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隨著化石能源的日益枯竭，可再生能源發(fā)電越來(lái)越受到人們的關(guān)注，傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)在可再生能源發(fā)電并網(wǎng)和功率外送方面存在諸多瓶頸。柔性直流輸電技術(shù)在海上風(fēng)功率外送、非同步電網(wǎng)互聯(lián)以及區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)等方面具有良好的應(yīng)用前景，是解決可再生能源接入的有效手段之一，受到工作人員的廣泛關(guān)注。

然而，在多端柔性直流輸電系統(tǒng)或直流電網(wǎng)中，各個(gè)換流站間可能會(huì)存在多條輸電線路，使直流線路的條數(shù)大于或等于換流站數(shù)量。在該情況下，將出現(xiàn)部分線路潮流無(wú)法由換流站獨(dú)立控制，即直流電網(wǎng)潮流控制自由度不足，由此導(dǎo)致線路的輸電能力受限甚至過(guò)載，影響直流電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全性。直流潮流控制器（DC Power Flow Controller, DCPFC）能夠增加直流電網(wǎng)的控制自由度，實(shí)現(xiàn)對(duì)每條輸電線路潮流的靈活控制。

由于直流電網(wǎng)的物理量?jī)H包括線路電阻和電壓大小，并不存在交流電網(wǎng)中的電抗和電壓相角，故直流潮流控制器主要分為電阻型和電壓型。

有學(xué)者提出了采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和機(jī)械開(kāi)關(guān)的電阻型直流潮流控制器，其通過(guò)在直流線路中串入不同阻值的電阻進(jìn)而實(shí)現(xiàn)潮流控制。電阻型直流潮流控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易控制，但會(huì)產(chǎn)生額外的功率損耗且不能改變潮流方向，應(yīng)用場(chǎng)景受限。

電壓型直流潮流控制器主要包括直流變壓器型、輔助電壓源型和線間直流潮流控制器。直流變壓器型DCPFC通過(guò)控制輸出端口的電壓實(shí)現(xiàn)潮流控制。

有學(xué)者提出了改進(jìn)的下垂控制和直流潮流算法相結(jié)合的控制策略，提高了直流電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，但該類型的DCPFC一般需要交流變壓器和大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更適用于連接不同電壓等級(jí)的直流電網(wǎng)。

有學(xué)者提出了以三相六脈動(dòng)晶閘管作為整流器的輔助電壓源型DCPFC，其能夠?qū)⒔涣麟妷鹤儞Q成極性和大小均可調(diào)的直流電壓串入直流線路中，以控制直流電網(wǎng)的潮流分布。該類型的DCPFC額定容量小且運(yùn)行方式靈活，但需通過(guò)變壓器連接交流電網(wǎng)進(jìn)行取能，增加了絕緣成本。

有學(xué)者提出了利用耦合電感來(lái)傳遞能量的線間直流潮流控制器，其相當(dāng)于在兩條線路中串入可交換能量的直流電壓源，在控制直流電網(wǎng)潮流的同時(shí)，保證了自身的功率平衡。線間直流潮流控制器避免了與外部系統(tǒng)相連接，且電壓調(diào)節(jié)范圍較大，具有良好的應(yīng)用前景，但直流線路中單個(gè)電容的充放電可能會(huì)引入額外的諧波電流。

針對(duì)此問(wèn)題，有學(xué)者提出了基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的線間直流潮流控制器，但該DCPFC采用了交流變壓器和大量的子模塊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)性稍差。

根據(jù)以往直流潮流控制器的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北電力大學(xué)）的研究人員，提出了一種環(huán)流式線間直流潮流控制器（Interline DC Power Flow Controller，I-PFC），I-PFC能夠通過(guò)MMC產(chǎn)生的交流環(huán)流實(shí)現(xiàn)自身功率平衡，具有諧波小、絕緣成本低、無(wú)需從外部取能等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 含I-PFC的三端柔性直流環(huán)網(wǎng)示意圖

首先，提出I-PFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析實(shí)現(xiàn)潮流控制的方法進(jìn)而得到線路電流與串入電壓的關(guān)系，并重點(diǎn)介紹了利用內(nèi)部交流環(huán)流實(shí)現(xiàn)自身功率平衡的原理；其次，根據(jù)I-PFC的功率與能量，詳細(xì)分析子模塊電容電壓的組成，其中主要包含直流、基頻和二倍頻分量，并設(shè)計(jì)包括直流潮流控制和功率平衡控制的I-PFC控制方法；最后在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境中搭建含有I-PFC的三端柔性直流環(huán)網(wǎng)，利用投入運(yùn)行、反向調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)三個(gè)工況驗(yàn)證了該文所提出的I-PFC的可行性和有效性。

圖2 I-PFC總體框圖

研究人員最后總結(jié)指出：

• 1）I-PFC在控制直流電網(wǎng)潮流的同時(shí)，無(wú)需交流變壓器即可實(shí)現(xiàn)自身功率平衡，降低了絕緣成本。采用子模塊級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，降低了單個(gè)電容充放電引入的電流波動(dòng)，同時(shí)便于根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)其進(jìn)行拓展。此外，高頻的工作模式能夠進(jìn)一步減小建設(shè)成本，提高經(jīng)濟(jì)性。
• 2）對(duì)I-PFC的子模塊電容電壓進(jìn)行了分析，指出子模塊能量和電壓均呈現(xiàn)周期性變化。結(jié)合I-PFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)了適用于I-PFC的控制策略，該控制策略主要分為直流環(huán)和交流環(huán)，直流環(huán)用來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)直流電網(wǎng)的潮流分布，交流環(huán)部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)I-PFC的自身功率平衡。
• 3）利用PSCAD/EMTDC軟件仿真結(jié)果驗(yàn)證了I-PFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電容電壓分析和控制策略的正確性與有效性。三種工況下的仿真結(jié)果表明該DCPFC能夠有效提高直流電網(wǎng)的潮流控制能力，同時(shí)可通過(guò)交流環(huán)流實(shí)現(xiàn)功率平衡。
• 4）I-PFC為雙端口結(jié)構(gòu)且直流電網(wǎng)可能會(huì)發(fā)生直流故障，下一步可在拓展I-PFC端口或故障電流抑制方面展開(kāi)研究。

以上研究成果發(fā)表在2020年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“適用于直流電網(wǎng)的環(huán)流式線間直流潮流控制器”，作者為李國(guó)慶、邊競(jìng)、王鶴、王振浩。