本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于多端直流輸電場合，特別是涉及一種具備直流潮流與短路控制的復(fù)合裝置及其控制方法。

背景技術(shù)：

隨著傳統(tǒng)能源的不斷消耗和環(huán)境問題的日益加劇，清潔可持續(xù)能源的發(fā)展和應(yīng)用逐漸引起了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的電網(wǎng)消納能力有限，加之新能源發(fā)電的間歇性和不確定性，以至于新能源發(fā)電效率不高。為此，我們需要一種新的電力設(shè)備、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行技術(shù)來適應(yīng)大規(guī)?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)。在此需求下，多端直流輸電和直流電網(wǎng)技術(shù)變應(yīng)運(yùn)而生。

高壓柔性直流輸電技術(shù)因此經(jīng)濟(jì)性好、傳送距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)成為解決分布式電源并網(wǎng)和構(gòu)建新型電網(wǎng)的研究熱點(diǎn)。多端直流輸電和直流電網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，用于滿足多電源供電和多落點(diǎn)受電的需求。然后，對(duì)于一個(gè)確定拓?fù)涞闹绷飨到y(tǒng)，n個(gè)獨(dú)立的換流站可以對(duì)n-1條支路進(jìn)行有效的潮流控制；而對(duì)系統(tǒng)中超出n-1條線路上的潮流無法控制，因此需要引入潮流控制器來實(shí)現(xiàn)潮流的調(diào)節(jié)。由于直流電網(wǎng)不存在交流系統(tǒng)中的無功、電抗和相角，只需要改變電壓和電阻值便能實(shí)現(xiàn)潮流調(diào)節(jié)，所以已有的潮流控制器主要分為電阻型和電壓型兩類。電阻型控制器方案和結(jié)構(gòu)比較簡單，但潮流只能實(shí)現(xiàn)單向調(diào)節(jié)，且通態(tài)損耗較大；電壓型控制器一般分為三類，直流變壓器、串聯(lián)可調(diào)電壓源和線間潮流控制器。在線路中串入直流變壓器可以實(shí)現(xiàn)線路電壓的改變進(jìn)行潮流調(diào)節(jié)，但是其需要承受系統(tǒng)級(jí)的高壓和大功率，增加了成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性；在系統(tǒng)串入可調(diào)電壓源，不需要承受高電壓，但是其需要外部電源與之交互。為了略去串聯(lián)可調(diào)電壓源方案中額外的電源，研究人員提出了線間潮流控制器。通過設(shè)計(jì)合理的方案，使得潮流在不同線路之間實(shí)現(xiàn)傳遞，從何實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

另外，直流電網(wǎng)的線路阻抗很小，較小的電壓變化會(huì)引起很大，因此發(fā)展直流電網(wǎng)快速限流和短路切斷裝置是直流電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。目前已有的短路限流裝置主要應(yīng)用于交流電網(wǎng)，大部分利用交流電流的自然過零點(diǎn)進(jìn)行分?jǐn)?。但是，由于直流電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，不存在自然過零點(diǎn)，所以分?jǐn)嚯y度很大，很難滿足安全性和可靠性的要求。目前已有的研究主要是基于電力電子技術(shù)的混合型直流斷路器和通過在電網(wǎng)中串入限流電路來限制故障電流峰值和電流上升率等。

然而，目前基于直流潮流控制和短路控制的裝置研究和運(yùn)行都相對(duì)獨(dú)立，很少涉及短路和潮流復(fù)合控制，因此存在成本相對(duì)較高、體積較大以及不便統(tǒng)一控制等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述存在的問題，本發(fā)明針對(duì)多端直流輸電系統(tǒng)中的潮流控制和短路控制問題，提出一種直流電網(wǎng)用的具備直流潮流控制與直流短路控制的復(fù)合裝置及其控制方法，為達(dá)此目的，本發(fā)明提供一種具備直流潮流與短路控制的復(fù)合裝置，包括潮流控制裝置和短路控制裝置，所述潮流控制裝置和短路控制裝置有一個(gè)直流輸電端口及兩條與所述直流輸電端口并聯(lián)的輸電線路，其特征在于：所述潮流控制裝置包括耦合電感l(wèi)1和l2、電容c1和c2、四個(gè)開關(guān)管q1~q4、四個(gè)二極管db1~db4；所述短路控制裝置，包括兩個(gè)高壓快速機(jī)械開關(guān)ufd1和ufd2、三個(gè)避雷器sa1~sa3和三個(gè)開關(guān)管mb1~mb3；

