一种线间直流潮流控制器、控制方法及多端直流系统

1.本发明属于直流输电技术领域，尤其涉及一种具备故障限流和自保护功能的线间直流潮流控制器、控制方法及多端直流系统。


背景技术：

2.近年来，基于化石燃料的短缺和保护环境的考量，各个国家正在致力于改变能源结构，有效地利用太阳能、水能、风能等可再生能源发电。然而可再生能源存在着使用效率低、分布不平衡以及波动性、间歇性等不足之处。多端高压直流输电是远距离大容量输电的有效技术方案。但是由于直流电网的潮流控制能力弱，自由度小，因此直流输电系统的发展受到限制。引入直流潮流控制器不仅可以增加系统控制的自由度，而且能提高多端直流输电系统的潮流控制能力。目前国内外对直流潮流控制器进行了大量研究。
3.现有的直流潮流控制器从原理上划分有两种：变阻型和变压型。变阻型直流潮流控制器虽然结构和控制方法简单直观，额定功率也较低，但是潮流控制范围受阻值限制，又加之电阻是消耗型器件，所以经济性较差，且大多只能调节潮流大小，而不能调节潮流方向，潮流控制的自由度不足，灵活性不高。
4.变压型直流潮流控制器分为dc/dc变换器型、串联电压源型和线间直流潮流控制器三种。dc/dc变换器型是在线路中串入直流变压器，将一端口电压调制成二端口电压，容量大、成本和损耗大、结构和控制较复杂、系统复杂度高；串联电压源型是利用可调直流电压源来调节电流，普遍需要额外的电源、成本高、结构和控制较复杂；线间直流潮流控制器通过交换两条线路间的能量来进行潮流控制，可实现潮流双向调节，且无需外部取能、成本和损耗小。
5.现有线间直流潮流控制器有以下几种结构：
6.基于磁耦合：(1)电感耦合：在两条线路中各自接入两个电容，再各自并联一个旁路开关，用开关器件和电感连通电容，通过电感与电容间的能量交换来控制潮流；(2)变压器耦合：在线路中加入额外的电压来改变线路压降，交流侧通过与交流变压器相连进行自身功率平衡，避免了与外部交流系统相连接来取能；(3)基于电容耦合：在两条不同的线路中分时接入一个电容来调节潮流，结构简单、成本低。
7.综上所述，线间直流潮流控制器是改善直流输电系统的潮流控制能力的有效方案之一。直流电网发生故障时，由于其低阻性，故障电流可在10ms内增大到额定电流的数十倍，危及换流站器件和整个直流系统的安全运行。目前故障线路的限流功能大多是通过专门的故障限流器来实现的，增加了设计难度和成本。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种线间直流潮流控制器、控制方法及多端直流系统，以解决现有潮流控制大多不具备故障限流能力，以及故障时需要专门的故障限流器所带来的设计难度大和成本高的问题。
9.本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种线间直流潮流控制器，包括第一h桥电路、第二h桥电路、直流电容、第一旁路开关以及第二旁路开关；所述第一旁路开关与第一h桥电路的输出端连接，所述第二旁路开关与第二h桥电路的输出端连接；所述第一h桥电路通过直流电容与所述第二h桥电路连接；
10.潮流控制状态时，控制所述第一h桥电路和第二h桥电路中功率器件的占空比以及所述第一旁路开关和第二旁路开关的通断，实现直流线路电流的重新分配；短路故障状态时，控制所述第一h桥电路和第二h桥电路中功率器件的通断以及所述第一旁路开关和第二旁路开关的通断，减小直流线路故障电流，实现限流和自保护。
11.本发明中，在潮流控制状态时，第一旁路开关和第二旁路开关断开，通过控制第一h桥电路和第二h桥电路中功率器件的占空比来实现该线间直流潮流控制器输出直流电压的调节，进而实现了直流输电线路电流的调节，从而实现了潮流重新分配；在短路故障状态时，控制第一h桥电路和第二h桥电路中功率器件处于关断状态，通过h桥电路中的反并联二极管对直流电容充电，吸收部分短路故障电流，实现了短路故障的限流功能，当达到直流电容的电压保护上限时，导通第一旁路开关和第二旁路开关，实现第一h桥电路和第二h桥电路的旁路，实现了线间直流潮流控制器的自保护功能，具有较强的可靠性。该线间直流潮流控制器既具备潮流控制功能，又具备限流和自保护功能，易于实现，设计简单，成本低。
12.进一步地，所述第一旁路开关和第二旁路开关均为一组反并联晶闸管。
13.本发明还提供一种如上所述线间直流潮流控制器的控制方法，包括以下步骤：
