王 鶴,邊 競,李國慶,王振浩,楊 洋,王浩翔

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林省吉林市 132012)

適用于柔性直流電網(wǎng)的多端口直流潮流控制器

王 鶴,邊 競,李國慶,王振浩,楊 洋,王浩翔

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林省吉林市 132012)

現(xiàn)有的直流潮流控制器大多為雙端且僅能輔助控制一條線路上的潮流。為全面控制直流電網(wǎng)潮流分布,文中提出了一種適用于柔性直流電網(wǎng)的多端口直流潮流控制器,它可以同時(shí)控制多條線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礎(chǔ)上,提出了多端口直流潮流控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并詳細(xì)闡述了工作原理;其次,研究了多端口直流潮流控制器的等效電路,進(jìn)而設(shè)計(jì)了能夠使其穩(wěn)定運(yùn)行的控制策略;最終,在RT-LAB仿真平臺中搭建了舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)并安裝了三端口直流潮流控制器,對所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

柔性直流電網(wǎng);多端口直流潮流控制器;反向調(diào)節(jié);潮流階躍

0 引言

新能源發(fā)電屬于中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)是保障中國能源安全、應(yīng)對氣候變化、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要舉措,但新能源發(fā)電并網(wǎng)問題制約著中國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1-4]。直流電網(wǎng)是具有先進(jìn)能源管理系統(tǒng)的智能、穩(wěn)定的廣域傳輸網(wǎng)絡(luò),運(yùn)行方式靈活、供電可靠,特別適合新能源發(fā)電的集中并網(wǎng)和遠(yuǎn)距離傳輸。不過,直流電網(wǎng)內(nèi)部的潮流自然分布會導(dǎo)致某條線路比其余線路承擔(dān)更多的電流,各支路的載流裕度相差很大,潮流分布不合理,這樣會產(chǎn)生嚴(yán)重的線路損耗甚至?xí)箵Q流站過載,因此,控制每條線路上的潮流是直流電網(wǎng)必須面對且亟待解決的問題之一[5-8]。

直流潮流控制器能夠有效提升復(fù)雜直流電網(wǎng)的潮流自由度,解決部分線路潮流不可控問題,對直流電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義[9-11]。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于雙有源橋(dual active bridge,DAB)拓?fù)涞闹绷髯儔浩餍椭绷鞒绷骺刂破?它主要由高頻隔離變換器和H橋變換器組成,并采用調(diào)制波移相進(jìn)行脈寬調(diào)制,最終通過調(diào)節(jié)輸出的直流電壓調(diào)節(jié)線路潮流。文獻(xiàn)[13]提出了模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的輔助電壓源型直流潮流控制器,它以在線路中串入正的或負(fù)的電壓調(diào)節(jié)直流系統(tǒng)的功率分布,控制靈活,電壓等級較低。文獻(xiàn)[14]提出了一種電流潮流控制器(current flow controller,CFC)型的線間直流潮流控制器,它安裝在直流線路的節(jié)點(diǎn)處,利用電容對線路上的電流進(jìn)行分配,設(shè)備成本較低,但電容的充放電過程易產(chǎn)生電流紋波。文獻(xiàn)[15]在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上,提出了可控制多條線路的CFC,但隨著控制線路條數(shù)的增加,電容電壓變化頻繁和控制難度均隨之增大。

關(guān)于直流潮流控制器,現(xiàn)有研究多針對兩端直流潮流控制器,可控制多條線路的直流潮流控制器的研究仍處于起步階段。在充分研究已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,本文提出了一種適用于柔性直流電網(wǎng)的多端口直流潮流控制器(multi-port direct power flow controller,M-DCPFC),它可以同時(shí)控制多條線路上的潮流且便于拓展。本文提出了M-DCPFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并詳細(xì)闡述了工作原理,設(shè)計(jì)了能夠穩(wěn)定運(yùn)行的控制策略,最終,在RT-LAB仿真平臺中搭建了舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)并安裝了三端口直流潮流控制器,對所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 直流潮流控制器及M-DCPFC

