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具备双自由度控制能力的三线间直流潮流控制器

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资料介绍

在复杂直流电网系统中,直流线路数目的不断增长给潮流控制技术带来了新的挑战.为提高系统灵活性和可控性,满足多目标潮流调控需求,需要寻求多控制自由度的新型直流潮流控制器.通过对潮流控制能力进行建模和量化分析,发现三线间直流潮流控制器具备双控制自由度的潜力.在此基础上,提出了一种新型三线间直流潮流控制器拓扑,设计了工作原理和双目标控制策略,从而实现双自由度潮流控制.仿真案例结果均有效验证了所提出的新型潮流控制器各类潮流控制特性.

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V01．43 No．18

Sept．25，2019

E重臣詈_l匪El目墨重重重量墨

电力暴现自动化

AutomationofElectricPower

Systems

DOI：10．7500／AEPS20190127007

具备双自由度控制能力的三线间直流潮流控制器

刘斯棋，朱淼，钟旭，蔡

旭

(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市200240)

摘要：在复杂直流电网系统中，直流线路数目的不断增长给潮流控制技术带来了新的挑战。为提

高系统灵活性和可控性，满足多目标潮流调控需求，需要寻求多控制自由度的新型直流潮流控制

器。通过对潮流控制能力进行建模和量化分析，发现三线间直流潮流控制器具备双控制自由度的

潜力。在此基础上，提出了一种新型三线间直流潮流控制器拓扑，设计了工作原理和双目标控制策

略，从而实现双自由度潮流控制。仿真案例结果均有效验证了所提出的新型潮流控制器各类潮流

控制特性。

关键词：多端直流电网；直流潮流控制器；三线间直流潮流控制器；拓扑；双自由度控制

flow

controller，

流控制器(interline

引言

power

IDCPFC)三类。IDCPFC的工作原理为，通过线路

之间的功率交换实现线路潮流控制。此类装置承受

的电压等级较小，且无需外部辅助电源即能实现系

统功率再分配u’14。2“。因此近年来，IDCPFC得到了

较多关注和大量研究。

随着风能、太阳能等新能源的快速发展，作为可

再生能源大规模并网和远距离传输的一种重要技术

direct

current，

手段，高压直流(high voltage

HVDC)输电技术由常规的点对点直流输电发展为

direct

多端直流(multi—terminal

current，MTDC)输

文献[7，14—18]提出了安装在2条线路之问、能

主动控制其中1条线路潮流的两线间直流潮流控制

电，今后可能进一步发展为网状直流电网。直流电

网架构复杂，增大了系统的灵活性和冗余性，直流线

路潮流不可控的难题逐渐引起各方关注u。2J。

interline DC

flow

controller，DI—

器(dual

power

DCPFC)。DI—DCPFC的控制自由度仅为1，在复杂

直流系统中的潮流控制能力有限。

多端直流输电系统中，单一利用节点换流站调

节难以实现多条线路潮流的主动控制。线路潮流分

布不合理容易导致系统利用率不高、线路损耗大和

线路过负荷等问题。为提高直流电网稳定性和可靠

性，需要对系统潮流分布进行有效调控口。3]。本文将

系统能主动控制潮流的线路数目定义为自由度。为

提高整个直流输电系统的潮流控制自由度，“直流潮

流控制器”的新型概念逐渐受到学术界与工业界关

注，以期实现多线路潮流主动协同优化控制H。6]。

直流潮流控制器可以分为“电阻型”与“电压型”

两类_。8J。电阻型直流潮流控制器通过在线路上串

联可变电阻减小潮流。此方案会增大直流电力系统

的传输损耗，且控制范围有限，存在固有缺陷。

电压型直流潮流控制器的常见方案包括直流变

压器型[9。1“、串联可调电压源型[12。1胡与线间直流潮

基于DI—DCPFC，进一步得到三线间直流潮流

interline DC

flow

controller，

控制器(triple

power

TI—DCPFC)，即一种3条线路之问进行能量交换从

而控制线路潮流的线间潮流控制器。文献[19—21]

