拓超群，賀之淵，徐千鳴，劉 棟，李彬彬，谷懷廣，黃昕昱

（1. 國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學）,湖南省 長沙市 410082；2. 先進輸電技術國家重點實驗室（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司）,北京市 102209；3. 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

近年來可再生能源逐漸成為各國能源供給的重要形式,但因其具有間歇性、隨機性等特點面臨著集中遠距離并網(wǎng)的重大挑戰(zhàn)［1-2］。直流電網(wǎng)具有冗余度好、供電可靠性高等顯著優(yōu)勢［3-5］,是未來助力能源轉型的重要技術手段。然而,構建直流電網(wǎng)時存在著潮流調節(jié)和故障電流抑制兩大難題。潮流控制的自由度不足可能會導致部分線路過負荷,甚至造成系統(tǒng)停運［6-7］。此外,直流短路故障電流的上升速度快、電流峰值高,給整個直流電網(wǎng)的安全運行帶來巨大隱患［8-9］。

直流電網(wǎng)通可過加裝直流潮流控制器（direct current power flow controller,DCPFC）來提高直流潮流的控制自由度,保證線路負荷不超過熱穩(wěn)定極限。在眾多DCPFC 拓撲中,線間DCPFC（interline direct current power flow controller,IDCPFC）無需額外電源,在工程可行性和技術經(jīng)濟性方面具有較大優(yōu)勢［10］。同時,DCPFC 與直流故障限流器具有拓撲相似性,均有增阻抗型和降電壓型兩類拓撲［11］。除DCPFC 的穩(wěn)態(tài)潮流調節(jié)功能外,如能開發(fā)其暫態(tài)故障電流抑制潛能,將有助于實現(xiàn)DCPFC 的功能復用,降低直流電網(wǎng)的設備體積和成本［12］。

在直流電網(wǎng)朝著大容量、多端、多電壓等級發(fā)展的趨勢下,歸納DCPFC 的研究現(xiàn)狀,分析其應用場景適應性,展望其未來研究方向,具有重要意義。本文首先概述了已有DCPFC 的研究現(xiàn)狀,歸納對比了變阻型和變壓型DCPFC 的工作原理和優(yōu)缺點,并且著重分析了已有的IDCPFC 的潮流控制原理、拓撲和樣機的優(yōu)缺點；然后,總結對比了故障限流型DCPFC 的限流原理、拓撲和樣機的技術優(yōu)缺點；最后,展望了DCPFC 在未來工程應用中的關鍵問題。

1 DCPFC 發(fā)展概述

直流電網(wǎng)的基本拓撲結構包括星型、環(huán)型、網(wǎng)型和混合型。圖1 為直流電網(wǎng)中某兩端直流線路的等效電路。

圖1 直流線路等效示意圖Fig.1 Equivalent schematic diagram of DC line

圖中,RL為直流線路的電阻,U1和U2分別為節(jié)點1、2 的電壓,直流線路的電流IL的表達式為：

由式（1）可見,要想改變線路潮流,最直接的方法就是改變直流線路的等效電阻或直流端口的電壓。由這2 種潮流控制方法可得出DCPFC 的2 種基本形式：電阻控制型和電壓控制型,具體分類示意圖如圖2 所示,圖中RV為線路串接的額外電阻。

圖2 DCPFC 分類Fig.2 Classification of DCPFC

1.1 電阻控制型DCPFC

電阻控制型DCPFC 由電力電子器件（如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、二極管等）作為主控開關,在輸電線路中串接RV,通過改變線路電阻大小來改變線路電流,進而實現(xiàn)潮流控制,其通用簡化拓撲如圖3 所示。

圖3 電阻控制型DCPFC 通用簡化拓撲Fig.3 General simplified topology of resistance control type DCPFC

如附錄A 圖A1 所示的2 種電阻控制型DCPFC拓撲,控制方法分別為：IGBT 導通時,電阻被旁路；IGBT 關斷時,電阻接入線路中。通過控制IGBT 的占空比D來調節(jié)RV的阻值,進而在既定的潮流方向下減小潮流,RV與D之間關系滿足式（2）。

