总结与展望！直流电网潮流分析与控制的发展趋势和关键问题

图8 线间直流潮流控制器等效拓扑结构

上述几种潮流控制器能够很好的应用到线路中,改变直流潮流,为直流输电领域的发展起到了很大的推动作用,但是为了进一步的减少损耗和投资成本,电流潮流控制器（CFC）也随之发展起来。该潮流控制器装在直流潮流重要的母线处,使其通过这条线路的电流能够进行分配去控制其他支路的电流,进而达到控制整个潮流的作用。与线间直流潮流控制器工作原理相似,同样不需要与外界交流系统相连。

文献[68]提出的拓扑结构在每条直流线路中串入相同的直流斩波电路,2个直流斩波电路间通过电容实现电流分配,如图9所示。该文献还提出了改进的拓扑结构,如图10所示。图9和图10中：Ti（i=1,…,8）为IGBT与二极管反向并联的开关,C和Cj（j=1、2）为电容,Uc和Ucj为电容电压值,Ic为流入CFC的直流电流值,Ic1和Ic2分别为流向不同直流线路的直流电流值。2条电路使用共同的电容,电容频繁的接入2条不同的线路来控制支路的潮流,结构更加简单,经济性良好。文献[69]对文献[68]的改进结构进行了详细分析,并给出了控制策略。文献[70]给出了电流直流潮流控制器的9种运行模式,每种运行状态对应着不同的IGBT导通,实现对电容的充放电。电容的充放电相当于在线路中高频率的串入正电阻和负电阻,实现对支路电流调整的效果。但由于采用了两态电流滞环宽度控制,电容会产生很大的波动性。针对CFC,文献[71]提出了一种新型的控制策略即PI调节和三角波调制相结合的方法,对电容的波动程度起到了很好的抑制作用。文献[72]针对上述的缺陷也采用了一种新的控制策略,利用状态比较的方法对每个开关的状态进行设计,也达到了理想的效果。文献[73]提出了由5个MMC桥臂组成的电流潮流控制器,每个桥臂又由全桥子模块所组成,该潮流控制器通过对一个循环的交流电流进行调制来实现电流的分配。相对于上述的拓扑结构,它能承受更高的直流电压。现有潮流控制器大多工作在2条线路上,文献[74-75]提出了三端口的CFC拓扑结构,如附录图11所示,可以同时对3条线路上的电流进行分配,除了IGBT的损耗外,理论上没有任何的损耗,为电流的平衡提出了一个经济的解决方案。同时,文献[75]对线路电流大小的限制和任意线路电流的置零做出了研究。文献[74-75]所提出的拓扑结构为能够同时控制多条线路的直流潮流控制器提供了参考,具有重要的意义。但控制线路条数的增加,控制方式随之增加,电流纹波增多。

2.2.2DCPFC潮流计算及选址

在直流中加入DCPFC后,会导致潮流计算矩阵的变化,使原有的潮流程序不再适用。此外,DCPFC安装位置的选择以及控制参数的设定也直接影响了直流电网的运行情况。

针对含DCPFC的直流电网潮流计算,文献[76]进行了含DCPFC的直流电网潮流计算。该文献对交流潮流计算程序进行修改,使其可用于直流潮流中。然后将直流潮流控制器对直流电网的作用等效成电阻型和电压型并引入到直流电网潮流计算中。该潮流计算方法可用于DCPFC规划、潮流优化等领域,具有良好的拓展性。文献[77]提出了将直流潮流控制器以等效注入功率法引入到直流电网潮流计算中,该方法避免了增加雅克比矩阵的阶数且无需改变矩阵元素,减少了潮流计算的计算量。

图9 CFC拓扑结构

图10 改进的CFC拓扑结构

针对DCPFC的选址,文献[78]首先利用灵敏度方法研究DCPFC对多点电压下垂控制的直流电网的作用效果,由此寻出电压型DCPFC的最佳安装位置。其次,利用线路负载率高次项加权的加权潮流熵方法,得到电压型DCPFC的最佳变比。文献[79]提出并验证了电压型DCPFC用以减小线损的工作模式,并建立包含网损的灵敏度分析公式,得到电压型DCPFC的网损最小安装位置以及最佳变比。文献[80]提出了将多个DCPFC安装在含风电网的直流电网中,利用DCPFC增加风电网的外送功率的方法。随着风速的变化,DCPFC的控制值由最优潮流程序得到。文献[81]从潮流运行优化空间、线路负载情况和经济性的角度,提出了DCPFC的配置原则和安装位置。文献[82]利用灵敏度分析法研究了DCPFC对直流电网的影响,分析了辅助电压源型直流潮流控制器对直流电网的控制效果、确定了最佳变比和最佳位置,提出了DCPFC应安装在线路利用率最高的线路上。文献[83]提出了电阻型和电压型DCPFC功率和损耗的统一表达式,并代入到潮流计算中,对比分析了2者对直流电网潮流的控制作用,验证了电压型DCPFC具有更广的适用范围。文献[84]提出了加装DCPFC可使换流站的合理运行空间增大,并在线路不过载的情况下寻出直流线路损耗最小的安装位置。

