计及直流电网线路损耗的直流潮流控制器安装位置选择

李国庆，龙 超，陈洪涛



计及直流电网线路损耗的直流潮流控制器安装位置选择

李国庆1，龙 超1，陈洪涛2

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网吉林省电力公司松原供电公司，吉林 松原 138000)

多端柔性直流电网内部潮流的分布控制遵循-1准则，即换流站可独立控制的支路数为换流站个数减去一。当直流电网支路数远多于-1时会有多条支路不可控，而且换流站功率变化时也会影响到直流电网内部的潮流分布，这时可通过直流潮流控制器增加潮流控制自由度与换流站协调配合，保证支路潮流完全可控。验证了直流潮流控制器及换流站功率改变对电网内部潮流分布的影响，并验证了潮流控制器可以扩大直流系统换流站功率运行区间的作用。最后以四端五节点的直流电网为例，综合考虑各支路的安全裕度和直流系统的线路损耗，对比分析得出直流潮流控制器最优安装位置。

多端柔性直流电网；直流潮流控制器；线路损耗；安装位置

0 引言

近年来高压直流输电技术在大容量远距离输电和交流系统互联等方面展现出巨大优势[1]。随着传统化石能源的日益枯竭与环境压力的不断增加，风光储等清洁型新能源快速发展，其输出功率具有的波动性、间歇性等特点使得传统电网结构、运行技术受到越来越多的限制与挑战，而通过柔性高压直流输电(VSC-HVDC)技术，新能源实现了与交流系统的平滑接入[2-3]。VSC成为解决新能源大规模并网的有效技术手段之一，这与VSC-HVDC技术灵活、安全的运行特点，有功无功独立可控以及潮流反转时保持电压极性不变等特性有关[4-6]。正是由于与传统直流输电技术相比，VSC在潮流反转时直流电流方向反转而直流电压极性不变，且没有换相失败等问题，因而有利于构成多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统[7-9]。

多端柔性直流电网是由多个柔性换流站端经过直流网络互联组成的电力传输系统，具有网孔、直流端之间有多条冗余传输线路，能够实现新能源的平滑接入，具有灵活、安全的潮流控制特性，是一种适应性更强的供电模式[10-11]。一个合理的直流电网系统应在未对输电线路进行限制时具备足够的潮流控制自由度。但根据-1原理，含有个换流站的直流电网中可由换流站独立控制的支路数为-1，超出-1的支路潮流不可控而可能导致线路过负荷。因此，需要引入直流潮流控制器(DCPFC)配合换流站控制各支路潮流，增加控制自由度[12-14]。

近年来，关于DCPFC的研究已在国内外展开。文献[15-16]提出了可变串联电阻器、DC/DC变换器和辅助电压源等潮流控制设备的拓扑结构并对不同类型的DCPFC控制范围、控制效果、响应速度和运行损耗等进行了对比分析，最终得出辅助电压源在控制范围及控制效果等方面表现最佳的结论。文献[17]提出基于晶闸管的DCPFC，分析其工作原理并给出其控制流程，验证了控制效果。文献[18]提出一种模块化多电平DCPFC并与晶闸管型DCPFC对比，验证了其由于晶闸管型DCPFC的过电压穿越性能。文献[7]分析了DCPFC对直流电网内部潮流分布的影响并在以保证所有支路运行于载流限值内为目标时提出了基于电流灵敏度的DCPFC安装位置确定方法。

本文以附加电压源型DCPFC为例，通过研究换流站节点运行功率改变对支路电流分布的影响及支路电流过载可能引发的严重后果，说明了多端直流电网加装DCPFC的必要性；对比加装DCPFC前后直流系统换流站节点合理运行区间的大小展示了DCPFC控制支路潮流之外的附加效果；最后以各支路不过载和最小线路损耗为目标选择DCPFC安装位置。

1 直流电网

在图1(a)所示三端直流输电系统中，换流站T1和T2为定有功功率运行模式，换流站T3运行于定直流电压模式。在换流站T1和T2之间增加一条输电线路L12，构成图1(b)所示的三端直流电网。这样使得T1的功率增加了由L12-L23输送至T3的途径。各支路参数见表1。

表1 三端系统参数

换流站T3的直流电压设定为250 kV，换流站T1和T2注入直流电网的有功功率分别为200 MW和100 MW。两条线路和三条支路的直流输电系统的潮流分布见表2。可见在增加支路L12后分担了一部分支路L13的功率，从节点T1经由支路L12、L23输送至节点T3。

表2 潮流计算结果

在直流系统中，仅由节点电压和支路电阻便可以求解各支路的电流。各支路电流的等式为

式中：T1、T2、T3分别为各换流站节点的电压；L13、L23、L12分别为各支路的电流；L13、L23、L12分别为各支路的电阻值。根据上式可以获得交流系统经由换流站T1和T2注入直流系统的有功功率T1、T2。

(2)