式中：T為IGBT 的開關周期；Ton為IGBT 的開通時間；Toff為IGBT 的關斷時間；R為電阻控制型DCPFC 拓撲中線路串接額外電阻RV中的被接入/旁路的電阻。

如附錄A 圖A1（a）所示,文獻［13］提出一種電阻控制型DCPFC,其包含2 個反并聯(lián)單元,每個單元由主電阻、用來平衡電流波動的電抗以及一個IGBT 對組成。如圖A1（b）所示,文獻［14］將多個電阻模塊串聯(lián),相比圖A1（a）所示的拓撲動態(tài)響應更好,但IGBT 的導通損耗會隨之增大。

可以看出,電阻控制型DCPFC 具有以下特點：1）結構與控制相對簡單,安裝位置的靈活度高；2）有一定限流能力,當所在線路出現(xiàn)故障時,可以通過全部電阻投入線路、增大線路電阻的方式來抑制故障電流的幅值；3）單方向的潮流調節(jié),即控制線路電流調減；4）潮流調節(jié)范圍有限,電阻選取過大時期損耗增加明顯,因此電阻值調節(jié)范圍一般較小。綜合考慮經(jīng)濟性、適用性等因素,電阻控制型DCPFC 一般串接于環(huán)網(wǎng)型和混合型直流電網(wǎng)的雙端線路中,且輸電距離要短,潮流調節(jié)范圍的要求較低,實際工程應用范圍受到限制。

1.2 電壓控制型DCPFC

為避免電阻控制型DCPFC 的高損耗問題,國內外學者陸續(xù)提出了一系列電壓控制型DCPFC,其潮流調節(jié)的方式為調節(jié)端口電壓差ΔU,根據(jù)調壓原理可將其進一步劃分為直流變壓器型DCPFC、串聯(lián)電壓源型DCPFC 以及IDCPFC。電壓控制型DCPFC 相較于電阻控制型功能更多,適用范圍更廣。因此,目前國內外的研究主要集中在改進電壓控制型DCPFC 的性能。

1.2.1 直流變壓器型DCPFC

直流變壓器型DCPFC 將直流變壓器與換流器輸出端口并聯(lián),其通用簡化拓撲如圖4 所示。

圖4 直流變壓器型DCPFC 通用簡化拓撲Fig.4 General simplified topology of DC transformer type DCPFC

U1與U2之間的關系滿足式（3）,改變變壓器變比k值來微調兩端電壓差ΔU,進而達到控制潮流的目的［15］。

如附錄A 圖A2（a）所示,文獻［14］提出一種直流變壓器型DCPFC,并指出該拓撲與圖A1（b）拓撲相比更適合于兩端電壓差范圍在1%～20% 的工況,但不具備雙向調節(jié)的能力。如圖A2（b）所示,文獻［16］研究了兩組雙向DC/DC 變換器的拓撲結構,實現(xiàn)雙向調節(jié)潮流。如圖A2（c）所示,文獻［17］在此基礎上增加了維持電容電壓UC恒定的隔離式DC/DC 變換器,實現(xiàn)了高達97.0%的效率。

為適應高壓大功率的應用場景,可以采用晶閘管換流閥或者模塊化多電平換流器（modular multilevel converter,MMC）技術。如附錄A 圖A3（a）所示,文獻［18-19］研究了一種直流變壓器型DCPFC,由低壓電路、高壓電路以及中央接地的儲能電容和諧振電感組成,利用軟開關實現(xiàn)兆瓦級功率下95%的效率。如圖A3（b）所示,文獻［20-21］利用MMC 高效率的優(yōu)點,實現(xiàn)兆瓦級功率下的高變比和高效率。如圖A3（c）所示,文獻［22］研究了基于容性能量轉移原理的直流變壓器型DCPFC,由三相結構組成,每相包括4 個IGBT 串聯(lián)結構的換流閥和1 個橋臂電感,無需交流變壓器和大容量電感,減少了體積和成本。

