直流输配电功率潮流控制装置及其控制策略及应用方法与流程

本发明涉及一种输配电控制电路，特别涉及一种直流输配电装置。

背景技术

直流功率传输技术是目前大功率电能传输的主要手段之一，其优点在于其传输电功率不受传输线路的电感影响，避免了交流输电系统中无功电流影响传输效率的情况。迄今为止，直流输配电多采用放射式的模式，即一个发电节点带多个落点；尚未形成多直流输电网。在配电领域，直流配电目前主要用于集中式的用电环境，例如飞机电力系统和大功率通信电源系统。

目前，工程上输配电的功率潮流调节主要靠发电端和落点端的换流站进行，无针对多电压等级直流母线a、b的解决方案。在研究层面，提出了直流-直流变压器的方案，即采用逆变-高（低）频变压器-整流结构的电力电子变换器连接不同电压等级的直流母线a、b；这种方式可以进行灵活的直流功率调配，但缺点是成本高，控制复杂；虽然效率较高，但是由于该直流-直流变压器处理的是直流母线之间传递的全功率，所以功率损耗还是相当可观的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种直流输配电功率潮流控制装置，解决现有直流配电方案成本高、控制复杂、功耗大的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种直流输配电功率潮流控制装置，包括母线切换开关、隔离型直流-直流变换器、四象限直流-直流变换器、滤波电路以及端口保护电路，所述母线切换开关的输出端连接到隔离型直流-直流变换器的输入端，母线切换开关的输入端接两直流母线a、b，所述隔离型直流-直流变换器的输出端接四象限直流-直流变换器的输入端，四象限直流-直流变换器的输出端接滤波电路，滤波电路的两个输出端口与两直流母线a、b之间经端口保护电路相连。

作为本发明的进一步限定，所述母线切换开关为两输入单输出电流可双向流动的电子开关；所述电子开关的两输入端d、e分别连接目标直流母线a、b的高电平端，电子开关的输出端c连接隔离型直流-直流变换器的输入高电平端，隔离型直流-直流变换器的输入低电平端和直流母线a、b的地相连。

作为本发明的进一步限定，所述电子开关的控制策略为：当潮流流向为a直流母线至b直流母线，且va＞vb时，连接电子开关c-e，当潮流流向为a直流母线至b直流母线，且va＜vb时，连接电子开关c-d，当潮流流向为b直流母线至a直流母线，且va＞vb时，连接电子开关c-d，当潮流流向为b直流母线至a直流母线，且va＜vb时，连接电子开关c-e。

作为本发明的进一步限定，所述隔离型直流-直流变换器其功能包括：当直流输配电功率潮流控制装置输出功率时，隔离型直流-直流变换器从直流母线a或直流母线b获得功率供给后级；当直流输配电功率潮流控制装置吸收功率时，隔离型直流-直流变换器从后级四象限直流-直流变换器获得功率，供给直流母线a或直流母线b。

作为本发明的进一步限定，所述四象限直流-直流变换器其功能为：端口电压大小由a、b直流母线电压决定，电流方向由控制占空比决定，可以在a直流母线和b直流母线电压压差任意的情况下调节功率潮流大小及方向。

作为本发明的进一步限定，所述端口保护电路由反并联的二极管d17及其串联电阻r1形成续流保护，由大功率压敏电阻r3形成过压保护；当故障发生时，同时启动断路器cb1，保护电路。

一种直流输配电功率潮流控制装置的控制策略，包括：

潮流调配的底层控制策略：根据所需功率潮流流向的指令，切换母线切换开关连接的直流母线；通过移相调制、电压电流双闭环的方式控制隔离型直流-直流变换器输出电压稳定在允许范围之内；通过脉冲宽度调制，控制四象限直流-直流变换器的输出电流大小及方向，控制功率潮流在直流母线a和b之间流动；

潮流调配的顶层调度策略：根据指令切换工作状态，如果直流母线a、b电压处于允许范围之内，则拉低四象限直流-直流变换器驱动信号，四象限直流-直流变换器自然形成直流断路器，隔离直流母线a、b；如果直流母线a、b中任意一个需要功率补充，使能四象限直流-直流变换器、隔离型直流-直流变换器和母线切换开关的控制，控制传输线电流大小及方向。