所述電容c1作為可調(diào)電壓源vc1串聯(lián)在第一條輸電線路中，電容c2作為可調(diào)電壓源vc2串聯(lián)在第二條輸電線路中，用于潮流控制；所述可調(diào)電壓源vc1兩側(cè)并聯(lián)第一電路單元和第二電路單元，所述可調(diào)電壓源vc2兩側(cè)并聯(lián)第三電路單元和第四電路單元；所述第一電路單元由第一開關(guān)管q1與二極管db1、電感l(wèi)1串聯(lián)組成，所述第二電路單元由第二開關(guān)管q2與二極管db2、電感l(wèi)2串聯(lián)組成，所述第三電路單元由第三開關(guān)管q3與三極管db3、電感l(wèi)1串聯(lián)組成，所述第四電路單元由第四開關(guān)管q4與二極管db4、電感l(wèi)2串聯(lián)組成；所述電感l(wèi)1和電感l(wèi)2順接耦合；

所述高壓快速機(jī)械開關(guān)ufd1串聯(lián)在第一條輸電線路中，高壓快速機(jī)械開關(guān)ufd2串聯(lián)在第二條輸電線路中；第五電路單元兩端分別連接在直流輸電端口1和高壓快速機(jī)械開關(guān)ufd1的出線端，第六電路單元兩端分別連接在直流輸電端口1和高壓快速機(jī)械開關(guān)ufd2的出線端；所述第五電路單元為第七電路單元和第八電路單元反向串聯(lián)組成；所述第六電路單元為第七電路單元和第九電路單元反向串聯(lián)組成；所述第七電路單元為開關(guān)管mb1和避雷器sa1并聯(lián)組成；所述第八電路單元為開關(guān)管mb2和避雷器sa2并聯(lián)組成；所述第九電路單元為開關(guān)管mb3和避雷器sa3并聯(lián)組成。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一開關(guān)管q1、第二開關(guān)管q2、第三開關(guān)管q3和第四開關(guān)管q4均由一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管和一個(gè)二極管反并聯(lián)組成。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述開關(guān)管mb1、開關(guān)管mb2和開關(guān)管mb3均由一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管和一個(gè)二極管反并聯(lián)組成。

本發(fā)明提供一種具備直流潮流與短路控制的復(fù)合裝置的控制方法：

(1)在未發(fā)生故障時(shí)，潮流控制裝置投入工作，其控制方法如下：

1)設(shè)置第一條輸電線路的電流參考值為i1ref、第二條輸電線路的電流參考值為i2ref；

2)將第一條輸電線路的電流參考值i1ref與采集到的第一條輸電線路的電流i1相減，所得差值經(jīng)過pi環(huán)節(jié)后得到第一開關(guān)管q1和第二開關(guān)管q2的pwm驅(qū)動(dòng)信號(hào)；將第二條輸電線路的電流參考值i2ref與采集到的第二條輸電線路的電流i2相減，所得差值經(jīng)過pi環(huán)節(jié)后得到第三開關(guān)管q3和第四開關(guān)管q4的pwm驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

3)利用pwm驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷，使第一條輸電線路的電流i1和第二條輸電線路的電流i2維持在參考值i1ref和i2ref；