綜上所述,直流變壓器型DCPFC 有如下特點：1）可以實現(xiàn)線路潮流的雙向調節(jié),安裝位置靈活；2）調整變比可以降低端口電壓進而抑制故障電流；3）易于實現(xiàn)兩端的故障隔離,與斷路器具有相似的功能,但成本較高；4）端口電壓與系統(tǒng)電壓一致,因此電壓高容量大,導致器件數(shù)目、功率損耗、體積重量等較高；5）單純用于直流潮流調節(jié)功能的性價比不高。因此,直流變壓器型DCPFC 建議并聯(lián)于星型、環(huán)型和混合型的直流電網(wǎng)中,適用于互聯(lián)不同電壓等級的直流系統(tǒng),不適合單一潮流調節(jié)功能使用。

1.2.2 串聯(lián)電壓源型DCPFC

串聯(lián)電壓源型DCPFC 是在輸電線路中串入正向/負向的直流電壓ΔU,達到調節(jié)線路電流的目的,其通用簡化拓撲如圖5 所示,主要由能量供給部分和串聯(lián)可調電壓源部分組成。

圖5 串聯(lián)電壓源型DCPFC 通用簡化拓撲Fig.5 General simplified topology of series voltage source type DCPFC

能量供給可由交流線路或直流線路提供。如附錄A 圖A4（a）所示,文獻［23］提出了一種交流取電的串聯(lián)電壓源型DCPFC,由反向并聯(lián)六脈沖晶閘管橋組成,在直流線路發(fā)生故障時,晶閘管會承受較高的暫態(tài)電壓［24］。如圖A4（b）所示,文獻［25］利用全橋結構的母線電容電壓不能突變的特點構造潮流控制器,具有良好的故障過電壓穿越能力。如圖A4（c）所示,文獻［26］采用兩級式全橋結構,串聯(lián)電壓源所需的端口調節(jié)電壓較低,可簡化拓撲。

如附錄A 圖A5（a）所示,文獻［27］提出了一種直流取電串聯(lián)電壓源型DCPFC,其取能部分需要多個串聯(lián)IGBT 承受高電壓,取能部分和換流部分通過變壓器連接,增加了成本和損耗。如圖A5（b）所示,文獻［28］采用兩級式結構,簡化了拓撲,降低了成本。如圖A5（c）所示,為實現(xiàn)對多端線路潮流的全面控制,文獻［29］采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的組合拓撲,實現(xiàn)了端口拓展,提高了系統(tǒng)冗余度。

與直流變壓器型DCPFC 相比,串聯(lián)電壓源型DCPFC 主要具有以下特點：1）可以進行潮流的雙向調節(jié)；2）潮流控制的范圍較大,由于直流線路電阻小,串入較小電壓ΔU即可顯著改變輸電線路上電流；3）額定功率低,雖然串聯(lián)電壓源型DCPFC 流過電流為系統(tǒng)電流,但不需要承受系統(tǒng)級電壓和功率,所以損耗低；4）可通過串聯(lián)反壓發(fā)揮限流作用；5）需要額外的交流/直流系統(tǒng)進行能量供給,且大多需要變壓器,導致系統(tǒng)結構復雜,建設成本高,安裝位置的靈活度不高。因此,串聯(lián)電壓源型DCPFC建議串接于環(huán)網(wǎng)型、混合型的結構簡單的三端或者四端直流電網(wǎng)中。

1.2.3 IDCPFC

IDCPFC 在兩條相鄰的直流輸電線路上接入可調電壓源ΔU1、ΔU2來共同控制輸電線路潮流,通過線路之間的功率交換即可實現(xiàn)功率平衡,無須從外部電網(wǎng)獲取能量,其簡化拓撲如圖6 所示。相較于其他DCPFC 拓撲,IDCPFC 的容量小、損耗小、成本低,且不需要額外的電源,安裝位置較為靈活,更適合直流電網(wǎng)線間潮流調節(jié)。第2 章中將重點對IDCPFC 的潮流控制原理、拓撲及特點詳細分析。