14.步骤1：将所述线间直流潮流控制器接入多端直流系统，所述多端直流系统至少包括一个主换流站1和两个从换流站2/3，所述线间直流潮流控制器中第一旁路开关和第二旁路开关的一端串接后与所述主换流站1连接，所述第一旁路开关和第二旁路开关的另一端分别与从换流站2、从换流站3连接；
15.步骤2：潮流控制状态时，控制所述第一h桥电路和第二h桥电路中功率器件的占空比以及所述第一旁路开关和第二旁路开关的通断，实现直流线路电流的重新分配；
16.短路故障状态时，控制所述第一h桥电路和第二h桥电路中功率器件的通断以及所述第一旁路开关和第二旁路开关的通断，减小直流线路故障电流，实现限流和自保护。
17.进一步地，所述步骤2中，潮流控制状态时，所述第一旁路开关和第二旁路开关均处于关断状态，潮流控制状态的具体控制过程包括稳态过程和暂态过程；
18.稳态时，调节第一h桥电路和第二h桥电路的输出电压，使从换流站2的输入线路电流和从换流站3的输入线路电流增大或减小，实现直流线路电流的重新分配；
19.暂态时，控制第一h桥电路和第二h桥电路中功率器件的占空比，实现对直流线路电流和直流电容电压的分时控制。
20.进一步地，暂态过程中的所述分时控制过程为：
21.步骤2.11：将控制周期分为前半个周期和后半个周期；前半个周期进行直流线路电流的调节，后半个周期进行直流电容电压的调节；
22.步骤2.12：在前半个周期，控制第一h桥电路或第二h桥电路中功率器件的占空比，使第一h桥电路或第二h桥电路处于pwm调节状态，同时控制第二h桥电路或第一h桥电路处于旁路状态；在后半个周期，控制第一h桥电路或第二h桥电路处于旁路状态，同时控制第二h桥电路或第一h桥电路中功率器件的占空比，使第二h桥电路或第一h桥电路处于pwm调节
状态。
23.由于直流电容的充放电不能同时进行，因此将控制周期分为前半个周期和后半个周期，对第一h桥电路和第二h桥电路进行控制，使直流线路电流和直流电容电压能够分别进行分时控制，既实现了潮流控制功能，又保证了线间直流潮流控制器自身的功率平衡，使控制更加可靠。
24.进一步地，所述步骤2.12的具体实现过程按照pwm调节状态的调节对象不同分为两种情况：
25.情况1：在前半个周期，控制目标是线路电流，第二h桥电路处于旁路状态，当从换流站2输入线路电流调制波大于从换流站2输入线路电流载波时，从换流站2输入线路电流流经第一h桥电路，第一h桥电路输出
±
uc或者0，第二h桥电路处于旁路状态，使得从换流站2输入线路电流增大，从换流站3输入线路电流减小；当从换流站2输入线路电流调制波小于从换流站2输入线路电流载波时，从换流站2输入线路电流流经第一h桥电路，第一h桥电路输出为0或者
±
uc，第二h桥电路处于旁路状态，使得从换流站2输入线路电流减小，从换流站3输入线路电流增大；
26.在后半个周期，控制目标是电容电压，第一h桥电路处于旁路状态，当直流电容电压调制波小于直流电容电压载波时，从换流站3输入线路电流流经第二h桥电路对直流电容进行放电，第二h桥电路输出
±
uc，第一h桥电路处于旁路状态，此时流过电容的电流方向和电容电压的方向相反，因此直流电容电压减小；当直流电容电压调制波大于直流电容电压载波时，从换流站3输入线路电流流经第二h桥电路，第二h桥电路输出0，第一h桥电路处于旁路状态，此时直流电容电压调制波小于直流电容电压载波情况下的电容放电现象消失，因此直流电容电压增大；
27.情况2：在前半个周期，控制目标是线路电流，第一h桥电路处于旁路状态，当从换流站2输入线路电流调制波大于从换流站2输入线路电流载波时，从换流站3输入线路电流流经第二h桥电路，第二h桥电路输出
±
uc或者0，第一h桥电路处于旁路状态，使得从换流站2输入线路电流增大，从换流站3输入线路电流减小；当从换流站2输入线路电流调制波小于从换流站2输入线路电流载波时，从换流站3输入线路电流流经第二h桥电路，第二h桥电路输出为0或者
±
uc，第一h桥电路处于旁路状态，使得从换流站2输入线路电流减小，从换流站3输入线路电流增大；
28.在后半个周期，控制目标是电容电压，第二h桥电路处于旁路状态，当直流电容电压调制波小于直流电容电压载波时，从换流站2输入线路电流流经第一h桥电路对直流电容进行放电，第一h桥电路输出
±
