适用于直流输电系统的全直流潮流控制器及其控制方法

摘要

本发明提供了一种适用于直流输电系统的全直流潮流控制器及其控制方法，包括电池部分、第二控制部分以及线路部分；所述线路部分包括线路主体、第一控制部分、A节点、B节点、线路S端以及线路T端；所述线路S端以及线路T端分别为线路主体的两端；沿线路S端至线路T端方向，依次有A节点、第一控制部分以及B节点设置在线路主体上；所述电池部分通过第二控制部分分别与A节点、B节点相连。本发明具有对称结构、不需承受系统电压、无需外部电压源，具有应用场景多样、可应用于各直流电压等级、设计难度和装置成本较低的优点，能够实现多条线路的主动控制，提升复杂多端直流电力系统的潮流控制维度。

权利要求

1.一种适用于直流输电系统的全直流潮流控制器，其特征在于，包括电池部分、第二控制部分以及线路部分；

所述线路部分包括线路主体、第一控制部分、A节点、B节点、线路S端以及线路T端；所述电池部分包括电池元件和第三控制部分；

所述线路S端以及线路T端分别为线路主体的两端；沿线路S端至线路T端方向，依次有A节点、第一控制部分以及B节点设置在线路主体上；

所述电池部分通过第二控制部分分别与A节点、B节点相连；

所述电池元件通过第三控制部分与第二控制部分相连；

N个所述线路部分对应着N个第一控制部分和2N个第二控制部分，其中N为大于1的整数；所述电池元件包括电容器；

所述第三控制部分包括绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管，能够改变电池元件接入的正负极性；第三控制部分包括反向并联的绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管；

所述第二控制部分包括绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管，能够连通或断开线路部分和电池部分；第二控制部分包括反向并联的绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管；

所述第一控制部分包括两组反向并联的绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管，分别记为第一组件和第二组件；所述第一组件和第二组件反向串联构成第一控制部分，与线路部分连接的电池部分能够被第一控制部分短路或接入。

2.一种适用于直流输电系统的全直流潮流控制器控制方法，其特征在于，利用权利要求1中所述的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器，包括如下步骤：控制部分驱动步骤：第一差值通过比例-积分-微分控制器，即PID调节器后与锯齿载波生成脉冲宽度调制波，即PWM波；随后通过逻辑运算得到脉冲信号驱动第一控制部分、第二控制部分以及第三控制部分；

所述第一差值为：

-设定的线路部分电流参考值与实际测量电流值的差值；或者-设定的线路部分电压参考值与实际测量电压值的差值；

功率转出步骤：依次连通电池部分与待转出功率的线路部分，并通过第三控制部分调整电池元件接入的正负极性实现功率转出；

功率转入步骤：依次连通电池部分与待转入功率的线路部分，并通过第三控制部分调整电池元件接入的正负极性实现功率转入。

3.根据权利要求2所述的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：潮流控制器接入步骤：将权利要求1中所述的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器接入直流系统；

-该直流系统为单极大地回线直流系统，仅在单极线路上安装该潮流控制器；或者-该直流系统为双极中性线接地直流系统，在正极线路和负极线路均安装该直流潮流控制器。

4.根据权利要求2或3所述的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器控制方法，其特征在于，所述功率转出步骤包括如下子步骤：步骤O1：选取待转出功率的线路部分中的任一个并记为X，关闭设置在X电路主体上的第一控制部分；

步骤O2：开启与X相连的第二控制部分；

步骤O3：通过第三控制部分调整电池元件接入的正负极性实现X的功率转出；

步骤O4：关闭与X相连的第二控制部分，开启设置在X电路主体上的第一控制部分，X的功率转出过程完成；

步骤O5：判断是否还存在待转出功率的线路部分，若存在，则返回步骤O1，否则，则功率转出步骤完成。

5.根据权利要求2或3所述的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器控制方法，其特征在于，所述功率转入步骤包括如下子步骤：步骤I1：选取待转入功率的线路部分中的任一个并记为Y，关闭设置在Y电路主体上的第一控制部分；

