直流潮流控制系统分析与仿真研究文献综述

文献综述：

摘要：三端直流系统是传统的点对点两端直流输电系统的拓展与延伸，可实现我国能源资源的优化配置以及大规模可再生能源的有效接入。当三端直流系统的结构趋于复杂化时，系统内部直流潮流控制与调节的难度也将增大。若直流潮流控制不当，有可能会引起部分线路过载，影响系统的正常运行。直流潮流控制技术则成为解决该问题的关键，通过在系统中引入额外的直流潮流控制器，实现对一条或多条线路潮流的有效调节^[1]。

关键字：三端直流系统；高压直流输电系统；潮流调节；直流潮流控制器

1 引言

高压直流电网（High Voltage Direct Current Grid，HVDC Grid）是一门新型技术，它可以充分利用各种能源资源的互补特性以及现有的交直流输配电设备，实现广域大范围内能源资源的优化配置、大规模新能源电力的可靠接入以及现有电力系统运行稳定性的提升^[2]。本文首先将会介绍直流潮流控制器的作用和必要性及相关技术，然后介绍高压直流输电系统的概念、模型结构，再利用PSCAD/EMTDC仿真软件建立含有直流潮流控制器的多端口高压直流输电系统仿真模型，对其进行稳态、动态以及故障情况下的仿真验证。仿真结果表明，该线间直流潮流控制器在多种工况下都可以有效地实现直流潮流控制，并保持良好的稳定性。

2 直流潮流控制器的作用及其必要性

装设在直流系统中的潮流控制器，可以独立地控制输配电线路中有功功率的大小和流向，提高直流系统的稳定性^[3]。

随着传统能源的日益短缺和环境压力的日渐增加，我国乃至世界均面临着能源结构的战略性调整，人们已经认识到从传统能源向以可再生能源为主的清洁能源过渡的必要性和紧迫性。近年来，风能、太阳能等新能源技术得到了快速发展，但由于其具有间歇性、不稳定性等特点，使得接纳超大规模新能源的传统技术受到越来越多的限制，必须采用新的技术、装备和电网结构来满足未来能源格局的深刻变化。直流电网是由大量直流端通过直流线路互联组成的能量传输系统，能够实现新能源的平滑接入，具有灵活、安全的潮流控制特性，是一种适应性更强的供电模式。近年来，凭借其优越的控制运行特性，直流电网已成为解决新能源大规模并网的有效技术手段之一。

直流电网具有3种基本拓扑结构，分别为树枝状、环状和网状，多种基本结构组合为复杂的直流电网。其中，网状结构具有较好的灵活性和冗余度，能够增加系统的可靠性，减少输电距离，是直流电网建设后期所必然考虑的一种结构方式。但是在含有环、网状结构的直流电网中，换流站之间可能存在多条输电线路，使得输电线路的数目大于换流站个数，导致线路上的潮流不能仅依靠换流站的电压、电流控制实现有效调节，即直流潮流控制自由度不够。这种情况下，直流电网内部分线路潮流因得不到有效控制而可能导致线路过负荷，影响系统正常运行。因此，需要引入额外的直流潮流控制设备，通过增加控制自由度来实现对直流电网内每条线路潮流的有效控制。

3 直流潮流控制器的相关研究

目前线路直流潮流控制主要有两种基本思路，即控制线路电阻和控制直流电压。在此基础上设计的直流潮流控制器主要有3种，即可变串联电阻器、直流变压器、串联电压源。

文献[4-6]提出了3种可变电阻器实现直流潮流控制的方案，其基本原理是通过改变串入线路的等效电阻，达到调节线路潮流的作用。该方法的优点是原理和控制简单，缺点是损耗大，且只能单向调节线路的等效电阻，线路潮流调节的自由度不够。文献[4,7]提出了一种直流变压器，通过控制直流变压器输出直流电压调节线路潮流，但一方面直流变压器串接在线路中，所有的功率需通过直流变压器，损耗较大；另一方面，直流变压器中的部分电力电子器件需要承受直流端电压，设备的成本较高。文献[5,8-10]提出输电线路中串联可调电压源进行潮流控制的方案，通过串入的直流电压源调节直流线路电压，实现输电线路潮流的调节功能，其功率和损耗较小，控制灵活，更易实现，但需额外配备外部电源提供功率或吸收功率。文献[11-12]提出一种线间潮流控制器，利用输电线路之间的功率流动实现线路潮流控制，电路结构相对简单，开关器件少，但需要在两条线路中同时装设，前期投入成本大。

为了去除串联可调电压源方案中的外部电源，文献[12]提出了利用在输电线路之间相互交换功率来控制线路潮流的方案，本文称之为线间直流潮流控制器(interline DC power flow controller，IDCPFC)。IDCPFC基本不与外部网络发生功率交换，也无需承受系统级的高电压和功率，损耗低，具有较好的应用前景。文献[13,14]对该潮流控制进行了详细的工作原理和控制策略分析。由于该潮流控制器仅通过一个电容频繁地分时接入两条不同的线路来控制潮流，即相当于在输电线路中以一定频率串入/旁路一个电压源，则必定会在输电线路中引入额外的电流纹波，甚至引起谐振。文献[15]提出了一种新型IDCPFC，在两条线路中分别串入电容，即相当于在两条线路中分别串入一个稳态的电压源，通过两个电压源之间的功率交换来控制潮流，解决了线路中频繁串入/旁路电压源的问题，然而该IDCPFC拓扑受到线路潮流方向限制，当线路潮流反转时，该IDCPFC无法正常工作，应用范围有限。