uc，第二h桥电路处于旁路状态，此时流过电容的电流方向和电容电压的方向相反，因此直流电容电压减小；当直流电容电压调制波大于直流电容电压载波时，从换流站2输入线路电流流经第一h桥电路，第一h桥电路输出0，第二h桥电路处于旁路状态，此时直流电容电压调制波小于直流电容电压载波情况下的电容放电现象消失，因此直流电容电压增大。
29.进一步地，所述从换流站2输入线路电流的计算表达式为：
[0030][0031]
所述从换流站3输入线路电流的计算表达式为：
[0032][0033]
其中，u1、u2、u3分别为主换流站1的输出直流电压、从换流站2输入直流电压、从换流站3输入直流电压；ua为潮流控制后，潮流控制器串入主换流站1和从换流站2之间的电压；ub为潮流控制后，潮流控制器串入主换流站1和从换流站3之间的电压；r
l1
为从换流站2输入线路的等效电阻，r
l2
为从换流站3输入线路的等效电阻；i
l1
为流经从换流站2输入线路的平均电流，即从换流站2输入线路电流；i
l2
为流经从换流站3输入线路的平均电流，即从换流站3输入线路电流。
[0034]
进一步地，所述步骤2中，短路故障状态时的具体控制过程包括：
[0035]
获取短路故障信号，根据所述短路故障信号使第一h桥电路和第二h桥电路中的功率器件处于关断状态，使第一h桥电路和第二h桥电路处于不可控整流状态；
[0036]
故障电流通过第一h桥电路和第二h桥电路中的反并联二极管向直流电容充电，实现故障限流；
[0037]
当所述直流电容电压大于或等于直流电容的保护上限电压时，控制第一旁路开关和第二旁路开关导通，使所述线间直流潮流控制器旁路，实现自保护。
[0038]
进一步地，所述短路故障信号的获取过程为：当从换流站2输入线路电流或直流电容电压中任意一个超过各自短路阈值时，发出短路故障信号；
[0039]
所述从换流站2输入线路电流的短路阈值i
oc
为15a，所述直流电容电压的短路阈值u
oc
为50v。
[0040]
本发明还提供一种多端直流系统，至少包括主换流站1和两个从换流站2/3，还包括如上所述线间直流潮流控制器，所述线间直流潮流控制器中第一旁路开关和第二旁路开关的一端串接后与所述主换流站1连接，所述第一旁路开关和第二旁路开关的另一端分别与从换流站2、从换流站3连接。
[0041]
有益效果
[0042]
与现有技术相比，本发明所提供的一种线间直流潮流控制器、控制方法及多端直流系统，采用pi控制和分时控制的方法，通过调节功率器件的占空比来控制每条支路的输出电压，起到重新分配线路电流的作用；故障限流模式下，能够限制电流的峰值，导通旁路开关后可以实现线间直流潮流控制器的自保护。本发明兼具了直流线路潮流控制和限流保护两个功能，提高了直流输电系统控制的灵活性和可靠性。
附图说明
[0043]
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。
[0044]
图1是本发明实施例中线间直流潮流控制器的拓扑结构；
[0045]
图2是本发明实施例中安装线间直流潮流控制器的输电线路等效电路图；
[0046]
图3是本发明实施例中输电线路2’电流和直流电容电压的pwm控制图；
[0047]
图4是本发明实施例中故障限流的控制框图；
[0048]
图5是本发明实施例中搭建的测试回路系统；
[0049]
图6是本发明实施例中潮流控制阶段的电流平均分配仿真波形图，图6a是直流电容电压仿真波形图，图6b是母线电流和流经每条支路的电流仿真波形图；
[0050]
图7是本发明实施例中潮流控制阶段的电流不平均分配仿真波形图，图7a是直流电容电压仿真波形图，图7b是母线电流和流经每条支路的电流仿真波形图；
[0051]
图8是本发明实施例中故障限流阶段的仿真波形图，图8a是直流电容电压仿真波形图，图8b是母线电流和流经每条支路的电流仿真波形图；
[0052]
图9是本发明实施例中有无限流作用下的故障限流效果对比图；
[0053]
图10是本发明实施例中无限流作用下的样机实验波形图；
[0054]
图11是本发明实施例中有限流作用下的样机实验波形图。
具体实施方式
[0055]
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。
[0056]