步骤I2：开启与Y相连的第二控制部分；

步骤I3：通过第三控制部分调整电池元件接入的正负极性实现Y的功率转入；

步骤I4：关闭与Y相连的第二控制部分，开启设置在Y电路主体上的第一控制部分，Y的功率转入过程完成；

步骤I5：判断是否还存在待转入功率的线路部分，若存在，则返回步骤I1，否则，功率转入步骤完成。

6.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求2至5中任一项所述的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器控制方法的步骤。

说明书

适用于直流输电系统的全直流潮流控制器及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子变换器与直流输电领域，具体地，涉及适用于直流输电系统的全直流潮流控制器及其控制方法，尤其涉及直流潮流控制器(DC  Power  Flow Controller，DCPFC)电路拓扑设计与运行控制技术。

背景技术

[0002] 随着风力发电、太阳能发电等新能源的迅猛发展，作为可再生能源大规模并网和远距离传输的一种重要技术手段，高压直流输电技术由常规的点对点直流输电发展为多端直流输电，今后可能进一步发展为直流电网。直流电网的结构复杂化(如环状网络和放射状网络)，增大了系统的灵活性和冗余性，也增加了不可控支路的数目。单一利用节点换流站调节难以实现多条线路潮流的主动控制。线路潮流分布失控容易导致系统利用率不高、线路损耗大和线路过负荷等问题。

[0003] 为了提高直流电网的稳定性和可靠性，需要对系统潮流分布情况进行有效调控。在直流电网中引入额外的直流潮流控制器后，可提高直流输电系统潮流控制的自由度，增强系统功率调度的灵活性，以达到各支路潮流主动协同优化控制的目的。在直流电网中，仅通过改变输电线路电阻和线路端电压就可改变潮流，直流潮流控制器可以分为“电阻型”与“电压型”两类。电阻型直流潮流控制器，通过在线路上串联可变电阻来减小线路电流。此方案会增大直流电力系统的传输损耗，且调节范围有限，故不利于推广。

[0004] 电压型直流潮流控制器，常见的技术方案有“直流变压器型”、“串联可调电压源型”以及“线间直流潮流控制器”三类，分别如图1、图2、图3所示。直流变压器型直流潮流控制器，输入端和输出端连接不同电压等级的正极性直流线路和负极性直流线路，通过改变变比以微调电压来改变直流线路的潮流。此方案中，装置需要承受系统级电压，要求器件具有良好的耐压能力和绝缘性能，导致系统设计复杂，成本较高。串联可调电压源型直流潮流控制器，在正极性线路或负极性线路中串联可调电压源，进而调节线路潮流。该方案中装置所需承受电压等级和功率等级较低，但需要和外部电源之间进行能量交换，结构较为复杂。线间直流潮流控制器，其工作原理为把一条输电线路上的部分能量转移到另一条线路，即通过线路之间的功率交换实现两条线路的潮流控制。线间直流潮流控制器亦能增加能量补偿装置，扩大潮流调节范围。

[0005] 现有的线间直流潮流控制器往往只能主动控制一条线路，如文献[1]公开的一种以电容作为能量转移枢纽的H桥型线间直流潮流控制器，将电容作为可调电压源串联到线路中，在三条线路之间进行功率交换以改变线路的潮流。所提出的控制方法为电容从一条或两条线路上吸收能量，并将能量释放到其他线路上，可实现均衡三条线路潮流或者控制单条线路潮流的功能；又如文献[2]在H桥型线间直流潮流控制器的基础上进行改进，适用于同一节点连接的三条线路之间的潮流控制。当线路电流不反转时，该潮流控制器可以减少开关器件的数量，简化电路结构；该拓扑也可通过不同模式之间的切换将其中一条线路的电流反转。所提出的控制方法亦只能有效控制其中一条线路的潮流。

[0006] 文献[1]和[2]所提的三线间直流潮流控制器及其控制策略，只能实现一条线路潮流主动增大/减小，其他两条线路潮流被动减小/增大，不能同时主动控制两条线路的潮流，属于的退化的三线路潮流控制模式，应用场合受限。

