張成泉，鄒貴彬，張 爍，魏秀燕

適用于多端柔性直流電網(wǎng)的潮流控制器

張成泉，鄒貴彬，張 爍，魏秀燕

(山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

多端柔性直流電網(wǎng)以優(yōu)良的性能在清潔能源消納方面發(fā)揮了重要作用，但其潮流難以靈活控制，需引入潮流控制器來改善潮流分布。對此，提出了一種適用于多端柔性直流電網(wǎng)的新型直流潮流控制器，其具有配置成本低、調(diào)節(jié)范圍廣和運行損耗小的優(yōu)勢。潮流控制器利用全控型開關(guān)動態(tài)投切電容、電阻來改變線路等效電阻，實現(xiàn)了潮流控制功能。此外，設(shè)計了含電壓限制環(huán)節(jié)和電流差增益環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，降低了拓?fù)涞呐渲贸杀竞瓦\行損耗。最后，通過電磁暫態(tài)仿真與低壓物理試驗驗證了所提直流潮流控制器的有效性與可行性。

多端柔性直流電網(wǎng)；潮流控制器；控制策略；參數(shù)選擇；模塊化結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著環(huán)境惡化和化石能源短缺問題日益凸顯，太陽能、風(fēng)能等清潔能源越來越受到青睞。目前，基于電壓源換流器(voltage source converter, VSC)的多端柔性直流輸電技術(shù)具備有功無功快速獨立可控、無需無功補(bǔ)償、輸送容量大和輸送距離遠(yuǎn)等優(yōu)點[1-5]，在新能源消納和傳輸方面展現(xiàn)了獨特的優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景[6-10]。

多端柔性直流電網(wǎng)中的VSC型換流站具備良好的可控性，當(dāng)系統(tǒng)中線路較少時，可以通過換流站級的控制在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)潮流[11-13]。主從控制的直流電網(wǎng)可以通過上層能量管理調(diào)節(jié)系統(tǒng)的潮流分布，下垂控制的直流電網(wǎng)可以通過設(shè)備自身的調(diào)節(jié)實現(xiàn)潮流控制。但當(dāng)線路數(shù)目()大于換流站數(shù)目()時，部分線路(-+1)的潮流僅通過換流站級是無法進(jìn)行控制的，此時電網(wǎng)需要配置直流潮流控制器(current flow controller, CFC)來合理分配系統(tǒng)的潮流。電網(wǎng)配置直流潮流控制器具有以下優(yōu)勢：1) 可以實現(xiàn)電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)運行；2) 在不增設(shè)輸電走廊的情況下，增加系統(tǒng)的傳輸容量，降低輸電通道建設(shè)的投資；3) 重新分配功率，避免線路功率越限，提高系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性；4) 優(yōu)化系統(tǒng)的潮流分布，減少電能傳輸過程的損耗。

文獻(xiàn)[14-20]提出了不同的直流潮流控制器拓?fù)?，根?jù)運行原理，其可以分為可變電阻型、DC/DC變換型和線間直流潮流控制器。可變電阻型直流潮流控制器通過改變線路電阻來控制潮流，如文獻(xiàn)[16]通過全控型開關(guān)調(diào)節(jié)電阻串入線路的時間來改變線路的等效電阻，進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的潮流，該方案簡單，但調(diào)節(jié)能力有限。DC/DC變換型直流潮流控制器通過在直流線路中串入可調(diào)的直流電壓來控制線路潮流，如文獻(xiàn)[17]利用模塊化多電平換流器(modular multi-level converter, MMC)獲得直流電壓，實現(xiàn)了線路潮流的雙向控制。但該方案成本高，且易受外部系統(tǒng)影響。而線間直流潮流控制器可以控制相鄰線路進(jìn)行功率交換，避免了與外部系統(tǒng)的聯(lián)系。H橋型線間直流潮流控制器由電容和8組全控型開關(guān)組成[18]，利用開關(guān)控制電容在線路上動態(tài)投切，等效在線路上施加了可調(diào)的電壓源，達(dá)到潮流控制的目的。但該方案控制復(fù)雜，且需要較多昂貴的全控型開關(guān)。

基于上述問題，本文提出了一種適用于多端柔性直流電網(wǎng)的潮流控制器。首先，本文詳細(xì)介紹了潮流控制器的拓?fù)渑c運行原理；然后，給出了潮流控制器的控制策略；同時，利用電磁暫態(tài)仿真模型和低壓物理試驗平臺分別驗證了潮流控制器的運行效果。最后，通過與其他直流潮流控制器對比，證明了本文所提方案的優(yōu)勢。其邏輯架構(gòu)如圖1所示。

圖1 邏輯架構(gòu)圖

1 潮流控制器拓?fù)渑c運行原理

本文提出的潮流控制器由整流橋和潮流控制模塊(current flow controller module, CFCM)組成，其完整拓?fù)浜偷刃負(fù)淙鐖D2所示。其中：整流橋由4組二極管構(gòu)成，為電流提供了一個雙向的低損耗通路；潮流控制模塊包括電容CP、二極管DP、電阻RP和絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)構(gòu)成的開關(guān)SP。

圖2 潮流控制器拓?fù)浜偷刃負(fù)?/p>

如圖3(b)所示，開關(guān)SP導(dǎo)通時，線路電流會通過開關(guān)SP，二極管DP承受反向電容電壓關(guān)斷，電容通過開關(guān)SP和電阻R放電，電容電壓呈指數(shù)下降。

式中，和分別為電容放電過程的起始電壓和結(jié)束電壓。

開關(guān)SP關(guān)斷時，潮流控制器的電壓為電容電壓；開關(guān)SP導(dǎo)通時，潮流控制器的電壓為0(忽略開關(guān)的壓降)。因此，可以用潮流控制器在一個周期內(nèi)的平均電壓作為其等效電壓。

由式(5)可知，在確定潮流控制器各元件的參數(shù)后，潮流控制器可以視為受開關(guān)SP占空比影響的可變電阻。

假設(shè)直流潮流控制器應(yīng)用于多端網(wǎng)格狀柔性直流系統(tǒng)(圖4)，各潮流控制器可以協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)潮流。為了便于分析，對直流系統(tǒng)進(jìn)行了以下簡化[15]：1) 直流電網(wǎng)采用主從控制策略；2) 換流站MMC0為電壓主站，采用定電壓控制，視為理想電壓源；3) 換流站MMC1—MMC為功率從站，采用定功率控制，視為理想電流源；4) 忽略電力電子開關(guān)的導(dǎo)通壓降；5) 輸電線路采用電阻等效。

圖4 直流系統(tǒng)簡化圖

矩陣形式為

將式(8)代入式(9)可得：

2 潮流控制器控制策略

潮流控制器采取的控制策略如圖5所示。開關(guān)SP1—SPn的控制信號為S1—S，選取電流作為控制目標(biāo)，采用電流負(fù)反饋控制。潮流控制器的開關(guān)SP需承受電容上的最大電壓，電容最大電壓越高，則開關(guān)SP串聯(lián)的IGBT數(shù)目也越多，潮流控制器的配置成本也越高。因此為了降低潮流控制器的配置成本，電容最大且電壓不能過高。由式(3)可知，電容最大，電壓與占空比成反比，若要潮流控制器電容最大電壓Cmax≤rc，則開關(guān)SP的占空比應(yīng)該滿足≥min。因此控制系統(tǒng)增加了電壓限制環(huán)節(jié)，電壓限制環(huán)節(jié)可以將開關(guān)SP的占空比限制在min到1之間，降低了潮流控制器的配置成本。

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時換流站MMC1—MMC吸收功率恒定，為滿足功率平衡的要求，換流站MMC0輸出的總功率必須恒定，并且MMC0采用定電壓控制，其電壓恒定，因此MMC0輸出的電流恒定。對于MMC0的條出線，為了滿足功率平衡的要求，只有-1個電流可以獨立控制。因此，控制系統(tǒng)選擇第條線路作為平衡點來滿足功率平衡的要求。

圖5 控制策略方框圖

3 仿真分析

3.1 仿真模型

為了驗證潮流控制器的有效性，本文在PSCAD/EMTDC中搭建了四端MMC-HVDC仿真模型，如圖6所示。四端柔性直流電網(wǎng)模型采用主從控制策略，換流站MMC0為電壓主站，采用定電壓控制；換流站MMC1—MMC3為功率從站，采用定有功功率控制。各換流站出口處均配置限流電感(100 mH)，直流線路采用分布式依頻模型[21]。換流站MMC0的所有出線均配置本文提出的潮流控制器，系統(tǒng)的部分參數(shù)如表1所示。

圖6 四端MMC-HVDC仿真模型

3.2 仿真結(jié)果

為了驗證直流潮流控制器的有效性和可行性，進(jìn)行了如下3個階段的仿真。

1)＜1 s

直流潮流控制器在0～1 s內(nèi)運行在旁路模式，各潮流控制模塊的開關(guān)SP保持導(dǎo)通，潮流控制器僅作為低損耗的雙向通路。此時，潮流分布只受系統(tǒng)參數(shù)的影響，各線路電流為：0= 3.9 kA,01= 1.29 kA,02= 1.57 kA,03= 1.04 kA，如圖7所示。

表1 仿真模型參數(shù)

圖7 Line01—Line03電流

2) 1 s ＜＜ 3 s

1 s時，利用潮流控制器將線路Line01—Line03的電流控制到相同的值(1.3 kA)。在控制系統(tǒng)的作用下，電流迅速被控制到目標(biāo)值，如圖7所示。由控制系統(tǒng)部分的分析可知，此時潮流控制器CFC3的電流差增益E3應(yīng)該為1，開關(guān)SP3保持導(dǎo)通，開關(guān)SP1—SP3的控制信號S1—S3如圖8(a)所示(這里選取2 s的仿真波形，此時系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定)，仿真結(jié)果證明了所提控制系統(tǒng)的有效性。

潮流控制器中電容的電壓C1—C3和電流C1—C3分別如圖8(b)和圖8(c)所示，開關(guān)SP關(guān)斷時，線路電流給電容充電，電容電流為恒定的線路電流，電容電壓線性上升，且上升速率為/；開關(guān)SP導(dǎo)通時，電容通過電阻和開關(guān)SP構(gòu)成RC放電回路，電容電流反相且呈指數(shù)上升，電容電壓呈指數(shù)下降。潮流控制器穩(wěn)定運行后，電容充電結(jié)束，電壓等于放電起始電壓，電容電壓維持動態(tài)穩(wěn)定。

開關(guān)SP的電壓S1—S3和電流S1—S3如圖8(d)與圖8(e)所示。開關(guān)SP關(guān)斷時，SP的電壓與電容電壓相同，電流為0；開關(guān)SP導(dǎo)通時，SP的電壓為0，SP的電流為線路電流和電容電流之和。潮流控制器中各元件電氣量的仿真結(jié)果均與理論分析部分吻合。

3) 3 s ＜＜ 5 s

3 s時，潮流控制器再次將線路Line01和Line02的電流控制到相同的值(1.43 kA)。

圖8 仿真結(jié)果

4 試驗分析

4.1 試驗電路

為了驗證潮流控制器的功能，搭建了如圖9所示的低壓物理試驗電路。試驗中電流僅單向流動，所以可以省略由二極管構(gòu)成的電流橋。試驗采用電阻L和電感L的串聯(lián)模型模擬輸電線路，利用直流電源dc替代換流站MMC0，負(fù)載1—3替代換流站MMC1—MMC3。為了抑制故障電流的上升速率，在電源出口處配置了限流電感。同時，試驗電路設(shè)置了保護(hù)開關(guān)Sctr，若試驗發(fā)生故障，可及時切斷電路。試驗電路的其他參數(shù)見表2，電路對應(yīng)的低壓物理試驗平臺如圖10所示。

圖9 低壓試驗電路

表2 低壓試驗電路參數(shù)

圖10 低壓物理試驗平臺

4.2 參數(shù)試驗

潮流控制器的運行效果與電阻、電容的大小有關(guān)，為了使潮流控制器獲得較大的電流調(diào)節(jié)范圍和較低的配置成本，首先要選取合適的電阻值和電容值。因此，進(jìn)行了如下參數(shù)試驗，檢驗電阻和電容對潮流控制器運行特性的影響，試驗結(jié)果如圖11和圖12所示。

電阻對潮流控制器控制范圍和電容最大電壓的影響如圖11所示，電阻取值為0.5W、1W、2W、5W、10W、20W、30W、40W、50 Ω。由于占空比有最小值限制，所以電阻越大，電流的控制范圍越大。隨著占空比的增大，潮流控制器電容最大，電壓先增大后減小，即電容最大時電壓存在最大值，且電阻越大電容最大，電壓的最大值越高，潮流控制器的配置成本也越高。

圖11 電阻對潮流控制器運行特性的影響

圖12 電容對潮流控制器運行特性的影響

電容對潮流控制器控制范圍和電容最大電壓的影響如圖12，當(dāng)有占空比限制時，電容(3.3 μF、5 μF、10 μF、15 μF、20 μF、30 μF、40 μF、50 μF、60 μF)越大，電流的控制范圍越小，電容最大電壓的最大值也越小。

綜合考慮試驗要求，潮流控制器的電阻選擇1 Ω，電容選擇30 μF，既保證了潮流控制器有較大的電流調(diào)節(jié)范圍，又降低了其配置成本。

4.3 試驗驗證

為了驗證潮流控制器的有效性，進(jìn)行了試驗驗證，與仿真類似試驗也分為3個階段。

1)＜1 s

試驗開始時，電源開關(guān)Tp、Sctr、SP1—SP3導(dǎo)通，潮流控制器僅為線路電流提供低損耗的通路，線路電流僅受電路參數(shù)的影響，各支路電流為：0= 3.11 A,01= 1.04 A,02= 1.21 A,03= 0.86 A，如圖13所示。

圖13 Line01—Line03電流

2) 1 s ＜＜ 3 s

1 s時，潮流控制器將3條線路電流控制在相同值。在控制系統(tǒng)的作用下電流迅速達(dá)到目標(biāo)值，如圖13所示。圖14中：C1—C3為電容電壓；C1—C3為電容電流，S1—S3為開關(guān)P的電壓；S1—S3為開關(guān)SP的電流(這里選取2 s的試驗波形，此時試驗已經(jīng)穩(wěn)定)。由于試驗中的IGBT沒有配置緩沖電路，因此IGBT動作時會產(chǎn)生沖擊電壓，如圖14(c)所示。開關(guān)SP關(guān)斷時，線路電流通過二極管給電容充電(電阻被二極管短路)，電容電流為恒定的線路電流(圖14(b))，電容電壓線性上升(圖14(a))。開關(guān)SP導(dǎo)通時，電阻和SP構(gòu)成電容的放電回路，電容電流反向且呈指數(shù)上升，但電容電壓呈指數(shù)下降。SP兩端電壓為0，流過SP的電流為線路電流與電容放電電流之和，如圖14(d)所示。

3) 3 s ＜＜ 5 s

3 s時，潮流控制器將線路Line01和Line02的電流控制到1.28 A。如圖13所示，在控制系統(tǒng)的作用下，電流迅速穩(wěn)定在目標(biāo)值。

5 對比分析

圖14 試驗結(jié)果

5.1 配置成本

4種方案中潮流控制器的IGBT均應(yīng)能承受電容最大電壓。方案三和方案四中的二極管僅作為負(fù)荷通路無需承壓，因此只滿足電流要求即可。為了便于比較，方案三中的直流旁路開關(guān)由IGBT代替。假設(shè)電容的最大電壓rc= 6.8 kV，IGBT及二極管的額定電壓分別為igbt、d，則各個方案的配置成本如表3所示。由于IGBT的成本為二極管的十幾倍，因此本文所提拓?fù)涞呐渲贸杀咀畹汀?/p>

表3 配置成本

5.2 控制范圍

潮流控制器最重要的作用是控制線路的潮流，因此電流調(diào)節(jié)范圍是衡量潮流控制器性能優(yōu)劣最重要的指標(biāo)。由于方案一-至方案三的運行原理基本相同，均通過在線路中串入可調(diào)的等效電壓源來控制線路的電流，3種方案的潮流控制范圍相同，因此僅分析線間直流潮流控制器(方案一)的電流控制范圍。在控制系統(tǒng)的作用下線間直流潮流控制器等效電壓源的變化范圍為-0.5rc≤eq≤0.5rc，此時線路電流01和02的變化范圍如圖15所示。

圖15 電流控制范圍

本文所提潮流控制器通過調(diào)節(jié)線路的等效電阻來控制線路的潮流。但為了降低潮流控制器的配置成本，潮流控制器的電容最大電壓Cmax≤rc，為了滿足上述要求，開關(guān)SP的占空比會有所限制，此時線路電流01和02的調(diào)節(jié)范圍如圖16和圖17所示。