直流電網(wǎng)中的潮流僅與線路電阻、直流電壓有關(guān),故直流潮流控制器可分為電阻型和電壓型。電阻型直流潮流控制器的結(jié)構(gòu)如附錄A圖A1(a)所示,其通過改變線路的等效電阻來實(shí)現(xiàn)潮流控制的目的,具有結(jié)構(gòu)簡單、便于控制的優(yōu)點(diǎn),但只能減小安裝線路上的電流,不能改變電流方向,且額外損耗較大,不宜工程推廣[16-17]。電壓型直流潮流控制器具體可分為:直流變壓器型、輔助電壓源型、線間直流潮流控制器,分別如附錄A圖A1(b)、圖A1(c)和圖A1(d)所示[18-21]。電壓型直流潮流控制器相當(dāng)于在直流線路中串入幅值和極性均可調(diào)的直流電壓源,以改變線路上的電壓進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制直流電網(wǎng)潮流。其能夠雙向控制直流電網(wǎng)潮流,靈活性較好,具有良好的應(yīng)用前景[22-23]?；诖?本文提出了電壓源型M-DCPFC。

在含有多個(gè)環(huán)網(wǎng)的復(fù)雜直流電網(wǎng)中,需要在多條線路上同時(shí)安裝多個(gè)直流潮流控制器并進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)成本較高且可靠性較低。與現(xiàn)有兩端口直流潮流控制器相比,M-DCPFC可安裝在多條線路上,通過在每一條線路上串入額外的直流電壓來控制潮流,能夠起到同時(shí)安裝多個(gè)直流潮流控制器的效果。由于M-DCPFC是在各個(gè)線路中接入獨(dú)立的直流電壓,使其可以適用于多種類型的直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu),等效電路如附錄A圖A2所示。

2 M-DCPFC拓?fù)渑c原理

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是M-DCPFC的物理基礎(chǔ),對其潮流控制性能、工作原理以及控制策略的實(shí)現(xiàn)具有決定性的影響。本節(jié)將對M-DCPFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹。

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

鑒于電壓源型換流器(VSC)具有良好的控制特性、潮流反轉(zhuǎn)方便快捷等優(yōu)點(diǎn),本文所提出的M-DCPFC由若干個(gè)VSC和交流變壓器組成。以三端口直流潮流控制器為例,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,其中:VM1至VM3為M-DCPFC串入直流電壓,IM1至IM3為M-DCPFC端口電流,Lt為內(nèi)部阻抗。M-DCPFC的直流側(cè)以串聯(lián)的形式接入線路中,通過在線路上加入額外的電壓來改變線路壓降,最終實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié);交流側(cè)通過交流變壓器連接進(jìn)行內(nèi)部能量交換,實(shí)現(xiàn)自身能量平衡,避免了與外部交流系統(tǒng)相連接取能。

2.2 M-DCPFC的工作原理

以舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)為例,圖2為三端口直流潮流控制器用于舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)的示意圖,主要參數(shù)如附錄A表A1和表A2所示。直流系統(tǒng)共有6條輸電線路,由N-1原則,包含2條不可控支路,需采用三端口直流潮流控制器。根據(jù)式(1)可知,改變線路上壓降,就能夠改變線路的傳輸功率。因此,M-DCPFC分別將額外電壓VM1,VM2,VM3接入I45,I14,I34中來調(diào)節(jié)系統(tǒng)潮流。盡管M-DCPFC僅安裝在3條線路上,卻能夠控制整個(gè)直流系統(tǒng)的潮流分布。

圖1 M-DCPFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topolopy structure of M-DCPFC

(1)

式中:PL為線路上的傳輸功率;V為換流站電壓;ΔV為線路壓降;RL為線路電阻。

圖2 舟山柔性直流輸電系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of Zhoushan flexible HVDC system