一种直流输配电功率潮流控制装置的应用方法，当供电系统中由n条直流母线，对应配置n个直流输配电功率潮流控制装置，将每个直流输配电功率潮流控制装置接入到每相邻两个直流母线之间，进行调节直流母线之间的功率潮流。

一种直流输配电功率潮流控制装置应用方法，当供电系统中由n条直流母线，对应配置n个直流输配电功率潮流控制装置，将n个直流输配电功率潮流控制装置串接在一起形成环形多端口结构，且将每一端口与一直流母线连接，进行调节直流母线之间的功率潮流。

一种直流输配电功率潮流控制装置应用方法，当供电系统中由n条直流母线，对应配置n个直流输配电功率潮流控制装置，将每一直流输配电功率潮流控制装置的一端对应连接一直流母线，另一端与其余直流输配电功率潮流控制装置的另一端连接在一起，进行调节直流母线之间的功率潮流。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.可以控制在两个电压等级相近的直流母线之间传递的功率等级，实现两个电压型电源或储能装置之间直接的方向可控的能量传递；

2.具备通断直流的能力；

3.实现直流功率潮流的控制时，装置只处理部分传输的功率，直流配电的经济性高。

附图说明

图1为本发明中直流输配电功率潮流控制装置原理框图。

图2为本发明中母线切换开关电路原理图。

图3为本发明中隔离型直流-直流变换器电路原理图。

图4为本发明中四象限直流-直流变换器电路原理图。

图5为本发明中端口保护电路原理图。

图6为本发明中隔离型直流-直流变换器电压电流双闭环控制逻辑图。

图7为本发明中四象限直流-直流变换器电流闭环控制逻辑图。

图8为本发明的一种应用方法原理图。

图9为本发明的另一种应用方法原理图。

图10为本发明的另一种应用方法原理图。

图11为本发明中四象限直流-直流变换器另一种电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1-5所示的一种直流输配电功率潮流控制装置，包括母线切换开关1，功率潮流可逆的隔离型直流-直流变换器2、四象限直流-直流变换器3、滤波电路4、端口保护电路5。

母线切换开关一端连接到隔离型直流-直流变换器2的输入端；隔离型直流-直流变换器2的输出端接四象限直流-直流变换器3的输入端，四象限直流-直流变换器3的输出端接滤波电路4，滤波电路4的两个输出端口连接在两个直流母线a、b之间；端口保护电路5分别连接在滤波电路4的两个输出端口和地之间；潮流调配的底层控制算法控制两个直流母线a、b之间的电流大小及方向，同时控制隔离型直流-直流变换器2的输出电压稳定；潮流调配的顶层调度策略根据调度中心指令切换灵活直流输配电装置的工作状态，即隔离直流母线、正向调配直流潮流、逆向调配直流潮流。

母线切换开关1为三端口的电子开关；开关d，e端分别连接目标直流母线的高电平端，c端连接隔离型直流-直流变换器2的输入高电平端，隔离型直流-直流变换器2的输入低电平端和直流母线a、b的地相连；母线切换开关1的控制算法，如表1所示，原则是不重复处理功率；母线切换开关1采用反向串联的igbt实现。

表格直流母线开关切换策略

当潮流调配的底层控制算法接收到新的功率潮流的指令时，如果需要改变潮流方向且需要改变母线切换开关1位置时，将隔离型直流-直流变换器2的驱动信号禁止直到隔离型直流-直流变换器2的输入电流为零，通过控制信号进行母线切换开关1的切换，同时再次启动隔离型直流-直流变换器2。

隔离型直流-直流变换器2，当灵活直流输配电装置输出功率时，隔离型直流-直流变换器2从a或b直流母线获得功率供给后级；当灵活直流输配电装置吸收功率时，隔离型直流-直流变换器2从后级四象限直流-直流变换器3获得功率，供给a或b直流母线。

四象限直流-直流变换器3，四象限直流-直流变换器3的端口电压大小由a、b直流母线电压决定，电流方向由控制占空比决定，可以在a直流母线和b直流母线电压压差任意的情况下调节功率潮流大小及方向。

