張書鑫, 李彬彬, 毛舒凱, 王 衛(wèi), 徐殿國

(哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院, 黑龍江省哈爾濱市 150001)

0 引言

隨著環(huán)境污染以及傳統(tǒng)化石能源緊缺等問題的日益嚴重,清潔的可再生能源開發(fā)和利用越來越受到人們的重視。然而,常見的可再生能源,例如風能和太陽能等,具有較強的間歇性和隨機性,這使得傳統(tǒng)電網(wǎng)在接納可再生能源時受到諸多限制。基于電壓源換流器(voltage source converter,VSC)的多端柔性直流輸電技術和直流電網(wǎng)技術是解決大規(guī)?？稍偕茉唇蛹{問題的有效技術手段[1-2]。目前,國際上關于具體的直流電網(wǎng)的定義還沒有達成一致,但可以確定的是,直流電網(wǎng)是在多端直流輸電系統(tǒng)的基礎上,形成具有“網(wǎng)孔”的、冗余度和可靠性較高的系統(tǒng)[3-4]。

然而,對于含有n個換流站的直流系統(tǒng),系統(tǒng)的控制自由度為n-1。如果支路數(shù)超過n-1,那么將無法通過控制換流站來實現(xiàn)線路潮流的獨立控制。在含有“網(wǎng)孔”的直流系統(tǒng)中,支路數(shù)必然要超過n-1。在這種情況下,系統(tǒng)很容易發(fā)生潮流分布不合理的情況,嚴重時甚至危害系統(tǒng)的可靠運行。例如某些線路可能嚴重過載而跳閘,從而其原本輸送的功率將轉移到其他線路,導致其他線路也存在過載的可能進而相繼跳閘。如不能及時做出調整,可能造成大范圍停電。

因此,為了改善直流潮流的分布,需要引入額外的直流潮流控制設備,即直流潮流控制器(DC power flow controller,DCPFC)。由于直流電網(wǎng)中不存在交流電網(wǎng)中的電抗、相角和無功功率等物理量,因此對于直流潮流的控制只能通過改變線路電阻或是改變直流電壓來實現(xiàn)。文獻[5-6]分別給出了改變線路電阻的兩種思路。在改變電壓方面,目前主要有DC/DC變換器型DCPFC[6-8]、串聯(lián)電壓源型DCPFC[5,9-11]以及線間DCPFC[12-20]三種,它們各自適用的場合有所不同。

本文首先對現(xiàn)有幾種DCPFC的典型拓撲進行了分析。在此基礎上,提出了一種新型線間DCPFC拓撲,并對其原理、特點及工作方式進行了介紹。與已有的DCPFC相比,本文提出的新型線間DCPFC需要的元件和驅動電路更少,拓撲結構更加簡潔,控制也更為簡單,具有更高的經(jīng)濟性和可靠性。最后,本文在PLECS仿真環(huán)境中搭建了一個三端直流輸電系統(tǒng),驗證了本文所提出的新型線間DCPFC有效性。

1 現(xiàn)有DCPFC拓撲

現(xiàn)有的DCPFC從原理上可簡單分為調節(jié)線路電阻和調節(jié)直流電壓兩種。其中,調節(jié)直流電壓又可以分為DC/DC變換器型DCPFC、串聯(lián)電壓源型DCPFC以及線間DCPFC三種。下面將對幾種不同類型的DCPFC進行介紹。

1.1 調節(jié)線路電阻型DCPFC

文獻[5]介紹了一種可變電阻的DCPFC,其拓撲如附錄A圖A1所示。該拓撲中的二極管用來承受反向電壓,保護絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)單元不被損壞。與線路串聯(lián)的電感用來維持電流,降低開關切換對外部電路造成的影響。通過調節(jié)開關的占空比就可以調節(jié)該拓撲的等效串聯(lián)電阻值。文獻[6]介紹了另一種可變電阻的DCPFC,其拓撲如附錄A圖A2所示。該拓撲主要由一系列電阻串聯(lián)構成,每個電阻都有各自的旁路開關,圖中旁路開關是機械開關,亦可用半導體開關替代。機械開關損耗較小,但動態(tài)響應較差,而半導體開關則恰好反之。