(2)在發(fā)生故障之后，潮流控制裝置立即閉鎖，短路控制裝置立即投入，具體控制方法及步驟如下：

1)假設(shè)某一條出線支路發(fā)生短路故障的時(shí)刻為tf，其所在支路的電流采樣值超過短路控制設(shè)定的閾值imax；

2)在t1時(shí)刻，通過控制第一開關(guān)管q1、第二開關(guān)管q2、第三開關(guān)管q3和第四開關(guān)管q4的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，立即閉鎖潮流控制裝置，使其不再進(jìn)行潮流調(diào)節(jié)；同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)短路時(shí)的潮流方向，選擇特定的兩條支路作為故障換流支路，此時(shí)該兩條線路的開關(guān)管即為故障換流開關(guān)管，分別命名為第一換流開關(guān)管lcs1和第二換流開關(guān)管lcs2，控制lcs1和lcs2的開關(guān)信號(hào)，使其立即導(dǎo)通，并關(guān)閉非換流支路上的其余開關(guān)管；

3)在t2時(shí)刻，通過控制短路控制裝置上的開關(guān)管mb1、開關(guān)管mb2和開關(guān)管mb3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使其導(dǎo)通，此時(shí)大部分的故障電流將轉(zhuǎn)移到開關(guān)管mb所在的支路上；

4)在t3時(shí)刻，通過控制第一換流開關(guān)管lcs1和第二換流開關(guān)管lcs2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)斷其中故障支路上的換流開關(guān)管，保持非故障支路上的換流開關(guān)繼續(xù)導(dǎo)通；

5)在t4時(shí)刻，關(guān)斷其中故障線路上的高壓快速機(jī)械開關(guān)ufd，切斷故障支路，保持另外非故障支路上的高壓快速機(jī)械開關(guān)ufd繼續(xù)導(dǎo)通；

6)在t5時(shí)刻，通過控制第一換流開關(guān)管lcs1和第二換流開關(guān)管lcs2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使lcs1和lcs2導(dǎo)通，此時(shí)非故障線路恢復(fù)運(yùn)行；

7)在t6時(shí)刻，通過控制短路控制裝置上的開關(guān)管mb1、開關(guān)管mb2和開關(guān)管mb3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使其全部關(guān)斷，剩余的故障電流通過mb開關(guān)管的反向二極管和避雷器sa1、避雷器sa2和避雷器sa3進(jìn)行消耗釋放。

本發(fā)明公開了一種直流電網(wǎng)用的具備直流潮流控制與直流短路控制的復(fù)合裝置及其控制方法，復(fù)合控制裝置包括：潮流控制裝置，其包括一對(duì)耦合電感、四個(gè)開關(guān)管、四個(gè)二極管和兩個(gè)電容；短路控制裝置，其包括兩個(gè)高壓快速機(jī)械開關(guān)、三個(gè)避雷器和三個(gè)開關(guān)管。所述第一電容作為第一可調(diào)電壓源串聯(lián)在第一條輸電線路中，第二電容作為第二可調(diào)電壓源串聯(lián)在第二條輸電線路中，用于潮流控制；快速機(jī)械開關(guān)分別串聯(lián)在兩條線路的出線端；三個(gè)避雷器分別和三個(gè)開關(guān)管并聯(lián)，用于控制短路電流。正常情況下，潮流控制裝置投入工作，控制線路潮流；一旦發(fā)生短路，潮流部分閉鎖，短路電流控制裝置投入工作。本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)靈活的潮流調(diào)節(jié)，還可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)的短路電流控制。