圖6 IDCPFC 通用簡化拓撲Fig.6 General simplified topology of IDCPFC

2 IDCPFC 介紹

IDCPFC 根據(jù)線間功率轉移原理的不同,可細分為以下4 類：變壓器耦合型、電感耦合型、環(huán)流耦合型、電容直接耦合型。

2.1 變壓器耦合型IDCPFC

變壓器耦合型IDCPFC 的2 個可調電壓源通過中間交流變壓器建立功率轉移路徑。

如附錄A 圖A6（a）所示,文獻［30］提出了一種兩端口變壓器耦合型IDCPFC,包括2 個MMC 和1 個交流變壓器。如圖A6（b）所示,文獻［31］進一步提出了一種三端口拓撲,能夠同時控制多條線路上的潮流。

2.2 電感耦合型IDCPFC

電感耦合型IDCPFC 的2 個可調電壓源通過中間交流電感來建立功率轉移路徑。

如附錄A 圖A7（a）所示,陳武等提出了一種電感耦合型IDCPFC,由4 個雙向開關Q1至Q4、電感Lf、2 個串聯(lián)于線路中的電容C1和C2以及2 個旁路開關S1和S2組成,但不適用于潮流反轉工況［32］。如圖A7（b）所示,文獻［33］進一步利用2 個耦合電感實現(xiàn)了雙向潮流調節(jié),并通過增加四電感耦合結構,使其適用于多線路潮流調節(jié)［34］。將文獻［33］所提出拓撲的開關Q 替換為2 個反向串聯(lián)的IGBT 結構,實現(xiàn)了電流的雙向流通［35］。文獻［32-35］所提出的拓撲僅能主動控制一條線路上的電流,另一條線路上的電流處于被動控制狀態(tài)。如圖A7（c）所示,文獻［36］將可變電阻器（variable resistor,VR）或者串聯(lián)可調電壓源（series adjustable voltage source,SAVS）與文獻［32］中的IDCPFC 拓撲進行組合,可主動控制2 條線路電流,增加了控制自由度。為滿足直流電網(wǎng)的多線間結構,如圖A7（d）所示,文獻［37］提出了一種電感共用式結構,使其具備多線間拓展的能力。

2.3 環(huán)流耦合型IDCPFC

環(huán)流耦合型IDCPFC 通過構造環(huán)流實現(xiàn)不同線路MMC 模塊的功率平衡,一般通過控制各橋臂的直流電壓分量實現(xiàn)潮流控制,控制交流環(huán)流和橋臂交流電壓實現(xiàn)功率傳輸。

如附錄A 圖A8（a）所示,文獻［38-39］提出了一種環(huán)流耦合型IDCPFC,由5 個MMC 橋臂組成。文獻［40］提出由MMC 橋臂、電容以及平波電抗器組成的拓撲。如圖A8（b）所示,為互連多條線路,文獻［41］提出了一種多邊形拓撲,可根據(jù)需求連接任意數(shù)量的輸電線路。

2.4 電容直接耦合型IDCPFC

電容直接耦合型IDCPFC 中,直流側電容在兩條線路間不斷切換,等效為在一條線路接入正電壓源,另一條線路接入負電壓源,達到兩條線路電流調節(jié)的目的。電容電壓在充放電過程中保持動態(tài)平衡。

如附錄A 圖A9（a）所示,文獻［7］首次提出了雙H 橋背靠背的IDCPFC 拓撲,在1 kA 直流電流的工況下,雙H 橋結構的損耗約為變阻型拓撲的2.4%,之后提出兩個模塊合并的簡化拓撲,節(jié)省了成本體積。文獻［42］采用滯環(huán)控制思想對圖A9（a）所示的拓撲進行了研究,但電容電壓波動大會影響其使用壽命。文獻［43］針對線路電流和電容電壓分別進行比例-積分（PI）閉環(huán)控制,對圖A9（a）所示的拓撲進行了驗證。如圖A9（b）所示,文獻［44］將拓撲進行了簡化,但只適用于兩條線路潮流方向相同的工況。如圖A9（c）所示,文獻［45］提出由電流流向控制部分和全橋子模塊組成的拓撲,利用PI 結合脈沖寬度調制（PWM）的控制策略實現(xiàn)了電流和電容電壓的同時控制。如圖A9（d）所示,為實現(xiàn)多線間的潮流調節(jié)需求,文獻［46］將圖A9（a）所提的拓撲拓展到了三線間。文獻［47］將圖A9（c）所提的拓撲拓展到了三線間,如圖A9（e）所示。文獻［48］提出了一種內嵌于MMC 的IDCPFC,多模塊結構使其潮流調節(jié)能力提升,如圖A9（f）所示。