圖2中:R12,R13,R14,R15,R34,R45為6條線路的電阻;I12,I13,I14,I15,I34,I45為6條線路上的電流;VM1,VM2,VM3為M-DCPFC串入直流線路的電壓;V1,V2,V3,V4,V5為5個(gè)換流站的母線電壓;I1,I2,I3,I4,I5為5個(gè)換流站的輸出/輸入電流。

由圖2,根據(jù)基爾霍夫電壓定律,可以得到直流電網(wǎng)中線路電流與串入M-DCPFC的端口直流電壓的關(guān)系式;根據(jù)基爾霍夫電流定律,可以得到線路電流與換流站輸入/輸出電流的關(guān)系式,矩陣形式如式(2)所示。

(2)

并有:

(3)

式中:P1,P2,P3,P4,P5為5個(gè)換流站發(fā)出或者接收的有功功率。

結(jié)合式(2)和式(3),并將系統(tǒng)參數(shù)代入,可得:

(4)

式(4)中矩陣的秩為2,說明設(shè)定2個(gè)線路電流,并與換流站配合,就可以控制全網(wǎng)的線路電流。從式(4)可看出:只要串入很小的直流電壓就可以調(diào)節(jié)電流,實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)潮流的目的。M-DCPFC對換流站的影響很小,可近似認(rèn)為換流站終端電壓和輸入/輸出電流不變。進(jìn)一步可得到功率關(guān)系:

Pij=ViIij

(5)

式中:Pij為線路i-j上流通的有功功率;Vi為換流站i的電壓;Ii-j為線路ij上流通的直流電流。

可將上文分析拓展至具有N個(gè)換流站、M條直流電路的直流電網(wǎng)中,此時(shí)需加裝M-N+2個(gè)端口直流潮流控制器?；鶢柣舴蜿P(guān)系矩陣,式(2)的一般形式為:

(6)

式中:A1為(M-N+1)×M階矩陣,矩陣中元素為線路阻值或零；B1為(M-N+1)×1階的列陣,矩陣中元素為串入直流電壓值;A2為(N-1)×M階的矩陣,矩陣中元素為±1或零；B2為(N-1)×1階的列陣,矩陣中元素為換流站流入/流出的電流值。

根據(jù)式(6),即可得到設(shè)定線路潮流時(shí)所需串入的直流電壓值。

3 M-DCPFC的控制策略

控制策略是M-DCPFC的核心問題,對M-DCPFC的安全穩(wěn)定運(yùn)行及對直流電網(wǎng)潮流控制效果至關(guān)重要。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,結(jié)合數(shù)學(xué)模型,提出該直流潮流控制器的控制策略。

3.1 M-DCPFC的數(shù)學(xué)模型

圖3為M-DCPFC的dq等值電路。

圖3 M-DCPFC的dq等值電路Fig.3 dq equivalent circuit of M-DCPFC

圖3中,Li和Ri分別為第i個(gè)換流器端口折算后的橋臂電抗和橋臂電阻,idi和iqi分別為第i個(gè)換流器端口流向交流母線的電流折算后的d軸和q軸分量,vdi和vqi分別為第i個(gè)換流器端口交流電壓折算后的d軸和q軸分量,ud和uq分別為交流母線電壓的d軸和q軸分量。并且可以得到:

(7)

(8)

式中:vi為第i個(gè)端口交流電壓;VMi為第i個(gè)端口直流電壓;Mi為端口調(diào)制比。

式(7)表明了端口交流電壓與交流母線電壓之間的聯(lián)系,式(8)表明了端口交流電壓和端口直流之間的聯(lián)系。

3.2 端口電壓生成

換流器的控制需要以端口電壓作為參考值,而直流潮流控制器是以控制線路電流為目的,故需要得到二者之間的關(guān)系。根據(jù)M-DCPFC的整體功率平衡,得到:

(9)

式中:IMi為流過M-DCPFC端口的電流。

以圖2中舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)為例,有

I34VM1+I14VM2+I45VM3=0

(10)

結(jié)合式(4)與式(10),在設(shè)定2條線路電流的情況下,即可得到VM1,VM2,VM3的大小與方向。以設(shè)定I13和I14為例,具體計(jì)算框圖如圖4所示。

