基于MMC的串联多端口直流潮流控制器的制作方法

本发明属于电力
技术领域：
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背景技术：
：传统的交流输电结构、运行技术在接入新能源方面面临着巨大的挑战，这就使直流输电再一次的得到了人们的关注，它能够很好的解决新能源并网的问题。近年来，国内外学者对直流输电的研究从简单到复杂，从最基本两端的电网换相高压直流输电到目前的多端电压源型高压直流输电，从点对点式的拓扑结构到包含大量直流线路的环型及网型结构，系统的冗余程度得到了大大的提高，但线路的潮流已经远远不能满足实际的要求，潮流分布的不合理将引发线路过载，导致直流电网低效率运行甚至带来严重的安全隐患。潮流控制器的引入很好的解决了这一问题，对于提高直流电网潮流控制的自由度，保障直流电网的安全稳定运行具有重要的实际意义。应用在单一电压等级的潮流控制器主要包括如下的四类：电阻型潮流控制器、dc-dc变换器型、辅助电压源型和线间直流潮流控制器，它们的引入很好的解决了直流线路潮流不可控的问题。而多电压等级的直流电网互联已经成为未来直流电网的发展趋势，目前互联多个不同电压等级的直流网络主要是以多端口dc/dc变换器为主，大致可分为如下的三类：多端口有源桥式dc/dc变换器、多端口lcl谐振式dc/dc变换器和基于mmc的多端口dc/dc变换器。都有各自的优势以及应用的领域，但也存在着一定的不足之处，如有源桥式dc/dc变换器更加适用于低压领域，lcl谐振式dc/dc变换器各直流端口之间变比受限，基于mmc的多端口dc/dc变换器成本高损耗大。技术实现要素：本发明的目的是从潮流控制的角度出发，从简单直流电网中的潮流控制器，推广出多端口串联结构的直流潮流控制器，有效的解决了直流电网潮流不可控问题的基于mmc的串联多端口直流潮流控制器。本发明步骤是：步骤1：通过分析多端口潮流控制器的几种拓扑结构，选用一种最适合同时互联多直流电压等级的结构；步骤2：建立该拓扑结构的内部模型；步骤3：构建含有sm-dcpfc的多电压等级直流电网模型，通过对直流电网的潮流分析，计算出sm-dcpfc端口电压与线路潮流关系，构建内外环控制模型，通过对sm-dcpfc的控制，实现多直流电压等级互联及线路潮流的控制；步骤4：通过仿真验证了该多端口潮流控制器能够在多种情况下都能够实现对线路潮流的灵活控制。本发明多端口潮流控制器可以被具体的设计为如下的四类：开网、星型网、闭网和辐射网。本发明通过对共同点及不同点的比较，从成本及控制难易程度和稳定性方面考虑，选用的星型拓扑结构每个端口的内部模型，其实质是采用了由全桥子模块所组成的模块化多电平换流器，拥有电压电流双向运行能力，能够满足系统潮流控制的要求。本发明多直流电压等级互联及线路潮流的控制过程是：步骤301：建立含有sm-dcpfc的多电压等级环型直流电网拓扑结构；步骤302：根据系统结构，得到该直流系统的潮流分布情况，进而分析出每个端口电压与线路潮流之间满足的关系；得到线路的潮流分布情况如下式所示:公式(2)表明了线路电流i14，i24，i34与vm1～vm3之间的关系，通过调整插入到线路中mmc1～mmc3模块的电压，就可以独立的控制直流线路电流的大小和方向，最终实现线路潮流的控制；式中v1，v3，v4，i2基本为定值，不受sm-dcpfc的影响；步骤303：建立多端口潮流控制器在d-q旋转坐标系下的等值电路，通过对等值电路的分析，得到每个端口在d-q坐标系下的数学模型，当电流调节器采用pi调节器时，推导出内环电流控制方程，外环则采用定直流电压控制，通过