[0007] 也有技术方案尝试解决上述问题，如文献[3]公开的一种基于MMC的多端口直流潮流控制器，能实现两条线路电流的主动控制。但该装置采用交流变压器作为能量枢纽，呈现DC/AC/DC两级变换，结构较为复杂。

[0008] 综上所述，为了解决潮流控制自由度不足的问题，充分利用电路结构，需要对控制策略和拓扑结构加以改进，构建出新型潮流控制器，使其能实现两条线路潮流的主动控制。

[0009] 其中，文献[1]为：

[0010] Diab H Y,Marei M I,Tennakoon S B.Operation and control of an insulated gate bipolar transistor-based current controlling device for power flow applications in multi-terminal high-voltage direct current grids[J](基于绝缘栅双极晶体管的电流控制设备的运行和控制在多端高压直流电网中的潮流应用).Iet Power Electronics(IET电力电子),2016,9(2):305-315.

[0011] 文献[2]为：

[0012] Balasubramaniam  S,Ugalde-Loo C E,Liang J,et al.Experimental Validation of Dual H-Bridge Current Flow Controllers for Meshed HVdc Grids[J](应用于复杂高压直流电网的双H桥潮流控制器的实验验证).IEEE Transactions on 
Power Delivery (IEEE电力传输会刊),2017,PP(99):1-1.

[0013] 文献[3]为：

[0014] 王鹤,边竞,李国庆,等.适用于柔性直流电网的多端口直流潮流控制器[J].电力系统自动化,2017(22):102-108.

发明内容

[0015] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于直流输电系统的全直流潮流控制器及其控制方法。

[0016] 根据本发明提供的一种适用于直流输电系统的全直流潮流控制器，包括电池部分、第二控制部分以及线路部分；

[0017] 所述线路部分包括线路主体、第一控制部分、A节点、B节点、线路S端以及线路 T端；所述电池部分包括电池元件和第三控制部分；

[0018] 所述线路S端以及线路T端分别为线路主体的两端；沿线路S端至线路T端方向，依次有A节点、第一控制部分以及B节点设置在线路主体上；

[0019] 所述电池部分通过第二控制部分分别与A节点、B节点相连；

[0020] 所述电池元件通过第三控制部分与第二控制部分相连。

[0021] 优选地，N个所述线路部分对应着N个第一控制部分和2N个第二控制部分，其中 N为大于1的整数；所述电池元件包括电容器。

[0022] 优选地，所述第三控制部分包括绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管，能够改变电池元件接入的正负极性；所述绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管反向并联构成第三控制部分。

[0023] 优选地，所述第二控制部分包括绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管，能够连通或断开线路部分和电池部分；所述绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管反向并联构成第二控制部分。

[0024] 优选地，所述第一控制部分包括两组反向并联的绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管，分别记为第一组件和第二组件；所述第一组件和第二组件反向串联构成第一控制部分，与线路部分连接的电池部分能够被第一控制部分短路或接入。

[0025] 根据本发明提供的一种适用于直流输电系统的全直流潮流控制器控制方法，利用上述的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器，包括如下步骤：

[0026] 控制部分驱动步骤：第一差值通过比例-积分-微分控制器，即PID调节器后与锯齿载波生成脉冲宽度调制波，即PWM波；随后通过逻辑运算得到脉冲信号驱动第一控制部分、第二控制部分以及第三控制部分；

[0027] 所述第一差值

[0028] -为设定的线路部分电流参考值与实际测量电流值的差值；或者

[0029] -为设定的线路部分电压参考值与实际测量电压值的差值；

[0030] 功率转出步骤：依次连通电池部分与待转出功率的线路部分，并通过第三控制部分调整电池元件接入的正负极性实现功率转出；

[0031] 功率转入步骤：依次连通电池部分与待转入功率的线路部分，并通过第三控制部分调整电池元件接入的正负极性实现功率转入。

[0032] 优选地，本发明提供的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器控制方法，还包括如下步骤：

[0033] 潮流控制器接入步骤：将上述的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器接入直流系统；若该直流系统为单极大地回线直流系统，则仅在单极线路上安装该潮流控制器；若该直流系统为双极中性线接地直流系统，则需要在正极线路和负极线路均安装该直流潮流控制器。

