适用于柔性直流电网的多端口直流潮流控制器

王 鹤,边 竞,李国庆,王振浩,杨 洋,王浩翔

(东北电力大学电气工程学院,吉林省吉林市 132012)

适用于柔性直流电网的多端口直流潮流控制器

王 鹤,边 竞,李国庆,王振浩,杨 洋,王浩翔

(东北电力大学电气工程学院,吉林省吉林市 132012)

现有的直流潮流控制器大多为双端且仅能辅助控制一条线路上的潮流。为全面控制直流电网潮流分布,文中提出了一种适用于柔性直流电网的多端口直流潮流控制器,它可以同时控制多条线路上的潮流且易于拓展。首先,在充分研究已有直流潮流控制器的基础上,提出了多端口直流潮流控制器的拓扑结构并详细阐述了工作原理;其次,研究了多端口直流潮流控制器的等效电路,进而设计了能够使其稳定运行的控制策略;最终,在RT-LAB仿真平台中搭建了舟山五端柔性直流输电系统并安装了三端口直流潮流控制器,对所提拓扑结构和控制策略进行了仿真验证。

柔性直流电网;多端口直流潮流控制器;反向调节;潮流阶跃

0 引言

新能源发电属于中国战略性新兴产业,大力发展风力发电、太阳能发电等新能源发电技术是保障中国能源安全、应对气候变化、实现节能减排的重要举措,但新能源发电并网问题制约着中国新能源产业的发展[1-4]。直流电网是具有先进能源管理系统的智能、稳定的广域传输网络,运行方式灵活、供电可靠,特别适合新能源发电的集中并网和远距离传输。不过,直流电网内部的潮流自然分布会导致某条线路比其余线路承担更多的电流,各支路的载流裕度相差很大,潮流分布不合理,这样会产生严重的线路损耗甚至会使换流站过载,因此,控制每条线路上的潮流是直流电网必须面对且亟待解决的问题之一[5-8]。

直流潮流控制器能够有效提升复杂直流电网的潮流自由度,解决部分线路潮流不可控问题,对直流电网运行的安全性、可靠性和经济性具有重要的意义[9-11]。文献[12]提出了一种基于双有源桥(dual active bridge,DAB)拓扑的直流变压器型直流潮流控制器,它主要由高频隔离变换器和H桥变换器组成,并采用调制波移相进行脉宽调制,最终通过调节输出的直流电压调节线路潮流。文献[13]提出了模块化多电平换流器结构的辅助电压源型直流潮流控制器,它以在线路中串入正的或负的电压调节直流系统的功率分布,控制灵活,电压等级较低。文献[14]提出了一种电流潮流控制器(current flow controller,CFC)型的线间直流潮流控制器,它安装在直流线路的节点处,利用电容对线路上的电流进行分配,设备成本较低,但电容的充放电过程易产生电流纹波。文献[15]在文献[14]的基础上,提出了可控制多条线路的CFC,但随着控制线路条数的增加,电容电压变化频繁和控制难度均随之增大。

关于直流潮流控制器,现有研究多针对两端直流潮流控制器,可控制多条线路的直流潮流控制器的研究仍处于起步阶段。在充分研究已有文献的基础上,本文提出了一种适用于柔性直流电网的多端口直流潮流控制器(multi-port direct power flow controller,M-DCPFC),它可以同时控制多条线路上的潮流且便于拓展。本文提出了M-DCPFC的拓扑结构并详细阐述了工作原理,设计了能够稳定运行的控制策略,最终,在RT-LAB仿真平台中搭建了舟山五端柔性直流输电系统并安装了三端口直流潮流控制器,对所提拓扑结构和控制策略进行了仿真验证。

