电压源型换流器（VSC）的概念首先由加拿大McGill大学的Boon-TeckOoi首次提出,其具有不需无功补偿、提高交流电网功角稳定性、有功和无功能够快速独立控制等优点,适用于解决新能源发电功率的随机性和波动性问题[1-3]。该技术的发展经历了“双端”—“多端”—“直流电网”的演进过程,电压源型换流器构建的直流电网可以充分利用各种能源资源的互补特性及现有的交直流输配电设备,实现广域大范围内能源资源的优化配置、大规模新能源电力的可靠接入,是解决新能源发电并网问题的最佳技术方案之一[4-5]。
构建未来直流电网面临着一些关键技术挑战。一方面,包括高压直流断路器及DC/DC变换器在内的关键设备研制是直流电网必须解决的关键核心问题。另一方面,由于直流电网的响应时间常数较小,对直流电网系统仿真、直流电网运行控制和保护技术、直流电网快速故障检测技术提出了新的更高的要求。众所周知,潮流问题是电力系统分析中最基本的问题,对直流电网潮流分析与控制技术的研究也是上述问题研究的重要基础。近年来,直流电网潮流问题引起了大量学者的关注[6-7]。目前,直流电网的潮流问题的研究还处于起步阶段,其中的科学问题和内在规律尚未得到完全揭示,因此对其进行分析和总结具有重要的理论和现实意义[8]。
在关于直流电网的潮流研究中,最基本的问题是直流电网潮流分析与控制技术,本文分别对直流电网潮流分析与直流电网潮流控制进行了论述。需要说明的是本文主要对直流输电网络进行分析总结,未考虑直流配电网络。本文首先归纳了直流电网潮流计算方法,同时考虑到VSC具有高度可控性,进而对含VSC的最优潮流问题进行了总结,并先后分析了二者的收敛性与计算效率;然后在此基础上,概述了控制直流电网潮流的方法—系统级控制和直流潮流控制器技术,其可用来实现最优潮流的分布,并且对潮流控制能力和经济性做出了分析;最终对直流电网潮流分析与控制的发展趋势和关键问题进行了总结与展望,为未来直流电网潮流问题的相关研究提供了技术参考。
1、直流电网潮流分析
世界范围内对直流电网的建设都依托于现有的交流电网,并不是从零开始、与交流电网相互独立,所以一般对直流电网潮流和最优潮流的分析都是以直流电网和与其连接的交流电网构成的交直流混合系统为研究对象。因此,本文以交直流混合系统为基础,且主要对交直流混合电网中的直流电网潮流分析进行归纳和总结。
本节系统的分类总结了直流电网潮流计算方法,同时,为了更好的利用VSC的控制性能,对直流电网最优潮流问题进行了归纳分析。
1.1 直流电网潮流计算
随着大量的直流电网连接于现有的交流电网,对系统的设备运行、继电保护以及安全稳定造成了一定的影响。因此,有必要对交直流电网潮流计算展开研究以防止过负荷、电压越限等问题。交流系统潮流计算只是求解节点的4个状态量：有功功率、无功功率、电压幅值和相角,而交直流混合系统还需要求解直流电压/电流、换流器的功率因数以及调制比。在进行交直流电网潮流计算时,需要在现有的交流系统计算模型中引入直流系统变量以建立交直流混合系统的非线性方程组,如图1所示。
图1中：Pi、Pj为不同换流站与交流系统之间流动的有功功率;Qi、Qj为不同换流站与交流系统之间流动无功功率;vi、vj为交流系统与不同换流站连接点的交流电压幅值;θi、θj为交流系统与不同换流站连接点的交流电压相角;Udc为直流电网电压;Idc为直流电网电流。
自直流输电技术面世以来,许多的学者与研究人员投身于直流电网潮流计算的研究。传统的电流源型换流器（CSC）直流电网的潮流计算方法已比较成熟,但CSC型直流电网多采用准稳态法构建潮流数学模型,而基于VSC的直流电网一般利用外部功率特性法进行等效分析,此外,2者的调控策略、状态变量以及控制变量均存有差异,使CSC型的潮流计算方法无法直接应用在VSC型直流电网中。
