徐花美

摘 要：直流配电系统是未来配电系统可能广泛采用的输电技术，可提高可再生能源资源的普及率，减少输电损耗，提高系统的可靠性和灵活性。本文提出并研究了DC / DC变换器与传输线串联的传输线功率控制技术，在此基础上，开发了一种混合功率流量控制器（HPFC），为构建未来的柔性直流输电系统（FDCTS）迈出了一步。在本文中，HPFC是使用DC-DC转换器开发的，用于调节流过特定DC传输线的功率，结果表明，高性能动力电池可以重新安排MTDC电网的潮流，以提高直流支路的利用率。为了证明HPFC的适用性，将设备的性能引入到用于功率流控制目的的直流潮流公式中。

关键词：直流配电系统；柔性输电线路；功率控制

中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）13-0153-02

1 引言

19世纪初以来，交流电（AC）在电力传输系统中已经占据了系统的主导地位。然而，长距离输电限制以及电力电子工业的发展使得直流（DC）输电系统的发展成为了目前的研究热点。1954年报道了第一例直流输电系统工程：由ABB施工将哥特兰岛与瑞典大陆通过高压直流（HVDC）传输线互联的输电工程。目前，全球有超過145个运行的高压直流输电项目，主要用于远距离输电。

目前来看，研究交直流电王的互联和能量分配可能没有必要，但是随着未来电网的发展交流与直流的结合是必然的。电力系统中的这种新模式正在推动发电技术和电力生产和使用方式的革命。在生产方面，无论是在偏远地区、还是远离城市的负荷中心中心，或者海上风力发电场、本地的这样的光伏（PV）系统，系统中负荷分布越来越分散，可再生能源发电量越来越多。另一方面，随着电力电子技术的发展，直流输电的电压等级越来越高，书店能力越来越强，远距离直流输电越来越经济。

在上述背景之下，多终端直流（MTDC）电网逐渐发展起来，多端直流电网主要用于互连各种交流电网以及间歇发电资源，特别是海上风电场或向分散的海岛供电。目前对于MTDC的研究主要集中于通过MTDC电网将大量的海上风电传输到交流电网中。此外，欧盟正在正在努力开发以MTDC电网为骨干的“欧洲超级电网”。MTDC电网发展中的主要挑战主要计中在如何中断高直流电流以及如何升高/降低直流电压两个方面。理论上，这两个问题通过使用能够关断大电流的直流变压器或更高耐压的DC-DC转换器来克服。此外，将DC-DC转换器纳入MTDC电网具有许多优势，例如可以提高直流电网中的功率流控制方面的灵活操作。目前在设计高容量（即MW尺寸）DC-DC转换器方面也进行了许多研究。由于DC-DC转换器允许在稳态操作中有效且可靠地控制MTDC电网的功率流动，因此它们的作用可以与灵活的AC传输系统（FACTS）相比较。在交流电网中应用FACTS的成功经验可以转化到MTDC电网的控制中，以提高MTDC电网的可控性。这必然会带来柔性直流输电系统（FDCTS）的发展，作为MTDC电网中功率流控制的一种有前途的解决方案，使多端直流系统具有更大的灵活性[1]。

本文旨在通过提出利用DC-DC转换器开发混合功率流控制器（HPFC）作为FDCTS在MTDC电网中提供功率控制的设备。本文介绍了FDCTS的主要原理及其对直流电源系统的好处，并提出了HPFC作为FDCTS设备。介绍了将HPFC集成到直流潮流程序中用于电力潮流控制的目的。为了证明FDTCS的能力，进行了静态和动态仿真分析验证。

2 DC配电网输电线路功率控制

类似于交流电力系统中的FACTS，可以在直流电网中采用静态设备来控制一个或多个直流输电系统参数，以增强电网的可控性。因此，可以开发FDCTS以提供更灵活的MTDC电网中的潮流控制。FDCTS包括多种静态元件，能够提供以下功能[2]：

（1）在指定的直流母线上操作直流电网的电压。（2）控制和调整流过指定DC线路的功率。目前，对着电力电子技术的进步，DC-DC转换器（或DC变压器）可以提供上述功能。通过调节DC-DC变换器变比，可以调节变换器一端的电压或流过变换器的功率。实际上，DC-DC转换器为直流电网的控制增加了一定的自由度。这与交流电力系统中变压器分相变压器类似。因此，大容量DC-DC变换技术是发挥FDCTS设备作用的可行解决方案。

本文提出了一种基于DCDC转换技术的级联型潮流控制器混合功率流控制器混合功率流控制器（HPFC）由一个多电平DC-DC转换器组成，在相应的直流母线上安装了混合连接方案（即串并联方案），基于其连接方案，HPFC通过向受控DC线路施加串联电压，允许通过DC传输线路进行功率流量控制。需要注意的是，对于双极直流系统，每个极上必须安装一个HPFC。HPFC能够通过调节其变压比来控制流经连接到母线k的传输线的功率。基于HPFC的连接方式，该设备应该能够承受传输线的额定电流，但与相应的直流母线电压相比，具有小得多的额定电压。