根据表1中系统的参数可以得到图2所示的定功率运行的换流站功率运行区间图，表示其合理运行区间的大小。

图2 三端直流系统功率运行区间

形成直流电网后，各换流站相互配合维持系统的稳定运行，但换流站仅能控制交流侧与直流系统交换的功率，而无法控制直流系统内部潮流在各支路的分配。

随着新能源的不断发展，势必会造成多点供电、多点受电的直流网架结构，在电力系统规划过程或者实际运行中换流站功率的调整，都会对系统内部潮流在各线路间的分布产生影响。以图1(b)所示系统为例，研究换流站功率改变对直流电网内部各支路电流分布的影响情况，换流站T2的功率由-250 MW变化至250 MW时系统内部各支路电流的变化趋势见图3。

图3 三端直流系统功率运行区间

可见，当换流站运行功率改变，直流电网内部各支路的电流也会发生变化。随着直流电网换流站端点的增多，换流站运行功率的变化会对各支路电流带来更复杂的影响。而可由换流站独立控制的支路数仅为换流站个数减去一，为防止直流电网中某条支路因过载而切除运行，致使相邻支路相继切除甚至导致换流站的切除而威胁到电力系统的安全运行，引入DCPFC增加直流电网潮流的控制自由度，实现直流电网内部潮流分布的完全可控[13]。在直流电网规划阶段、运行阶段以及新的换流站端接入阶段都可以通过潮流计算分析功率在直流电网内部各支路的分布情况，并且根据实际运行控制需要选择安装和调节DCPFC。

2 潮流控制器

2.1 辅助电压源型DCPFC

本文基于辅助电压源型DCPFC展开研究。辅助电压源型DCPFC即为一个输出电压幅值和方向可根据控制需求决定的电压源，其原理图可用图4表示，其中C为附加电压源的输出电压值。

图4 附加电压源

附加电压源可通过图5所示的晶闸管整流器得以实现，由交流侧获取能量经整流后输出直流电压调节潮流分布。此类型附加电压源原理与直流电网主换流站相同，所以其中的晶闸管也可用IGBT替换，即用一个单端VSC换流站代替[15-17]。由于直流电网中工作电压为数百千伏而支路电阻仅为几欧姆，线路压降的些许改变就会引起支路电流的大幅变化，所以附加电压源的容量相对于换流站来说是很小的，通常附加电压源的电压输出值取额定电压的±2.5%已足够满足控制需求[15]。

图5 晶闸管附加电压源

2.2 控制作用等效

在研究附加电压源产生的控制效果时也可以将其外特性用图6所示的理想变压器模型代替。图中是一次侧与二次侧电压的比值，即变压器变比。通过调整控制信号，改变变比的值，从而改变线路压降，最终使电流、功率在各支路之间重新分配。

图6 理想直流变压器模型

这里理想变压器等效变比的公式见式(3)，其中U是换流站电压，C是附加电压源的输出电压值。

当在图1(b)系统的支路L12上安装DCPFC后各支路电流公式为

(4)

对于定有功功率控制运行的换流站T1、T2，加装DCPFC后注入有功功率为[7]

(5)

同样，可以得到加装DCPFC之后换流站的合理运行区间如图7。加装DCPFC后换流站的合理运行区间比两条支路及3条支路明显增大。

图7 三端直流系统功率运行区间

3 计及线路损耗的DCPFC安装位置选择

以图8所示四端、五支路的直流电网为例，直流系统中通常由一个或几个换流站控制直流电压，维持直流系统电压为230 kV；其余换流站控制有功功率，运行在定有功功率控制模式。该算例系统中，换流站4运行于定直流电压控制模式，换流站1、2、3运行于定有功功率模式，系统各节点、各支路的运行参数见表3。

图8 算例系统

表3 系统参数

系统正常运行时各换流站节点电压、支路电流(首端指向末端)、各支路载流利用率及安全裕度见表4。其中支路L23的载流利用率最高为90.9%，安全裕度仅为9.1%，很有可能出现过载被切除运行而危及直流系统乃至交流系统的安全运行。为此，通过安装DCPFC配合换流站的控制，避免上述情况发生。

表4 系统正常运行潮流分布

求解DCPFC处于不同安装位置时各支路电流关于控制参数的灵敏度，见表5。灵敏度数值的大小代表控制参数增大“1”时支路电流的改变量(单位为kA)；灵敏度的符号代表支路电流随控制参数的变化趋势。由于正常工作时各支路的电流限制在-500~500 A，结合表5中电流灵敏度的数值大小可知，参数进行0.001~0.01的调整，即DCPFC输出几百伏特或上千伏特的辅助电压值，就能够满足控制需求。

表5 正常运行时DCPFC不同配置位置电流灵敏度

在保证直流系统中各支路运行在载流限值以内的前提下对参数进行调整，选择调整最小的支路作为DCPFC安装支路时安装支路选择为支路L23或L34。

如图9，以安装在支路L23为例，各支路电流随着连续变化的趋势见图10。可见调整电压型DCPFC的理想变比，直流系统内部的潮流在各支路之间的分布情况得到了调整。同时也可以看出，参数仅由0.99变化至1.01，支路电流的变化达到数千安培，即DCPFC输出很小的辅助电压就能够引起支路电流的剧烈变化。