交直流混合电网潮流计算不但需要考虑交流电网潮流模型、直流网络潮流模型,还需要考虑连接交、直流电网的换流器潮流模型,在原有的交流系统潮流算法中进行适当的改进与补充则能应用于交直流潮流计算中。交直流潮流计算方法主要分为：统一迭代法和交替迭代法。统一迭代法收敛快,迭代次数少;交替迭代法将交流电网潮流和直流电网潮流分别迭代求解,易于扩展。
1.1.1统一迭代法
统一迭代法是以极坐标下的牛顿法为基础,将交流节点的状态变量与直流系统的状态变量和控制变量统一进行迭代求解,其也被称为联合求解法,计算框图如图2所示。
图1 交直流系统潮流计算示意图
图2 统一迭代法潮流计算框图
这种方法具有良好的收敛性,对于不同的网络结构和不同的直流系统控制方式的算例,都能可靠的求得收敛解。但是基于牛顿法的统一迭代法计算时增加了雅克比矩阵的阶数,并且每次迭代后需要重新计算雅克比矩阵,这样使得计算量增大。
文献[9]给出了含VSC交直流网络的统一模型,针对VSC的控制方式不同对模型进行了适当调整。面对雅克比矩阵非结构堆成问题,引入了附加非零元素;面对零对角元素问题,在节点编号优化中引入了限制条件,使潮流雅克比矩阵三角分解时不遇到零元素。但该文献未详细考虑VSC的有功损耗。文献[10]提出了利用统一方程维数、切换方程类型解决潮流越限问题的方法,避免了求解雅克比矩阵时的奇异问题。文献[11]提出了以一种基于节点电流关系的潮流算法,该算法考虑的直流电网的控制方式,并给出了相应的模型。与传统的基于功率关系的潮流算法相比,其计算速度快、误差较小。文献[12]将换流器视为由PWM控制的升压/降压变压器,且考虑了开关损耗和线路损耗。以此为基础提出了适用于VSC-HVDC基频运行的潮流求解模型。文献[13]提出的统一模型具有详细的交流系统模型以区别交流系统的差异,并简化了直流系统模型以减小计算量。该文献在提高计算速度的同时保留了期望的交流系统求解类型。
此外,已有文献针对直流电网控制方式的改变做出相关研究。文献[14]所提出的AC、DC、VSC表达式仅需改变式中的系数即可进行控制方式的转换,具有高效性。同时,在迭代收敛后,若VSC或直流电网越限,采用切换控制方式或修正指令值的办法使其输出可行的潮流结果,具有一定的应用前景。文献[15]根据CSC型直流系统不同的运行方式之间的相通性,将多种运行方式等效为整流侧定电流、逆变侧定电压的运行方式,仅需在交流输电网络修正方程上追加直流系统的该种运行方式,无需改变修正方程的计算格式,便于优化和控制交直流电网,同时也为VSC型直流系统提供了参考。
1.1.2交替迭代法
交替迭代法是统一迭代法的一种简化形式。交替迭代法在迭代计算过程中,利用交直流电网的耦合关系将交流系统方程和直流系统方程分别进行求解,计算框图如图3所示。在求解交流系统方程时,把直流系统当作接在交流节点上的有功功率和无功功率已知的负荷。在求解直流系统方程时,把交流
图3 交替迭代法潮流计算框图
系统模拟成一个加在换流器交流母线上的恒压源。交替迭代法计算速度快,直流部分及交流部分可以使用不同的算法,但是其对交直流系统初值给定要求高,收敛性较差,易造成潮流求解的振荡和不收敛。
文献[16]在交替迭代法的直流电网稳态潮流计算中引入了基于节点阻抗矩阵的高斯-赛德尔法(G-S),并在直流电网稳态潮流中比较基于节点导纳矩阵和阻抗矩阵的G-S法,在交直流混合电网中验证了基于节点阻抗矩阵的G-S能够提高计算精度、收敛性较好。文献[17]针对交替迭代法,提出了一种可拓展至包含多种交流系统和直流系统结构的数学模型,且考虑了换流站的限制条件。文献[18]提出一种包括整个直流部分（如：换流站、直流母线、直流线路等）的统一直流数学模型,并用于交替迭代算法中,提高了计算效率。