如图1所示，本实施例所提供的一种线间直流潮流控制器，包括第一h桥电路fbs1、第二h桥电路fbs2、直流电容、第一旁路开关q1以及第二旁路开关q2；第一旁路开关q1与第一h桥电路fbs1的输出端连接，第二旁路开关q2与第二h桥电路fbs2的输出端连接；第一h桥电路fbs1通过直流电容与第二h桥电路fbs2连接。
[0057]
第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2均由4组反并联二极管的igbt组成，即第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2中的功率器件为igbt。第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2可以输出三种电平： uc、-uc、0，其中，uc为直流电容电压。第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2相当于一个可调电压源，通过调节其输出电压，在直流线路上插入期望的电压值ua和ub，进而调节线路电流，实现潮流控制。该线间直流潮流控制器的拓扑结构易于拓展，易于实现模块化级联。第一旁路开关q1和第二旁路开关q2均为一组反并联晶闸管，第一旁路开关q1和第二旁路开关q2在故障工况下导通，实现idcpfc(interline dc power-flow controller，线间直流潮流控制器)的自保护。
[0058]
如图2所示，本实施例线间直流潮流控制器有四个端子，将这四个端子直接安装在直流节点上，实现线间直流潮流控制器在多端直流系统中的安装。多端直流系统至少包括一个主换流站1和两个从换流站2/3，相应地，母线端输电线路为1’，即主换流站1的输出线路为1’，输出端输电线路为2’和3’，即从换流站2的输入线路为2’，从换流站3的输入线路为3’。将线间直流潮流控制器的端子1和端子2串接后与母线端输电线路1’相连，端子3与输出端输电线路2’相连，端子4与输出端输电线路3’相连，即完成线间直流潮流控制器在多端直流系统中的安装。
[0059]
如图1和2所示，根据基尔霍夫电压和电流定律有：
[0060][0061]
其中，u1、u2、u3分别为母线端、两个输出端的直流电压，即u1、u2、u3分别为主换流站1的输出端直流电压、从换流站2输入端直流电压、从换流站3输入端直流电压；ua为潮流控制后，潮流控制器串入主换流站1和从换流站2之间的电压；ub为潮流控制后，潮流控制器串入主换流站1和从换流站3之间的电压；r
l1
为输电线路2’的等效电阻，r
l2
为输电线路3’的等效电阻；l
l1
为输电线路2’的等效电感，l
l2
为输电线路3’的等效电感；i
l1
为流经输电线路2’的平均电流，i
l2
为流经输电线路3’的平均电流；i
l1
和i
l2
为瞬时电流值；i1为流经输电线路1’的平均电流；由于稳态下输电线路的电感可以忽略不计，因此有：
[0062][0063]
本实施例还提供一种如上所述线间直流潮流控制器的控制方法，包括以下步骤：
[0064]
1、将线间直流潮流控制器按照图2所示接入多端直流系统，多端直流系统至少包括一个主换流站1和两个从换流站2/3。
[0065]
2、线间直流潮流控制器在多端直流系统中有两种工况，即潮流控制状态工况和短路故障状态工况。
[0066]
在潮流控制状态工况下，控制第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2中功率器件的占空比以及第一旁路开关q1和第二旁路开关q2处于关断状态，实现直流线路电流的重新分配，即实现潮流控制；在短路故障状态工况下，控制第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2中功率器件处于关断状态以及控制第一旁路开关q1和第二旁路开关q2的通断，减小直流线路故障电流，实现限流和自保护。
[0067]
2.1正常状态下的潮流控制
[0068]
如图3所示，潮流控制采用pi控制和分时控制，a1和a2分别表示线路2’电流调制波(即从换流站2输入线路电流调制波)和直流电容电压调制波，b1和b2分别表示线路2’电流载波和直流电容电压载波。由于直流电容的充放电不能同时进行，因此需要对左右两端的第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2进行分时控制(即分别独立控制，使控制过程更加可靠)，既实现了潮流控制功能，又保证了线间直流潮流控制器自身的功率平衡。