控制端口电压来实现控制潮流的目的；步骤3031：建立等值电路，忽略电感的附加电阻，串联型多端口直流潮流控制器在d-q旋转坐标系下的等值电路，端口的潮流控制器，内部含有n个mmc换流器模块，li为每个模块的桥臂电抗，lki为每个模块所连接的变压器的漏电抗，idi和iqi分别为第i个模块流向交流母线电流的d轴和q轴分量，edi和eqi为第i个模块内部电动势的d轴和q轴分量，usd和usq分别为交流母线电压的d轴和q轴分量；步骤3032：电流方向为正方向，每个mmc模块在d-q坐标系下可以表示成如下的数学模型：式中w为交流侧电压的角频率；当模块的交流侧电流采用比例积分pi控制时，可以得到内环电流控制器的表达式：kpi和kli分别为比例系数和积分系数；步骤3033：设定直流线路电流的参考值分别为i14ref，i34ref和i24ref，根据式(2)可以得到如下矩阵形式：式中v1、i2、v3、v4基本不受sm-dcpfc的影响，能够保持恒定，i14ref，i34ref和i24ref为想要得到的线路电流参考值，通过式(5)的转换得到了线路电流与端口电压的关系。本发明能够在互联多直流电压等级的同时灵活的调节线路的潮流且具有较低的成本，通过对串联型多端口潮流控制器拓扑结构、等值电路、数学模型和控制策略的分析可以看出，因为每个mmc模块是串联在线路中，它所承受的电压是在两端换流站电压之差的基础上进行微调的，所使用的换流器件个数将大大减少，这在以后的运行过程中将会有更少的功率损耗。它能够互联不同电压等级的直流电网，且能够灵活的调节线路的潮流，能够有效解决直流电网的潮流不可控问题。将这种多端口潮流控制器的交流侧通过变压器与附近的交流电源进行连接，如换流站、变电所、海上风电场等，将公共的交流侧与这些交流电源连接，其交流母线电压会更加稳定。附图说明图1为多端口dc/dc变换器(a)与串联多端口直流潮流控制器(b)；图2为多端口潮流控制器拓扑结构(a)开网(b)星型网(c)闭网(d)辐射网；图3为通用的多端口潮流控制器拓扑结构；图4为三端口潮流控制器拓扑结构(a)开网/星型网(b)闭网(c)辐射网；图5为四端口sm-dcpfc的内部结构；图6为含有sm-dcpfc的环型直流电网拓扑；图7为sm-dcpfc等值电路；图8为sm-dcpfc详细的控制策略；图9为电流双向调节仿真图，图9a为四条直流线路的电流，图9b为每个mmc模块的电压仿真图；图10为功率阶跃时仿真图，图10a换流站直流侧电流，图10b换流站1和换流站2节点电压，图10c各直流线路的电流，图10d每个mmc模块的电压；图11为含有四端口dc/dc变换器的直流电网拓扑；图12为dc/dc变换器端口电压与电流，图12adc/dc变换器各端口电压，图12b端口1，端口2和端口4直流电流。具体实施方式本发明提出了一种基于mmc的串联多端口直流潮流控制器。通过对四种多端口直流潮流控制器拓扑结构的分析比较，采用结构简单成本较低的星型拓扑结构来互联不同的直流电压等级。为了满足电压电流双向运行能力，星型拓扑结构每个端口的内部为全桥子模块所组成的模块化多电平换流器。在含有sm-dcpfc的多电压等级环型直流电网拓扑结构中，通过潮流计算得到每个端口电压与线路潮流之间满足的关系式，其sm-dcpfc的控制策略采用内环电流控制和外环电压控制相结合，进而实现对线路潮流的控制，通过仿真验证了该多端口潮流控制器能够在多种情况下实现对线路潮流的灵活控制。