附圖說明

圖1是本發(fā)明直流電網(wǎng)用的具備直流潮流控制與直流短路控制的復(fù)合裝置的電路拓?fù)涫疽鈭D；

圖2是i1及i2同為正向，減小i1、增大i2時(shí)潮流控制器的工作模態(tài)圖；

圖3是i1及i2同為正向，減小i1、增大i2時(shí)潮流控制器的工作模態(tài)圖；

圖4是i1及i2同為正向，線路1出口處發(fā)生故障時(shí)的工作模態(tài)圖；

圖5是i1及i2同為正向，線路1出口處發(fā)生故障時(shí)的工作模態(tài)圖；

圖6是i1及i2同為正向，線路1出口處發(fā)生故障時(shí)的工作模態(tài)圖；

圖7是i1及i2同為反向，減小i1、增大i2時(shí)潮流控制器的工作模態(tài)圖；

圖8是i1及i2同為反向，減小i1、增大i2時(shí)潮流控制器的工作模態(tài)圖；

圖9是i1及i2同為反向及i1為正向、i2為反向，線路1出口處發(fā)生故障時(shí)的工作模態(tài)圖；

圖10是i1及i2同為反向及i1為正向、i2為反向，線路1出口處發(fā)生故障時(shí)的工作模態(tài)圖；

圖11是i1及i2同為反向及i1為正向、i2為反向，線路1出口處發(fā)生故障時(shí)的工作模態(tài)圖；

圖12是i1為正向、i2為反向，增大i1、減小i2減小i1、增大i2時(shí)潮流控制器的工作模態(tài)圖；

圖13是i1為正向、i2為反向，增大i1、減小i2減小i1、增大i2時(shí)潮流控制器的工作模態(tài)圖；

圖14與圖15是本發(fā)明的拓?fù)涞淖冃闻c延伸。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明的直流電網(wǎng)用的具備直流潮流控制與直流短路控制的復(fù)合裝置拓?fù)涫疽鈭D如圖1所示。一種直流電網(wǎng)用的具備直流潮流控制與直流短路控制的復(fù)合裝置，涉及的直流系統(tǒng)包括一個(gè)直流輸電端口及兩條與所述直流輸電端口并聯(lián)的直流輸電線路；所述一種直流電網(wǎng)用的具備直流潮流控制與直流短路控制的復(fù)合裝置，包括潮流控制裝置和短路電流控制裝置。所述潮流控制裝置包括耦合電感l(wèi)1和l2、電容c1和c2、四個(gè)開關(guān)管q1~q4、四個(gè)二極管db1~db4；所述短路控制裝置，包括兩個(gè)高壓快速機(jī)械開關(guān)ufd1和ufd2、三個(gè)避雷器sa1~sa3和三個(gè)開關(guān)管mb1~mb3。

直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，所述復(fù)合裝置的潮流控制器投入工作，參與系統(tǒng)的潮流調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，通過控制開關(guān)管q1~q4立即閉鎖潮流控制裝置，同時(shí)短路控制裝置投入工作，切斷故障電流。

下面以3種典型的工況為例，對(duì)該直流電網(wǎng)用的具備直流潮流控制與直流短路控制的復(fù)合裝置的控制特性進(jìn)行分析（各電氣量的參考方向如圖1中所示）

1．i1及i2同為正向：

a)潮流控制。短路故障未發(fā)生的情況下，潮流控制裝置投入工作，參與系統(tǒng)的潮流調(diào)節(jié)。由于i1和i2方向相同，根據(jù)對(duì)稱性，以按潮流控制要求減小i1、增大i2為例進(jìn)行說明，即等效為在線路1中引入正電阻效應(yīng)(正電阻效應(yīng)指的是電容串入線路的電壓降方向與電流方向一致，類似于串入一個(gè)正電阻，從而降低所在線路的電流)，在線路2中引入負(fù)電阻效應(yīng)(負(fù)電阻效應(yīng)指的是電容串入線路的電壓降方向與電流方向相反，等同于在線路上串入一個(gè)負(fù)電阻，從而增大線路電流)，故電容c1、c2的電壓方向與圖1中參考方向相一致。若4個(gè)開關(guān)管都關(guān)斷，則vc1將不斷升高，vc2將不斷降低，因此，為了維持電壓平衡，需要將c1中的能量轉(zhuǎn)移到c2。