圖4 端口電壓參考值生成圖Fig.4 Block diagram of voltage reference value generation

圖4中的ai,bi,ci,di(i=1,2)表示根據(jù)式(4)得到的常數(shù)。當(dāng)M-DCPFC的端口數(shù)發(fā)生變化時(shí),僅需更改輸入量和輸出量。

3.3 M-DCPFC控制策略

由于各端口是通過內(nèi)部交流連接,故內(nèi)部交流電壓穩(wěn)定是可靠運(yùn)行的前提。本文使用的控制策略是端口1用以維持交流電壓穩(wěn)定,其余端口均運(yùn)行在定直流電壓模式以在線路中串入直流電壓。

3.3.1 端口1控制策略

為了令端口1維持穩(wěn)定的交流電壓,首先要控制端口1直流側(cè)電壓VM1穩(wěn)定。VM1的一端需要與直流系統(tǒng)的定直流電壓站相連接,微調(diào)定直流電壓站得到穩(wěn)定的VM1,如式(11)所示。附錄A圖A3為與式(11)相對應(yīng)的控制框圖。相比于直流電網(wǎng),M-DCPFC的電壓等級較小,得到的直流電壓修正量ΔV3ref也會較小,并不會影響到直流電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

V3ref，2=V3ref，1+ΔV3ref=V3ref,1+

(11)

式中:VM1,ref為端口1直流側(cè)電壓指令值;V3ref,1為定直流電壓站未修正的直流電壓指令值;ΔV3ref為定直流電壓站直流電壓修正量;V3ref,2為修正后的定直流電壓站的直流電壓參考值。

在穩(wěn)定的端口1直流電壓的基礎(chǔ)上,即可維持內(nèi)部交流電壓穩(wěn)定。控制框圖如附錄A圖A4所示,該控制策略采用無源逆變的形式,給定正弦量三要素而來。其中,幅值為直流電壓的一半與調(diào)制比的乘積,頻率定為50 Hz,相角為隨時(shí)間變化的量。最終,經(jīng)觸發(fā)邏輯對橋臂進(jìn)行觸發(fā)。

3.3.2 其余端口控制策略

M-DCPFC是通過在線路上串入穩(wěn)定的直流電壓來控制直流系統(tǒng)的潮流分布,因此其余的端口均采用定直流電壓控制。內(nèi)環(huán)d軸電流分量參考值根據(jù)直流電壓的負(fù)反饋比例—積分(PI)控制器來確定,如式(12)所示;根據(jù)式(7),內(nèi)環(huán)電流控制器表達(dá)式如式(13)所示。結(jié)合式(12)與式(13),得到控制框圖,如圖5所示。為了使無功功率為零,圖5中iqi,ref=0。

(12)

(13)

式中:idi,ref為i端口d軸電流分量的指令值;VMi,ref為i端口直流電壓的指令值;udi和uqi分別為交流電壓的d軸和q分量;idi,ref和iqi,ref分別為d軸和q軸電流分量的指令值,kp1，kp2和ki1,ki2分別為PI控制器中的比例參數(shù)和積分參數(shù)。

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

4 仿真驗(yàn)證

上文已經(jīng)對M-DCPFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和控制策略進(jìn)行了介紹,為了驗(yàn)證M-DCPFC的可行性和有效性,在RT-LAB中搭建舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)并安裝三端口直流潮流控制器,如圖2所示,仿真參數(shù)見附錄A表A1和表A2。換流站3工作在定直流電壓模式下,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。下面將對投入M-DCPFC、反向調(diào)節(jié)、端口1功率階躍情況下保持I13和I14不變和端口1功率缺失情況下保持I13和I14不變進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