本发明的步骤是：步骤1：通过分析多端口潮流控制器的几种拓扑结构，选用一种最适合同时互联多直流电压等级的结构；步骤2：建立该拓扑结构的内部模型；步骤3：构建含有sm-dcpfc的多电压等级直流电网模型，通过对直流电网的潮流分析，计算出sm-dcpfc端口电压与线路潮流关系，构建内外环控制模型，通过对sm-dcpfc的控制，实现多直流电压等级互联及线路潮流的控制；步骤4：通过仿真验证了该多端口潮流控制器能够在多种情况下都能够实现对线路潮流的灵活控制。本发明多端口潮流控制器可以被具体的设计为如下的四类：开网、星型网、闭网和辐射网。本发明通过对共同点及不同点的比较，从成本及控制难易程度和稳定性方面考虑，选用的星型拓扑结构每个端口的内部模型，其实质是采用了由全桥子模块所组成的模块化多电平换流器，拥有电压电流双向运行能力，能够满足系统潮流控制的要求。本发明多直流电压等级互联及线路潮流的控制过程是：步骤301：建立含有sm-dcpfc的多电压等级环型直流电网拓扑结构。步骤302：根据系统结构，得到该直流系统的潮流分布情况，进而分析出每个端口电压与线路潮流之间满足的关系；得到线路的潮流分布情况如下式所示:公式(2)表明了线路电流i14，i24，i34与vm1～vm3之间的关系，通过调整插入到线路中mmc1～mmc3模块的电压，就可以独立的控制直流线路电流的大小和方向，最终实现线路潮流的控制；式中v1，v3，v4，i2基本为定值，不受sm-dcpfc的影响。步骤303：建立多端口潮流控制器在d-q旋转坐标系下的等值电路，通过对等值电路的分析，得到每个端口在d-q坐标系下的数学模型，当电流调节器采用pi调节器时，推导出内环电流控制方程，外环则采用定直流电压控制，通过控制端口电压来实现控制潮流的目的。步骤3031：建立等值电路，忽略电感的附加电阻，串联型多端口直流潮流控制器在d-q旋转坐标系下的等值电路，端口的潮流控制器，内部含有n个mmc换流器模块，li为每个模块的桥臂电抗，lki为每个模块所连接的变压器的漏电抗，idi和iqi分别为第i个模块流向交流母线电流的d轴和q轴分量，edi和eqi为第i个模块内部电动势的d轴和q轴分量，usd和usq分别为交流母线电压的d轴和q轴分量。步骤3032：电流方向为正方向，每个mmc模块在d-q坐标系下可以表示成如下的数学模型：式中w为交流侧电压的角频率；当模块的交流侧电流采用比例积分pi控制时，可以得到内环电流控制器的表达式：kpi和kli分别为比例系数和积分系数。步骤3033：设定直流线路电流的参考值分别为i14ref，i34ref和i24ref，根据式(2)可以得到如下矩阵形式：式中v1、i2、v3、v4基本不受sm-dcpfc的影响，能够保持恒定，i14ref，i34ref和i24ref为想要得到的线路电流参考值，通过式(5)的转换得到了线路电流与端口电压的关系。以下对本发明做进一步详细描述：步骤1：分析比较多端口dc/dc变换器与本发明所提出的串联多端口潮流控制器之间的区别，比较多端口潮流控制器的几种拓扑结构，从中选出一种最适合的结构。步骤101：多端口dc/dc变换器与串联多端口潮流控制器对比，多端口dc/dc变换器的拓扑结构可以用图1(a)来等效，每个直流端口都是并联在换流站的直流侧，是从两端口dc/dc变换器发展起来的，可以理解为一个直流集线器(dc-hub)将不同电压等级的直流电网连接在一起。本发明提出的串联多端口直流潮流控制器可以用图1(b)来等效，很明显它与多端口dc/dc变换器不同，它是串联在线路中的，可以同时与多个直流电压等级相连，所承受的电压等级为两端直流电压等级的差值，这会大大减少成本。