[0069]
根据电流流向和调节方向的不同，可以分为8种运行工况，如表1所示。
[0070]
表1idcpfc运行工况
[0071][0072]
表1中，0表示igbt处于关断状态，1表示igbt处于开通状态。
[0073]
潮流控制状态的具体控制过程包括稳态过程和暂态过程；
[0074]
稳态时，调节第一h桥电路和第二h桥电路的输出电压，使从换流站2的输入线路电流和从换流站3的输入线路电流增大或减小，实现直流线路电流的重新分配；
[0075]
暂态时，对第一h桥电路和第二h桥电路中功率器件的占空比进行控制，实现对直流线路电流和直流电容电压的分时控制。
[0076]
第一种运行工况：输电线路2’的电流和输电线路3’的电流均为正向，且线路2’电流减小，线路3’电流增大，正向是指从主换流站1流入从换流站2/3的方向。
[0077]
如表1所示，潮流控制的具体过程为：
[0078]
第一h桥电路fbs1输出正电压ua，相当于给输电线路2’串入了一个正电阻，输电线路2’电流减小；第二h桥电路fbs2输出负电压ub，相当于给输电线路3’串入了一个负电阻，输电线路3’电流增大。
[0079]
如图3所示，暂态的具体控制过程为：
[0080]
在前半个周期t1内，控制目标是线路电流，t
0-t1时间段，电流i
l1
调制波a1小于电流i
l1
载波b1，电流i
l1
流经第一h桥电路fbs1中功率器件s1和功率器件s4的反并联二极管对直流电容进行充电，第一h桥电路fbs1输出 uc，相当于串入一个正电阻，线路2’电流i
l1
减小，同时为了防止左右桥臂发生电流耦合现象，此时的第二h桥电路fbs2应当处于正向旁路状态；t
1-t2时间段，电流i
l1
调制波a1大于电流i
l1
载波b1，第一h桥电路fbs1输出0，第二h桥电路fbs2仍处于旁路状态，由于t
0-t1时间段的正电阻现象消失，所以第一h桥电路fbs1输出为0，就相当于线路2’的电流i
l1
在增大；t
2-t3时间段与t
0-t1时间段的过程相同。
[0081]
在后半个周期t2内，控制目标是直流电容电压，t
3-t4时间段，直流电容电压调制波a2小于直流电容电压载波b2，从换流站3输入线路电流i
l2
流经第二h桥电路fbs2中功率器件s5和功率器件s8的igbt对直流电容进行放电，第二h桥电路fbs2输出－uc，直流电容电压减小，此时的第一h桥电路fbs1处于负向旁路状态；t
4-t5时间段，直流电容电压调制波a2大于直流电容电压载波b2，第一h桥电路fbs1仍然处于旁路状态，第二h桥电路fbs2输出为0，t
3-t4时间段的电容放电现象消失，电容电压会增大；t
5-t6时间段与t
3-t4时间段的过程相同。
[0082]
由表1可知，该运行工况的一个控制周期内，被控器件为s2、s3、s5、s8。
[0083]
第二种运行工况：输电线路2’的电流和输电线路3’的电流均为正向，且线路2’电流增大，线路3’电流减小。
[0084]
如表1所示，潮流控制的具体过程为：
[0085]
第一h桥电路fbs1输出负电压ua，相当于给输电线路2’串入了一个负电阻，输电线路2’电流增大；第二h桥电路fbs2输出正电压ub，相当于给输电线路3’串入了一个正电阻，输电线路3’电流减小。
[0086]
如图3所示，暂态的具体控制过程为：
[0087]
在前半个周期t1内，控制目标是线路电流，t
1-t2时间段，电流i
l1
调制波a1大于电流i
l1
载波b1，电流i
l2
流经第二h桥电路fbs2中功率器件s6和功率器件s7的反并联二极管对直流电容充电，第二h桥电路fbs2输出 uc，相当于串入了一个正电阻，线路3’电流减小，线路2’电流增大，同时为了防止左右桥臂发生电流耦合现象，此时的第一h桥电路fbs1应当处于正向旁路状态；t
2-t3时间段，电流i
l1
调制波a1小于电流i
l1
载波b1，第二h桥电路fbs2输出0，第一h桥电路fbs1仍处于旁路状态，由于t
1-t2时间段的正电阻现象消失，所以第二h桥电路fbs2输出为0，就相当于线路3’的电流在增大，线路2’电流在减小；t