綜上所述,IDCPFC 具有以下特點：1）可以實現(xiàn)潮流的雙向大范圍調節(jié)；2）輸出反壓的特性使其具備一定的故障限流潛能；3）不需要承受系統(tǒng)級的電壓和功率,對功率器件的要求相對較低；4）省去了外部能量供應的系統(tǒng),結構簡單,所以成本損耗都相對較低。因此,IDCPFC 建議串接于環(huán)網(wǎng)型、混合型直流電網(wǎng)的線路中。

綜上,通過上述文獻調研對各典型DCPFC 在調節(jié)能力、端口拓展能力、適用電網(wǎng)結構、設備制造難度、限流與隔離潛能、適用場景等方面的功能進行對比,結果如表1 所示。表1 中：（）代表部分性能在文獻中未提及；設備制造難度從安裝靈活度、占地面積等方面綜合考量,“+”數(shù)量越多代表設備制造難度越高。

表1 DCPFC 性能對比Table 1 Comparison of DCPFC performance

可以看出,所有DCPFC 均具備故障限流的潛能,均可適用于環(huán)網(wǎng)型、混合型結構的直流電網(wǎng),直流變壓器型設備制造難度最大,串聯(lián)電壓源型次之,電阻控制型難度最低。除電阻控制型DCPFC 只能進行單向潮流調節(jié)外,其余均可實現(xiàn)大范圍的雙向潮流調節(jié)。其中,IDCPFC 兼具不需外部電源供電、不需承受系統(tǒng)級電壓的線間調節(jié)特性以及端口拓展、故障限流隔離潛能等優(yōu)勢。因此,IDCPFC 的工程可行性最優(yōu)。此外,多數(shù)文獻并未對DCPFC 的端口拓展能力、故障限流與隔離潛能進行深入分析研究,仍需進一步探索。

為比較各DCPFC 技術方案在百千伏應用場景下的經(jīng)濟性,在DCPFC 拓撲中各選取一種典型拓撲,將其串接于額定電壓為Udc的n條線路之間,各拓撲所需的器件數(shù)量以及各拓撲的總損耗如表2 所示。拓撲總損耗包括阻抗損耗和各類器件損耗,其中“+”數(shù)量越多表示拓撲總損耗越高。

表2 DCPFC 經(jīng)濟性對比Table 2 Comparison of DCPFC economy

由表1 可知,電阻控制型、串聯(lián)電壓源型和IDCPFC 不需要兩端均承受系統(tǒng)級電壓,在百千伏應用場景下,直流變壓器型潮流控制器輸出電壓的調節(jié)范圍是5%～10%,其余3 類輸出電壓的范圍是1%～3%（即對于±200 kV 的直流電網(wǎng),直流變壓器型潮流控制器的輸出電壓調節(jié)能力為10～20 kV,其余3 類的電壓輸出能力為2～6 kV［13-14］）。因此,為保證各類DCPFC 經(jīng)濟性對比的正確性,表2 按照各類拓撲的最大潮流調節(jié)范圍來計算?？紤]四象限運行的通用性,器件均采用雙向開關?？紤]過流問題,并聯(lián)2 條支路,所采用的IGBT 和晶閘管的額定電壓分別為Ui和Ut。表中even（x）為向上偶數(shù)取整函數(shù),roundup（x）為向上取整函數(shù)。此外,由于電阻、電容等器件成本相對較低,因此不在表中列舉。