步骤102：具体的拓扑结构可以被设计为如下的四类：开网、星型网、闭网和辐射网如图2所示，从图中可以看出，它们都是包含m个端口的潮流控制器，每种结构都以类似的方式运行，可以使用图3所示的通用的mdcpfc来概述此操作：①图中包含m个端口分别与直流网络中m个直流线路进行连接，根据kcl方程所有的电流i1，i2…im相加为零；②通过调整插入到线路中的模块电压来控制增加的m-1个直流电压(v12，v23…v(m-1)m)，进而来控制端口的电流，达到控制线路潮流的目的；③所有增加的m个电压满足kvl定律。步骤103：它们的不同之处就是调节模块电压电流的能力以图4所示的三端口dcpfc为例。从图中可以分析得到，在三端口的dcpfc中，开网和星型网具有同样的拓扑结构，都可以用图4(a)来表示。(b)和(c)结构相对于其它两种结构额外多使用了一个模块，在控制方式上会更加的灵活，能够分别的控制模块的电流和电压，另外两种结构用更少的模块就可以处理基本的操作，成本较低，在控制方面会比较的简单，且星型结构相对于开网结构电压会更加的稳定，在公共点电压稳定的情况下，每个模块的电压只与和它相连的端口电压有关，因此本发明采用结构相对简单的星型拓扑来互联不同的直流电压等级。步骤2：建立该星型拓扑结构的内部模型；图5所示的就是一个详细的四端口星型内部结构图，v1至v4为四个直流母线的电压，可以相同也可以不同，i1至i4为四条直流线路上的电流，vml至vm3为sm-dcpfc串入直流线路的电压，li为桥臂内部阻抗。从图中可以看出它是以串联的形式插入到三条相连的直流线路中，通过在线路中插入额外的电压来实现不同直流电压等级之间的互联，其端口的内部是由全桥子模块所组成的三相六桥臂模块化多电平控制器(f-mmc)，全桥子模块能够输出+1，0，-1三种电平，能够同时保证电流和电压的双向运行能力，能够充分的调节线路的潮流。mmc的交流侧通过变压器连接在一起并与附近的交流系统连接，用于维持系统功率的平衡。步骤3：构建含有sm-dcpfc的多电压等级直流电网模型，通过对直流电网的潮流分析，计算出sm-dcpfc端口电压与线路潮流关系。步骤301：以单极性直流电网为例，图6给出了本发明所设计研究的含有mmc-smdcpfc的环网式直流电网接线图。v1～v4为直流母线的电压，v1和v2直接和换流站进行连接，为相同的直流电压等级通过电阻直接互联，v3和v4既可以直流连接换流站也可以通过dc/dc变换器与另一端直流系统相连。i1和i2为换流站直流侧的电流，i12，i14，i24，i34为四条直流线路的电流。mmc1～mmc3为图4中模块内部的等效结构图，vm1～vm3为多端口潮流控制器输出的直流电压，通过串入的直流电压来实现不同直流等级的互联及线路潮流的控制。r12，r14，r24，r34为四条直流线路电阻，整体的sm-dcpfc安装在直流母线v4处，因此与其相对应的线路电阻可以忽略不记，具体的线路参数如表1所示。稳态情况下换流站1控制直流母线电压为160kv，换流站2控制输出的直流功率为120mw，直流母线v3和v4可以与换流站或者直流母线连接的网络进行相连，采用定直流电压的控制方式，分别控制直流母线电压为250kv和200kv。通过sm-dcpfc来互联不同的直流电压等级。表1传输线路参数直流线路距离/km电阻/ω电抗hl1220020.13l1430030.18l2440040.23l3430030.18步骤302：根据系统的结构可以得到线路的潮流分布情况如下式所示：公式(2)表明了线路电流i14，i24，i34与vm1～vm3之间的关系，通过调整插入到线路中mmc1～mmc3模块的电压，就可以独立的控制直流线路电流的大小和方向，最终实现线路潮流的控制。