3 DC-DC变换器分析

用于电力系统研究的HPFC模型如前所述，所提出的HPFC是专用于控制通过DC传输线路的功率的DC-DC转换器。但是，为了将HPFC纳入电力系统的研究和分析，必须对其进行建模分析。需要指出的是，这种类型的建模通常适用于各种电力电子转换器。对于稳态分析和研究，电容和电感的影响消失。

FDCTS包括基于静态电力电子元件的元件，用于在MTDC电网中提供电压调节，功率控制和潮流控制。目前一些研究集中在使用DC-DC转换器进行MTDC电网潮流控制。 然而，这些研究几乎集中在提出电源转换器拓扑结构和低级别控制器，但没有太多的研究这种转换器对电源系统研究的影响，例如转换器的低电平控制。需要将HPFC纳入电力潮流计划，以考虑其对流经直流线路的电力的影响。为了将HPFC纳入电力潮流计划，有必要修改直流潮流。实际上，HPFC将为电力潮流增加一定的自由度，从而允许控制电网中的能量。

在直流潮流问题中必须考虑冗余母线，负责保证电网内的功率平衡。由于预先指定了松弛母线的直流电压，因此它将从潮流方程中消除。 因此，潮流方程的数量减少到N-1。牛顿-拉夫逊（NR）方法广泛应用于交流电力系统中的潮流问题。由于与MTDC潮流相比，交流潮流问题的方程式数量以及约束条件更高，因此NR方法可以为MTDC电网中的潮流问题提供满意的解决方案[3]。

4 仿真分析验证

FDCTS设备能够增强直流电网的可控性，本文在CIGRE B4直流电网测试系统上进行静态模拟。在本文中，通过一个由直流母线电压为±400kV的双极VSC-HVDC站组成的五端网状网格用于评估所提出的控制策略。电网的基本功率和电压分别为500MW和800kV。DC-DC转换器安装在直流母线Bb-B4和Bb-B4s之间。该转换器在DCS3中扮演HPFC的角色，并通过直流母线Bb-B1和BbB4s之间的直流线路提供功率控制。

在静态模拟中，首先，HPFC的变换比率保持为零，因此HPFC不能配合进行潮流控制。通过将NR方法应用于当前的直流潮流问题，可以得到DCS3中所有母线的直流电压和净注入功率。其次，从Bb-B1流向Bb-B4的功率设为0.5pu（注意流过这条线路的功率在基本情况下为0.3657pu），而其他功率流假设即DCS3总线中的发电和消耗满意。基于功率流解决方案，HPFC变比必须设置为0.002，以实现通过Bb-B1和Bb-B4之间直流线路的理想功率。虽然从Bb-B1流向Bb-B4的功率已调整为0.5pu，但所有直流母线中的净充电功率与基本情况相同。

在此模拟中，在t=5s之前，通过HPFC的调节作用，流经Bb-B1和Bb-B4之间的线路的功率保持在0.5pu。在t=5s时，辅助控制执行新的直流潮流，以将Bb-B1和Bb-B4之间的线路传输的功率调整为0.4pu。HPFC的轉化率必须调整到0.00058，通过受控线路的功率已达到0.4pu的新参考值，从而证明了控制系统的理想性能。

5 结语

本文提出了一种用于多端直流电网中的潮流控制和功率调节的混合潮流控制器。作为柔性DC传输系统的元件之一的HPFC具有到电网的混合连接方案（即，串并联），并且通过向受控DC线施加串联电压而允许通过DC传输线的电力流控制。最后，将通过动态模拟证明所提出的HPFC能够控制通过特定DC传输线的功率流。本文提出的HPFC设计思路受灵活交流输电系统（FACTS）设备成功运行的启发，FDCTS包含基于静态功率电子元件的元件，用于在多端DC（MTDC）中提供电压调节，功率控制和负载能量控制。作为FDCTS的一种设备，HPFC具有混合连接方案（即串联-并联），并通过向受控DC线施加串联电压来对通过DC传输线的能量进行控制。

参考文献

[1]蒋智化，刘连光，刘自发，张晓晴.直流配电网功率控制策略与电压波动研究[J].中国电机工程学报，2016，（04）：919-926.

[2]张旭辉，温旭辉，赵峰.电机控制器直流侧前置双向Buck/Boost变换器的直接功率控制策略研究[J].中国电机工程学报，2012，（33）：15-22.

[3]刘一琦.多端柔性直流输电系统控制策略的研究[D].哈尔滨工业大学，2016.