孟建偉，王子龍

(1. 浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312073；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014)

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適用于直流電網(wǎng)的直流潮流控制器

孟建偉1，王子龍2

(1. 浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312073；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014)

摘要：直流電網(wǎng)更多地采用網(wǎng)狀和環(huán)狀結(jié)構(gòu)來增加輸電線路的冗余度，由此帶來了潮流控制自由度不足的問題。為此，對(duì)現(xiàn)有四類直流潮流控制設(shè)備進(jìn)行了介紹和優(yōu)缺點(diǎn)比較，從投資成本和運(yùn)行損耗兩方面出發(fā)，指出了可變電阻器、串聯(lián)電壓源、直流變壓器所存在的缺陷，突出了電流分配器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。針對(duì)現(xiàn)有電流分配器的控制策略所存在的電容電壓波動(dòng)較大問題，提出一種新的控制策略。最后，利用PSCAD/EMTDC軟件對(duì)電流分配器在五端直流電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明所提出控制策略對(duì)潮流調(diào)節(jié)及電容電壓波動(dòng)抑制等控制的有效性。

關(guān)鍵詞：直流電網(wǎng)；直流潮流控制；電流分配器；控制策略

直流電網(wǎng)是由大量直流換流站通過直流線路互聯(lián)組成的能量傳輸系統(tǒng)，具有靈活多變的控制運(yùn)行特性，是一種適應(yīng)性較強(qiáng)的供電模式?；谌嵝灾绷鬏旊姷闹绷麟娋W(wǎng)技術(shù)，在海洋群島供電、海上風(fēng)電場(chǎng)群集中送出、大規(guī)模分布式可再生能源接入、新型城市電網(wǎng)構(gòu)建等方面，被認(rèn)為是最有效的技術(shù)方案，已成為國(guó)際電力領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-3]。

直流電網(wǎng)一般含有網(wǎng)狀和環(huán)狀子電路，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和可靠性，但隨之而來的，是部分線路潮流不可控可能導(dǎo)致的系統(tǒng)安全運(yùn)行問題[4-6]。對(duì)于一個(gè)含有n (n>2)個(gè)端點(diǎn)，m (m> n-1)條線路的環(huán)網(wǎng)式直流電網(wǎng)，每個(gè)端點(diǎn)都連有一個(gè)換流站，其中，直流電壓由一個(gè)換流站控制，其余n-1個(gè)換流站控制直流功率或直流電流。假使各換流站都未運(yùn)行在功率極限狀態(tài)下，直流電網(wǎng)有n-1個(gè)電流控制自由度，能夠控制n-1條線路上的電流。由于m>n-1，剩余的m-n+1條線路將不能同時(shí)得到有效的控制。當(dāng)某些換流站擔(dān)任特殊的控制要求時(shí)，比如功率調(diào)制控制，直流電網(wǎng)的控制自由度將進(jìn)一步減少。一個(gè)合適的直流電網(wǎng)應(yīng)該具有足夠的靈活性來滿足各種工況下潮流控制的要求。在一些工況下，部分線路極可能因得不到有效控制而出現(xiàn)過電流運(yùn)行的情況，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行和輸電效率[7]。

近年來，國(guó)內(nèi)外一些研究人員已就直流潮流控制問題，研制了相關(guān)潮流控制設(shè)備，如可變電阻器等。本文首先通過比較分析的方式介紹了現(xiàn)有幾類直流潮流控制設(shè)備的典型結(jié)構(gòu)特征及其相應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)電流分配器的運(yùn)行和控制特性進(jìn)行了分析研究，最后仿真驗(yàn)證。

1潮流控制理論分析

圖1為三端直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

I1、I2、I3為各換流站直流側(cè)電流；I12、I13、I23為線路上流過的直流電流； R12、R13、R23為直流線路等效電阻；Ux為直流潮流控制器輸出的直流電壓；VSC—電壓型換流器，voltage source converter的縮寫。圖1　三端直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1(a)所示的三端環(huán)網(wǎng)式直流電網(wǎng)中，假設(shè)VSC3采用定電壓控制，VSC1和VSC2采用定電流控制，根據(jù)圖1給出的電流參考方向，可以計(jì)算得到線路上的電流為：

(1)

(2)

(3)