当考虑直流系统的线路损耗时，DCPFC安装于不同支路直流系统线损随着参数的变化趋势图见图11。当DCPFC分别安装于不同支路时，由直流系统的线路损耗随参数的变化曲线可见，当DCPFC未参与调节(=1)时直流系统的线路损耗最小，无论参数增大或减小都会导致系统线损增大。

图9 安装DCPFC后的算例系统

图11 线损随M变化

由于支路L12和L14、支路L23和L34的电流灵敏度及线路损耗曲线相同，所以仅选择支路L12、L34及L24三条支路进行对比。以将支路L23的载流利用率降为80%为例，分别讨论DCPFC安装在支路L12、L34及L24三条支路时的参数调整情况和线路损耗。调整前后支路潮流分布情况分别见表6、表7和表8。

表6 DCPFC安装于L12时调整L23利用率为80%

表7 DCPFC安装于L34时调整L23利用率为80%

表8 DCPFC安装于L24时调整L23利用率为80%

可见DCPFC安装于支路L12、L34或L24都可以通过参数调整，按需求输出辅助电压，从而达到调整支路电流的目的。安装于支路L12时，参数的调整量为-0.003 64，辅助电压为837.2 V，调整后直流系统的线路损耗为0.492 8 MW；安装于支路L34时，参数的调整量为-0.000 336，辅助电压为77.3 V，调整后直流系统的线路损耗为0.305 4 MW；安装于支路L24时，参数的调整量为0.000 37，辅助电压为85.1 V，调整后直流系统的线路损耗为0.307 5 MW。结合表5，DCPFC安装于支路L23(L34)时的电流灵敏度数值大小为安装于支路L12(L14)时的10.85倍，DCPFC输出辅助电压值相差十多倍。对比表6和表7，较之安装于支路L12，安装于支路L34时DCPFC以更小的输出电压获得了更好的调节效果，并且在调节之后的线路损耗更小，可知支路L23(L34)更适合选作DCPFC的安装支路。同样，经过对比可知支路L24比支路L12(L14)更适合安装DCPFC。

对比DCPFC安装于支路L23和L24时的情形，调整支路L23载流利用率为80%，DCPFC的调整量为-0.000 336、0.000 37；输出电压值为77.3 V、85.1 V；调整后直流系统的线路损耗为0.305 4 MW、0.307 5 MW，可见二者调整特性极为接近。要在支路L23和L24之间选择更为合适的DCPFC安装位置，可以通过对不同特性参数加权优化，确定DCPFC的安装位置。由于系统4个换流站可独立控制支路数为3，要满足所有支路潮流可控时需要安装的DCPFC个数为1~2个。可以按照以上步骤进行第二个DCPFC安装位置的选取。

4 结论

本文首先验证了换流站功率的改变对直流电网内部潮流分布的影响，进一步印证了引入直流潮流控制器增加直流电网潮流控制自由度的必要性。其中换流站功率与支路电流的变化趋势图可以为直流电网规划、运行以及新能源发电厂的扩建提供依据。其次，验证了直流潮流控制器扩大换流站功率运行区间的作用。最后以四端五支路的直流电网为例，以各支路不过载和直流系统最小线路损耗为目标确定了直流潮流控制器的最优安装位置。

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(编辑 魏小丽)

Installation position selection of DC power flow controller considering the line-loss of DC grid

LI Guoqing1, LONG Chao1, CHEN Hongtao2

(1. School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China; 2. Songyuan Power Supply Company, State Grid Jilin Electric Power Company, Songyuan 138000, China)

The power flow control capability in a multi-terminal HVDC system follows-1 rule, it means that the number of controllable branch equals to converter number minus one. If the number of branches in the DC grid are far more than-1, it is difficult to ensure all branches controllable, and the change of converter power will also affect the distribution of DC power flow. The introduction of DC power flow controller can approve the power flow control freedom, cooperate with converters and guarantee all branches to be controllable. The influence of DC power flow controller and the change of converter power on the distribution of power flow in DC grid and the function to expand the region of operation for the converters in DC grid are verified. Finally, a meshed VSC-HVDC grid with 4 terminals and 5 branches is used to analyze the optimal location of DCPFC considering the safety of branches and the line-loss of the DC grid. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51377016).

multi-terminal HVDC system; DC power flow controller (DCPFC); line loss; installation position

10.7667/PSPC151510

国家自然科学基金项目(51377016)

2015-08-25；

2015-10-08

李国庆(1963-)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为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 龙 超(1988-)，男，硕士研究生，研究方向为柔性直流输电系统建模与仿真分析；E-mail: longzoudaokou@ 126.com 陈洪涛(1972-)，男，工程师，研究方向为电力系统规划、运行与控制。