調節(jié)線路電阻型DCPFC拓撲和控制方法都較為簡單,但電阻要消耗有功功率,損耗較大,導致經(jīng)濟性較差;而且損耗的電能會轉化為熱能,需要配置冷卻裝置。此外,該方法只能單向增大線路電阻,無法減小線路電阻,靈活性不足,因此這類DCPFC在實際工程應用中的可行性受限。

1.2 DC/DC變換器型DCPFC

文獻[6]中將雙向Buck/Boost變換器作為DC/DC變換器型DCPFC來使用,如附錄A圖A3所示。但該拓撲中V1只能大于V2,即只能實現(xiàn)潮流的單向調節(jié),且該拓撲在電壓等級較高時難以應用。文獻[7]介紹了一種諧振型DC/DC變換器,如附錄A圖A4所示。由于采用了晶閘管閥,該拓撲更適用于高壓大功率的應用,但諧振導致全部器件的電壓應力變大,而且元器件數(shù)目過多且輸入輸出諧波嚴重。文獻[8]介紹了一種基于模塊化多電平換流器(MMC)的隔離型DC/DC變換器,如附錄A圖A5所示。由于MMC自身的特點,該拓撲也特別適用于高壓大功率的情況。這種拓撲具備損耗小、波形質量高的優(yōu)點,但需要采用交流變壓器,功率需要經(jīng)過逆變—整流兩套變流裝置,元器件較多且損耗較大。此外,還有很多不同類型的DC/DC變換器拓撲可作為DCPFC。

但需要指出,盡管DC/DC變換器能夠有效實現(xiàn)直流潮流調節(jié)功能,但DC/DC變換器運行時需要承受直流系統(tǒng)級的電壓和功率,如果僅將其用來調節(jié)潮流的話,復雜性和成本顯得過高。因此工程中其更適合用于連接不同電壓等級的直流電網(wǎng),而直流潮流控制則作為其中一個附加的功能。

1.3 串聯(lián)電壓源型DCPFC

由于直流電網(wǎng)中沒有電抗,因此較小的直流電壓變化就可以造成較大的潮流變化。因此,可以直接在直流線路中串聯(lián)一個電壓等級較低的可調電壓源來實現(xiàn)直流潮流控制。文獻[9]介紹了一種由2個反并聯(lián)的三相六脈波晶閘管橋和電抗器構成的可調電壓源,其拓撲如附錄A圖A6所示。文獻[10-11]則將MMC直流側串聯(lián)接入到直流線路當中,交流側從交流電網(wǎng)取能,如附錄A圖A7所示。

串聯(lián)電壓源型DCPFC與DC/DC變換器不同,無須承受直流系統(tǒng)的電壓和功率,器件數(shù)目少,成本與損耗顯著降低。但是,這種DCPFC需要通過換流變壓器從交流側取能,且該換流變壓器要承受直流系統(tǒng)級的直流電壓偏置,絕緣設計難度較大,成本較高。