0-t1时间段与t
2-t3时间段的过程相同。
[0088]
在后半个周期t2，控制目标是直流电容电压，t
3-t4时间段，直流电容电压调制波a2小于直流电容电压载波b2，电流i
l1
流经第一h桥电路fbs1中功率器件s2和功率器件s3的igbt对直流电容进行放电，第一h桥电路fbs1输出—uc，直流电容电压减小，此时的第二h桥电路fbs2处于负向旁路状态；t
4-t5时间段，直流电容电压调制波a2大于直流电容电压载波b2，第二h桥电路fbs2仍然处于旁路状态，第一h桥电路fbs1输出为0，t
3-t4时间段的电容放电现象消失，电容电压会增大；t
5-t6时间段与t
3-t4时间段的过程相同。
[0089]
该运行工况的一个控制周期内，被控器件为s2、s3、s5、s8。
[0090]
第三种运行工况：输电线路2’的电流和输电线路3’的电流均为负向，且线路2’电流减小，线路3’电流增大，负向是指从换流站2/3流入主换流站1的方向。
[0091]
如表1所示，潮流控制的具体控制过程为：
[0092]
第一h桥电路fbs1输出负电压ua，由于电流均为负向，线路2’电流减小；第二h桥电路fbs2输出正电压ub，由于电流均为负向，线路3’电流增大。
[0093]
如图3所示，暂态的具体控制过程为：
[0094]
在前半个周期t1内，控制目标是线路电流，t
1-t2时间段，电流i
l1
调制波a1大于电流i
l1
载波b1，电流i
l1
流经s2和s3的反并联二极管对直流电容进行充电，第一h桥电路fbs1输出-uc，相当于串入了一个负电阻，线路2’电流i
l1
增大，同时为了防止左右桥臂发生电流耦合现象，此时的第二h桥电路fbs2应当处于正向旁路状态；t
2-t3时间段，电流i
l1
调制波a1小于电流i
l1
载波b1，第一h桥电路fbs1输出0，第二h桥电路fbs2仍处于旁路状态，由于t
1-t2时间段内的负电阻现象消失，所以第一h桥电路fbs1输出为0，就相当于线路2’的电流在减小；t
0-t1时间段与t
2-t3时间段的过程相同。
[0095]
在后半个周期t2内，控制目标是电容电压，t
3-t4时间段，直流电容电压调制波a2小于直流电容电压载波b2，电流i
l2
流经s6和s7的igbt对直流电容进行放电，第二h桥电路fbs2输出 uc，又由于电容电压方向和i
l2
流经电容的方向相反，所以相当于对电容放电，电容电压减小，fbs1处于负向旁路状态；t
4-t5时间段，直流电容电压调制波a2大于直流电容电压载波b2，第一h桥电路fbs1仍处于旁路状态，第二h桥电路fbs2输出为0，t
3-t4时间段的电容放电现象消失，因此电容电压增大；t
5-t6时间段与t
3-t4时间段的过程相同。
[0096]
该运行工况的一个控制周期内，被控器件为s1、s4、s6、s7。
[0097]
第四种运行工况：输电线路2’的电流为正向、输电线路3’的电流为负向，且线路2’电流减小，线路3’电流增大。
[0098]
如表1所示，潮流控制的具体控制过程为：
[0099]
第一h桥电路fbs1输出正电压ua，相当于给线路2’串入了一个正电阻，线路2’电流减小；第二h桥电路fbs2输出正电压ub，由于线路3’电流为负向，因此线路3’电流增大。
[0100]
如图3所示，暂态的具体控制过程为：
[0101]
在前半个周期t1内，控制目标是线路电流，t
0-t1时间段，电流i
l1
调制波a1小于电流i
l1
载波b1，电流i
l1
流经s1和s4的反并联二极管对直流电容进行充电，第一h桥电路fbs1输出 uc，相当于串入一个正电阻，线路2’电流减小，同时为了防止左右桥臂发生电流耦合现象，此时的第二h桥电路fbs2应当处于正向旁路状态；t
1-t2时间段，电流i
l1
调制波a1大于电流i
l1
载波b1，第一h桥电路fbs1输出0，第二h桥电路fbs2仍处于旁路状态，由于t
0-t1时间段内的正电阻现象消失，所以第一h桥电路fbs1输出为0，就相当于线路2’的电流在增大；t
2-t3时间段与t
0-t1时间段的过程相同。
[0102]
在后半个周期t2内，控制目标是电容电压，t
3-t4时间段，直流电容电压调制波a2小于直流电容电压载波b2，电流i
l2
流经s6和s7的igbt对直流电容进行放电，第二h桥电路fbs2输出 uc，由于电容电压方向和i