同时,已有文献根据换流站控制方式不同进行了相关研究。文献[19]鉴于以往VSC主要基于定功率模式进行潮流计算,为了准确反映实际系统中VSC电压控制特性对潮流求解的影响,建立了基于VSC电压控制模型,并考虑了换流站损耗、交流滤波器和换流站容量限制。该文献提出的方法适用于换流器的多种电压控制模型,拓展性较强,通用性较好。文献[20]提出了适用于不同控制方式下的含VSC直流电网的交直流网络潮流交替迭代算法,可用于任意拓扑结构的交直流网络。但该文献仅考虑DC电网越限后的粗略修正方向,仍无法修正AC电网越限,也无法保证求得可行解。文献[21]提出了一种计及多种控制方式下的直流电网潮流计算,推导出不同控制方式下潮流变量、雅克比矩阵和网络参数的计算方法,可用于多种结构和控制方式的直流电网。文献[22]考虑交流侧三相不平衡和VSC控制方式。根据控制方式,将换流站以不同等效节点计入交直流潮流计算。再采用可计及三相不平衡的潮流计算方法,提高了收敛度。
在大规模的交直流电网潮流计算中,交替迭代法对交流电压更敏感,更容易出现发散的情况。针对交替迭代法的收敛性问题,已有文献提出了以交替迭代法为基础的交直流解耦潮流算法。文献[23]提出了通过调整交直流子系统划分界限和VSC潮流计算有功参数的选择实现交直流解耦,只需进行一次交流潮流和直流潮流计算,避免了迭代的多次交替,很大程度上减小了计算量。文献[24-25]在交流系统潮流计算时,将直流系统等效为恒功率注入交流系统,交流系统收敛后再求解直流系统的有关量。文献[26]通过把换流器交流侧和直流侧的节点分裂开,形成换流器、交流网络和直流网络3部分,利用交流网络、直流网络与换流器之间的接口修正方程,实现交流电网和柔性直流的潮流计算解耦,具有良好的收敛性和扩展性。
1.2 直流电网最优潮流
电力系统最优潮流,就是当系统的结构参数及负荷情况给定时,通过控制变量的优选,所找到的能满足所有指定的约束条件,并使系统的一个或多个性能指标达到最优时的潮流分布,是电力系统网络规划和运行分析的重要工具。由于VSC使用全控型电力电子器件,能够独立控制有功和无功功率,选取最优的换流站参考值,使其更易实现以最优潮流为依据的直流电网潮流控制,使直流电网最优潮流的研究更具有实际意义。
以柔性直流输电技术为基础的交直流电网面临着功率平衡约束、潮流分布和经济性运行的优化问题。目前,国内外相关学者已经对含VSC的交直流系统最优潮流问题作了一定的研究。文献[27]提出了以有功损耗和污染排放量均最小为目标的多目标最优潮流算法,并采用非支配排序遗传算法获得Pareto最优解集,发现2者存在相互制约的关系,进而利用逼近理想解排序评估各个最优解以寻得与理想解相对接近度最高的折中解,为决策人员提供参考。文献[28]以发电成本和线路损耗之和最小为优化目标分析了不同结构的直流电网对交流电网的影响,并与原有交流电网进行对比。在此基础上,利用成本-利润分析方法求得不同结构直流电网的新增利润。结果表明：与辐射状、环网状结构相比,串联状拓扑结构能够更好地利用换流站容量以实现增加系统利润。文献[29]考虑到海上风电场必须维持连接处的无功功率,提出了以最小线损为目标的含VSC交直流混合电网的最优潮流模型,其可以减小了换流站无功控制的范围、提高了计算精度。针对含多端柔性直流输电（VSC-MTDC）的交直流混合电网的安全性,文献[30]建立了改进的校正控制安全约束的最优潮流,其以最小发电成本为优化目标,当发生N-1事故后,需在原始目标函数的基础上加入额外的罚函数。由于在传统的校正控制安全约束最优潮流中考虑了VSC-MTDC的快速校正控制,故可减小事故成本,实现故障后的快速恢复。文献[31]将越限的发电机或者支路视为注入有功功率的虚拟节点,将其应用在最优潮流中时,求得的注入功率值用以实现故障恢复。文献[32]使用并行进化算法计算交直流系统的最优潮流问题,其将进化算法的多个种群分别分配到多台计算机上,减小了计算量、避免了过早收敛。现有文献大多以减小成本、增加利润为目标,在此基础上,并对算法性能、电网结构以及安全性约束等方面展开研究,提高了最优潮流计算速度和收敛性、增加了系统经济性和稳定性。