1 直流潮流控制器及M-DCPFC

直流电网中的潮流仅与线路电阻、直流电压有关,故直流潮流控制器可分为电阻型和电压型。电阻型直流潮流控制器的结构如附录A图A1(a)所示,其通过改变线路的等效电阻来实现潮流控制的目的,具有结构简单、便于控制的优点,但只能减小安装线路上的电流,不能改变电流方向,且额外损耗较大,不宜工程推广[16-17]。电压型直流潮流控制器具体可分为:直流变压器型、辅助电压源型、线间直流潮流控制器,分别如附录A图A1(b)、图A1(c)和图A1(d)所示[18-21]。电压型直流潮流控制器相当于在直流线路中串入幅值和极性均可调的直流电压源,以改变线路上的电压进而实现控制直流电网潮流。其能够双向控制直流电网潮流,灵活性较好,具有良好的应用前景[22-23]。基于此,本文提出了电压源型M-DCPFC。

在含有多个环网的复杂直流电网中,需要在多条线路上同时安装多个直流潮流控制器并进行协调控制,实现成本较高且可靠性较低。与现有两端口直流潮流控制器相比,M-DCPFC可安装在多条线路上,通过在每一条线路上串入额外的直流电压来控制潮流,能够起到同时安装多个直流潮流控制器的效果。由于M-DCPFC是在各个线路中接入独立的直流电压,使其可以适用于多种类型的直流电网结构,等效电路如附录A图A2所示。

2 M-DCPFC拓扑与原理

拓扑结构是M-DCPFC的物理基础,对其潮流控制性能、工作原理以及控制策略的实现具有决定性的影响。本节将对M-DCPFC的拓扑结构和工作原理进行介绍。

2.1 拓扑结构

鉴于电压源型换流器(VSC)具有良好的控制特性、潮流反转方便快捷等优点,本文所提出的M-DCPFC由若干个VSC和交流变压器组成。以三端口直流潮流控制器为例,其拓扑结构如图1所示,其中:VM1至VM3为M-DCPFC串入直流电压,IM1至IM3为M-DCPFC端口电流,Lt为内部阻抗。M-DCPFC的直流侧以串联的形式接入线路中,通过在线路上加入额外的电压来改变线路压降,最终实现功率调节;交流侧通过交流变压器连接进行内部能量交换,实现自身能量平衡,避免了与外部交流系统相连接取能。

2.2 M-DCPFC的工作原理

以舟山五端柔性直流输电系统为例,图2为三端口直流潮流控制器用于舟山五端柔性直流输电系统的示意图,主要参数如附录A表A1和表A2所示。直流系统共有6条输电线路,由N-1原则,包含2条不可控支路,需采用三端口直流潮流控制器。根据式(1)可知,改变线路上压降,就能够改变线路的传输功率。因此,M-DCPFC分别将额外电压VM1,VM2,VM3接入I45,I14,I34中来调节系统潮流。尽管M-DCPFC仅安装在3条线路上,却能够控制整个直流系统的潮流分布。

图1 M-DCPFC的拓扑结构Fig.1 Topolopy structure of M-DCPFC

(1)

式中:PL为线路上的传输功率;V为换流站电压;ΔV为线路压降;RL为线路电阻。

图2 舟山柔性直流输电系统示意图Fig.2 Schematic diagram of Zhoushan flexible HVDC system

图2中:R12,R13,R14,R15,R34,R45为6条线路的电阻;I12,I13,I14,I15,I34,I45为6条线路上的电流;VM1,VM2,VM3为M-DCPFC串入直流线路的电压;V1,V2,V3,V4,V5为5个换流站的母线电压;I1,I2,I3,I4,I5为5个换流站的输出/输入电流。

由图2,根据基尔霍夫电压定律,可以得到直流电网中线路电流与串入M-DCPFC的端口直流电压的关系式;根据基尔霍夫电流定律,可以得到线路电流与换流站输入/输出电流的关系式,矩阵形式如式(2)所示。

(2)

并有:

(3)

式中:P1,P2,P3,P4,P5为5个换流站发出或者接收的有功功率。

结合式(2)和式(3),并将系统参数代入,可得:

(4)

式(4)中矩阵的秩为2,说明设定2个线路电流,并与换流站配合,就可以控制全网的线路电流。从式(4)可看出:只要串入很小的直流电压就可以调节电流,实现控制系统潮流的目的。M-DCPFC对换流站的影响很小,可近似认为换流站终端电压和输入/输出电流不变。进一步可得到功率关系:

Pij=ViIij

(5)

式中:Pij为线路i-j上流通的有功功率;Vi为换流站i的电压;Ii-j为线路ij上流通的直流电流。

可将上文分析拓展至具有N个换流站、M条直流电路的直流电网中,此时需加装M-N+2个端口直流潮流控制器。基尔霍夫关系矩阵,式(2)的一般形式为:

(6)

式中:A1为(M-N+1)×M阶矩阵,矩阵中元素为线路阻值或零；B1为(M-N+1)×1阶的列阵,矩阵中元素为串入直流电压值;A2为(N-1)×M阶的矩阵,矩阵中元素为±1或零；B2为(N-1)×1阶的列阵,矩阵中元素为换流站流入/流出的电流值。

根据式(6),即可得到设定线路潮流时所需串入的直流电压值。

3 M-DCPFC的控制策略

控制策略是M-DCPFC的核心问题,对M-DCPFC的安全稳定运行及对直流电网潮流控制效果至关重要。在拓扑结构的基础上,结合数学模型,提出该直流潮流控制器的控制策略。

3.1 M-DCPFC的数学模型

图3为M-DCPFC的dq等值电路。

图3 M-DCPFC的dq等值电路Fig.3 dq equivalent circuit of M-DCPFC

图3中,Li和Ri分别为第i个换流器端口折算后的桥臂电抗和桥臂电阻,idi和iqi分别为第i个换流器端口流向交流母线的电流折算后的d轴和q轴分量,vdi和vqi分别为第i个换流器端口交流电压折算后的d轴和q轴分量,ud和uq分别为交流母线电压的d轴和q轴分量。并且可以得到:

(7)

(8)

式中:vi为第i个端口交流电压;VMi为第i个端口直流电压;Mi为端口调制比。

式(7)表明了端口交流电压与交流母线电压之间的联系,式(8)表明了端口交流电压和端口直流之间的联系。

3.2 端口电压生成

换流器的控制需要以端口电压作为参考值,而直流潮流控制器是以控制线路电流为目的,故需要得到二者之间的关系。根据M-DCPFC的整体功率平衡,得到:

(9)

式中:IMi为流过M-DCPFC端口的电流。

以图2中舟山五端柔性直流输电系统为例,有

I34VM1+I14VM2+I45VM3=0

(10)

结合式(4)与式(10),在设定2条线路电流的情况下,即可得到VM1,VM2,VM3的大小与方向。以设定I13和I14为例,具体计算框图如图4所示。

图4 端口电压参考值生成图Fig.4 Block diagram of voltage reference value generation

图4中的ai,bi,ci,di(i=1,2)表示根据式(4)得到的常数。当M-DCPFC的端口数发生变化时,仅需更改输入量和输出量。

3.3 M-DCPFC控制策略

由于各端口是通过内部交流连接,故内部交流电压稳定是可靠运行的前提。本文使用的控制策略是端口1用以维持交流电压稳定,其余端口均运行在定直流电压模式以在线路中串入直流电压。

3.3.1 端口1控制策略

为了令端口1维持稳定的交流电压,首先要控制端口1直流侧电压VM1稳定。VM1的一端需要与直流系统的定直流电压站相连接,微调定直流电压站得到稳定的VM1,如式(11)所示。附录A图A3为与式(11)相对应的控制框图。相比于直流电网,M-DCPFC的电压等级较小,得到的直流电压修正量ΔV3ref也会较小,并不会影响到直流电网的稳定运行。

V3ref，2=V3ref，1+ΔV3ref=V3ref,1+

(11)

式中:VM1,ref为端口1直流侧电压指令值;V3ref,1为定直流电压站未修正的直流电压指令值;ΔV3ref为定直流电压站直流电压修正量;V3ref,2为修正后的定直流电压站的直流电压参考值。