由表2 可以得出,環(huán)流耦合型IDCPFC 和電容直接耦合型IDCPFC 損耗最低,電阻控制型損耗最高。另外,假定將各拓撲串接于Udc=±200 kV 的直流電網(wǎng)中,其所需的電力電子器件成本與線路數(shù)量之間的關系曲線如圖7 所示。

圖7 各類型DCPFC 所需電力電子器件成本Fig.7 Cost of power electronic components required for each type of DCPFC

由于直流變壓器型DCPFC 兩端均需承受系統(tǒng)電壓,與其余DCPFC 進行成本比較的意義不大,因此圖7 未比較其成本。其中IGBT 和晶閘管的額定電壓均為4.5 kV,設置IGBT 的成本為3 萬元/個,晶閘管的成本是IGBT 的0.2 倍。從圖7 可以看出,環(huán)流耦合型IDCPFC 和電容直接耦合型IDCPFC 所需的電力電子器件成本受線路數(shù)量影響最小,成本最低。電阻控制型DCPFC、電感耦合型IDCPFC、變壓器耦合型IDCPFC 次之,串聯(lián)電壓源型DCPFC由于其一端要承受系統(tǒng)電壓,成本最高。每增加一條線路,串聯(lián)電壓源型DCPFC 所需的電力電子器件成本就會增加550 萬元左右,其增長速率是環(huán)流耦合型IDCPFC和電容直接耦合型IDCPFC 的50 倍左右。因此,從成本損耗方面的比較得出,環(huán)流耦合型IDCPFC 和電容直接耦合型IDCPFC 的技術經(jīng)濟性最優(yōu)。

3 故障限流型DCPFC 介紹

直流電網(wǎng)發(fā)展面臨的另一個瓶頸是故障電流抑制［49-59］。直流電網(wǎng)的故障清除依賴于直流斷路器,由于阻尼小,故障電流發(fā)展速度極快而斷路器動作時間有限,導致斷路器切斷難度大,因此如何降低切斷故障時刻電流是直流電網(wǎng)故障保護的重要研究方向［57-59］。

DCPFC 和故障限流器的主要元件都是電容和電感,因此DCPFC 具有潛在的限流特性。此外,DCPFC 作為串并聯(lián)設備,在故障情況下極易出現(xiàn)過流和過壓,對功率器件造成損壞,導致電流中斷甚至危及整個直流系統(tǒng)。為解決這一問題,一些學者將故障限流功能集成到DCPFC 內,提出一系列故障限流型DCPFC。

抑制直流系統(tǒng)的短路電流可以通過兩種方式實現(xiàn)：增大線路阻抗、降低線路壓降。因此,目前故障限流型DCPFC 的拓撲根據(jù)限流原理的不同可分為增阻抗型和降電壓型兩大類。

3.1 增阻抗故障限流型DCPFC

增阻抗故障限流型DCPFC 是通過在線路中串接電感元件來達到限流目的。

如附錄A 圖A10（a）所示,文獻［49］在文獻［33］所提拓撲的基礎上增加了故障轉移支路,于10 ms內切除了200 kV 環(huán)型直流電網(wǎng)的應用場景下2 kA的故障電流。如圖A10（b）所示,文獻［50］提出一種可串接于兩條獨立線路之間的拓撲,在500 kV 的環(huán)型直流系統(tǒng)中實現(xiàn)了高達43.87%的限流效果,與斷路器配合可在13 ms 內切除故障電流,節(jié)約了約3.6 ms 的故障切除時間。

由于單模塊DCPFC 具有潮流調節(jié)能力不足等諸多局限性,如附錄A 圖A11（a）所示,文獻［51］利用多模塊結構,實現(xiàn)了更寬范圍的潮流調節(jié)能力,并在200 kV 環(huán)型直流電網(wǎng)的場景下達到了41%的限流效果。如圖A11（b）所示,文獻［52］提出了一種可實現(xiàn)自動限流的拓撲,但其兩端均需承受系統(tǒng)級電壓。

