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适用于直流电网的环流式线间直流潮流控制器

现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学）的研究人员李国庆、边竞、王鹤、王振浩 ， 在2020年第5期《电工技术学报》上撰文 ， 针对直流电网潮流控制自由度不足的问题 ， 提出一种线间直流潮流控制器（I-PFC） 。 I-PFC能够通过交流环流实现自身功率平衡 ， 无需交流变压器作为内部的交流通路 ， 且与现有线间直流潮流控制器相比 ， 进一步降低了因单个电容充放电造成的电流波动 ， 具有避免额外谐振、减小谐波、易拓展等优点 。
适用于直流电网的环流式线间直流潮流控制器
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随着化石能源的日益枯竭 ， 可再生能源发电越来越受到人们的关注 ， 传统的交流电网在可再生能源发电并网和功率外送方面存在诸多瓶颈 。 柔性直流输电技术在海上风功率外送、非同步电网互联以及区域电网互联等方面具有良好的应用前景 ， 是解决可再生能源接入的有效手段之一 ， 受到工作人员的广泛关注 。
然而 ， 在多端柔性直流输电系统或直流电网中 ， 各个换流站间可能会存在多条输电线路 ， 使直流线路的条数大于或等于换流站数量 。 在该情况下 ， 将出现部分线路潮流无法由换流站独立控制 ， 即直流电网潮流控制自由度不足 ， 由此导致线路的输电能力受限甚至过载 ， 影响直流电网运行的可靠性和安全性 。 直流潮流控制器（DCPowerFlowController,DCPFC）能够增加直流电网的控制自由度 ， 实现对每条输电线路潮流的灵活控制 。
由于直流电网的物理量仅包括线路电阻和电压大小 ， 并不存在交流电网中的电抗和电压相角 ， 故直流潮流控制器主要分为电阻型和电压型 。
【适用于直流电网的环流式线间直流潮流控制器】有学者提出了采用半导体开关和机械开关的电阻型直流潮流控制器 ， 其通过在直流线路中串入不同阻值的电阻进而实现潮流控制 。 电阻型直流潮流控制器结构简单、易控制 ， 但会产生额外的功率损耗且不能改变潮流方向 ， 应用场景受限 。
电压型直流潮流控制器主要包括直流变压器型、辅助电压源型和线间直流潮流控制器 。 直流变压器型DCPFC通过控制输出端口的电压实现潮流控制 。
有学者提出了改进的下垂控制和直流潮流算法相结合的控制策略 ， 提高了直流电网的暂态稳定性 ， 但该类型的DCPFC一般需要交流变压器和大量的电力电子器件 ， 结构复杂 ， 更适用于连接不同电压等级的直流电网 。
有学者提出了以三相六脉动晶闸管作为整流器的辅助电压源型DCPFC ， 其能够将交流电压变换成极性和大小均可调的直流电压串入直流线路中 ， 以控制直流电网的潮流分布 。 该类型的DCPFC额定容量小且运行方式灵活 ， 但需通过变压器连接交流电网进行取能 ， 增加了绝缘成本 。
有学者提出了利用耦合电感来传递能量的线间直流潮流控制器 ， 其相当于在两条线路中串入可交换能量的直流电压源 ， 在控制直流电网潮流的同时 ， 保证了自身的功率平衡 。 线间直流潮流控制器避免了与外部系统相连接 ， 且电压调节范围较大 ， 具有良好的应用前景 ， 但直流线路中单个电容的充放电可能会引入额外的谐波电流 。
针对此问题 ， 有学者提出了基于模块化多电平换流器（ModularMultilevelConverter,MMC）的线间直流潮流控制器 ， 但该DCPFC采用了交流变压器和大量的子模块 ， 结构复杂、经济性稍差 。
根据以往直流潮流控制器的优缺点 ， 现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学）的研究人员 ， 提出了一种环流式线间直流潮流控制器（InterlineDCPowerFlowController ， I-PFC） ， I-PFC能够通过MMC产生的交流环流实现自身功率平衡 ， 具有谐波小、绝缘成本低、无需从外部取能等优点 。
适用于直流电网的环流式线间直流潮流控制器
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图1含I-PFC的三端柔性直流环网示意图
首先 ， 提出I-PFC的拓扑结构 ， 分析实现潮流控制的方法进而得到线路电流与串入电压的关系 ， 并重点介绍了利用内部交流环流实现自身功率平衡的原理；其次 ， 根据I-PFC的功率与能量 ， 详细分析子模块电容电压的组成 ， 其中主要包含直流、基频和二倍频分量 ， 并设计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仿真环境中搭建含有I-PFC的三端柔性直流环网 ， 利用投入运行、反向调节和动态响应三个工况验证了该文所提出的I-PFC的可行性和有效性 。
适用于直流电网的环流式线间直流潮流控制器
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图2I-PFC总体框图
研究人员最后总结指出：
1）I-PFC在控制直流电网潮流的同时 ， 无需交流变压器即可实现自身功率平衡 ， 降低了绝缘成本 。 采用子模块级联结构 ， 降低了单个电容充放电引入的电流波动 ， 同时便于根据不同应用场景对其进行拓展 。 此外 ， 高频的工作模式能够进一步减小建设成本 ， 提高经济性 。 2）对I-PFC的子模块电容电压进行了分析 ， 指出子模块能量和电压均呈现周期性变化 。 结合I-PFC的拓扑结构和工作原理 ， 设计了适用于I-PFC的控制策略 ， 该控制策略主要分为直流环和交流环 ， 直流环用来实现调节直流电网的潮流分布 ， 交流环部分用来实现I-PFC的自身功率平衡 。 3）利用PSCAD/EMTDC软件仿真结果验证了I-PFC的拓扑结构、电容电压分析和控制策略的正确性与有效性 。 三种工况下的仿真结果表明该DCPFC能够有效提高直流电网的潮流控制能力 ， 同时可通过交流环流实现功率平衡 。 4）I-PFC为双端口结构且直流电网可能会发生直流故障 ， 下一步可在拓展I-PFC端口或故障电流抑制方面展开研究 。以上研究成果发表在2020年第5期《电工技术学报》 ， 论文标题为“适用于直流电网的环流式线间直流潮流控制器” ， 作者为李国庆、边竞、王鹤、王振浩 。


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