1.4 線間DCPFC

文獻[12]提出了雙H橋型線間DCPFC及其改進型拓撲,解決了串聯(lián)電壓源型DCPFC需要從交流側取能的缺陷。其原理是通過電力電子開關的切換,使一個電容器依次串聯(lián)在兩條線路中。這個電容器將在一條線路中充電,相當于串聯(lián)了一個負電壓源,使這條線路上的電流減小;而在另一條線路中放電,相當于串聯(lián)了一個正電壓源,使線路上的電流增大。在穩(wěn)定運行時,電容的充放電能量應保持平衡。雙H橋型線間DCPFC原始拓撲及其改進結構如圖1所示,圖1(a)直接由兩個H橋模塊組成;圖1(b)為改進拓撲,將兩個并聯(lián)的電容合并為一個電容器,并將拓撲左側的兩對開關管合并為一對開關管。文獻[13-14]對雙H橋型線間DCPFC進行了進一步的理論分析,并分別給出不同的控制策略。文獻[15-16]提出在兩條線路中各串聯(lián)一個電容,并用一個DC/DC變換器實現(xiàn)兩個電容的功率交換,其拓撲如附錄A圖A8所示。文獻[17-18]在此基礎上,提出了兩種含有耦合電感的新拓撲,能夠克服文獻[15-16]中的拓撲不能適用于潮流發(fā)生反轉的情況的缺陷,如附錄A圖A9所示。文獻[15-18]的拓撲均需額外增加開關器件以及電容、電感器件。文獻[19-20]提出了基于MMC的線間DCPFC,其拓撲如附錄A圖A10所示。由于MMC子模塊配有電容,因此不必在線路上額外串聯(lián)電容。這種拓撲由于MMC固有的冗余性,可靠性較高,但器件數(shù)目過多導致成本較高,控制也較復雜。

圖1 雙H橋型線間DCPFC原始及改進拓撲Fig.1 Original and modified topologies of dual H-bridge interline DCPFC

2 新型線間DCPFC拓撲

2.1 新型線間DCPFC拓撲原理及其外特性分析

本文提出了一種新型線間DCPFC,其拓撲如圖2所示。新拓撲只需要4個全控型開關器件和一個電容器,拓撲結構極為簡潔,與現(xiàn)有拓撲相比,縮減了所需的器件數(shù)目。另一方面,新拓撲中兩個反向串聯(lián)的開關管總是同時開通或關斷,因此可共用一路驅動電路,與雙H橋線間DCPFC相比,新拓撲可以至少節(jié)省4路驅動。

圖2 新型線間DCPFC拓撲Fig.2 Topology of proposed interline DCPFC

新拓撲適用于兩條線路潮流方向相同的情況,具有4種不同的運行工況。附錄A圖A11描述的是當電流方向為從左向右的兩種工況,其中附錄A圖A11(a)和(b)是同一種工況下的兩種開關狀態(tài);而附錄A圖A11(c)和(d)是另一種工況下的兩種開關狀態(tài)。下面以附錄A圖A11(a)和(b)這一對開關狀態(tài)為例,介紹該拓撲的工作原理。附錄A圖A11(a)中,開關管S3和S4導通,而開關管S1和S2關斷,電容在線路1中充電,使線路1電流I1減小;附錄A圖A11(b)中,開關管S1和S2導通,S3和S4關斷,電容在線路2中放電,使線路2電流I2增大。這兩種開關狀態(tài)交替反復,即可將線路1中的一部分電流轉移到線路2中。

仍以上面描述的工況為例進行分析,根據(jù)電容的安秒平衡原則,有

DTsI1=(1-D)TsI2

(1)

(2)

式中:D為開關S3和S4的占空比;Ts為開關周期。

根據(jù)式(2), 所提線間DCPFC通過調節(jié)開關占空比就可以調節(jié)線路電流的大小。

本文提出的新型線間DCPFC在兩條線路中引入的等效電壓分別可以用下面兩個公式計算:

(3)

(1-D)VC

(4)

式中:VC為電容的平均電壓。

2.2 參數(shù)選擇

首先進行電容平均電壓的計算。當開關狀態(tài)為如附錄A圖A11(a)所示時,有

(5)

式中:Ri和Li分別為線路i(i=1,2)的電阻和電抗;V1和V2分別為線路1和線路2阻抗另一端的電壓;C為電容。

將式(5)改寫成矩陣形式,得到:

(6)

當開關狀態(tài)為如附錄A圖A11(b)所示時,有

(7)

同樣將(7)改寫成矩陣形式,得到:

(8)

將式(6)和式(8)分別乘以D和1-D,然后將它們相加,可以得到:

(9)

穩(wěn)態(tài)下可以將式(9)寫成式(10)的形式,進一步求解式(10),可以得到電容平均電壓的表達式。

(10)

(11)