式中v1，v3，v4，i2基本为定值，不受sm-dcpfc的影响。此理论同样适用于n端口潮流控制器，当使用n个端口的潮流控制器连接n条直流线路时，既能够满足不同直流电压等级的互联也能够实现对n-1条线路潮流的独立控制。步骤4：建立多端口潮流控制器在d-q旋转坐标系下的等值电路，通过对等值电路的分析，得到每个端口在d-q坐标系下的数学模型，从而实现对sm-dcpfc的控制，达到调节线路潮流的目的。步骤401：建立等值电路，忽略电感的附加电阻，串联型多端口直流潮流控制器在d-q旋转坐标系下可以表示成图7所示的等值电路。图6为n+1端口的潮流控制器，内部含有n个mmc换流器模块，li为每个模块的桥臂电抗，lki为每个模块所连接的变压器的漏电抗，idi和iqi分别为第i个模块流向交流母线电流的d轴和q轴分量，edi和eqi为第i个模块内部电动势的d轴和q轴分量，usd和usq分别为交流母线电压的d轴和q轴分量。步骤402：以图中所示的电流方向为正方向，每个mmc模块在d-q坐标系下可以表示成如下的数学模型：式中w为交流侧电压的角频率，lni＝li/2+lki，从中可以看出，全桥型mmc与半桥型mmc除了桥臂结构不相同外，其余的外特性基本相同，因此可以借鉴半桥型的内环控制策略。当模块的交流侧电流采用比例积分(pi)控制时，可以得到内环电流控制器的表达式：kpi和kli分别为比例系数和积分系数。可以看出内环电流控制器的设计主要包括三个部分，电流反馈部分、电网电压前馈部分以及电压的耦合补偿项，通过合理设置pi参数不仅能够消除存在的稳态误差，而且系统的相应能力也明显增强。内环电流控制器的作用就是让电流的d轴和q轴分量快速的跟踪其参考值，而外环控制器的作用则是计算出内环电流的的参考值。对于q轴可以采用无功功率控制，为了让系统中传输的无功功率为零，令iqiref＝0。而对于d轴而言，则要根据实际的需要来定。直流潮流控制器的目标是控制线路的电流，而mmc换流器的控制是以每个模块的端口电压作为参考值的，因此必须找到每个换流器的端口电压与线路的直流参考值之间的关系。如设定直流线路电流的参考值分别为i14ref，i34ref和i24ref，根据式(2)可以得到如下矩阵形式：式中v1、i2、v3、v4基本不受sm-dcpfc的影响，能够保持恒定，i14ref，i34ref和i24ref为想要得到的线路电流参考值，通过式(5)的转换得到了线路电流与端口电压的关系。当sm-dcpfc每个mmc模块端口电压vmiref确定后，外环就可以采取定电圧的控制策略进而实现对线路潮流的控制，整体的控制框图如图8所示。下面结合附图和仿真对本发明进行详细说明：为了验证本发明所提出的sm-dcpdc拓扑结构及控制策略的有效性，在电磁暂态仿真软件pscad/emtdc中搭建了如图5所示的三电压等级四端直流电网仿真模型，其内部结构还包含一个四端口潮流控制器，公共侧交流母线电压以220kv为例，运行在50hz的电网频率，换流站vsc1控制直流母线电压v1为160kv，换流站vsc2控制输出的直流功率p2为120mw，直流网络v3，v4保持母线电压分别为250kv和200kv。下面将对电流双向调节，换流站vsc2功率变化的情况下保持i14和i24不发生变化来进行仿真验证，并且通过仿真来对比分析多端口直流潮流控制器与多端口dc/dc变换器之间的区别。仿真一：电流双向调节步骤101：系统在初始运行状态时，将vm1～vm3分别预充电至40kv，40kv和-50kv，此时i14和i34几乎为零，不传功率，i24＝-0.25ka，i12＝-0.5ka；步骤102：在1.5s时启动sm-dcpfc的控制策略，设定i14＝-0.5ka，i24＝-0.6ka，i34＝0.5ka仿真结果如图9所示，图9(a)为直流线路的电流，(b)为sm-dcpfc模块的电压。