在稳定的端口1直流电压的基础上,即可维持内部交流电压稳定。控制框图如附录A图A4所示,该控制策略采用无源逆变的形式,给定正弦量三要素而来。其中,幅值为直流电压的一半与调制比的乘积,频率定为50 Hz,相角为随时间变化的量。最终,经触发逻辑对桥臂进行触发。

3.3.2 其余端口控制策略

M-DCPFC是通过在线路上串入稳定的直流电压来控制直流系统的潮流分布,因此其余的端口均采用定直流电压控制。内环d轴电流分量参考值根据直流电压的负反馈比例—积分(PI)控制器来确定,如式(12)所示;根据式(7),内环电流控制器表达式如式(13)所示。结合式(12)与式(13),得到控制框图,如图5所示。为了使无功功率为零,图5中iqi,ref=0。

(12)

(13)

式中:idi,ref为i端口d轴电流分量的指令值;VMi,ref为i端口直流电压的指令值;udi和uqi分别为交流电压的d轴和q分量;idi,ref和iqi,ref分别为d轴和q轴电流分量的指令值,kp1，kp2和ki1,ki2分别为PI控制器中的比例参数和积分参数。

图5 其余端口控制策略框图Fig.5 Block diagram for control strategy of rest ports

4 仿真验证

上文已经对M-DCPFC的拓扑结构、工作原理和控制策略进行了介绍,为了验证M-DCPFC的可行性和有效性,在RT-LAB中搭建舟山五端柔性直流输电系统并安装三端口直流潮流控制器,如图2所示,仿真参数见附录A表A1和表A2。换流站3工作在定直流电压模式下,V3ref,1=400 kV;其余均采用定功率控制,其中P1=100 MW,P2=-100 MW,P4=300 MW,P5=100 MW。下面将对投入M-DCPFC、反向调节、端口1功率阶跃情况下保持I13和I14不变和端口1功率缺失情况下保持I13和I14不变进行仿真验证。

4.1 投入M-DCPFC

在M-DCPFC投入之前,舟山五端柔性直流输电系统已稳定运行,此时,I12=0.25 kA,I13=0.37 kA,I14=-0.17 kA,I15=-0.21 kA,I34=-0.63 kA,I45=-0.05 kA,VM1,VM2,VM3分别预充电至-1,-1,1 kV。t=2.5 s时,投入M-DCPFC,设定I13,ref=0.1 kA,I14,ref=-0.4 kA。仿真结果如附录A图A5所示,其中图A5(a)为直流线路电流,图A5(b)为舟山五端柔性直流输电系统换流站电压,图A5(c)为直流潮流控制器的端口电压。可以发现,直流线路电流改变至期望值,且该M-DCPFC对换流站电压的影响较小,验证了该直流潮流控制器的有效性。

4.2 反向调节

t=2.5 s时,投入M-DCPFC,设定I13,ref=0.5 kA,I14,ref=-0.1 kA,并将VM1,VM2,VM3均预充电至-1 kV。根据式(4)和式(10)可得:I12=0.25 kA,I15=-0.4 kA,I34=-0.5 kA,I45=0.15 kA。仿真结果如附录A图A6所示,其中图A6(a)为直流线路电流,图A6(b)为舟山五端柔性直流输电系统换流站电压,图A6(c)为直流潮流控制器的端口电压。将稳态情况下的理论值和仿真值进行对比,发现仿真值相对于理论值的误差很小。同时,与4.1节相比,I13增大而I14减小,流经线路L45的I45发生潮流反转,验证了该直流潮流控制器的反向调节能力。

4.3 换流站1功率阶跃保持I13和I14恒定

在换流站1功率跃变之前,M-DCPFC已投入使用并稳定运行,仍为4.1节工况。t=4 s,换流站1功率由100 MW阶跃至150 MW,其他换流站工况不变,保持I13和I14恒定。仿真结果如附录A图A7所示,其中图A7(a)为直流线路电流,图A7(b)为舟山五端柔性直流输电系统换流站电压,图A7(c)为直流潮流控制器的端口电压。仿真结果表明:在换流站1功率增大时,M-DCPFC能够保持I13和I14不变,而随着换流站1注入的电流增大,其他线路上的电流增大,与理论相符,验证了M-DCPFC能够在某一端口功率阶跃时保持某条线路的电流不变。