文献[16]在借鉴上述IDCPFC缺陷的基础上，基于文献[15]中的思路，提出一种改进型IDCPFC，该IDCPFC既弥补了文献[13-14]中潮流控制器的缺陷，又可以应用于任意线路潮流方向场合。本文阐述该IDCPFC的工作原理，对其工作模态和控制策略进行详细的分析，搭建仿真模型进行仿真验证，最后在实验室中搭建一套三端环网式直流系统原理样机对其进行实验验证。

4 高压直流输电系统及模型结构

高压直流输电（HVDC），是利用稳定的直流电具有不受感抗、容抗的影响，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电，是将三相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。它基本上由两个换流站和直流输电线组成，两个换流站与两端的交流系统相连接^[17]。

高压直流输电系统是远距离电力传输的最佳解决方案，也是互联不兼容电网或不同频率的电网的最好方式^[18]，主要设备包括换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流避雷器及控制保护设备等。

换流器又称换流阀，是换流站的关键设备，其功能是实现整流和逆变。目前换流器多数采用晶闸管、可控硅整流管组成的三相桥式整流作为基本单元，称为换流桥。一般由两个或多个换流桥组成换流系统，实现交流变直流、直流变交流的功能^[19]。

换流器在整流和逆变过程中将要产生5、7、11、13、17、19等多次谐波。为了减少各次谐波进入交流系统，在换流站交流母线上要装设滤波器。它由电抗线圈、电容器和小电阻3种设备串联组成，通过调谐的参数配合可滤掉多次谐波。一般在换流站的交流侧母线装有5、7、11、13次谐波滤波器组。

5 总结

本文首先介绍了直流潮流控制器的作用及其必要性，直流潮流控制器可以独立地控制输配电线路中有功功率的大小和流向，提高直流系统的稳定性；然后介绍了直流潮流控制器目前的相关研究，在此基础上查阅了基于各类原理的直流潮流控制器的研究文献，可以看出，将直流潮流控制器引入高压直流电网中能有效提高其输电线路直流潮流控制能力。从各类工况下的运行情况来看，直流潮流控制器能够在各种情况下，实现对线路潮流的可靠控制，具有良好的稳定性和应用前景。

参考文献

1. 朱旭. 适用于多端直流系统的直流潮流控制技术研究[D]. 东南大学, 2016.
2. 姚良忠,吴婧,王志冰,李琰,鲁宗相.未来高压直流电网发展形态分析[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(34): 6007-6020.
3. 廖知卓. 基于模块化多电平结构的无源直流潮流控制器[D]. 北京交通大学, 2015.
4. JovcicD，HajianM，Zhang H，et al．Power flow control in DC transmission grids using mechanical and semiconductor based DC/DC devices[C]//Proceedings of the10th IET International Conference on AC and DC Power Transmission．Birmingham：IEEE，2012
5. Mu Q，Liang J，Li Y，et al．Power flow control devices in DC grids[C]//Proceedings of IEEE Power and Energy Society General Meeting．San Diego，CA，USA： IEEE，2012：7.
6. Van Hertem D ， Verboomen J ， Purchala K ， et al．Usefulness of DC power flow for active power flow analysis with flow controlling devices[C]//Proceedings of the 8th IEE International Conference on AC and DC Power Transmission．London, UK：IEEE，2006：58-62.
7. Jovcic D． Bidirectional high-power DC transformer [J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(4)：2276-2283．
8. Mohamed A，Mohammed O．Power flow control in DC distribution systems[C]//Proceedings of North American Power Symposium(NAPS)．Arlington，TX：IEEE，2010： 1-7.
9. Veilleux E，Ooi B T．Multiterminal HVDC with thyristor power-flow controller[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2012，27(3)：1205-1212．
10. VeilleuxEacute; ， Ooi B T ． Multi-terminal HVDC grid withpower flow controllability[C]//CIGRE Paris．Paris：CIGRE，2012：B4-30.
11. Barker C D，Whitehouse R S．A current flow controller for use in HVDC grids[C]//Proceedings of the 10th IET International Conference on AC and DC Power Transmission(ACDC)．Birmingham，UK：IEEE，2012.
12. Chen W，Zhu X，Yao L Z，et al．An interline DC power-flow controller(IDCPFC) for multiterminal HVDC system[J]．IEEE Transactions on Power Delivery， 2015，30(4)：2027-2036.
13. Deng N，Wang P Y，Zhang X P，et al．A DC current flow controller for meshed modular multilevel converter multiterminal HVDC grids[J]．CSEE Journal of Power and Energy Systems，2015，1(1)：43-51.
14. 许烽，徐政，刘高任．新型直流潮流控制器及其在环网式直流电网中的应用[J]．电网技术，2014，38(10)：2644-2650.
15. Chen W，Zhu X，Yao L Z，et al．An interline DC power-flow controller(IDCPFC)for multiterminal HVDC system[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2015， 30(4)：2027-2036.
16. 陈武, 朱旭, 姚良忠,等. 一种改进型线间直流潮流控制器的仿真与实验[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(7):1969-1976.
17. 韩民晓,文俊,徐永海.高压直流输电原理与运行[M]. 机械工业出版社, 2008
18. 李兴源.高压直流输电系统[M]. 科学出版社, 2010.
19. 赵畹君.高压直流输电工程技术[M]. 中国电力出版社, 2004.