l2
流经电容的方向相反，所以相当于对电容放电，电容电压减小，第一h桥电路fbs1处于负向旁路状态；t
4-t5时间段，直流电容电压调制波a2大于直流电容电压载波b2，第一h桥电路fbs1仍处于旁路状态，第二h桥电路fbs2输出为0，t
3-t4时间段的放电现象消失，因此电容电压增大；t
5-t6时间段与t
3-t4时间段的过程相同。
[0103]
该运行工况的一个控制周期内，被控器件为s2、s3、s6、s7。
[0104]
从以上分析可以得出，对于其他运行工况，由于电流方向和调节方向的不同，只需将电流参考值的方向以及被控器件替换即可。
[0105]
图3中，给定电流i
l1ref
在不过载的范围内均可以进行设置，给定电压是根据线路电压的等级来确定的，本实施例中给定电压u
cref
为30v。
[0106]
第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2的占空比均不大于50％，有：
[0107][0108]
其中，d1、d2分别表示第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2经潮流控制后串入的电容电压输入系数。
[0109]
基于本实施例线间直流潮流控制器，根据基尔霍夫电流定律有：i1＝i
l1
i
l2
，在理想情况下，该线间直流潮流控制器的净功率为零，有：
[0110]
uai
l1
ubi
l2
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0111]
2.2故障状态下的限流和自保护控制
[0112]
限流和自保护分为两个控制阶段：
[0113]
第一控制阶段：在发生一端短路故障的情况下(即检测到短路故障信号时)，输电线路2’电流i
l1
急剧上升，根据短路故障信号发出过流保护指令block，根据过流保护指令block封锁第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2中的功率器件，使第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2处于不可控整流状态，通过第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2中的反并联二极管向串接在线路中的直流电容充电，以充电方式吸收部分故障电流，实现限流。
[0114]
第二控制阶段：当直流电容电压大于或等于直流电容的保护上限电压时，即直流电容过充时，发出保护该潮流控制器指令step_n，控制第一旁路开关q1和第二旁路开关q2导通，使第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2旁路，实现自保护功能。
[0115]
如图4所示，在发生一端短路故障的情况下，对线间直流潮流控制器的线路电流和直流电容电压进行双重采样，当输电线路2’电流i
l1
或直流电容电压uc任意一个超过各自对应的短路阈值(i
oc
＝15a，u
oc
＝50v)时，即判定为短路故障。检测到短路故障之后，发出过流保护指令block，闭锁第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2中的功率器件，故障电流通过第一h桥电路fbs1和第二h桥电路fbs2的反并联二极管对直流电容充电，输出 uc，减小了线路故障电流。一旦检测到直流电容电压uc充到其保护上限值(u
cmax
＝160v)时，发出指令step_n导通第一旁路开关q1和第二旁路开关q2，达到自保护的目的。通过第一控制阶段来输出与系统电压相反的负电压，限制电流峰值；通过第二控制阶段来保护idcpfc，第二控制阶段对故障电流不产生影响。
[0116]
3、仿真验证
[0117]
搭建如图5所示的测试回路系统，对其潮流控制和故障限流功能进行实验验证。其中直流电源u1作为主换流站1的输出端直流电压，是系统电压源，电阻r1模拟系统功率源。通过设定不同的串联电感和电阻，模拟线路电感和电阻。开关sf起到投入小电阻r2模拟短路过流的作用。多端直流系统仿真参数如表2所示：
[0118]
表2系统仿真参数
[0119]
参数u1(v)r
l1
(ω)r