对文献[7]进行改进，提出了适用于所有潮流方向的

TI—DCPFC，但受基尔霍夫电流定律的约束，控制自

由度未得到提升。文献1-22]同样基于文献E7]提出

一种TI—DCPFC拓扑，但相应的工作原理仅实现了

单自由度潮流控制。为解决潮流控制自由度不足的

问题，文献1-23]将文献E18]中的潮流控制器拓展为

TI—DCPFC，以2条线路的潮流为控制目标，增加了

潮流控制维度，但其电路和控制策略较为复杂，且交

流变压器的引入带来体积和成本问题。

由上述分析可知：IDCPFC能有效实现潮流控

制，可拓展到多线路的复杂场景中，有良好应用前

景。现有全直流IDCPFC的研究聚焦于实现单条

线路潮流控制的拓扑，在控制自由度提升方面缺乏

收稿日期：2019-01—27；修回日期：2019—05—19。

上网日期：2019-08—06。

国家重点研发计划资助项目(2018YFB0904100)。

1黾

http：}{w嘲w．aeps—info．com

万方数据

· 学术研究·

深入研究。

本文通过对同一场景下不同IDCPFC的有效

潮流控制能力的分析，针对现有拓扑工作原理的不

足之处，以提高直流潮流控制自由度为目的，提出一

种TI—DCPFC的创新拓扑。在此基础上，给出了每

条线路独立与能量中枢交换功率的三子开关状态工

作原理，建立了该潮流控制器的数学模型并设计了

控制策略，最后进行了不同工况下的仿真验证。

TI—DCPFC的潮流控制能力分析

当TI—DCPFC的工作原理如图1所示时，其功

能可等效为3条线路上各串联一个可调直流电压

源[7]，分别为Vcl，Vc2，Vc。。Vl。和V1。，V2。和V2。，

V。。和V。。分别为线路1，2，3的端电压；工，，工。，工。分

别为线路1，2，3的潮流；R。，R：，R。分别为线路1，

2，3的等效电阻。潮流控制范围是潮流控制器的基

本工作特性，也是衡量其控制性能的重要标准。下

面通过分析在系统中应用TI—DCPFC时的潮流控

图2配置IDCPFC的四端直流输电系统

Four-terminal DC transmission

Fig．2

system

with IDCPFC

equipped

表1换流站参数

Parameters converter station

Table

制范围，分析其潮流控制能力。

TT．nrPFf

表2线路参数

Parameters

lines

Table

图1 TI-DCPFC等效电路

circuit of TI-DCPFC

Equivalent

Fig．1

将TI—DCPFC应用在四端直流系统中进行潮

流控制时，线路潮流、线路端电压和等效串联电压满

足基尔霍夫定律：

将TI—DCPFC应用在如图2所示的四端环网

式单极大地回线直流输电系统中。其中，换流站

VSCl，VSC2，VSC3以恒功率模式工作，输出功率

分别为P，，P。，P。，端电压分别为V，，V。，V。。换流

站VSC4作为功率接收端，以恒电压模式工作，端电

压为U。等效串联电压正方向和潮流方向相同。

R R。。，R R R。。分别为线路1至5的等效电

阻；I，。，工。。，工。。，工工：。分别为线路1至5的潮流；

正方向如图2所示。换流站参数和线路参数分别如

表1和表2所示。直流潮流控制器安装在母线4

处，TI—DCPFC安装在线路1，2，3之问。在受控线

路的潮流被调控的同时，其他线路上的潮流分布会

随之被动变化。线路1，2，3的潮流工，。，I。。，工。。在

三维空间中的可行域体现了TI—DCPFC的潮流控

制能力。

V1一V2

一

Lz一—手

zs一百

V1一V4一Vcl

一

1，。一——瓦_

(1)

V2一V4一Vc2

一

z。一——瓦_

V3一V4一Vc3

一

st一—]F

Pl—V1(112+114)

23+工24一112)

2一V2(I

3--V3(134一I23)

假设TI—DCPFC工作在理想状态，不与外界发

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