運(yùn)行過程中，系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)換流站的功率達(dá)到變化I1和I2的效果，但從式(1)—(3)可以看出，當(dāng)任意兩條線路上的電流確定以后，第三條線路上的電流即確定，不能單獨(dú)調(diào)整，缺少一個(gè)控制變量。因此，需要在直流電網(wǎng)內(nèi)接入一個(gè)或幾個(gè)潮流控制器以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電網(wǎng)內(nèi)每條線路潮流的有效控制，防止線路長(zhǎng)時(shí)間過負(fù)荷。如圖1(b)所示，在VSC1和VSC2相連的線路上串入一個(gè)電壓為Ux的潮流控制器，式(1)—(3)將改寫為：

(4)

(5)

(6)

從式(4)—(6)可以看出，每條線路的電流都會(huì)引入U(xiǎn)x，且三條線路上的電流可以分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到潮流可控的目的。

2直流潮流控制設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)比較

當(dāng)前，直流潮流控制設(shè)備主要有以下4類：可變電阻器、串聯(lián)電壓源、直流變壓器和電流分配器[8-10]。

2.1可變電阻器

在一條線路中，通過串入不同阻值的電阻進(jìn)而改變整條線路對(duì)外的電阻特性，便能有效改變流過該線路的電流?？勺冸娮杵饔米髦绷鞒绷骺刂圃O(shè)備，正是源于這個(gè)思想。圖2給出了一種切實(shí)可行的可變電阻器結(jié)構(gòu)形式。一個(gè)電阻器由多個(gè)電阻R1～Rn及其并聯(lián)開關(guān)S1～Sn串聯(lián)而成，開關(guān)S1～Sn可以采用機(jī)械開關(guān)，也可以采用半導(dǎo)體開關(guān)，其中機(jī)械開關(guān)幾乎不存在損耗但切換較慢，而半導(dǎo)體開關(guān)動(dòng)作靈敏卻存在較大損耗?？勺冸娮杵魍ㄟ^開關(guān)的投切，改變可變電阻器串入支路的等效電阻，達(dá)到調(diào)節(jié)支路電流的作用。

圖2　可變電阻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2串聯(lián)電壓源

根據(jù)歐姆定理，當(dāng)串聯(lián)電壓源的電壓降方向與流過的電流方向一致時(shí)，等效于串入一正值電阻；反之，則等效于串入一負(fù)值電阻。通過對(duì)電壓源兩端電壓的調(diào)節(jié)，即可調(diào)節(jié)線路的等效電阻，進(jìn)而影響直流電網(wǎng)的潮流流向。圖3分別給出了兩種串聯(lián)電壓源型結(jié)構(gòu)，一種為電網(wǎng)換向換流器(linecommunicatedconverter，LCC)型串聯(lián)電壓源，如圖3(a)所示，由兩個(gè)三相六脈晶閘管橋反向并聯(lián)而成[5]；另一種為模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverter，MMC)型串聯(lián)電壓源，如圖3(b)所示，每個(gè)橋臂串接多個(gè)全橋型子模塊。

T—晶體管(transistor)，為絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的器件；C—電容器；SM—MMC子模塊。圖3　串聯(lián)電壓源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

兩種串聯(lián)電壓源都具有雙向電壓輸出雙向電流流通能力，具有大范圍的潮流調(diào)節(jié)能力。相較于MMC型串聯(lián)電壓源，LCC型串聯(lián)電壓源在換流器投資方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是LCC型串聯(lián)電壓源存在較為嚴(yán)重的故障過電壓?jiǎn)栴}，不宜使用。

2.3直流變壓器

類同于串聯(lián)電壓源實(shí)現(xiàn)潮流調(diào)節(jié)的原理，圖4給出了一種直流變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。直流變壓器從直流系統(tǒng)取能，利用晶體管T1和T2的調(diào)制控制輸出交流電壓波形，經(jīng)變壓后，再經(jīng)晶閘管橋輸出直流電壓用于調(diào)節(jié)直流潮流。晶閘管橋只有單相導(dǎo)通能力，通過與其串聯(lián)的四個(gè)開關(guān)的投切控制來實(shí)現(xiàn)支路電流雙向流通。