4.1 投入M-DCPFC

在M-DCPFC投入之前,舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行,此時(shí),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分別預(yù)充電至-1,-1,1 kV。t=2.5 s時(shí),投入M-DCPFC,設(shè)定I13,ref=0.1 kA,I14,ref=-0.4 kA。仿真結(jié)果如附錄A圖A5所示,其中圖A5(a)為直流線路電流,圖A5(b)為舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)換流站電壓,圖A5(c)為直流潮流控制器的端口電壓?？梢园l(fā)現(xiàn),直流線路電流改變至期望值,且該M-DCPFC對換流站電壓的影響較小,驗(yàn)證了該直流潮流控制器的有效性。

4.2 反向調(diào)節(jié)

t=2.5 s時(shí),投入M-DCPFC,設(shè)定I13,ref=0.5 kA,I14,ref=-0.1 kA,并將VM1,VM2,VM3均預(yù)充電至-1 kV。根據(jù)式(4)和式(10)可得:I12=0.25 kA,I15=-0.4 kA,I34=-0.5 kA,I45=0.15 kA。仿真結(jié)果如附錄A圖A6所示,其中圖A6(a)為直流線路電流,圖A6(b)為舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)換流站電壓,圖A6(c)為直流潮流控制器的端口電壓。將穩(wěn)態(tài)情況下的理論值和仿真值進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)仿真值相對于理論值的誤差很小。同時(shí),與4.1節(jié)相比,I13增大而I14減小,流經(jīng)線路L45的I45發(fā)生潮流反轉(zhuǎn),驗(yàn)證了該直流潮流控制器的反向調(diào)節(jié)能力。

4.3 換流站1功率階躍保持I13和I14恒定

在換流站1功率躍變之前,M-DCPFC已投入使用并穩(wěn)定運(yùn)行,仍為4.1節(jié)工況。t=4 s,換流站1功率由100 MW階躍至150 MW,其他換流站工況不變,保持I13和I14恒定。仿真結(jié)果如附錄A圖A7所示,其中圖A7(a)為直流線路電流,圖A7(b)為舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)換流站電壓,圖A7(c)為直流潮流控制器的端口電壓。仿真結(jié)果表明:在換流站1功率增大時(shí),M-DCPFC能夠保持I13和I14不變,而隨著換流站1注入的電流增大,其他線路上的電流增大,與理論相符,驗(yàn)證了M-DCPFC能夠在某一端口功率階躍時(shí)保持某條線路的電流不變。

4.4 端口1功率缺失保持I13和I14恒定

在4.1節(jié)的基礎(chǔ)上,t=4 s,換流站1功率由100 MW降至50 MW,其他換流站工況不變,保持I13和I14恒定。仿真結(jié)果如附錄A圖A8所示,其中圖A8(a)為直流線路電流,圖A8(b)為舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)換流站電壓,圖A8(c)為直流潮流控制器的端口電壓。仿真結(jié)果表明:在換流站1功率減小時(shí),M-DCPFC能夠保持I13和I14不變,而隨著換流站1注入的電流減小,其他線路上的電流相應(yīng)減小以維持I13和I14不變,驗(yàn)證了M-DCPFC在某一端口功率缺失時(shí)能夠保證某條線路的電流不變。

5 結(jié)論

為了全面控制直流電網(wǎng)的潮流分布,本文提出一種適用于柔性直流電網(wǎng)的M-DCPFC。

1)與現(xiàn)有傳統(tǒng)的二端口直流潮流控制器相比,它能夠同時(shí)控制多條線路上的潮流,有效地實(shí)現(xiàn)了直流輸電系統(tǒng)的潮流控制,很大程度上彌補(bǔ)了直流電網(wǎng)潮流控制自由度不足的問題。同時(shí),它避免了與外部系統(tǒng)的連接,系統(tǒng)容量和額外損耗均較小。

2)與現(xiàn)有的M-DCPFC相比,本文所提出的M-DCPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,并具有良好的拓展性,易于拓展至更多的端口;此外,本文考慮柔性直流電網(wǎng)的控制策略,得出了線路潮流與線路中串入直流電壓的關(guān)系,以此為基礎(chǔ)提出了M-DCPFC的控制策略,使柔性直流電網(wǎng)與M-DCPFC協(xié)調(diào)運(yùn)行。因此,所提出的M-DCPFC更適用于中國未來柔性直流電網(wǎng)的發(fā)展。