然后計算電容電壓紋波。在0～DTs時間段,I1流過電容器,并對其進行充電,因此有:

(12)

通過式(11)和式(12)就能夠選擇相應的電容電壓等級和所需容量。另外需要注意的是,開關管承受的電壓應力就是電容電壓大小,因此通過式(11)可以選擇出合適的開關器件。

2.3 新型線間DCPFC控制策略

新型線間DCPFC的控制框圖如圖3所示,圖中:I1ref和I2ref分別為線路1和線路2的電流參考值,電流參考值與測量值之差送入比例—積分(PI)調節(jié)器,然后與三角波進行比較,得到脈寬調制(PWM)驅動波形。可以看出新拓撲的控制策略十分簡單。

圖3 控制框圖Fig.3 Block diagram of control strategy

3 仿真分析

為了驗證新拓撲的有效性,本文通過PLECS搭建了一個如圖4所示的三端柔性直流輸電系統(tǒng),在VSC3出口處裝設了本文提出的新型線間DCPFC。

在該三端柔性直流輸電系統(tǒng)中,VSC3工作在恒定電壓模式下,將電壓控制為V3=200 kV。VSC1和VSC2工作在恒定電流模式下,將它們的額定電流分別設置為I1=1.5 kA,I2=1 kA。系統(tǒng)中的線路型號與文獻[9]相同,具體參數(shù)為:r=0.01 Ω/km,l=0.4 mH/km。本文提出的新型線間DCPFC電容為5 mF,開關頻率為1 kHz。一共仿真了三種典型的工作情況。

圖4 三端直流輸電系統(tǒng)Fig.4 Three-terminal HVDC transmission system

3.1 線間DCPFC穩(wěn)定工作

本文仿真的三端柔性直流輸電系統(tǒng)在DCPFC未工作時,線路中的電流為:I13=1.1 kA,I23=1.4 kA。當t=3 s時,投入本文提出的線間DCPFC,電流參考值設置為I13ref=0.6 kA。如圖5(a)所示,在投入DCPFC后,線路1電流迅速被控制到了設置的參考值。在t=6 s時,電流參考值改為I13ref=1.5 kA,線路1電流仍然能夠快速被控制到新的參考值。

圖5 仿真結果Fig.5 Simulation results

3.2 換流站VSC1注入電流突變

仿真初始時,同上一種場景情況相同,在t=3 s時,投入本文提出的線間DCPFC,電流參考值設置為I13ref=0.6 kA。然而在t=6 s時,VSC1注入電流從1.5 kA突變?yōu)?.2 kA。仿真結果如圖5(b)所示,新型線間DCPFC在經(jīng)過短暫的暫態(tài)過程后,仍然能夠將線路1電流控制在I13=0.6 kA。

3.3 換流站VSC2功率缺失

仿真初始時,仍同第一種場景情況相同,在t=3 s時,投入本文提出的線間DCPFC,電流參考值設置為I13ref=0.6 kA。然而在t=6 s時,VSC2交流側發(fā)生故障,交流側斷路器迅速跳閘,導致VSC2無法繼續(xù)向直流系統(tǒng)提供功率。仿真結果如圖5(c)所示,經(jīng)過短暫的暫態(tài)過程后,本文所提線間DCPFC成功將線路1電流維持在參考值0.6 kA。

4 結語

本文首先介紹了現(xiàn)有的幾類DCPFC,在此基礎上提出了一種新型線間DCPFC。新拓撲不但繼承了已有線間DCPFC低電壓低功率以及低損耗的特點,還具有拓撲結構更為簡潔、器件數(shù)量更少、驅動電路簡單、控制更為容易的優(yōu)點。本文通過PLECS仿真了新型線間DCPFC在一個三端直流系統(tǒng)中的應用情況。仿真結果證明,新型線間DCPFC能夠在各種運行情況下靈活準確地控制線路直流潮流。所提拓撲適用于兩條線路潮流方向相同的情況,未來將對新拓撲的應用場景進行進一步分析,并進行實驗驗證。

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

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