从图中可以看出在1.5s之后i14和i34的电流能够基本维持在-0.5ka和0.5ka，i24的电流从-0.25ka变为-0.5ka，i12的电流由-0.5ka变为-0.15ka；步骤103：在3.5s时设定i34＝1ka，另外两条线路电流保持不变；从图中不难看出电流能很好的维持在设定值附近，并且几个端口的电流始终满足kcl定律。在1.5s和3.5s之后模块的电压发生了微小的改变，但最终都能够稳定，表明了sm-dcpfc在互联不同电压等级的同时还具有调节线路电流双向运行的能力。仿真二：换流站vsc2功率阶跃保持i14和i24恒定步骤201：同上；步骤202：在t＝5s的时候，换流站vsc2的功率由120mw变为160mw，保持i14和i24恒定；步骤203：设定i34＝0.4ka。利用公式可得，i12＝-0.4ka，vm1＝41.5kv，vm2＝41.6kv，vm3＝-51.2kv。仿真结果如图10所示，图10(a)为换流站直流侧电流，(b)为换流站1和换流站2节点电压，(c)为直流线路的电流，(d)为sm-dcpfc模块的电压；可以看出，在换流站2功率阶跃时，换流站i2电流变大，换流站1的电压也随功率的增大而增大，但基本维持在基准值附近。sm-dcpfc能够维持i14和i24的电流不发生变化，i34的电流与设定值相同。因i2增大而导致i12增大，进而使换流站2的电压也增大与理论值相符。从而验证了本发明所提出的sm-dcpfc在功率阶跃时，能够保证一些支路电流不发生变化。仿真三：多端口直流潮流控制器与多端口dc/dc变换器对比分析步骤301：将本发明含有的直流电压等级应用到图11所示的通过多端口dc/dc变换器互联的直流电网拓扑中，vdc1和vdc2所连接的直流网络为160kv，vdc3和vdc4分别为200kv和250kv。在稳态情况下，端口4用于控制换流器内部公共的交流母线电压，vsc4则采用定直流电压控制为其提供稳定的直流电压，对于其它的端口如果采用定直流电压控制，则与之相连的换流站采用定功率控制来控制线路的潮流；步骤302：在正常运行工况下，为了保证与仿真2线路电流变化相一致，分别控制换流站1和2发出的功率为80mw和96mw，并维持不变，换流站3控制发出的功率为74mw；步骤303：在t＝5s时换流站3发出的功率变为-76mw，其线路电流的理论值i1和i2能够始终维持0.5ka和0.6ka，在5s之后线路电流i4由1ka变为0.4ka，应该与仿真2所对应的线路电流变化相等，功率的变化导致端口3和4电压发生了小幅振荡。仿真结果如图12所示，图12(a)为dc/dc变换器各端口电压，(b)为端口1，端口2和端口4直流电流；从仿真结构能够明显的看出，多端口直流潮流控制器相比与多端口dc/dc变换器其优势在于器件承受的电压等级小，在互联相同电压等级的直流电网时，每个mmc模块的电压都是几十千伏，而dc/dc变换器每个端口电压的电压都是上百千伏，在运行方面换流站输出的功率都需要经过直流到交流再到直流的转换，会产生大量的功率损耗，假设按照本文所设定的线路电流值，分别控制i1和i2为0.5ka和0.6ka，i4为1ka，使用多端口dc/dc变换器来互联需要的换流器总容量为500mw，而使用本文所提出的sm-dcpfc需要的换流器总容量约为100mw，大大降低了运行损耗，节省了成本，但两种方式都能够灵活的调节线路的潮流。结论从图9～图12的仿真结果可以看出，本发明所提出了一种基于mmc的串联多端口直流潮流控制器，能够在多种情况下控制线路的潮流，有效解决直流电网的潮流不可控问题。在互联不同直流电压等级的同时有效的节约了成本，有利于未来直流电网的发展。附图的详细说明：图1的(a)是现有的多端口dc/dc变换器的等效图，它用于连接不同的直流电压等级，可以理解为一个直流集线器(dc-hub)将不同电压等级的直流电网连接在一起。每个dc/dc变换器端口的正负极分别与相对应的直流系统的正负极相连是并联的结构，一般经过dc-ac-dc的转换，中间一般有交流变压器来实现不同直流电压的连接。图1的(b)是多端口直流潮流控制器的等效图，也是本发明主要研究的内容，从图中很明显能看出来它与多端口dc/dc变换器不同，经过多端口潮流控制器后可以将多个直流系统连接在一起，它的每个端口都是连接的直流系统的正极，是串联在线路中的，相对于多端口dc/dc变换器将大大减少系统的成本，用于不同直流电压的互联和线路潮流的控制。图2呈现的就是多端口潮流控制器的几种拓扑结构，可以被设计为开网，星型网，闭网和辐射网，相当于上图(b)的进一步展开图，每个模块m代表着插入到线路中的正的或负的直流电压，通过控制模块m的电压就可以控制线路的潮流并且实现不同直流电压互联。图3是多端口潮流控制器的整体等效图，每种结构都可以用它来等效，都满足一定的规律：①图中包含m个端口分别与直流网络中m个直流线路进行连接，根据kcl方程所有的电流i1，i2…im相加为零；②通过调整插入到线路中的模块电压来控制增加的m-1个直流电压(v12，v23…v(m-1)m)，进而来控制端口的电流，达到控制线路潮流的目的；③所有增加的m个电压满足kvl定律。图4是对这几种拓扑结构的进一步说明，以三端口潮流控制器为例，通过对其不同点的分析，综合考虑成本，控制复杂程度及稳定性，最终选择星型结构来互联不同的电压等级。图5是四端口星型拓扑详细的内部结构图，其每个m模块是由全桥子模块所组成的三相六桥臂模块化多电平控制器(f-mmc)，与半桥子模块相比，全桥子模块能够输出负的电压，能够同时保证电流和电压的双向运行能力，每个mmc模块端口电压的大小和方向是由潮流控制需求所决定，在互联电压的同时能够充分的调节线路的潮流。其每个mmc的交流侧通过变压器连接在一起，并与附近的交流系统连接作为能量供给部分，主要作用是为串联电压源部分提供能量支撑，同时根据输出直流电压方向的不同实现交、直流侧间的能量转换。图6示出了含有sm-dcpfc的环型直流电网拓扑，本发明将四端口星型直流潮流控制器的模型应用在如图所示的环型直流电网结构中，v1～v4为直流母线的电压，v1和v2直接和换流站进行连接，为相同的直流电压等级通过电阻直接互联，v3和v4既可以直流连接换流站也可以通过dc/dc变换器与另一端直流系统相连，稳态情况下换流站1控制直流母线电压为160kv，换流站2控制输出的直流功率为120mw，直流母线电压v3和v4可以等效为理想的直流电压源，分别控制直流电压为200kv和250kv，以控制线路潮流为目的，计算出每个mmc模块输出电压的参考值，在互联电压的同时也能够调节线路的潮流，有效解决直流电网的潮流不可控问题。sm-dcpfc在d-q旋转坐标系下可以表示成图7所示的等值电路，上图为n+1端口的潮流控制器等值电路，内部含有n个mmc换流器模块，li为每个模块的桥臂电抗，lki为每个模块所连接的变压器的漏电抗，idi和iqi分别为第i个模块流向交流母线电流的d轴和q轴分量，edi和eqi为第i个模块内部电动势的d轴和q轴分量，usd和usq分别为交流母线电压的d轴和q轴分量，通过对等值电路的分析可以得到每个mmc模块的数学模型，继而分析出模块的控制策略。图8就是sm-dcpfc整体的控制策略，iiref为实际想要得到的线路电流的参考值，v1，i2，v3，v4直流网络的系统值，在稳态情况下可认为是固定值，通过潮流计算公式(5)来得到每个模块电压的参考值vmiref，也就找到了潮流控制器与换流器控制之间的关系，换流器的外环采用定电压控制，内环采用定电流控制，进而输出桥臂控制所需要的参考电压，再通过阀级控制对子模块进行选择性的触发。图9(a)为四条直流线路的电流，在1.5s时分别控制i14＝-0.5ka，i24＝-0.6ka，i34＝0.5ka在3.5s时设定i34＝1ka，另外两条线路电流保持不变.。通过仿真图能明显的看出该串联多端口潮流控制器能够有效的调节线路潮流，四条相连的直流线路通过四端口潮流控制器能够对三条线路的潮流进行控制，电流可以双向的调节。图9(b)为每个mmc模块的电压，电流参考值的变化使每个mmc模块的电压发生了微小的变化，与潮流计算公式的结果基本吻合，证明该控制策略具有有效性。图10(a)为换流站1和换流站2直流侧的电流，在5s时控制换流站输出的直流功率由120mw变为160mw，可以看出电流i2由0.75ka跳变为1ka，明显增大，i2也发生了相应变化符合实际的情况。图10(b)中在换流站2功率阶跃时，换流站1的电压也随功率的增大而增大，但基本维持在160kv基准值附近，因i2增大而导致i12增大，进而使换流站2的电压也增大与理论值相符。图10(c)中在t＝5s换流站功率阶跃时，设定i34＝0.4ka，保持i14和i24恒定。从图中能够明显的看出i14和i24保持恒定，i34与设定值相同，从而验证了本发明所提出的sm-dcpfc在功率阶跃时，能够保证一些支路电流不发生变化，i12的数值随着i2的增大而增大。图10(d)中从放大的小图能看出um3的模块电压，因为i34电流基准值的变化而发生了微小的改变，um1电压发生了波动，但基本不变，而um2的电压随着电流i2的增大呈现减小的趋势，电流参考值的变化使每个mmc模块的电压发生了微小的变化，与潮流计算公式的结果基本吻合，证明该控制策略的有效性。图11是含有四端口dc/dc变换器的四端直流电网拓扑结构，vdc1～vdc4为每个端口所对应的直流电压，i1～i4为每个端口所对应的直流电流，交流变压器用于连接mmc输出的不同的交流电压，以实现大变比的要求。vdc1和vdc2所连接的直流网络为160kv，vdc3和vdc4分别为200kv和250kv。在稳态情况下，端口4用于控制换流器内部公共的交流母线电压，vsc4则采用定直流电压控制为其提供稳定的直流电压，对于其它的端口如果采用定直流电压控制，则与之相连的换流站采用定功率控制来控制线路的潮流。图12(a)为dc/dc变换器各端口直流电压，从图中能够明显的看出每个端口的电压都与基准值相同，在5s时由于换流站3功率的变化而导致vdc3和vdc4都发生了轻微的波动，但都能够维持在基准值附近。从图中也能看出，在互联相同电压等级的直流电网时，每个mmc模块的电压都是几十千伏，而dc/dc变换器每个端口电压的电压都是上百千伏，在运行方面换流站输出的功率都需要经过直流到交流再到直流的转换，会产生大量的功率损耗，换流器总容量相对较大，成本较高。图12(b)为端口电流，在5s之前端口1,2,4的电流都能够分别维持在0.5ka，0.6ka和1ka，在5s之后换流站功率的变化而导致电流也发生了相应的变化，从图中也能看出多端口dc/dc变换器也能够灵活的控制线路的潮流。当前第1页12