许多学者及科研工作者则提出了基于内点法的最优潮流,文献[33]提出了基于差分进化和原对偶内点法的统一混合迭代算法,该算法利用差分进化法对变量进行优化,同时,采用原对偶内点法对变量进行适应度评估。该算法无需考虑控制方式的限制,提高了算法的全局寻优能力且收敛速度快。文献[34]提出了基于2阶锥规划和内点法的混合算法,前者用于计算交直流混合系统的最优潮流,后者对计算结果进行评估。针对海上风电场经VSC并网时功率的随机性,文献[35]拟合得到风电场的功率特性曲线,并使其变换成输入变量样本,利用原对偶内点法得到最优潮流的概率分布和数字特征。以上文献多为以内点法为基础的混合算法研究,这是因为内点法具有良好的收敛性以及鲁棒性,但其在处理离散变量时略显不足。考虑到其他算法的性能可以与内点法混合使用进行互补,能够提高算法的收敛性能、优化能力以及计算速度,故该类型的混合算法已成为重要的研究方向。
已有文献利用最优潮流算法求得换流站的参考值。文献[36]利用模糊理论将线路损耗、设备利用率等目标构成隶属函数,最终求解多目标优化函数得到VSC的有功参考值。文献[37]以线路损耗最小为目标使用协方差矩阵自适应进化策略求解最优潮流问题,并将求得的电压参考值应用于多点电压控制中以实现直流电网最优化运行,减小了输电成本且证明了该算法具有良好的精度与速度。文献[38]利用模糊控制理论将有功损耗和电压质量转化为单一优化目标,进而采用自适应粒子群算法对多点定电压控制的参考值进行修正以达到优化目标。文献[39]首先利用最优潮流算法得到直流电压和有功功率分配的参考值,再将参考值引入到下垂控制中。若与弱电网相连时,还应加入频率控制。但该文献没有考虑暂态运行的情况。以上文献将最优潮流的精确性与VSC换流站的高度可控性有机结合,首先利用最优潮流求得系统优化运行的阈值,再将此阈值应用于换流站中,该方式能够更好的利用换流站的容量与性能来实现优化目标,具有一定的研究意义与应用前景。
2、直流电网潮流控制
在直流电网潮流分析的基础上,可以通过系统级控制和直流潮流控制器（DCPFC）来实现直流电网潮流控制。鉴于VSC良好的可控性,通过换流站的系统级控制能够在一定范围内实现直流电网潮流控制。然而,根据直流电网的N-1原则,当直流线路数大于换流站数时,会发生部分线路潮流不可控的问题,此时则需加装直流潮流控制器。
2.1 系统级控制
利用换流站系统级控制潮流方法的研究目前多集中在采用主从裕度控制、电压下垂控制、分层级控制以及相关控制方式组合对系统需要输送的功率进行分配。其通过对P-V曲线下降斜率、阈值的设计来综合考虑系统的功率分配特性及电压质量特性,但该控制方式调节潮流分布的能力有限,灵活性较低。
电压下垂控制的基本思想是基于电压下垂特性,各个换流站共同承担功率平衡,并通过调节直流电压来控制功率的大小。文献[40]提出了下垂系数可随直流电压变化的自适应下垂控制方法,使换流站能够根据自身裕度进行功率调节,解决了VSC-MTDC中换流站的功率分配问题。文献[40-41]均提出了定直流电压控制和下垂控制相结合的控制方式,无论在功率波动还是在主换流站退出运行的情况下,都能保证功率的协调控制。也有文献对电压下垂控制对干扰和故障的处理能力进行了研究。文献[42]验证了直流线路电压波动对直流电网潮流分布的影响,具体包括直流电网拓扑结构、线路电阻、干扰位置和下垂系数均对潮流分布有影响。文献[43]研究了潮流控制策略对MTDC直流故障的影响,由于多点电压控制是多个换流站共同参与电压调节,当其中一个电压站退出运行时不影响系统安全稳定运行,故其比主从控制有更多的换流站冗余。