根據(jù)電容電壓極性以及能量轉(zhuǎn)移路徑，首先開通q1，則c1、l1、q1和db1形成回路，在vc1作用下，l1電流上升，l1儲(chǔ)能增加；一段時(shí)間后關(guān)斷q1，并開通q3，此時(shí)q3、db3、c2及l(fā)1、形成回路，在vc2作用下，l1電流下降，l1中的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移到c2中。一段時(shí)間后再開通q1，則電路重復(fù)上一周期的過程?？梢?，c1中的一部分能量轉(zhuǎn)移到c2中，從而實(shí)現(xiàn)減小i1、增大i2的目的，具體開關(guān)模態(tài)如圖2、3所示。從以上分析可知，本工況需要控制q1與q3互補(bǔ)通斷，q2及q4一直關(guān)斷。進(jìn)一步分析可知，在此工況下，可將q3一直開通，保持q2及q4關(guān)斷，僅控制q1通斷，可進(jìn)一步降低開關(guān)損耗。

b)短路控制。由于i1和i2方向相同，根據(jù)對(duì)稱性，以線路1的出口處短路為例。線路1發(fā)生故障時(shí)，立即開通開關(guān)管q1與q3，關(guān)斷開關(guān)管q2與q4，此時(shí)開關(guān)管q1與q3所在支路則為故障換流支路。延時(shí)一段時(shí)間，開通開關(guān)管mb1、mb2和mb3，此時(shí)故障電流大部分轉(zhuǎn)移到mb開關(guān)管所在支路。再延時(shí)一段時(shí)間，關(guān)閉故障支路上的開關(guān)管q1，然后關(guān)斷高壓快速機(jī)械開關(guān)ufd1，切斷故障支路。繼續(xù)延時(shí)一段時(shí)間，開通q1，之后關(guān)斷開關(guān)管mb1、mb2和mb3，使得剩余故障電流通過sa1和開關(guān)管mb2的反并聯(lián)二極管進(jìn)行流通和消耗。具體開關(guān)模態(tài)如圖4~6所示。此時(shí)，故障支路已從系統(tǒng)中切除，非故障支路恢復(fù)運(yùn)行。

2．i1及i2同為反向：

a)潮流控制。同樣以減小i1、增大i2為例進(jìn)行說明，即等效為在線路1中引入正電阻效應(yīng)，在線路2中引入負(fù)電阻效應(yīng)，由于i1和i2同為反向，故c1、c2的電壓方向與圖1中參考方向也相反，同樣需要將c1中的能量轉(zhuǎn)移到c2。

根據(jù)電容電壓極性以及能量轉(zhuǎn)移路徑，首先開通q2，則c1、db2、q2及l(fā)2形成回路；一段時(shí)間后關(guān)斷q2，并開通q4，此時(shí)c2、db4、q4及l(fā)2形成回路。一段時(shí)間后再開通q2，則電路又重復(fù)上一周期過程。同樣，潮流控制器可將c1中的一部分能量通過l2轉(zhuǎn)移到c2中，從而實(shí)現(xiàn)減小i1、增大i2的目的，具體開關(guān)模態(tài)如圖7、8所示。同樣，在此工況下，可將q4一直開通，保持q1及q3關(guān)斷，僅控制q2通斷，也可使潮流控制器正常工作。

b)短路控制。同樣以線路1出口處短路為例。當(dāng)線路1發(fā)生故障時(shí)，立即開通開關(guān)管q1與q4，關(guān)斷開關(guān)管q2與q3，此時(shí)開關(guān)管q1與q4所在支路則為故障換流支路。延時(shí)一段時(shí)間，開通開關(guān)管mb1、mb2和mb3，此時(shí)故障電流大部分轉(zhuǎn)移到mb開關(guān)管所在支路。再延時(shí)一段時(shí)間，關(guān)閉故障支路上的開關(guān)管q1，然后關(guān)斷高壓快速機(jī)械開關(guān)ufd1，切斷故障支路。繼續(xù)延時(shí)一段時(shí)間，開通q1，之后關(guān)斷開關(guān)管mb1、mb2和mb3，使得剩余故障電流通過sa1和開關(guān)管mb2的反并聯(lián)二極管進(jìn)行流通和消耗。具體開關(guān)模態(tài)如圖9~11所示。此時(shí)，故障支路已從系統(tǒng)中切除，非故障支路恢復(fù)運(yùn)行。