[0034] 优选地，所述功率转出步骤包括如下子步骤：

[0035] 步骤O1：选取待转出功率的线路部分中的任一个并记为X，关闭设置在X电路主体上的第一控制部分；

[0036] 步骤O2：开启与X相连的第二控制部分；

[0037] 步骤O3：通过第三控制部分调整电池元件接入的正负极性实现X的功率转出；

[0038] 步骤O4：关闭与X相连的第二控制部分，开启设置在X电路主体上的第一控制部分，X的功率转出过程完成；

[0039] 步骤O5：判断是否还存在待转出功率的线路部分，若存在，则返回步骤O1，否则，功率转出步骤完成。

[0040] 优选地，所述功率转入步骤包括如下子步骤：

[0041] 步骤I1：选取待转入功率的线路部分中的任一个并记为Y，关闭设置在Y电路主体上的第一控制部分；

[0042] 步骤I2：开启与Y相连的第二控制部分；

[0043] 步骤I3：通过第三控制部分调整电池元件接入的正负极性实现Y的功率转入；

[0044] 步骤I4：关闭与Y相连的第二控制部分，开启设置在Y电路主体上的第一控制部分，Y的功率转入过程完成；

[0045] 步骤I5：判断是否还存在待转入功率的线路部分，若存在，则返回步骤I1，否则，功率转入步骤完成。

[0046] 根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器控制方法的步骤。

[0047] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0048] 1、具有对称结构，线路潮流可以反向，应用场景多样；

[0049] 2、不需承受系统电压，电压应力较低，可应用于各直流电压等级；

[0050] 3、电路结构框架无需外部电压源，设计难度和装置成本较低；

[0051] 4、能够实现多条线路的主动控制，提升复杂多端直流电力系统的潮流控制维度。

附图说明

[0052] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0053] 图1为现有技术直流变压器型潮流控制器的原理示意图；

[0054] 图2为现有技术串联可调电压源型潮流控制器的原理示意图；

[0055] 图3为现有技术线间直流潮流控制器的原理示意图；

[0056] 图4为本发明优选例三线间直流潮流控制器的拓扑结构示意图；

[0057] 图5为本发明适用的四端直流输电系统示意图；

[0058] 图6为本发明优选例三线间直流潮流控制器的原理示意图；

[0059] 图7为本发明优选例三线间直流潮流控制器线路1串联电容示意图；

[0060] 图8为本发明优选例三线间直流潮流控制器线路2串联电容示意图；

[0061] 图9为本发明优选例三线间直流潮流控制器线路3串联电容示意图；

[0062] 图10为本发明提供的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器控制方法的控制策略示意框图；

[0063] 图11为本发明优选例三线间直流潮流控制器与传统两线间直流潮流控制器的电流调节范围对比示意图；

[0064] 图12为基于四端直流输电系统的仿真模型示意图；

[0065] 图13为开关信号仿真波形示意图；

[0066] 图14为线路电流仿真波形示意图；

[0067] 图15为线路串电容电压仿真波形示意图。

具体实施方式

[0068] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0069] 根据本发明提供的一种适用于直流输电系统的全直流潮流控制器，包括电池部分、第二控制部分以及线路部分；

[0070] 所述线路部分包括线路主体、第一控制部分、A节点、B节点、线路S端以及线路 T端；所述电池部分包括电池元件和第三控制部分；

[0071] 所述线路S端以及线路T端分别为线路主体的两端；沿线路S端至线路T端方向，依次有A节点、第一控制部分以及B节点设置在线路主体上；

[0072] 所述电池部分通过第二控制部分分别与A节点、B节点相连；

[0073] 所述电池元件通过第三控制部分与第二控制部分相连。

[0074] 优选地，N个所述线路部分对应着N个第一控制部分和2N个第二控制部分，其中 N为大于1的整数；所述电池元件包括电容器。所述第三控制部分包括绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管，能够改变电池元件接入的正负极性；所述绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管反向并联构成第三控制部分。所述第二控制部分包括绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管，能够连通或断开线路部分和电池部分；所述绝缘栅双极型晶体管 IGBT和二极管反向并联构成第二控制部分。所述第一控制部分包括两组反向并联的绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管，分别记为第一组件和第二组件；所述第一组件和第二组件反向串联构成第一控制部分，与线路部分连接的电池部分能够被第一控制部分短路或接入。