分层控制是把集中控制和分散控制结合起来的控制方式。文献[44]所提出的分级分区控制具体分为集中控制和本地控制。集中控制是利用程序求得各换流站的下垂控制电压参考值以实现潮流控制;本地控制包括积分控制、分区控制和联络线功率紧急支援控制。该控制方式消除了下垂控制中的稳态功率偏差,具有良好的应用前景。文献[45]借鉴交流电网,提出了直流电网功率分层控制体系。一次控制为利用换流器调节直流电压稳定,二次控制为调控中心调整系统传输功率,三次控制为调控中心下达经济环保调度指令,四次控制为继电保护切除故障和故障后恢复运行的任务。
2.2 直流潮流控制器
随着直流电网结构的日益复杂,仅靠系统级控制可能无法更好地控制直流电网内流通的功率。面对直流电网控制自由度不足的问题,有必要引入直流潮流控制器对整个网络的潮流进行优化分配。直流潮流控制器按原理主要划分为电阻型和电压型2种,通过改变网络导纳矩阵参数和改变支路电压参数对潮流分布进行调节。拓扑结构是直流潮流控制器的根本,本节首先介绍了直流潮流控制器的拓扑结构,其次介绍了选址等相关研究。
2.2.1DCPFC的工作原理
将直流潮流控制器的分类进行细化,并分别介绍它们的实现原理。电阻型直流潮流控制器仅包括可变电阻型,电压型直流潮流控制器可具体分为：DC/DC变换型、辅助电压源型、线间直流潮流控制器以及电流潮流控制器。
（1）可变电阻型
可变电阻型能够在直流线路中串入不同阻值的电阻,通过改变线路电阻实现潮流控制。等效拓扑结构如图4所示,它是由多个不同阻值的电阻R1—Rn串联组成,通过开关S1—Sn的投切来改变线路的电阻,其中RL为直流线路电阻。
文献[46]提出了采用双向半导体作为开关的方法,绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和二极管串联组成一个单元,2个单元反向并联即构成半导体开关,如附录图1所示。该结构不但可以实现功率控制,还可以保证功率的双向传输。此外,其还将电阻型和电压型DCPFC进行了对比。文献[47]利用机械开关和电阻构成直流潮流控制器,并在其中加入了避雷器对其进行保护,如附录图2所示。
可变电阻型潮流控制器的结构和控制比较简单,但电阻作为消耗型器件,需要额外消耗有功功率,且电阻只能调节潮流大小而不能改变潮流方向,在实际应用中一般不予考虑。
（2）DC/DC变换型
DC/DC变换型直流潮流控制器是在直流线路中串入直流变压器,将一端口直流电压U1微调成二端口电压U2,相当于在直流线路中串入电压U1-U2,进而实现潮流控制,拓扑结构及接入方式见图5。
文献[48]提出了利用电容和4个半导体开关构成简易的DC/DC变换器,如附录图3所示,通过导通比实现电压的变换,具有结构简单、经济性好的优点,但难以用于高压大容量直流电网。文献[49-50]介绍了一种双有源桥的拓扑结构,如附录图4所示,采用直流电压偏差的控制策略,实现了直流电压变换、功率双向流动、故障隔离等功能。文献[51]在文献[49]的基础上把潮流控制器应用在海上直流风电场,通过移相控制使其在满载的情况下有很高的效率。文献[52]针对DC-DC变换型DCPFC提出了新型的控制策略,外环控制使用新型的下垂控制,其保证了直流电网的暂态稳定;内环控制使用改进型的直流潮流算法,其保证了直流电网的稳态运行。为了减少运行成本、简化潮流控制器的结构,文献[53-55]均提出了利用模块化多电平换流器（MMC）省去中间交流变压器的拓扑结构。前2者建立了类似于自耦变压器的拓扑结构,如附录图5所示,利用混合型子模块桥臂实现电压变换,通过载波交替反向层叠PWM控制消去桥臂交流分量,在共模电感的滤波作用下输出可控的直流电压,既减少了成本,又降低了损耗。后者利用半桥和全桥子模块相结合的桥臂构成环状结构以实现电压变换。文献[56-57]给出了DC/DC变换器的控制策略并利用牛顿法研究了其对直流电网潮流的调节效果。
DC/DC变换型直流潮流控制器能够实现潮流的双向控制且具有故障阻断能力。同时,DC/DC变换器还可以连接不同电压等级的直流电网,具有广泛的应用前景。但是DC/DC变换器的结构复杂,一般需要交流变压器实现电压变换,成本较高。