滤波电路4，滤波电路4根据直流功率传输的要求选择电感和电容的大小。

端口保护电路5，连接在滤波电路4的两个输出端口和地之间，由反并联的二极管d17及其串联电阻r1形成续流保护，由大功率压敏电阻r3形成过压保护；当故障发生时，同时启动断路器cb1，保护电路。

潮流调配的底层控制策略；该控制算法根据功率潮流的指令，切换母线切换开关1连接的直流母线；通过移相调制、电压电流双闭环的方式控制隔离型直流-直流变换器2输出电压稳定在允许范围之内；通过脉冲宽度调制，控制四象限直流-直流变换器3的输出电流大小及方向，控制功率潮流在直流母线a和b之间流动。

隔离型直流-直流变换器2的功能是为后级电路提供一个悬浮的电压源vfg，该电压源可以输出或吸收功率；在系统运行时，该变换器既可以接收来自于四象限直流-直流变换器3回馈的能量返回直流母线，也可以从直流母线提供能量给四象限直流-直流变换器3；四象限直流-直流变换器3的控制方式采用电压电流双闭环方式，如图6所示，将f、g之间的电压采样回控制器，在控制器内部将采样值和数字量的参考值vref进行比较，差值经过pi控制器cv(s)放大、软件限幅产生电流内环的参考值iref1；利用电流互感器获得等比例的采样电流i1，并经过全桥整流器和电阻r2电容c4进行平均化滤波，得到等比与电流峰值的直流量，电流内环通过pi调节器ci1(s)对电流的平均值进行控制，调制隔离型直流-直流变换器2的移相角，控制输出电压vfg。数字量的参考值vref设定为大于直流母线a和直流母线b之间电压的最大差值，这样后级的四象限直流-直流变换器3可以在直流母线a和直流母线b的电压差之下控制直流母线电流。

四象限直流-直流变换器3采用电流模式控制，如图7所示，在其输入电压vfg稳定可控的前提下，利用数字化闭环方式对其进行闭环控制，将由霍尔传感器获得的等比与电流的电压iout2采样入控制器，iref2为等效于调度电流指令的数值量参考值，参考值与反馈值的差值经过pi调节器ci2(s)生成控制t13和t16的占空比经过驱动电路方法驱动四象限直流-直流变换器3，其中t13与t14逻辑互补t15与t16逻辑互补。

潮流调配的顶层调度策略；潮流调配的顶层调度策略根据调度中心指令切换灵活直流输配电装置的工作状态：如果a、b直流母线电压处于允许范围之内，则拉低四象限直流-直流变换器3驱动信号，四象限直流-直流变换器3自然形成直流断路器，隔离a、b直流母线；如果a、b直流母线中任意一个需要功率补充，潮流调配的顶层调度策略使能四象限直流-直流变换器3、隔离型直流-直流变换器2和母线切换开关1的控制，控制传输线电流大小及方向。

实施例2

如图8所示，一种直流输配电功率潮流控制装置的应用方法，当供电系统中由3条直流母线，对应配置3个直流输配电功率潮流控制装置6、7、8，将每个直流输配电功率潮流控制装置6、7、8接入到每相邻两个直流母线之间，进行调节直流母线之间的功率潮流。

实施例3

如图9所示，一种直流输配电功率潮流控制装置应用方法，当供电系统中由3条直流母线，对应配置3个直流输配电功率潮流控制装置9、10、11，将3个直流输配电功率潮流控制装置9、10、11串接在一起形成环形多端口结构，且将每一端口与一直流母线连接，进行调节直流母线之间的功率潮流。

实施例4

如图10所示，一种直流输配电功率潮流控制装置应用方法，当供电系统中由3条直流母线，对应配置3个直流输配电功率潮流控制装置12、13、14，将每一直流输配电功率潮流控制装置12、13、14的一端对应连接一直流母线a、b、c，另一端与其余直流输配电功率潮流控制装置12、13、14的另一端连接在一起，进行调节直流母线之间的功率潮流。

实施例3和4根据指令调节每个直流输配电功率潮流控制装置的电流，在多个直流母线之间形成直流功率路由；vfg电压设置为高于三直流母线之间的最大电压差，输出级的四象限直流-直流变换器由图4中的替换为图11用于三直流母线的多输出直流-直流变换器。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。