[0075] 根据本发明提供的一种适用于直流输电系统的全直流潮流控制器控制方法，利用上述的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器，包括如下步骤：

[0076] 控制部分驱动步骤：第一差值通过比例-积分-微分控制器，即PID调节器后与锯齿载波生成脉冲宽度调制波，即PWM波；随后通过逻辑运算得到脉冲信号驱动第一控制部分、第二控制部分以及第三控制部分；

[0077] 所述第一差值

[0078] -为设定的线路部分电流参考值与实际测量电流值的差值；或者

[0079] -为设定的线路部分电压参考值与实际测量电压值的差值；

[0080] 功率转出步骤：依次连通电池部分与待转出功率的线路部分，并通过第三控制部分调整电池元件接入的正负极性实现功率转出；

[0081] 功率转入步骤：依次连通电池部分与待转入功率的线路部分，并通过第三控制部分调整电池元件接入的正负极性实现功率转入。

[0082] 优选地，本发明提供的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器控制方法，还包括如下步骤：

[0083] 潮流控制器接入步骤：将上述的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器接入直流系统；若该直流系统为单极大地回线直流系统，则仅在单极线路上安装该潮流控制器；若该直流系统为双极中性线接地直流系统，则需要在正极线路和负极线路均安装该直流潮流控制器。

[0084] 所述功率转出步骤包括如下子步骤：

[0085] 步骤O1：选取待转出功率的线路部分中的任一个并记为X，关闭设置在X电路主体上的第一控制部分；

[0086] 步骤O2：开启与X相连的第二控制部分；

[0087] 步骤O3：通过第三控制部分调整电池元件接入的正负极性实现X的功率转出；

[0088] 步骤O4：关闭与X相连的第二控制部分，开启设置在X电路主体上的第一控制部分，X的功率转出过程完成；

[0089] 步骤O5：判断是否还存在待转出功率的线路部分，若存在，则返回步骤O1，否则，功率转出步骤完成。

[0090] 所述功率转入步骤包括如下子步骤：

[0091] 步骤I1：选取待转入功率的线路部分中的任一个并记为Y，关闭设置在Y电路主体上的第一控制部分；

[0092] 步骤I2：开启与Y相连的第二控制部分；

[0093] 步骤I3：通过第三控制部分调整电池元件接入的正负极性实现Y的功率转入；

[0094] 步骤I4：关闭与Y相连的第二控制部分，开启设置在Y电路主体上的第一控制部分， Y的功率转入过程完成；

[0095] 步骤I5：判断是否还存在待转入功率的线路部分，若存在，则返回步骤I1，否则，功率转入步骤完成。

[0096] 根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的适用于直流输电系统的全直流潮流控制器控制方法的步骤。