（3）辅助电压源型
辅助电压源型直流潮流控制器相当于在直流线路中串入一个大小和极性均可调的直流电压源,它一般由交流变压器和整流器组成,整流器的两端以串联的形式接入到直流线路中,等效拓扑结构如图6所示。因直流线路上压降很小,串入很小的直流电压就能够实现潮流控制。
文献[58-59]使用2个反向并联的三相六脉动晶闸管作为串入直流线路中的整流器,如附录图6所示,其能够在线路中串入正的或负的电压以调节线路电压来控制直流电网潮流分布。但当直流线路发生故障时,晶闸管会承受很高的暂态电压,极易损坏。针对此情况,文献[60]提出了一种基于全桥模块化多电平换流器的直流潮流控制器,如附录图7所示。由于桥臂是由多个全桥子模块SM级联所组成的系统,可以承受很高的电压而不被击穿。文献[61]提出了由IGBT整流器和四象限运行的斩波电路组成的拓扑结构,如附录图8所示,通过控制整流器的运行以及确定斩波电路中开关的通断,能够更加灵活地改变线路的潮流。文献[62]提出了如图7所示的辅助电压源型DCPFC,其从直流电网中取能,但整流侧需多个IGBT串联以承担很高的直流电压,增加了运行损耗。
图4 可变电阻型等效拓扑结构
图5 DC/DC变换型拓扑结构
图6 辅助电压源型等效拓扑结构
辅助电压源型直流潮流控制器避免了承受系统级的直流电压,额定容量较小且潮流的调控空间较大,使其损耗较小、更加灵活。但它普遍需要从交流取能,增加了系统复杂性和交流绝缘成本。
（4）线间直流潮流控制器
线间直流潮流控制器相当于在线路中串入可调的直流电压源,线路中的“直流电压源”之间能够进行功率交换来维持直流电压稳定。与串联电压源型控制器相比,避免了连接于外部的交流电源,不需要承受交流电网的高电压,有良好的应用前景。等效拓扑结构如图8所示,其中Ux、Uy分别为串入到不同直流电路的直流电压。
文献[63]提出了一个简单的线间直流潮流控制器的拓扑结构,如附录图9所示,利用电容串入直流电压,通过控制开关的开断,经电感进行功率交换。然而当线路潮流反转时,该控制器不能及时的进行调解,应用范围有限。文献[64-65]针对文献[63]的缺陷,研制了一种改进型的线间直流潮流控制器拓扑,如附录图10所示,采用2个反并联的IGBT并且通过开关的控制以及电感的耦合作用使能量在线间相互传输,且能够控制潮流的反转。由于每个开关都串联了二极管,但电流只能单向流动,容易出现断续。文献[66]提出了耦合和IGBT相结合的拓扑结构,较文献[64-65]结构更简单,同样能够实现功率的双向传输,且不会造成额外的纹波。文献[67]提出的拓扑结构在2条直流线路之间加入电容,将交流电压整流成的直流电压加在该电容上,并使电容电压在2条线路当中分配,相当于串入2个可调节的电压源,其并不需要与交流侧进行能量的交换,且增大了电压的调节范围。
（5）电流潮流控制器
图7 直流侧取能辅助电压源型
图8 线间直流潮流控制器等效拓扑结构
上述几种潮流控制器能够很好的应用到线路中,改变直流潮流,为直流输电领域的发展起到了很大的推动作用,但是为了进一步的减少损耗和投资成本,电流潮流控制器（CFC）也随之发展起来。该潮流控制器装在直流潮流重要的母线处,使其通过这条线路的电流能够进行分配去控制其他支路的电流,进而达到控制整个潮流的作用。与线间直流潮流控制器工作原理相似,同样不需要与外界交流系统相连。