3．i1和i2不同向：

a)潮流控制。i1和i2不同向的情況可分為2種：i1正向，i2反向，或i1反向，i2正向。由于對(duì)稱性，以i1正向，i2反向，并增大i1、減小i2為例進(jìn)行說明，即等效為在線路1中引入負(fù)電阻效應(yīng)，在線路2中引入正電阻效應(yīng)，故c1的電壓方向與圖1中參考方向相反，c2的電壓方向與圖1中參考方向相同，需要將c2中的能量轉(zhuǎn)移到c1。

c1、c2的電壓方向如圖6所示，首先開通q4，則c2中的部分能量存儲(chǔ)到l2中，一段時(shí)間后關(guān)斷q4，并開通q1，此時(shí)利用耦合電感的作用，將電感中的能量轉(zhuǎn)移到c1中，從而實(shí)現(xiàn)c2到c1的能量轉(zhuǎn)移，具體開關(guān)模態(tài)如圖12、13所示。從以上分析可知，本工況需要控制q1與q4互補(bǔ)通斷，q2及q3一直處于關(guān)斷狀態(tài)。同樣，在此工況下，可將q2及q3一直關(guān)斷，q1一直開通，僅控制q4通斷，也可使潮流控制器正常工作，可進(jìn)一步降低開關(guān)損耗。

b)短路控制。同樣以i1正向，i2反向，且線路1出口處短路為例。當(dāng)線路1發(fā)生故障時(shí)，立即開通開關(guān)管q1與q4，關(guān)斷開關(guān)管q2與q3，此時(shí)開關(guān)管q1與q4所在支路則為故障換流支路。延時(shí)一段時(shí)間，開通開關(guān)管mb1、mb2和mb3，此時(shí)故障電流大部分轉(zhuǎn)移到mb開關(guān)管所在支路。再延時(shí)一段時(shí)間，關(guān)閉故障支路上的開關(guān)管q1，然后關(guān)斷高壓快速機(jī)械開關(guān)ufd1，切斷故障支路。繼續(xù)延時(shí)一段時(shí)間，開通q1，之后關(guān)斷開關(guān)管mb1、mb2和mb3，使得剩余故障電流通過sa1和開關(guān)管mb2的反并聯(lián)二極管進(jìn)行流通和消耗。具體開關(guān)模態(tài)如圖9~11所示。此時(shí)，故障支路已從系統(tǒng)中切除，非故障支路恢復(fù)運(yùn)行。

根據(jù)以上分析，本發(fā)明的復(fù)合控制裝置可以進(jìn)行拓?fù)涞耐茝V，如圖14與圖15所示。與圖1相比，圖14中的直流潮流控制部分增加了兩個(gè)電感，四個(gè)電感均繞制在同一磁芯上構(gòu)成耦合電感，其工作原理與開關(guān)模態(tài)與圖1所示潮流控制器一致，不再贅述。該直流潮流控制器的應(yīng)用場合較圖1所示更為廣泛，當(dāng)圖1中的線路1與線路2為獨(dú)立的兩條線路(即兩條線路的任意一端均不相連)時(shí)，圖1中的潮流控制器在某些情況下便無法工作，而圖14中的潮流控制器則可以解決該問題。與圖1相比，圖15的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電容線路中串入雙向開關(guān)管，可以在不同電壓系統(tǒng)中，及時(shí)切除電容，避免故障時(shí)電容過充。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對(duì)本發(fā)明作任何其他形式的限制，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)所作的任何修改或等同變化，仍屬于本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍。