直流配電系統(tǒng)的柔性輸電線路功率控制

徐花美

摘 要：直流配電系統(tǒng)是未來配電系統(tǒng)可能廣泛采用的輸電技術(shù)，可提高可再生能源資源的普及率，減少輸電損耗，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。本文提出并研究了DC / DC變換器與傳輸線串聯(lián)的傳輸線功率控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種混合功率流量控制器（HPFC），為構(gòu)建未來的柔性直流輸電系統(tǒng)（FDCTS）邁出了一步。在本文中，HPFC是使用DC-DC轉(zhuǎn)換器開發(fā)的，用于調(diào)節(jié)流過特定DC傳輸線的功率，結(jié)果表明，高性能動(dòng)力電池可以重新安排MTDC電網(wǎng)的潮流，以提高直流支路的利用率。為了證明HPFC的適用性，將設(shè)備的性能引入到用于功率流控制目的的直流潮流公式中。

關(guān)鍵詞：直流配電系統(tǒng)；柔性輸電線路；功率控制

中圖分類號：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）13-0153-02

1 引言

19世紀(jì)初以來，交流電（AC）在電力傳輸系統(tǒng)中已經(jīng)占據(jù)了系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。然而，長距離輸電限制以及電力電子工業(yè)的發(fā)展使得直流（DC）輸電系統(tǒng)的發(fā)展成為了目前的研究熱點(diǎn)。1954年報(bào)道了第一例直流輸電系統(tǒng)工程：由ABB施工將哥特蘭島與瑞典大陸通過高壓直流（HVDC）傳輸線互聯(lián)的輸電工程。目前，全球有超過145個(gè)運(yùn)行的高壓直流輸電項(xiàng)目，主要用于遠(yuǎn)距離輸電。

目前來看，研究交直流電王的互聯(lián)和能量分配可能沒有必要，但是隨著未來電網(wǎng)的發(fā)展交流與直流的結(jié)合是必然的。電力系統(tǒng)中的這種新模式正在推動(dòng)發(fā)電技術(shù)和電力生產(chǎn)和使用方式的革命。在生產(chǎn)方面，無論是在偏遠(yuǎn)地區(qū)、還是遠(yuǎn)離城市的負(fù)荷中心中心，或者海上風(fēng)力發(fā)電場、本地的這樣的光伏（PV）系統(tǒng)，系統(tǒng)中負(fù)荷分布越來越分散，可再生能源發(fā)電量越來越多。另一方面，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流輸電的電壓等級越來越高，書店能力越來越強(qiáng)，遠(yuǎn)距離直流輸電越來越經(jīng)濟(jì)。

在上述背景之下，多終端直流（MTDC）電網(wǎng)逐漸發(fā)展起來，多端直流電網(wǎng)主要用于互連各種交流電網(wǎng)以及間歇發(fā)電資源，特別是海上風(fēng)電場或向分散的海島供電。目前對于MTDC的研究主要集中于通過MTDC電網(wǎng)將大量的海上風(fēng)電傳輸?shù)浇涣麟娋W(wǎng)中。此外，歐盟正在正在努力開發(fā)以MTDC電網(wǎng)為骨干的“歐洲超級電網(wǎng)”。MTDC電網(wǎng)發(fā)展中的主要挑戰(zhàn)主要計(jì)中在如何中斷高直流電流以及如何升高/降低直流電壓兩個(gè)方面。理論上，這兩個(gè)問題通過使用能夠關(guān)斷大電流的直流變壓器或更高耐壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器來克服。此外，將DC-DC轉(zhuǎn)換器納入MTDC電網(wǎng)具有許多優(yōu)勢，例如可以提高直流電網(wǎng)中的功率流控制方面的靈活操作。目前在設(shè)計(jì)高容量（即MW尺寸）DC-DC轉(zhuǎn)換器方面也進(jìn)行了許多研究。由于DC-DC轉(zhuǎn)換器允許在穩(wěn)態(tài)操作中有效且可靠地控制MTDC電網(wǎng)的功率流動(dòng)，因此它們的作用可以與靈活的AC傳輸系統(tǒng)（FACTS）相比較。在交流電網(wǎng)中應(yīng)用FACTS的成功經(jīng)驗(yàn)可以轉(zhuǎn)化到MTDC電網(wǎng)的控制中，以提高M(jìn)TDC電網(wǎng)的可控性。這必然會(huì)帶來柔性直流輸電系統(tǒng)（FDCTS）的發(fā)展，作為MTDC電網(wǎng)中功率流控制的一種有前途的解決方案，使多端直流系統(tǒng)具有更大的靈活性[1]。

本文旨在通過提出利用DC-DC轉(zhuǎn)換器開發(fā)混合功率流控制器（HPFC）作為FDCTS在MTDC電網(wǎng)中提供功率控制的設(shè)備。本文介紹了FDCTS的主要原理及其對直流電源系統(tǒng)的好處，并提出了HPFC作為FDCTS設(shè)備。介紹了將HPFC集成到直流潮流程序中用于電力潮流控制的目的。為了證明FDTCS的能力，進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真分析驗(yàn)證。

2 DC配電網(wǎng)輸電線路功率控制

類似于交流電力系統(tǒng)中的FACTS，可以在直流電網(wǎng)中采用靜態(tài)設(shè)備來控制一個(gè)或多個(gè)直流輸電系統(tǒng)參數(shù)，以增強(qiáng)電網(wǎng)的可控性。因此，可以開發(fā)FDCTS以提供更靈活的MTDC電網(wǎng)中的潮流控制。FDCTS包括多種靜態(tài)元件，能夠提供以下功能[2]：

（1）在指定的直流母線上操作直流電網(wǎng)的電壓。（2）控制和調(diào)整流過指定DC線路的功率。目前，對著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，DC-DC轉(zhuǎn)換器（或DC變壓器）可以提供上述功能。通過調(diào)節(jié)DC-DC變換器變比，可以調(diào)節(jié)變換器一端的電壓或流過變換器的功率。實(shí)際上，DC-DC轉(zhuǎn)換器為直流電網(wǎng)的控制增加了一定的自由度。這與交流電力系統(tǒng)中變壓器分相變壓器類似。因此，大容量DC-DC變換技術(shù)是發(fā)揮FDCTS設(shè)備作用的可行解決方案。

本文提出了一種基于DCDC轉(zhuǎn)換技術(shù)的級聯(lián)型潮流控制器混合功率流控制器混合功率流控制器（HPFC）由一個(gè)多電平DC-DC轉(zhuǎn)換器組成，在相應(yīng)的直流母線上安裝了混合連接方案（即串并聯(lián)方案），基于其連接方案，HPFC通過向受控DC線路施加串聯(lián)電壓，允許通過DC傳輸線路進(jìn)行功率流量控制。需要注意的是，對于雙極直流系統(tǒng)，每個(gè)極上必須安裝一個(gè)HPFC。HPFC能夠通過調(diào)節(jié)其變壓比來控制流經(jīng)連接到母線k的傳輸線的功率。基于HPFC的連接方式，該設(shè)備應(yīng)該能夠承受傳輸線的額定電流，但與相應(yīng)的直流母線電壓相比，具有小得多的額定電壓。

3 DC-DC變換器分析

用于電力系統(tǒng)研究的HPFC模型如前所述，所提出的HPFC是專用于控制通過DC傳輸線路的功率的DC-DC轉(zhuǎn)換器。但是，為了將HPFC納入電力系統(tǒng)的研究和分析，必須對其進(jìn)行建模分析。需要指出的是，這種類型的建模通常適用于各種電力電子轉(zhuǎn)換器。對于穩(wěn)態(tài)分析和研究，電容和電感的影響消失。

FDCTS包括基于靜態(tài)電力電子元件的元件，用于在MTDC電網(wǎng)中提供電壓調(diào)節(jié)，功率控制和潮流控制。目前一些研究集中在使用DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行MTDC電網(wǎng)潮流控制。 然而，這些研究幾乎集中在提出電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和低級別控制器，但沒有太多的研究這種轉(zhuǎn)換器對電源系統(tǒng)研究的影響，例如轉(zhuǎn)換器的低電平控制。需要將HPFC納入電力潮流計(jì)劃，以考慮其對流經(jīng)直流線路的電力的影響。為了將HPFC納入電力潮流計(jì)劃，有必要修改直流潮流。實(shí)際上，HPFC將為電力潮流增加一定的自由度，從而允許控制電網(wǎng)中的能量。

在直流潮流問題中必須考慮冗余母線，負(fù)責(zé)保證電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡。由于預(yù)先指定了松弛母線的直流電壓，因此它將從潮流方程中消除。 因此，潮流方程的數(shù)量減少到N-1。牛頓-拉夫遜（NR）方法廣泛應(yīng)用于交流電力系統(tǒng)中的潮流問題。由于與MTDC潮流相比，交流潮流問題的方程式數(shù)量以及約束條件更高，因此NR方法可以為MTDC電網(wǎng)中的潮流問題提供滿意的解決方案[3]。

4 仿真分析驗(yàn)證

FDCTS設(shè)備能夠增強(qiáng)直流電網(wǎng)的可控性，本文在CIGRE B4直流電網(wǎng)測試系統(tǒng)上進(jìn)行靜態(tài)模擬。在本文中，通過一個(gè)由直流母線電壓為±400kV的雙極VSC-HVDC站組成的五端網(wǎng)狀網(wǎng)格用于評估所提出的控制策略。電網(wǎng)的基本功率和電壓分別為500MW和800kV。DC-DC轉(zhuǎn)換器安裝在直流母線Bb-B4和Bb-B4s之間。該轉(zhuǎn)換器在DCS3中扮演HPFC的角色，并通過直流母線Bb-B1和BbB4s之間的直流線路提供功率控制。

在靜態(tài)模擬中，首先，HPFC的變換比率保持為零，因此HPFC不能配合進(jìn)行潮流控制。通過將NR方法應(yīng)用于當(dāng)前的直流潮流問題，可以得到DCS3中所有母線的直流電壓和凈注入功率。其次，從Bb-B1流向Bb-B4的功率設(shè)為0.5pu（注意流過這條線路的功率在基本情況下為0.3657pu），而其他功率流假設(shè)即DCS3總線中的發(fā)電和消耗滿意。基于功率流解決方案，HPFC變比必須設(shè)置為0.002，以實(shí)現(xiàn)通過Bb-B1和Bb-B4之間直流線路的理想功率。雖然從Bb-B1流向Bb-B4的功率已調(diào)整為0.5pu，但所有直流母線中的凈充電功率與基本情況相同。

在此模擬中，在t=5s之前，通過HPFC的調(diào)節(jié)作用，流經(jīng)Bb-B1和Bb-B4之間的線路的功率保持在0.5pu。在t=5s時(shí)，輔助控制執(zhí)行新的直流潮流，以將Bb-B1和Bb-B4之間的線路傳輸?shù)墓β收{(diào)整為0.4pu。HPFC的轉(zhuǎn)化率必須調(diào)整到0.00058，通過受控線路的功率已達(dá)到0.4pu的新參考值，從而證明了控制系統(tǒng)的理想性能。

5 結(jié)語

本文提出了一種用于多端直流電網(wǎng)中的潮流控制和功率調(diào)節(jié)的混合潮流控制器。作為柔性DC傳輸系統(tǒng)的元件之一的HPFC具有到電網(wǎng)的混合連接方案（即，串并聯(lián)），并且通過向受控DC線施加串聯(lián)電壓而允許通過DC傳輸線的電力流控制。最后，將通過動(dòng)態(tài)模擬證明所提出的HPFC能夠控制通過特定DC傳輸線的功率流。本文提出的HPFC設(shè)計(jì)思路受靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）設(shè)備成功運(yùn)行的啟發(fā)，F(xiàn)DCTS包含基于靜態(tài)功率電子元件的元件，用于在多端DC（MTDC）中提供電壓調(diào)節(jié)，功率控制和負(fù)載能量控制。作為FDCTS的一種設(shè)備，HPFC具有混合連接方案（即串聯(lián)-并聯(lián)），并通過向受控DC線施加串聯(lián)電壓來對通過DC傳輸線的能量進(jìn)行控制。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣智化，劉連光，劉自發(fā)，張曉晴.直流配電網(wǎng)功率控制策略與電壓波動(dòng)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，（04）：919-926.

[2]張旭輝，溫旭輝，趙峰.電機(jī)控制器直流側(cè)前置雙向Buck/Boost變換器的直接功率控制策略研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，（33）：15-22.

[3]劉一琦.多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.