文献[68]提出的拓扑结构在每条直流线路中串入相同的直流斩波电路,2个直流斩波电路间通过电容实现电流分配,如图9所示。该文献还提出了改进的拓扑结构,如图10所示。图9和图10中：Ti（i=1,…,8）为IGBT与二极管反向并联的开关,C和Cj（j=1、2）为电容,Uc和Ucj为电容电压值,Ic为流入CFC的直流电流值,Ic1和Ic2分别为流向不同直流线路的直流电流值。2条电路使用共同的电容,电容频繁的接入2条不同的线路来控制支路的潮流,结构更加简单,经济性良好。文献[69]对文献[68]的改进结构进行了详细分析,并给出了控制策略。文献[70]给出了电流直流潮流控制器的9种运行模式,每种运行状态对应着不同的IGBT导通,实现对电容的充放电。电容的充放电相当于在线路中高频率的串入正电阻和负电阻,实现对支路电流调整的效果。但由于采用了两态电流滞环宽度控制,电容会产生很大的波动性。针对CFC,文献[71]提出了一种新型的控制策略即PI调节和三角波调制相结合的方法,对电容的波动程度起到了很好的抑制作用。文献[72]针对上述的缺陷也采用了一种新的控制策略,利用状态比较的方法对每个开关的状态进行设计,也达到了理想的效果。文献[73]提出了由5个MMC桥臂组成的电流潮流控制器,每个桥臂又由全桥子模块所组成,该潮流控制器通过对一个循环的交流电流进行调制来实现电流的分配。相对于上述的拓扑结构,它能承受更高的直流电压。现有潮流控制器大多工作在2条线路上,文献[74-75]提出了三端口的CFC拓扑结构,如附录图11所示,可以同时对3条线路上的电流进行分配,除了IGBT的损耗外,理论上没有任何的损耗,为电流的平衡提出了一个经济的解决方案。同时,文献[75]对线路电流大小的限制和任意线路电流的置零做出了研究。文献[74-75]所提出的拓扑结构为能够同时控制多条线路的直流潮流控制器提供了参考,具有重要的意义。但控制线路条数的增加,控制方式随之增加,电流纹波增多。
2.2.2DCPFC潮流计算及选址
在直流中加入DCPFC后,会导致潮流计算矩阵的变化,使原有的潮流程序不再适用。此外,DCPFC安装位置的选择以及控制参数的设定也直接影响了直流电网的运行情况。
针对含DCPFC的直流电网潮流计算,文献[76]进行了含DCPFC的直流电网潮流计算。该文献对交流潮流计算程序进行修改,使其可用于直流潮流中。然后将直流潮流控制器对直流电网的作用等效成电阻型和电压型并引入到直流电网潮流计算中。该潮流计算方法可用于DCPFC规划、潮流优化等领域,具有良好的拓展性。文献[77]提出了将直流潮流控制器以等效注入功率法引入到直流电网潮流计算中,该方法避免了增加雅克比矩阵的阶数且无需改变矩阵元素,减少了潮流计算的计算量。
图9 CFC拓扑结构
图10 改进的CFC拓扑结构
针对DCPFC的选址,文献[78]首先利用灵敏度方法研究DCPFC对多点电压下垂控制的直流电网的作用效果,由此寻出电压型DCPFC的最佳安装位置。其次,利用线路负载率高次项加权的加权潮流熵方法,得到电压型DCPFC的最佳变比。文献[79]提出并验证了电压型DCPFC用以减小线损的工作模式,并建立包含网损的灵敏度分析公式,得到电压型DCPFC的网损最小安装位置以及最佳变比。文献[80]提出了将多个DCPFC安装在含风电网的直流电网中,利用DCPFC增加风电网的外送功率的方法。随着风速的变化,DCPFC的控制值由最优潮流程序得到。文献[81]从潮流运行优化空间、线路负载情况和经济性的角度,提出了DCPFC的配置原则和安装位置。文献[82]利用灵敏度分析法研究了DCPFC对直流电网的影响,分析了辅助电压源型直流潮流控制器对直流电网的控制效果、确定了最佳变比和最佳位置,提出了DCPFC应安装在线路利用率最高的线路上。文献[83]提出了电阻型和电压型DCPFC功率和损耗的统一表达式,并代入到潮流计算中,对比分析了2者对直流电网潮流的控制作用,验证了电压型DCPFC具有更广的适用范围。文献[84]提出了加装DCPFC可使换流站的合理运行空间增大,并在线路不过载的情况下寻出直流线路损耗最小的安装位置。
3、总结和展望
含VSC的交直流电网互联是我国未来电网的发展方向,而直流电网的潮流分析与控制研究仍处在起步阶段。本文在分析讨论直流电网潮流和直流电网最优潮流计算方法的基础上,详细综述了换流站系统级控制和直流潮流控制器的实现原理,并对直流潮流控制器的选址方法进行了归纳总结。
