- 頭條適用于直流電網的環流式線間直流潮流控制器2021-05-08 作者：李國慶 邊競 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語現代電力系統仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室（東北電力大學）的研究人員李國慶、邊競、王鶴、王振浩，在2020年第5期《電工技術學報》上撰文，針對直流電網潮流控制自由度不足的問題，提出一種線間直流潮流控制器（I-PFC）。I-PFC能夠通過交流環流實現自身功率平衡，無需交流變壓器作為內部的交流通路，且與現有線間直流潮流控制器相比，進一步降低了因單個電容充放電造成的電流波動，具有避免額外諧振、減小諧波、易拓展等優點。
隨著化石能源的日益枯竭，可再生能源發電越來越受到人們的關注，傳統的交流電網在可再生能源發電并網和功率外送方面存在諸多瓶頸。柔性直流輸電技術在海上風功率外送、非同步電網互聯以及區域電網互聯等方面具有良好的應用前景，是解決可再生能源接入的有效手段之一，受到工作人員的廣泛關注。
然而，在多端柔性直流輸電系統或直流電網中，各個換流站間可能會存在多條輸電線路，使直流線路的條數大于或等于換流站數量。在該情況下，將出現部分線路潮流無法由換流站獨立控制，即直流電網潮流控制自由度不足，由此導致線路的輸電能力受限甚至過載，影響直流電網運行的可靠性和安全性。直流潮流控制器（DC Power Flow Controller, DCPFC）能夠增加直流電網的控制自由度，實現對每條輸電線路潮流的靈活控制。
由于直流電網的物理量僅包括線路電阻和電壓大小，并不存在交流電網中的電抗和電壓相角，故直流潮流控制器主要分為電阻型和電壓型。
有學者提出了采用半導體開關和機械開關的電阻型直流潮流控制器，其通過在直流線路中串入不同阻值的電阻進而實現潮流控制。電阻型直流潮流控制器結構簡單、易控制，但會產生額外的功率損耗且不能改變潮流方向，應用場景受限。
電壓型直流潮流控制器主要包括直流變壓器型、輔助電壓源型和線間直流潮流控制器。直流變壓器型DCPFC通過控制輸出端口的電壓實現潮流控制。
有學者提出了改進的下垂控制和直流潮流算法相結合的控制策略，提高了直流電網的暫態穩定性，但該類型的DCPFC一般需要交流變壓器和大量的電力電子器件，結構復雜，更適用于連接不同電壓等級的直流電網。
有學者提出了以三相六脈動晶閘管作為整流器的輔助電壓源型DCPFC，其能夠將交流電壓變換成極性和大小均可調的直流電壓串入直流線路中，以控制直流電網的潮流分布。該類型的DCPFC額定容量小且運行方式靈活，但需通過變壓器連接交流電網進行取能，增加了絕緣成本。
有學者提出了利用耦合電感來傳遞能量的線間直流潮流控制器，其相當于在兩條線路中串入可交換能量的直流電壓源，在控制直流電網潮流的同時，保證了自身的功率平衡。線間直流潮流控制器避免了與外部系統相連接，且電壓調節范圍較大，具有良好的應用前景，但直流線路中單個電容的充放電可能會引入額外的諧波電流。
針對此問題，有學者提出了基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的線間直流潮流控制器，但該DCPFC采用了交流變壓器和大量的子模塊，結構復雜、經濟性稍差。
根據以往直流潮流控制器的優缺點，現代電力系統仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室（東北電力大學）的研究人員，提出了一種環流式線間直流潮流控制器（Interline DC Power Flow Controller，I-PFC），I-PFC能夠通過MMC產生的交流環流實現自身功率平衡，具有諧波小、絕緣成本低、無需從外部取能等優點。
圖1 含I-PFC的三端柔性直流環網示意圖
首先，提出I-PFC的拓撲結構，分析實現潮流控制的方法進而得到線路電流與串入電壓的關系，并重點介紹了利用內部交流環流實現自身功率平衡的原理；其次，根據I-PFC的功率與能量，詳細分析子模塊電容電壓的組成，其中主要包含直流、基頻和二倍頻分量，并設計包括直流潮流控制和功率平衡控制的I-PFC控制方法；最后在PSCAD/EMTDC仿真環境中搭建含有I-PFC的三端柔性直流環網，利用投入運行、反向調節和動態響應三個工況驗證了該文所提出的I-PFC的可行性和有效性。
圖2 I-PFC總體框圖
研究人員最后總結指出：
- 1）I-PFC在控制直流電網潮流的同時，無需交流變壓器即可實現自身功率平衡，降低了絕緣成本。采用子模塊級聯結構，降低了單個電容充放電引入的電流波動，同時便于根據不同應用場景對其進行拓展。此外，高頻的工作模式能夠進一步減小建設成本，提高經濟性。
- 2）對I-PFC的子模塊電容電壓進行了分析，指出子模塊能量和電壓均呈現周期性變化。結合I-PFC的拓撲結構和工作原理，設計了適用于I-PFC的控制策略，該控制策略主要分為直流環和交流環，直流環用來實現調節直流電網的潮流分布，交流環部分用來實現I-PFC的自身功率平衡。
- 3）利用PSCAD/EMTDC軟件仿真結果驗證了I-PFC的拓撲結構、電容電壓分析和控制策略的正確性與有效性。三種工況下的仿真結果表明該DCPFC能夠有效提高直流電網的潮流控制能力，同時可通過交流環流實現功率平衡。
- 4）I-PFC為雙端口結構且直流電網可能會發生直流故障，下一步可在拓展I-PFC端口或故障電流抑制方面展開研究。
以上研究成果發表在2020年第5期《電工技術學報》，論文標題為“適用于直流電網的環流式線間直流潮流控制器”，作者為李國慶、邊競、王鶴、王振浩。