l2
(ω)r1(ω)r
2(
ω)l
l1
(h)l
l2
(h)数值100035100200.050.05
[0120]
3.1潮流控制
[0121]
在一条直流母线和两条分流支路中串入本实施例线间直流潮流控制器，设定给定值i
l1ref
＝5a，u
cref
＝30v，潮流控制模式下电流平均分配的仿真波形图如图6所示。未投入本实施例线间直流潮流控制器时，线路电流自然分配，i1＝9.80a，i
l1
＝6.13a，i
l2
＝3.67a。投入本实施例线间直流潮流控制器后，待系统处于稳态时，i1＝9.80a，i
l1
＝5.00a，i
l2
＝4.80a(如图6b所示)，直流电容电压出现短暂尖峰稳定后变为30v(如图6a所示)，和给定值基本保持一致。此种仿真结果对应于2.1的第一种运行工况。
[0122]
再次设定给定值i
l1ref
＝8a，u
cref
＝30v。潮流控制模式下电流不平均分配的仿真波形图如图7所示。未投入本实施例线间直流潮流控制器时，线路电流自然分配，i1＝9.80a，i
l1
＝6.13a，i
l2
＝3.67a。投入本实施例线间直流潮流控制器后，待系统处于稳态时，i1＝9.80a，i
l1
＝8.02a，i
l2
＝1.78a(如图7b所示)，直流电容电压出现短暂尖峰稳定后变为30v(如图7a所示)，和给定值基本保持一致。此种仿真结果对应于2.1的第二种运行工况。
[0123]
可以得出，投入所述的线间直流潮流控制器以后，在电流平均分配和电流不平均分配时都能够使得线路电流和电容电压可以紧紧地跟随给定值。
[0124]
3.2故障限流
[0125]
设定直流电容电压的保护上限u
cmax
＝160v，设定短路时间tf＝1s，故障清除时间td＝tf 0.003＝1.003s，即在t＝1s时，系统发生短路故障，3ms后故障清除。故障限流模式下的仿真波形图如图8所示。由图8a和图8b可看出，仿真初始1s内，即短路故障发生前的仿真波形同潮流控制模式相同，故障发生后4.26ms，直流电容电压uc被充到保护阈值160v，其
后导通第一旁路开关q1和第二旁路开关q2，idcpfc被旁路保护。
[0126]
图9给出了系统在有无限流作用时对其限流效果的影响对比波形图。图9中可以看出，无限流作用时，故障发生时i1持续上升到49.17a；而在有限流作用下，i1的峰值为45.32a，与无限流作用相比较，电流下降了7.83％左右，且从发生故障开始到清除故障持续了3ms左右。
[0127]
由上述可知，限流效果与电容容值和电容电压限值有关。电容容值越小，在有限的短路时间内(一般直流短路故障可在几毫秒内被断路器清除)电容电压提升速度越快，串入线路中的反压越大，抑制短路电流能力越强。但是，如果电容容值过小，电容则会在极短的时间内被充电到电压上限值，当短路故障还未清除时电容就被已旁路，电流会继续以较大的上升率持续增大，此时由于抑制电流时间过短，几乎起不到限流作用。电容电压上限值越大，抑制短路电流的时间越长，但是一味的追求限流时间会增大对电容的额定值的要求，增加装置体积和器件选型的难度。所以，电容容值和电容电压上限值均需要根据具体工况进行选取，最理想的情况是在故障清除时恰好达到电容电压限值，既能充分发挥限流能力，也能在整个短路过程中提供限流作用。
[0128]
4、样机试验
[0129]
图10为本发明在无限流作用下的样机实验波形图。在发生故障时，在无限流作用下，i1在故障发生后5ms上升到峰值27.93a。
[0130]
图11为本发明在有限流作用下的样机实验波形图，设定系统参数为：u1＝250v，i
l1ref
＝3a，u
cref
＝30v，直流电容容值为550uf。在稳态情况下，i
l1
和uc的给定值分别为3a和30v，可以看出当系统达到稳定时，线路电流和电容电压基本等于它们的参考值。在有限流作用下，当电流i1上升到17.52a时，idcpfc检测到该故障并开始限流。由于系统电压等级较低，随着电容电压的升高，线路电流开始下降。在4.4ms时，u
cmax
＝155v，电容被旁路，线路电流降至10.51a。由于没有断路器，线路电流将继续上升。实际系统中的故障将在3～4ms内被断路器清除。
[0131]
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。