[0097] 针对既有技术方案存在的缺点和不足，本发明旨在解决以下问题：

[0098] 1、提高直流电力系统的潮流自由度；

[0099] 2、实现直流潮流控制器的功能演化；

[0100] 3、减少交直流变换环节。

[0101] 具体地，以N＝3为例，即一种采用完全解耦型控制技术的三线间直流潮流控制器电路拓扑，说明本发明的技术方案。本发明优选例三线间直流潮流控制器的拓扑结构如图4所示，该潮流控制器连接3条输电线路，实现其中两条线路的潮流主动控制功能。该直流潮流控制器适用于任意位置关系的三条线路之间的潮流控制，属于一种三线间直流潮流控制器(Triple Interline DC Power Flow Controller，TI-DCPFC)。该潮流控制器包括四个第三控制部分、六个第二控制部分以及三个第一控制部分，各电气量的参考方向如图4所示。TI-DCPFC安装在多端直流电网的三条线路之间，其应用场景如图5所示，为四端环网式单极大地回线直流输电系统。4个电压源型变换器VSC作为换流装置将直流电网和光伏电站或交流电网相连，彼此之间由直流输电线连接。直流输电线路的等效电阻分别为R12、R14、R23、R24、R34。VSC1和VSC2和VSC3以恒功率向直流系统输送能量；VSC4为能量接收端，采用恒电压控制模式。三线间直流潮流控制器安装在线路 1、线路2和线路3的公共连接点，即VSC4处。对于单极大地回线直流系统，仅需在单极线路上安装该潮流控制器。对于双极中性线接地直流系统，需要在正极线路和负极线路均安装该直流潮流控制器。由于双极中性线接地直流系统具有对称性，这里选择单极大地回线直流系统作为应用背景对该直流潮流控制器进行说明。三线间潮流控制器原理图如图6所示，等效为在三条线路上分别串联了一个大小和极性可调的直流电压源。能量在两条受控线路和相邻线路之间交换，通过改变串联电压源的电压，实现对两条线路潮流的主动控制。

[0102] 更具体地，三线间直流潮流控制器的工作原理如下：

[0103] 当第一控制部分闭合时，线路电流通过第一控制部分，电容被短路，潮流控制器未投入使用，不影响线路电流。当第一控制部分断开时，通过控制T1～T4改变电容接入的正负极性，控制S1～S6改变电容接入的线路和作用时间，可实现对三条输电线路潮流的控制。当电流I1、I2、I3均为正时，以功率从线路1向线路2和线路3传递为例，对双主动控制策略进行说明，其工况如图7、图8以及图9所示。

[0104] 初始状态时潮流控制器未投入使用，第一控制部分Q1、Q2、Q3导通。

[0105] 阶段1：系统达到稳态后，线间潮流控制器投入使用，关断Q1，开通S1、S4、T1、 T4，则电容被串联入线路1，以电流I1充电，电容电压线性增加，线路1电流减小，线路2、3不受影响，此时等效电路如图7所示。

[0106] 阶段2：一段时间后关断Q2、S1、S4、T1、T4，并开通Q1、S2、S5、T2、T3，则电容串联在线路2上，以电流I2放电，电容电压线性减小，线路2电流增大，线路1、3 不受影响，此时等效电路如图8所示；

[0107] 阶段3：一段时间后关断Q3、S2、S5，并开通Q2、S3、S6，此时电容串联在线路3 上，以电流I3放电，电容电压线性减小，线路3电流增大，线路1、2不受影响，此时等效电路如图9所示。一段时间后再关断Q1、S3、S6、T2、T3，并开通Q3、S1、S4、T1、 T4，电路又回到阶段1，重复上一周期的过程。该潮流控制器利用电容C储存能量，然后将能量从C中转移到线路2和线路3中，达到增大I2、I3的目标。

[0108] 从以上分析可知，在此工况下要实现该控制目标需要控制13个开关的通断，产生的三个阶段的工作时间在一个周期内互补。该控制策略可以适用于线路潮流方向的任意组合，实现功率从2条线路向另1条线路转移，或者从1条线路向另2条线路转移，其他工况和控制目标下类似。

[0109] 进一步地，三线间直流潮流控制器的特性分析如下：

[0110] 根据上述工况来分析该潮流控制器的控制特性。设阶段1的占空比为D1，阶段2的占空比为D2，阶段3的占空比与阶段1、阶段2互补导通，为1-D1-D2。

[0111] 系统处于稳态时，电容C的电压连续，根据安秒平衡原则，有：

[0112] I1D1-I2D2-I3(1-D1-D2)＝0

[0113] 各个节点与公共节点之间串联的等效电压为：

[0114]

[0115] 其中E为电容电压的平均值，Uc1、Uc2、Uc3分别为线路1、2、3上串联的等效电压。

[0116] 可以得到线路电流和线路上等效串联电压的关系：

[0117] I1U1C+I2U2C+I3U3C＝0

[0118] 该公式表明，该线间潮流控制器不产生额外损失时，可实现100％功率转移。

[0119] 结合系统的电路方程：

[0120]