3、总结和展望

含VSC的交直流电网互联是我国未来电网的发展方向,而直流电网的潮流分析与控制研究仍处在起步阶段。本文在分析讨论直流电网潮流和直流电网最优潮流计算方法的基础上,详细综述了换流站系统级控制和直流潮流控制器的实现原理,并对直流潮流控制器的选址方法进行了归纳总结。

含VSC的直流电网潮流分析与控制是研究交直流特性、故障恢复的重要前提,未来可以从下述方向开展进一步的研究：

1）针对直流电网潮流计算,随着直流电网规模和数量的日渐扩大,交直流混合大电网潮流计算方法的收敛性会降低甚至无法获得可行解,因此大规模交直流混合电网潮流计算方法的收敛性问题是相关领域的研究方向之一。

2）在直流电网实际调度中,可使用最优潮流实时调节换流站的参考值,此时则对最优潮流算法的计算速度提出更高的要求,为此,提高交直流混合电网最优潮流算法计算速度的研究是重要的内容之一。

3）系统级控制方面,现有控制方式大多高度依赖通信系统,存在通信延迟和电压-功率分配快速响应之间的矛盾。为了避免通信问题,可展开对不需要通信的电压裕度控制和电压下垂控制的相关研究,以提高可再生能源发电并网的稳定性。

4）直流潮流控制器方面。随着直流电网规模的扩大,会出现多条直流线路不可控的情况,因此能够同时控制多条线路的多端口直流潮流控制器也是重要的研究方向。

5）关于直流潮流控制器潮流计算与选址方面,可深入研究考虑换流站的控制方式与直流潮流控制器的协调配合。

作者及团队介绍

李国庆，男，1963年生，工学博士，教授，博士生导师。首批国家高层次人才特殊支持计划（万人计划）百千万工程领军人才，首批新世纪百千万人才工程国家级人选，全国杰出专业技术人才，国务院政府特殊津贴获得者，全国优秀科技工作者，吉林省高级专家，吉林省有突出贡献的中青年专家，中国能源学会副会长，中国电机工程学会理事，中国电机工程学会电工数学专业委员会主任委员，吉林省电机工程学会副理事长，吉林省特等劳动模范，兼任“电力系统安全运行与节能技术”国家地方联合工程实验室主任。

主要从事电力系统安全性与稳定性分析，输变电设备运行状态监控，柔性直流输电技术等方向的理论与应用研究与开发。

主持国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金项目、省级重大科技项目等一批纵横向科研项目，取得了一批高水平科研成果并得到了推广应用。获2008年国家科学技术进步二等奖1项，获吉林省科技进步一等奖4项、二等奖7项、三等奖1项；发表学术论文150余篇，其中，SCI、EI收录120余篇；获专利授权12项。

东北电力大学李国庆教授团队目前拥有核心成员20人，其中教授3人，副教授10人，具有博士学位12人，有国外一年以上留学及研修经历7人，首批“万人计划”百千万工程领军人才1人，首批新世纪百千万人才工程国家级人选1人，全国杰出专业技术人才1人，国务院政府特殊津贴获得者1人，全国优秀科技工作者1人，吉林省高级专家1人，吉林省有突出贡献的中青年专家2人。

团队依托电力系统安全运行与节能技术国家地方联合工程实验室，主要开展电力系统安全稳定与优化运行技术、柔性直流输电技术、输变电设备运行状态在线监测与诊断技术、大规模风电并网技术等方面的研究工作。承担国家重点研发计划项目课题2项、国家自然科学基金重点项目1项、国家自然科学基金项目12项、吉林省“双十工程”重大科技攻关项目、国家电网公司重大科技项目等纵横向项目100余项。60余项成果先后在国家电网、发电行业所属30余家企业推广应用。

研究成果获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖4项，二等奖7项，三等奖2项；授权和公开发明专利37项；发表学术论文447篇，SCI、EI收录278篇。

边竞(通信作者);1994—,男,硕士生;主要研究方向为柔性直流输电系统建模与仿真

王鹤;1983—,男,博士,副教授;主要研究方向为柔性直流输电技术的运行与控制