3.2 降電壓故障限流型DCPFC

上述DCPFC 的限流功能依賴于電感元件,限流作用有限。對于沒有電感元件或電感值較小的DCPFC,采用降電壓故障限流型DCPFC 拓撲,其通過在線路里串聯(lián)反向電壓來達到限流目的。

如附錄A 圖A12（a）所示,文獻［53］在文獻［7］所提拓撲的基礎上增加了旁路開關,使其具備故障隔離作用,且搭建了125 V/8 A 的測試平臺進行了驗證。如圖A12（b）所示,文獻［54］將雙H 橋替換為單H 橋,在文獻［53］的測試條件下,將限流效果提升了30%左右。

為拓展到更高的直流電網(wǎng)額定電壓,如附錄A圖A13（a）所示,文獻［55］提出一種多模塊降電壓故障限流型DCPFC,每個子模塊由一個全橋結構和一對起旁路作用的反并聯(lián)晶閘管組成,多模塊結構增大了潮流調節(jié)的范圍。后續(xù)在雙H 橋結構的基礎上,利用開關隔離實現(xiàn)了由單模塊向多模塊的拓展,如圖A13（b）所示,IS 和BS 是隔離開關和旁路開關,由2 個集成門極換流晶閘管（IGCT）的雙向開關構成,利用閉鎖降壓機制和旁路保護策略分別實現(xiàn)了故障限流和自保護,且搭建500 V/10 A 的直流系統(tǒng)進行了功能驗證［56］。

3.3 故障限流型DCPFC 對比

為比較各故障限流型DCPFC 技術方案的經(jīng)濟性,將各拓撲串接于額定電壓為Udc的n條線路之間,其所需的器件數(shù)量以及各拓撲的總損耗如表3所示。拓撲總損耗包括阻抗損耗和各類器件損耗,表中“+”數(shù)量越多代表拓撲總損耗越高。

同樣,為保證各類故障限流型DCPFC 經(jīng)濟性對比的正確性,均按照相同的限流效果以及各類拓撲的最高承壓來計算?？紤]四象限運行的通用性,器件均采用雙向開關。考慮過流問題,200 kV 應用場景下不加裝限流保護設備時,系統(tǒng)故障電流峰值約為10 kA［49］,所采用器件的額定電流為6 kA,因此需要并聯(lián)的支路數(shù)為2。所采用的IGBT、晶閘管、二極管的額定電壓分別為Ui、Ut和Ud。此外,由于電阻、電容等器件成本相對較低,因此不在表中列舉。

由表3 可以得出,文獻［55］所提拓撲損耗最低,文獻［52］所提拓撲損耗最高。另外,假定將各拓撲串接于Udc=±200 kV 的直流電網(wǎng)中,各故障限流型DCPFC 所需的電力電子器件成本與線路數(shù)量之間的關系曲線如圖8 所示。由于文獻［52］所提拓撲屬于直流變壓器型,因此圖8 未比較其成本。其中所采用的IGBT 和晶閘管的額定電壓均為4.5 kV,IGBT 的成本為3 萬元/個,晶閘管和二極管的成本分別是IGBT 的0.2 倍和0.1 倍。由圖8 可知,文獻［55］所提拓撲的成本最低,文獻［51］所提拓撲成本較高。綜上所述,文獻［55］所提的基于多模塊結構的故障限流型DCPFC 拓撲的技術經(jīng)濟性最優(yōu)。與圖7 進行對比,相較于DCPFC 和直流斷路器單獨發(fā)揮作用的拓撲,故障限流型DCPFC 將潮流控制和故障限流進行功能復合,可減少功率器件數(shù)量,降低成本和裝置體積。

圖8 各故障限流型DCPFC 所需電力電子器件成本Fig.8 Cost of power electronic components required by each fault current limiting DCPFC

表3 故障限流型DCPFC 經(jīng)濟性對比Table 3 Comparison of fault current limiting DCPFC economy

