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

2.2 直流潮流控制器

随着直流电网结构的日益复杂,仅靠系统级控制可能无法更好地控制直流电网内流通的功率。面对直流电网控制自由度不足的问题,有必要引入直流潮流控制器对整个网络的潮流进行优化分配。直流潮流控制器按原理主要划分为电阻型和电压型2种,通过改变网络导纳矩阵参数和改变支路电压参数对潮流分布进行调节。拓扑结构是直流潮流控制器的根本,本节首先介绍了直流潮流控制器的拓扑结构,其次介绍了选址等相关研究。

2.2.1DCPFC的工作原理

将直流潮流控制器的分类进行细化,并分别介绍它们的实现原理。电阻型直流潮流控制器仅包括可变电阻型,电压型直流潮流控制器可具体分为：DC/DC变换型、辅助电压源型、线间直流潮流控制器以及电流潮流控制器。

（1）可变电阻型

可变电阻型能够在直流线路中串入不同阻值的电阻,通过改变线路电阻实现潮流控制。等效拓扑结构如图4所示,它是由多个不同阻值的电阻R1—Rn串联组成,通过开关S1—Sn的投切来改变线路的电阻,其中RL为直流线路电阻。

文献[46]提出了采用双向半导体作为开关的方法,绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和二极管串联组成一个单元,2个单元反向并联即构成半导体开关,如附录图1所示。该结构不但可以实现功率控制,还可以保证功率的双向传输。此外,其还将电阻型和电压型DCPFC进行了对比。文献[47]利用机械开关和电阻构成直流潮流控制器,并在其中加入了避雷器对其进行保护,如附录图2所示。

可变电阻型潮流控制器的结构和控制比较简单,但电阻作为消耗型器件,需要额外消耗有功功率,且电阻只能调节潮流大小而不能改变潮流方向,在实际应用中一般不予考虑。

（2）DC/DC变换型

DC/DC变换型直流潮流控制器是在直流线路中串入直流变压器,将一端口直流电压U1微调成二端口电压U2,相当于在直流线路中串入电压U1-U2,进而实现潮流控制,拓扑结构及接入方式见图5。

文献[48]提出了利用电容和4个半导体开关构成简易的DC/DC变换器,如附录图3所示,通过导通比实现电压的变换,具有结构简单、经济性好的优点,但难以用于高压大容量直流电网。文献[49-50]介绍了一种双有源桥的拓扑结构,如附录图4所示,采用直流电压偏差的控制策略,实现了直流电压变换、功率双向流动、故障隔离等功能。文献[51]在文献[49]的基础上把潮流控制器应用在海上直流风电场,通过移相控制使其在满载的情况下有很高的效率。文献[52]针对DC-DC变换型DCPFC提出了新型的控制策略,外环控制使用新型的下垂控制,其保证了直流电网的暂态稳定;内环控制使用改进型的直流潮流算法,其保证了直流电网的稳态运行。为了减少运行成本、简化潮流控制器的结构,文献[53-55]均提出了利用模块化多电平换流器（MMC）省去中间交流变压器的拓扑结构。前2者建立了类似于自耦变压器的拓扑结构,如附录图5所示,利用混合型子模块桥臂实现电压变换,通过载波交替反向层叠PWM控制消去桥臂交流分量,在共模电感的滤波作用下输出可控的直流电压,既减少了成本,又降低了损耗。后者利用半桥和全桥子模块相结合的桥臂构成环状结构以实现电压变换。文献[56-57]给出了DC/DC变换器的控制策略并利用牛顿法研究了其对直流电网潮流的调节效果。

DC/DC变换型直流潮流控制器能够实现潮流的双向控制且具有故障阻断能力。同时,DC/DC变换器还可以连接不同电压等级的直流电网,具有广泛的应用前景。但是DC/DC变换器的结构复杂,一般需要交流变压器实现电压变换,成本较高。

（3）辅助电压源型

辅助电压源型直流潮流控制器相当于在直流线路中串入一个大小和极性均可调的直流电压源,它一般由交流变压器和整流器组成,整流器的两端以串联的形式接入到直流线路中,等效拓扑结构如图6所示。因直流线路上压降很小,串入很小的直流电压就能够实现潮流控制。

文献[58-59]使用2个反向并联的三相六脉动晶闸管作为串入直流线路中的整流器,如附录图6所示,其能够在线路中串入正的或负的电压以调节线路电压来控制直流电网潮流分布。但当直流线路发生故障时,晶闸管会承受很高的暂态电压,极易损坏。针对此情况,文献[60]提出了一种基于全桥模块化多电平换流器的直流潮流控制器,如附录图7所示。由于桥臂是由多个全桥子模块SM级联所组成的系统,可以承受很高的电压而不被击穿。文献[61]提出了由IGBT整流器和四象限运行的斩波电路组成的拓扑结构,如附录图8所示,通过控制整流器的运行以及确定斩波电路中开关的通断,能够更加灵活地改变线路的潮流。文献[62]提出了如图7所示的辅助电压源型DCPFC,其从直流电网中取能,但整流侧需多个IGBT串联以承担很高的直流电压,增加了运行损耗。

图4 可变电阻型等效拓扑结构

图5 DC/DC变换型拓扑结构

图6 辅助电压源型等效拓扑结构

辅助电压源型直流潮流控制器避免了承受系统级的直流电压,额定容量较小且潮流的调控空间较大,使其损耗较小、更加灵活。但它普遍需要从交流取能,增加了系统复杂性和交流绝缘成本。

（4）线间直流潮流控制器

线间直流潮流控制器相当于在线路中串入可调的直流电压源,线路中的“直流电压源”之间能够进行功率交换来维持直流电压稳定。与串联电压源型控制器相比,避免了连接于外部的交流电源,不需要承受交流电网的高电压,有良好的应用前景。等效拓扑结构如图8所示,其中Ux、Uy分别为串入到不同直流电路的直流电压。

文献[63]提出了一个简单的线间直流潮流控制器的拓扑结构,如附录图9所示,利用电容串入直流电压,通过控制开关的开断,经电感进行功率交换。然而当线路潮流反转时,该控制器不能及时的进行调解,应用范围有限。文献[64-65]针对文献[63]的缺陷,研制了一种改进型的线间直流潮流控制器拓扑,如附录图10所示,采用2个反并联的IGBT并且通过开关的控制以及电感的耦合作用使能量在线间相互传输,且能够控制潮流的反转。由于每个开关都串联了二极管,但电流只能单向流动,容易出现断续。文献[66]提出了耦合和IGBT相结合的拓扑结构,较文献[64-65]结构更简单,同样能够实现功率的双向传输,且不会造成额外的纹波。文献[67]提出的拓扑结构在2条直流线路之间加入电容,将交流电压整流成的直流电压加在该电容上,并使电容电压在2条线路当中分配,相当于串入2个可调节的电压源,其并不需要与交流侧进行能量的交换,且增大了电压的调节范围。

（5）电流潮流控制器

图7 直流侧取能辅助电压源型