3)在RT-LAB中搭建了舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)模型,驗(yàn)證了M-DCPFC投入運(yùn)行、反向調(diào)節(jié)、功率突變而保持線路電流不變的能力,仿真結(jié)果表明M-DCPFC能夠穩(wěn)定地控制直流電網(wǎng)的潮流,有利于直流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4)M-DCPFC目前需要使用交流變壓器進(jìn)行內(nèi)部電壓變換,下一步將進(jìn)行在略去交流變壓器的情況仍可以變換電壓的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 姚良忠,吳婧,王志冰,等.未來高壓直流電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(34):6007-6020.

YAO Liangzhong,WU Jing,WANG Zhibing,et al.Pattern analysis of future HVDC grid development[J].Proceedings of the CSEE,2014,34(34):6007-6020.

[2] 李亞樓,穆清,安寧,等.直流電網(wǎng)模型和仿真的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(4):127-135.DOI:10.7500/AEPS20130422006.

LI Yalou,MU Qing,AN Ning,et al.Development and challenge of modeling and simulation of DC grid[J].Automation of Electric Power Systems,2014,38(4):127-135.DOI:10.7500/AEPS20130422006.

[3] 孫蔚,姚良忠,李琰,等.考慮大規(guī)模海上風(fēng)電接入的多電壓等級直流電網(wǎng)運(yùn)行控制策略研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(4):776-785.

SUN Wei,YAO Liangzhong,LI Yan,et al.Study on operation control strategies of DC grid with multi-voltage level considering large offshore wind farm grid integration[J].Proceedings of the CSEE,2015,35(4):776-785.

[4] 周逢權(quán),黃偉.直流配電網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014,42(22):62-67.

ZHOU Fengquan,HUANG Wei.Study on the key technology of DC distribution power network[J].Power System Protection and Control,2014,42(22):62-67.

[5] MU Qing,LIANG Jun,LI Yalou,et al.Power flow control devices in DC grids[C]// IEEE Power and Energy Society General Meeting,July 22-26,2012,San Diego,USA:7p.

[6] CHANIAGO K,RAHIM N A,SELVARAJ J.Implementation of hysteresis current control for single-phase grid connected inverter[C]// 7th International Conference on Power Electronics and Drive Systems,November 27-30,2007,Bangkok,Thailand:1097-1101.

[7] 陳武,朱旭,姚良忠,等.適用于多端柔性直流輸電系統(tǒng)的直流潮流控制器[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(11):76-82.DOI:10.7500/AEPS20140813003.

CHEN Wu,ZHU Xu,YAO Liangzhong,et al.An interline DC power flow controller suitable for VSC-MTDC systems[J].Automation of Electric Power Systems,2015,39(11):76-82.DOI:10.7500/AEPS20140813003.

[8] 李國慶,龍超,孫銀鋒,等.直流潮流控制器對直流電網(wǎng)的影響及其選址[J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(7):1786-1792.

LI Guoqing,LONG Chao,SUN Yinfeng,et al.Impact and location analysis of DC power flow controller on DC grid[J].Power System Technology,2015,39(7):1786-1792.

[9] DENG N,WANG P Y,ZHANG X P.A DC current flow controller for meshed modular multilevel converter multiterminal HVDC grids[J].CSEE Journal of Power and Energy Systems,2015,1(1):43-51

[10] CHEN Wu,ZHU Xu,YAO Liangzhong,et al.A novel interline DC power-flow controller (IDCPFC) for meshed HVDC grids[J].IEEE Trans on Power Delivery,2016,31(4):1719-1727.

[11] MOHAMED A,MOHAMED O.Power flow control in DC distribution systems[C]// North American Power Symposium (NAPS),September 26-28,2010,Arlington,USA:1-7.

[12] 姚良忠,崔紅芬,李官軍.柔性直流電網(wǎng)串聯(lián)直流潮流控制器及其控制策略研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2016,36(4):945-952.