由上述可知,如果能夠利用器件的設計裕量和合理的控制方法發(fā)揮DCPFC 的限流潛能,則可以在不增加裝置復雜度的前提下抑制故障電流,對降低直流斷路器的設計難度有重大意義。

值得注意的是,故障限流型DCPFC 串聯(lián)接入系統(tǒng)中只處理小部分系統(tǒng)功率,設計的容量也相對較小。因此,只能在一定程度上限制故障電流的峰值或上升率,難以做到阻斷電流的效果,可以在故障發(fā)生后至直流斷路器動作前約毫秒級的窗口期發(fā)揮一定的限流作用,為斷路器開斷故障電流起到輔助作用。

4 DCPFC 的發(fā)展趨勢

DCPFC 可以實現(xiàn)直流電網(wǎng)的潮流靈活調節(jié),還可以具備一定的故障電流抑制能力,有利于降低直流電網(wǎng)的設備成本與體積,是直流電網(wǎng)中最重要的設備之一。當前,DCPFC 尚處于理論研究和樣機研制階段,在系統(tǒng)接入、啟動策略、故障特性、限流機理、退保機制等方面還存在較多問題亟待解決。在未來直流電網(wǎng)朝著多端、大容量、多電壓等級發(fā)展的背景下,本文對DCPFC 的研究和應用作如下展望。

1）為適應未來直流電網(wǎng)的寬范圍潮流調節(jié)、多線間結構、多電壓等級、故障電流主動抑制等發(fā)展趨勢,要求DCPFC 具有潮流雙向調節(jié)、多端口、多模塊、故障抑制等多種功能,其中隨著冗余線路數(shù)目的增加,加裝多個DCPFC 將會成為一大技術難點,DCPFC 的最優(yōu)數(shù)目、安裝類型和裝設位置選擇以及各DCPFC 之間的協(xié)同配合機制有待進一步研究。

2）現(xiàn)階段大多數(shù)DCPFC 的研究仍處于仿真階段,新型DCPFC 拓撲與控制的研究需結合電網(wǎng)運行的實際需求,從場景適應性、技術經(jīng)濟性、安全可靠性、維護簡便性等方面綜合評估,以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

3）為實現(xiàn)DCPFC 的工程化應用,未來結合系統(tǒng)串/并聯(lián)接入的絕緣要求,需綜合考慮DCPFC 的啟停特性、優(yōu)化運行、故障抑制機理以及退保機制等,提出DCPFC 的合理運行規(guī)程方案。

4）大規(guī)模直流電網(wǎng)存在換流器、直流變壓器、潮流控制器、直流限流器、直流斷路器等多種設備。目前對DCPFC 與其他關鍵設備間的交互影響關注較少,將多設備間的最佳配置方案、控制時序邏輯等統(tǒng)籌考慮,可提高總體方案的利用率和經(jīng)濟性能,具有積極意義,將是未來DCPFC 設計的方向之一。

5）隨著碳化硅（SiC）、IGCT 等新型電力電子器件的發(fā)展,DCPFC 所采用的器件將不再局限于IGBT 等特定器件,因此后續(xù)可將器件的開關損耗、成本、耐壓耐流等特性與DCPFC 的具體設計需求緊密結合,并進一步實施樣機試驗,驗證方案的可行性和實際意義,這也將為DCPFC 拓撲創(chuàng)新帶來新思路。

5 結語

多端直流輸電和直流電網(wǎng)技術是解決新能源發(fā)電的并網(wǎng)、傳輸和消納問題的可靠高效方案,但是直流電網(wǎng)的發(fā)展面臨著潮流控制能力和故障保護兩大難題,DCPFC 是有效的解決方案之一。本文首先概述了直流電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其對DCPFC 的需求,對比梳理了已有DCPFC 的原理及特點,重點分析了已有IDCPFC 的潮流轉移原理及優(yōu)缺點。然后,綜述了已有的故障限流型DCPFC 的限流原理以及拓撲、樣機。最后,對DCPFC 將在多端口接入、寬范圍調節(jié)、故障電流抑制等方面的發(fā)展趨勢進行了展望。

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