直流输电系统运行在稳定状态。其中，本发明直流潮流控制器所在的主输电线路电流为：I1＝120A，两支输电线路电流为：I12＝62.6A，I13＝57.4A。1s时，将直流潮流控制器投入直流输电系统，设支路电流比例系数为a＝0.6，由式(2)可知，当直流潮流控制器工作稳定后，两支输电线路电流为：I12＝72A，I13＝48A，仿真结果如图7所示。
[0110] 由图7(a)可知，当MMCL-DCPFC投入直流输电系统并启动潮流调控时，两支输电线路电流迅速调整，实现电流的重新分配，并且电流值分别稳定在设定值I12＝72A，I13＝48A。由图7(b)可以看出，在两支输电线路电流重新分配稳定后，子模块的直流电容电压也随之稳定，均维持在200V左右，图7(c)和图7(d)分别为桥臂Ax的桥臂电流IAx和桥臂电压UAx。由此验证了MMCL-DCPFC既可以实现快速、准确地线路潮流分配，同时，其自身功率也能维持平衡。
[0111] (2)潮流反转
[0112] 一开始MMCL-DCPFC投入直流输电系统运行，并且运行在稳定状态。此时两支输电线路电流为：I12＝72A，I13＝48A。在t＝3s时，两支输电线路潮流发生反转，即支流电流I12、I13同时反向。潮流反转后，因为设定的支路电流比例系数不变，所以在潮流反转后的系统稳态应有：I12＝-72A；I13＝-48A。
[0113] 仿真结果如图8所示，可以看出两支输电线路潮流发生反转后，两支输电线路的电流迅速调整，并重新稳定，维持在稳态值：I12＝-72A；I13＝-48A，如图8(a)所示。而相应的，子模块的直流电容电压在两支输电线路潮流反转时随之波动，并迅速实现稳定，维持在200V左右，如图8(b)所示。在两支输电线路潮流反转后，因为两支输电线路电流反向，而大小不变，所以桥臂输出的直流电压只是方向发生改变，但大小不变，由图8(c和8(d)可知，与理论相符。由此，验证了MMCL-DCPFC具备双向潮流调控的能力。
[0114] 短路故障限流：
[0115] (1)接地短路故障
[0116] 一开始，MMCL-DCPFC投入直流输电系统运行，并且运行在稳定状态。此时两支输电线路电流为：I12＝72A，I13＝48A。3s时，从换流站2直流侧端口发生接地短路，短路8ms后故障切除。
[0117] 仿真结果如图9所示，由图9(a)可知，发生短路故障时，如果没有限流措施，各条输电线路的电流均会剧增，输电线路严重超载且维持时间较长。在故障清除之前，输电线路的严重超载会威胁整个直流输电系统以及交流电网系统的稳定性和安全。在本实施例中，安装有本发明的直流潮流控制器，如图9(b)所示，检测到故障后，MMCL-DCPFC立即进入短路故障限流状态，桥臂向输电线路中输出负电压，减缓短路故障电流的增长，甚至实现负增长。
[0118] 在故障发生8ms后故障清除，在故障发生9ms时，如图9(c)所示，各个子模块的直流电容电压陆续达到安全电压上限，子模块的过压保护装置动作，将各个子模块旁路，直至整个直流潮流控制器被旁路切出直流输电系统，而输电线路短暂升高后消减为0。在限流措施时，主输电线路I1故障峰值电流达到772A，在本发明直流潮流控制器的限流作用下，主输电线路I1故障峰值电流为723A，峰值电流被削减6.35％。由此，可以验证本发明直流潮流控制器具有一定的故障限流能力，另外，直流潮流控制器的限流是通过子模块的直流电容吸收故障电流能量实现的，因此通过设计子模块直流电容便可调节限流效果，例如减小电容容值和增大电容的安全电压上限，均可以增强限流效果。
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