4.4 端口1功率缺失保持I13和I14恒定

在4.1节的基础上,t=4 s,换流站1功率由100 MW降至50 MW,其他换流站工况不变,保持I13和I14恒定。仿真结果如附录A图A8所示,其中图A8(a)为直流线路电流,图A8(b)为舟山五端柔性直流输电系统换流站电压,图A8(c)为直流潮流控制器的端口电压。仿真结果表明:在换流站1功率减小时,M-DCPFC能够保持I13和I14不变,而随着换流站1注入的电流减小,其他线路上的电流相应减小以维持I13和I14不变,验证了M-DCPFC在某一端口功率缺失时能够保证某条线路的电流不变。

5 结论

为了全面控制直流电网的潮流分布,本文提出一种适用于柔性直流电网的M-DCPFC。

1)与现有传统的二端口直流潮流控制器相比,它能够同时控制多条线路上的潮流,有效地实现了直流输电系统的潮流控制,很大程度上弥补了直流电网潮流控制自由度不足的问题。同时,它避免了与外部系统的连接,系统容量和额外损耗均较小。

2)与现有的M-DCPFC相比,本文所提出的M-DCPFC拓扑结构简单,并具有良好的拓展性,易于拓展至更多的端口;此外,本文考虑柔性直流电网的控制策略,得出了线路潮流与线路中串入直流电压的关系,以此为基础提出了M-DCPFC的控制策略,使柔性直流电网与M-DCPFC协调运行。因此,所提出的M-DCPFC更适用于中国未来柔性直流电网的发展。

3)在RT-LAB中搭建了舟山五端柔性直流输电系统模型,验证了M-DCPFC投入运行、反向调节、功率突变而保持线路电流不变的能力,仿真结果表明M-DCPFC能够稳定地控制直流电网的潮流,有利于直流电网的安全稳定运行。

4)M-DCPFC目前需要使用交流变压器进行内部电压变换,下一步将进行在略去交流变压器的情况仍可以变换电压的拓扑结构及控制策略研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Multi-portDCPowerFlowControllerforFlexibleDCPowerGrid

WANGHe,BIANJing,LIGuoqing,WANGZhenhao,YANGYang,WANGHaoxiang

(School of Electrical Engineering,Northeast Electric Power University,Jilin 132012,China)

Most of the existing DC power flow controllers have two ports and can only execute auxiliary control for the power flow of one line.For comprehensive control of power flow distribution in the DC power grid,this paper proposes a multi-port DC power flow controller (M-DCPFC) for the flexible DC power grid,which is able to control the power flow of many lines at the same time and easy to expand.Firstly,on the basis of sufficient research on the existing DC power flow controller,the topological structure of the M-DCPFC is proposed,while its working principle is described.Secondly,the equivalent circuit of M-DCPFC is studied,then the control strategy for its stable operation design is developed.Finally,the proposed topological structure and the control strategy are verified by the Zhoushan five-port flexible high voltage direct current (HVDC) system installed with a three-port DC power flow controller in the RT-LAB simulation platform.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.51677023).

flexible DC power grid;multi-port DC power flow controller;reverse regulation;power flow step

2017-01-05;

2017-05-10。

上网日期:2017-07-25。

国家自然科学基金资助项目(51677023)。

王 鹤(1983—),男,博士,副教授,主要研究方向:分布式发电、微电网的运行与控制。E-mail： wang_he12@yahoo.com.cn

边 竞(1994—),男,通信作者,硕士研究生,主要研究方向:柔性直流输电系统建模与仿真。E-mail:bj_jjj@163.com

李国庆(1963—),男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向:电力系统的安全性与稳定性分析、控制与决策、配电系统自动化。E-mail:LGQ@mail.nedu.edu.cn

(编辑蔡静雯)