圖4　直流變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.4電流分配器

圖5給出了電流分配器詳細(xì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以看出，電流分配器含有三個(gè)外接端點(diǎn)，端點(diǎn)1—3分別與直流母線、調(diào)節(jié)支路1和調(diào)節(jié)支路2相連。電流分配器包含6個(gè)IGBT器件 (T1—T6)，1個(gè)供調(diào)節(jié)支路1和2共用的電容C。通過對(duì)T1—T6的通斷控制，電容C串入調(diào)節(jié)支路1和調(diào)節(jié)支路2的等效電阻的正負(fù)和大小特性便會(huì)隨之改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流過調(diào)節(jié)支路1和2電流的調(diào)節(jié)，文獻(xiàn)[11]分析了電流分配器的運(yùn)行狀態(tài)和控制工況。

圖5　電流分配器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.5優(yōu)缺點(diǎn)比較

可變電阻器結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)都簡(jiǎn)單，投資成本低，但作為有功消耗型器件，損耗較大。另外，可變電阻器只能產(chǎn)生正電阻效應(yīng)，對(duì)潮流的調(diào)節(jié)能力有限。串聯(lián)電壓源和直流變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)正、負(fù)電阻效應(yīng)，具有較寬的潮流調(diào)節(jié)能力，但串聯(lián)電壓源內(nèi)換流變壓器的閥側(cè)需要承受直流系統(tǒng)級(jí)的高電壓偏置，致使造價(jià)昂貴；直流變壓器的一端往往需要可靠接地，因此用于調(diào)制電壓的電力電子器件需要承受系統(tǒng)級(jí)的高電壓，致使器件的投資成本較高，同時(shí)也會(huì)引入更多的運(yùn)行損耗。電流分配器將設(shè)備串接于直流系統(tǒng)之上，設(shè)備內(nèi)部無需承受高電壓差，無論是設(shè)備成本還是運(yùn)行損耗，都能達(dá)到一個(gè)較優(yōu)的狀態(tài)，具有較高的工程應(yīng)用前景。

3電流分配器的控制策略

文獻(xiàn)[11]針對(duì)電流分配器的可行工況給出一種兩態(tài)電流滯環(huán)寬度控制策略，從仿真結(jié)果來看，該控制策略具有較好的電流調(diào)節(jié)能力，但由于缺乏對(duì)控制頻率的約束，較低的控制頻率會(huì)導(dǎo)致電容電壓的波動(dòng)較大，一方面增加了系統(tǒng)過電壓運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面會(huì)使得電容的使用壽命降低。

為降低電容電壓波動(dòng)幅度，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，本文提出了一種新型控制策略。以圖5所示的調(diào)節(jié)支路1和2的電流方向?yàn)槔?，圖6給出了T2的控制框圖，其中，Iref和Imes分別為調(diào)節(jié)支路1的直流電流參考值和實(shí)測(cè)值，Io為電流分配器不起作用時(shí)，注入直流電網(wǎng)的直流功率確定情況下，流過調(diào)節(jié)支路1的電流值。從圖6可以看出，Iref和Imes作差后與比較器1的輸出值相乘，所得結(jié)果經(jīng)比例積分(proportionintegration，PI)控制器后，與三角波發(fā)生器的輸出作比較，得到T2觸發(fā)脈沖。當(dāng)Iref>Io，比較器1輸出值為-1，反之為1；當(dāng)PI控制器的輸出大于三角波相應(yīng)值時(shí)，比較器2輸出值為1，反之為0。

圖6　電流分配器控制框圖

圖6所示的控制器涵蓋了兩方面的控制功能：一方面利用PI控制器，實(shí)現(xiàn)直流電流調(diào)節(jié)，滿足潮流控制的基本要求；另一方面利用三角波的調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT通斷頻率的控制，進(jìn)而達(dá)到控制電容充放電頻率的效果，以調(diào)節(jié)電容電壓的波動(dòng)范圍，有效提升電容電壓波動(dòng)的可控性。

4仿真驗(yàn)證

圖7為一個(gè)五端直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，含有6條直流線路，電流分配器接于支路14和支路15之間。為方便與文獻(xiàn)[11]的仿真結(jié)果對(duì)比，線路參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)與文獻(xiàn)[11]內(nèi)相同，支路12、14、15、25、34、45的等效直流電阻分別為1Ω、1.5Ω、2Ω、1.6Ω、2.5Ω和1.6Ω。穩(wěn)態(tài)情況下，換流站5所在的換流器控制直流電壓為500kV，其余換流器處于定電流控制狀態(tài)。