含VSC的直流电网潮流分析与控制是研究交直流特性、故障恢复的重要前提,未来可以从下述方向开展进一步的研究：
1）针对直流电网潮流计算,随着直流电网规模和数量的日渐扩大,交直流混合大电网潮流计算方法的收敛性会降低甚至无法获得可行解,因此大规模交直流混合电网潮流计算方法的收敛性问题是相关领域的研究方向之一。
2）在直流电网实际调度中,可使用最优潮流实时调节换流站的参考值,此时则对最优潮流算法的计算速度提出更高的要求,为此,提高交直流混合电网最优潮流算法计算速度的研究是重要的内容之一。
3）系统级控制方面,现有控制方式大多高度依赖通信系统,存在通信延迟和电压-功率分配快速响应之间的矛盾。为了避免通信问题,可展开对不需要通信的电压裕度控制和电压下垂控制的相关研究,以提高可再生能源发电并网的稳定性。
4）直流潮流控制器方面。随着直流电网规模的扩大,会出现多条直流线路不可控的情况,因此能够同时控制多条线路的多端口直流潮流控制器也是重要的研究方向。
5）关于直流潮流控制器潮流计算与选址方面,可深入研究考虑换流站的控制方式与直流潮流控制器的协调配合。
作者及团队介绍
李国庆，男，1963年生，工学博士，教授，博士生导师。首批国家高层次人才特殊支持计划（万人计划）百千万工程领军人才，首批新世纪百千万人才工程国家级人选，全国杰出专业技术人才，国务院政府特殊津贴获得者，全国优秀科技工作者，吉林省高级专家，吉林省有突出贡献的中青年专家，中国能源学会副会长，中国电机工程学会理事，中国电机工程学会电工数学专业委员会主任委员，吉林省电机工程学会副理事长，吉林省特等劳动模范，兼任“电力系统安全运行与节能技术”国家地方联合工程实验室主任。
主要从事电力系统安全性与稳定性分析，输变电设备运行状态监控，柔性直流输电技术等方向的理论与应用研究与开发。
主持国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金项目、省级重大科技项目等一批纵横向科研项目，取得了一批高水平科研成果并得到了推广应用。获2008年国家科学技术进步二等奖1项，获吉林省科技进步一等奖4项、二等奖7项、三等奖1项；发表学术论文150余篇，其中，SCI、EI收录120余篇；获专利授权12项。
东北电力大学李国庆教授团队目前拥有核心成员20人，其中教授3人，副教授10人，具有博士学位12人，有国外一年以上留学及研修经历7人，首批“万人计划”百千万工程领军人才1人，首批新世纪百千万人才工程国家级人选1人，全国杰出专业技术人才1人，国务院政府特殊津贴获得者1人，全国优秀科技工作者1人，吉林省高级专家1人，吉林省有突出贡献的中青年专家2人。
团队依托电力系统安全运行与节能技术国家地方联合工程实验室，主要开展电力系统安全稳定与优化运行技术、柔性直流输电技术、输变电设备运行状态在线监测与诊断技术、大规模风电并网技术等方面的研究工作。承担国家重点研发计划项目课题2项、国家自然科学基金重点项目1项、国家自然科学基金项目12项、吉林省“双十工程”重大科技攻关项目、国家电网公司重大科技项目等纵横向项目100余项。60余项成果先后在国家电网、发电行业所属30余家企业推广应用。
研究成果获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖4项，二等奖7项，三等奖2项；授权和公开发明专利37项；发表学术论文447篇，SCI、EI收录278篇。
边竞(通信作者);1994—,男,硕士生;主要研究方向为柔性直流输电系统建模与仿真
王鹤;1983—,男,博士,副教授;主要研究方向为柔性直流输电技术的运行与控制
原标题：东北电力大学 李国庆 等：直流电网潮流分析与控制研究综述