[0121] 其中U1s、U1t、U2s、U2t、U3s、U3t分别为线路1、2、3首末端的电压。R1、R2、R3分别为线路1、2、3的电阻。

[0122] 给定I1、I2的参考值后，由以上方程组可以解出占空比D1和D2，从而生成控制信号控制开关开通和关断。

[0123] 特别地，当D1＝0或D2＝0或D1+D2＝1时，线路2与线路3或线路1与线路3或线路1与线路2交换能量，潮流控制器能实现两线间潮流控制器的功能。

[0124] 三线间直流潮流控制器的控制策略及控制范围如下：

[0125] 控制策略框图如图10所示。I1ref为线路1的电流参考值，I2ref为线路2的电流参考值，该参考值与实际测量得到的电流I1和I2进行比较，所得差值经过PID调节器后与锯齿载波生成PWM波，通过逻辑运算得到三路互补的脉冲信号PWM1、PWM2、PWM3，分别用来驱动阶段1～3中的各个开关。电流参考信号和采样电流也可换成电压信号，即以线路1、2串联等效电压为控制量。该控制策略需要利用逻辑电路，由2个控制目标产生3组驱动信号。对于不同的工况和控制目标，控制策略与之类似，改变被测电流、电流参考值以及被控器件即可。

[0126] 为了更直观地体现TI-DCPFC的潮流调节能力，分别计算了TI-DCPFC和IDCPFC 在如图5所示的四端环网式单极大地回线直流输电系统里的潮流控制可行域范围。其中， VSC1、VSC2、VSC3、VSC4以恒电压模式工作，输出电压分别为152kV、151kV、151kV、 150kV。线路电阻均为1Ω。图11中斜线部分为采用三线间潮流控制器时的线路电流调节范围,I1：-0.118～2.225kA，I2：-0.207～1.725kA。采用两线间潮流控制器调节线路1 和线路2的潮流时，线路1、2的电流可行域如图11中黑色曲线所示，为一条圆弧。单条线路的调节范围为I1:
0～2.118kA，I2:0～1.618kA。

[0127] 根据以上分析，三线间潮流控制器的线路电流可行范围完全包含了两线间潮流控制器的可行范围。相比于两线间潮流控制器，三线间潮流控制器的应用可以将线路电流的可行域由一维的曲线扩展为二维的平面，有效增大了潮流控制自由度，使得系统功率分配的灵活性大大增强。同时，单条线路的调节范围也有所增大。

[0128] 更进一步地，为了验证本发明提出的TI-DCPFC拓扑的可行性和有效性，搭建了一个四端环网式单极大地回线直流输电系统，如图12所示。U1＝152kV，U2＝U3＝151kV， U4＝150kV，线路等效电阻R14、R24和R34均取1Ω。TI-DCPFC接在Bus4处。电容C＝50mF, 开关频率为2kHz。根据图12可以得到以下潮流计算公式。

[0129]

[0130] 设置TI-DCPFC控制线路1的电流为1.5kA，线路2的电流为1.25kA。t＝1s时，TI-CDPFC投入运行，仿真波形如图13、图14和图15所示，通过TI-DCPFC的调节， 3条线路的潮流可得到稳定控制，理论值和仿真结果的数据对比表如下表1所示。图13 为3组互补导通的开关信号波形，符合控制策略的理论分析，验证了三线间潮流控制器的工作原理。图14为3条线路电流的波形图，可以看到TI-DCPFC投入运行0.5s后，线路电流达到并稳定在预期值。图15为线路串电容电压仿真波形，UC1、UC2和UC3电压达到稳定，且稳定值和通过理论计算得到的电压值相符。可见线路电流I1、I2和I3受TI-DCPFC控制后稳定维持在1.5kA、1.25kA和
1.1kA左右，两条受控线路潮流的控制效果良好。计及开关损耗后，第三条线路电流和串联等效电压与理想值的偏差在也在误差范围内。

[0131]

[0132] 表1三线间潮流控制器投入运行后系统参数和仿真结果对比表

[0133] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0134] 本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

[0135] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。