圖7　五端直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

設(shè)定電容容量C=2 000μF，三角波的頻率為1kHz，幅值為1?？刂茡Q流站1—4注入五端直流電網(wǎng)的電流分別為2kA、-1kA、1kA和-1.5kA。以支路14上的電流(I14)為控制變量，0～2s時(shí)，I14的參考值設(shè)置為0.56kA； 2～3s時(shí)，設(shè)置為0.3kA；3～4s時(shí)，設(shè)置為0.7kA，可以得到圖8所示的電流響應(yīng)特性曲線。

圖8　電流響應(yīng)特性曲線

從圖8可以看出，I14在變化過程中，能夠維持平滑過渡，且能夠準(zhǔn)確地跟隨參考值，調(diào)節(jié)過程快速，過電流小。電容電壓在電流變化過程中，存在明顯的波動(dòng)調(diào)整過程，但響應(yīng)穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，I14=0.3kA對(duì)應(yīng)的電容電壓的波動(dòng)范圍為1.22～1.29kV，I14=0.7kA對(duì)應(yīng)的電容電壓的波動(dòng)范圍為0.87～0.93kV，波動(dòng)量分別為0.07kV和0.06kV。而在文獻(xiàn)[11]中，上述兩個(gè)的波動(dòng)量分別為1.21kV和2.1kV。由此可以證明，本文提出的控制策略能夠有效抑制電容電壓的波動(dòng)。由于電力電子器件與電容處于一種并聯(lián)狀態(tài)，因此，電容電壓波動(dòng)量的下降能夠有效減少電力電子器件被過電壓損壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

5結(jié)論

a) 用作潮流控制設(shè)備時(shí)，可變電阻器運(yùn)行損耗大，串聯(lián)電壓源和直流變壓器設(shè)備投資成本高，三者不適用于直流電網(wǎng)。電流分配器的投資成本和運(yùn)行損耗相對(duì)較小，具有應(yīng)用前景。

b) 提出的適用于電流分配器的控制策略，能夠滿足潮流控制的要求，同時(shí)還能有效抑制電容的電壓的波動(dòng)，一方面增長(zhǎng)電容電壓的使用壽命，另一方面降低設(shè)備過電壓運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

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Direct Current Power Flow Controller for Direct Current Power Grid

MENG Jianwei1, WANG Zilong2

(1.ZhejiangZhenengShaoxingBinhaiCogenerationCo.,Ltd.,Shaoxing,Zhejiang312073,China; 2.ElectricPowerResearchInstitute,StateGridZhejiangElectricPowerCompany,Hangzhou,Zhejiang310014,China)

Abstract：Insufficientdegreeoffreedomofpowerflowcontroliscausedforthereasonthatdirectcurrent(DC)powergridadoptsmeshedandringstructurestoincreaseredundancyoftransmissionlines.Therefore,thispaperintroducesexistingfourkindsofDCpowerflowcontrolequipmentsandcomparestheirmeritsanddemerits.Inaspectsofinvestcostandoperatingloss,itpointsoutdefectsofvariableresistors,seriesvoltagesourceandDCtransformersandhighlightsapplicationadvantageofcurrentdistributors.Inallusiontotheproblemoflargefluctuationofcapacitivevoltageincontrolstrategyforexistingcurrentdistributors,anewkindofcontrolstrategyispresented.Finally,PSCAD/EMTDCsoftwareisusedforemulationproofonapplicationofcurrentdistributorsinfive-terminalDCpowergridsandresultsindicatethattheproposedcontrolstrategyiseffectiveforcontrolonpowerflowregulationandsuppressiononfluctuationofcapacitivevoltage.

Keywords：directcurrent(DC)powergrid;DCpowerflowcontrol;currentdistributor;controlstrategy

收稿日期：2015-11-20修回日期：2016-02-29

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.023

中圖分類號(hào)：TM761

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-290X(2016)06-0124-05

作者簡(jiǎn)介：

孟建偉(1973)，男，浙江紹興人。工程師，工學(xué)學(xué)士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與直流供電。

王子龍(1986)，男，江蘇徐州人。工程師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制。

(編輯王朋)