各個方案中電流的控制范圍(可控制達(dá)到的電流最大值減最小值)如表4所示，相較于其他潮流控制器拓?fù)?，本文所提拓?fù)鋵㈦娏骺刂品秶鷶U(kuò)大了16.81%。

圖16 電流I01的調(diào)節(jié)范圍

圖17 電流I02的調(diào)節(jié)范圍

表4 控制范圍

5.3 功率損耗

除了配置成本和控制范圍外，4種方案在功率損耗上也有所差異。系統(tǒng)的潮流無需控制時，各方案中潮流控制器的損耗主要為開關(guān)的通態(tài)損耗。

假設(shè)系統(tǒng)正常運行時環(huán)境溫度為25°C，則IGBT、反并聯(lián)二極管及二極管的導(dǎo)通壓降v.igbt、v.d、v.D分別為1.95 V、1.40 V、1.31 V[24]。當(dāng)系統(tǒng)潮流不受控時，各個方案中潮流控制器的損耗分別為36.18 kW、36.44 kW、18.09 kW、25.43 kW。

潮流控制功能投入時，方案一和方案二的IGBT全部開始斬波，因此兩種方案的運行損耗均為IGBT的開關(guān)損耗。方案三的運行損耗包括4組IGBT及其串聯(lián)的二極管的開關(guān)損耗。方案四的運行損耗為IGBT的開關(guān)損耗及電阻的能量損耗，還有其他開關(guān)的導(dǎo)通損耗。

4種方案的運行損耗如圖18所示，相較于其他方案，當(dāng)線路電流在自然運行點附近小范圍調(diào)節(jié)時，本文所提拓?fù)涞倪\行損耗更小。

圖18 運行損耗

6 結(jié)論

針對多端柔性直流電網(wǎng)潮流無法靈活控制的問題，本文提出了一種潮流控制器，實現(xiàn)了多端直流電網(wǎng)潮流雙向控制。本文提出的潮流控制器可以等效為受開關(guān)占空比控制的可變電阻，通過多條線路的相互配合實現(xiàn)了潮流在線路間的合理分配。本文通過四端柔性直流電網(wǎng)模型和低壓物理試驗對其有效性進(jìn)行了驗證。最終，得出以下結(jié)論：

1) 理論分析、仿真結(jié)果及試驗數(shù)據(jù)表明本文所提拓?fù)溥m用于多端柔性直流電網(wǎng)的應(yīng)用場景，可以實現(xiàn)潮流的雙向控制。

2) 本文設(shè)計的含電壓限制環(huán)節(jié)和電流差增益環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)降低了潮流控制器的配置成本和運行損耗。此外，通過試驗合理選取元件參數(shù)，增大了電流的控制范圍。

3) 相較于其他直流潮流控制器，本文所提拓?fù)洳捎媚K化設(shè)計、配置成本低，潮流控制范圍大，且小范圍調(diào)節(jié)電流時功率損耗小。

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A current flow controller suitable for MTDC grids

ZHANG Chengquan, ZOU Guibin, ZHANG Shuo, WEI Xiuyan

(School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China)

The multi-terminal flexible DC grid has an important role in integrating renewable energy owing to its excellent advantages. However, the current flow in a multi-terminal flexible DC grid cannot be controlled flexibly, so a current flow controller is required to improve the distribution. Therefore, this paper presents a new topology of current flow controller suitable for a multi-terminal flexible DC grid. It has the advantages of low implementation cost, wide adjustment range, and low operational power loss. The current flow controller uses the switch to dynamically insert the capacitance and resistance to change the line equivalent resistance. This realizes the current flow control function. The control system including voltage limiting link and current difference gain link is designed to reduce the implementation cost and operational power loss. Finally, the effectiveness and feasibility of the proposed DC current flow controller are verified by electromagnetic transient simulation and low voltage physical experiment.

multi-terminal flexible DC grid; current flow controller; control strategy; parameter selection; modular structure

10.19783/j.cnki.pspc.226439

國家自然科學(xué)基金項目資助(52077124)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52077124).

2021-12-01；

2022-03-15

張成泉(1996—)，男，碩士，研究方向為直流電網(wǎng)保護(hù)與控制；E-mail: 3227515528@qq.com

鄒貴彬(1971—)，男，通信作者， 博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)保護(hù)與控制。E-mail: guibinzou@ sdu.edu.cn

(編輯 姜新麗)