YAO Liangzhong,CUI Hongfen,LI Guanjun.Studies of series DC power flow controller and its control strategy in the VSC based DC grid[J].Proceedings of the CSEE,2016,36(4):945-952.

[13] 許烽,徐政.一種適用于多端直流系統(tǒng)的模塊化多電平潮流控制器[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(3):95-102.DOI:10.7500/AEPS20131120011.

XU Feng,XU Zheng.A modular multilevel power flow controller for multi-terminal HVDC systems[J].Automation of Electric Power Systems,2015,39(3):95-102.DOI:10.7500/AEPS20131120011.

[14] 許烽,徐政,劉高任.新型直流潮流控制器及其在環(huán)網(wǎng)式直流電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(10):2644-2650.

XU Feng,XU Zheng,LIU Gaoren.A neotype of DC power flow controller and its applications in meshed DC grids[J].Power System Technology,2014,38(10):2644-2650.

[15] DIAB H Y,MOSTAFA I M,TENNAKOON S B.Operation and control of an insulated gate bipolar transistor-based current controlling device for power flow applications in multiterminal high-voltage direct current grids[J].IET Power Electronics,2016,9(2):305-315.

[16] JOVCIC D,OOI B T.Developing DC transmission networks using DC transformers[J].IEEE Trans on Power Delivery,2010,25(4):2535-2543.

[17] BARKER C D,WHITEHOUSE R S.A current flow controller for use in HVDC grids[C]// 10th IET International Conference on AC and DC Power Transmission,December 4-5,2012,Birmingham,UK:5p.

[18] 姚良忠,魯雙楊,文勁宇,等.含DC-DC變換器的直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其運(yùn)行控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(11):80-86.DOI:10.7500/AEPS20150604003.

YAO Liangzhong,LU Shuangyang,WEN Jinyu,et al.Topology and control of DC grid with DC-DC converters[J].Automation of Electric Power Systems,2016,40(11):80-86.DOI:10.7500/AEPS20150604003.

[19] VEILLEUX E,OOI B T.Multiterminal HVDC with thyristor power-flow controller[J].IEEE Trans on Power Delivery,2012,27(3):1205-1212.

[20] KISH G J,LEHN P W.A modular bidirectional DC power flow controller with fault blocking capability for DC networks[C]// IEEE 14th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics,June 23-26,2013,Salt Lake City,USA:7p.

[21] van HERTEM D,VERBOOMEN J,PURCHALA K,et al.Usefulness of DC power flow for active power flow analysis with flow controlling devices[C]// The 8th IEE International Conference on AC and DC Power Transmission,March 28-31,2006,London,UK:58-62.

[22] 陶以彬,朱旭,陳武,等.直流電網(wǎng)中潮流控制器電路拓?fù)浔容^[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(17):232-239.DOI:10.7500/AEPS20151117006.

TAO Yibin,ZHU Xu,CHEN Wu,et al.Comparisons of power flow controller topologies in DC power grids[J].Automation of Electric Power Systems,2016,40(17):232-239.DOI:10.7500/AEPS20151117006.

[23] SPALLAROSSA C E,GREEN T C,LIN C,et al.A DC voltage control strategy for MMC MTDC grids incorporating multiple master stations[C]// IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition,April 14-17,2014,Chicago,USA:5p.

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。

上網(wǎng)日期:2017-07-25。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51677023)。

王 鶴(1983—),男,博士,副教授,主要研究方向:分布式發(fā)電、微電網(wǎng)的運(yùn)行與控制。E-mail： wang_he12@yahoo.com.cn

邊 競(1994—),男,通信作者,碩士研究生,主要研究方向:柔性直流輸電系統(tǒng)建模與仿真。E-mail:bj_jjj@163.com

李國慶(1963—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性分析、控制與決策、配電系統(tǒng)自動(dòng)化。E-mail:LGQ@mail.nedu.edu.cn

(編輯蔡靜雯)