直流电网潮流控制器研究与应用综述

拓超群，贺之渊，徐千鸣，刘 栋，李彬彬，谷怀广，黄昕昱

（1. 国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）,湖南省 长沙市 410082；2. 先进输电技术国家重点实验室（全球能源互联网研究院有限公司）,北京市 102209；3. 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江 省哈尔滨市 150001）

0 引言

近年来可再生能源逐渐成为各国能源供给的重要形式,但因其具有间歇性、随机性等特点面临着集中远距离并网的重大挑战［1-2］。直流电网具有冗余度好、供电可靠性高等显著优势［3-5］,是未来助力能源转型的重要技术手段。然而,构建直流电网时存在着潮流调节和故障电流抑制两大难题。潮流控制的自由度不足可能会导致部分线路过负荷,甚至造成系统停运［6-7］。此外,直流短路故障电流的上升速度快、电流峰值高,给整个直流电网的安全运行带来巨大隐患［8-9］。

直流电网通可过加装直流潮流控制器（direct current power flow controller,DCPFC）来提高直流潮流的控制自由度,保证线路负荷不超过热稳定极限。在众多DCPFC 拓扑中,线间DCPFC（interline direct current power flow controller,IDCPFC）无需额外电源,在工程可行性和技术经济性方面具有较大优势［10］。同时,DCPFC 与直流故障限流器具有拓扑相似性,均有增阻抗型和降电压型两类拓扑［11］。除DCPFC 的稳态潮流调节功能外,如能开发其暂态故障电流抑制潜能,将有助于实现DCPFC 的功能复用,降低直流电网的设备体积和成本［12］。

在直流电网朝着大容量、多端、多电压等级发展的趋势下,归纳DCPFC 的研究现状,分析其应用场景适应性,展望其未来研究方向,具有重要意义。本文首先概述了已有DCPFC 的研究现状,归纳对比了变阻型和变压型DCPFC 的工作原理和优缺点,并且着重分析了已有的IDCPFC 的潮流控制原理、拓扑和样机的优缺点；然后,总结对比了故障限流型DCPFC 的限流原理、拓扑和样机的技术优缺点；最后,展望了DCPFC 在未来工程应用中的关键问题。

1 DCPFC 发展概述

直流电网的基本拓扑结构包括星型、环型、网型和混合型。图1 为直流电网中某两端直流线路的等效电路。

图1 直流线路等效示意图Fig.1 Equivalent schematic diagram of DC line

图中,RL为直流线路的电阻,U1和U2分别为节点1、2 的电压,直流线路的电流IL的表达式为：

由式（1）可见,要想改变线路潮流,最直接的方法就是改变直流线路的等效电阻或直流端口的电压。由这2 种潮流控制方法可得出DCPFC 的2 种基本形式：电阻控制型和电压控制型,具体分类示意图如图2 所示,图中RV为线路串接的额外电阻。

图2 DCPFC 分类Fig.2 Classification of DCPFC

1.1 电阻控制型DCPFC

电阻控制型DCPFC 由电力电子器件（如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、二极管等）作为主控开关,在输电线路中串接RV,通过改变线路电阻大小来改变线路电流,进而实现潮流控制,其通用简化拓扑如图3 所示。

图3 电阻控制型DCPFC 通用简化拓扑Fig.3 General simplified topology of resistance control type DCPFC

如附录A 图A1 所示的2 种电阻控制型DCPFC拓扑,控制方法分别为：IGBT 导通时,电阻被旁路；IGBT 关断时,电阻接入线路中。通过控制IGBT 的占空比D来调节RV的阻值,进而在既定的潮流方向下减小潮流,RV与D之间关系满足式（2）。

式中：T为IGBT 的开关周期；Ton为IGBT 的开通时间；Toff为IGBT 的关断时间；R为电阻控制型DCPFC 拓扑中线路串接额外电阻RV中的被接入/旁路的电阻。

如附录A 图A1（a）所示,文献［13］提出一种电阻控制型DCPFC,其包含2 个反并联单元,每个单元由主电阻、用来平衡电流波动的电抗以及一个IGBT 对组成。如图A1（b）所示,文献［14］将多个电阻模块串联,相比图A1（a）所示的拓扑动态响应更好,但IGBT 的导通损耗会随之增大。

可以看出,电阻控制型DCPFC 具有以下特点：1）结构与控制相对简单,安装位置的灵活度高；2）有一定限流能力,当所在线路出现故障时,可以通过全部电阻投入线路、增大线路电阻的方式来抑制故障电流的幅值；3）单方向的潮流调节,即控制线路电流调减；4）潮流调节范围有限,电阻选取过大时期损耗增加明显,因此电阻值调节范围一般较小。综合考虑经济性、适用性等因素,电阻控制型DCPFC 一般串接于环网型和混合型直流电网的双端线路中,且输电距离要短,潮流调节范围的要求较低,实际工程应用范围受到限制。

1.2 电压控制型DCPFC

为避免电阻控制型DCPFC 的高损耗问题,国内外学者陆续提出了一系列电压控制型DCPFC,其潮流调节的方式为调节端口电压差ΔU,根据调压原理可将其进一步划分为直流变压器型DCPFC、串联电压源型DCPFC 以及IDCPFC。电压控制型DCPFC 相较于电阻控制型功能更多,适用范围更广。因此,目前国内外的研究主要集中在改进电压控制型DCPFC 的性能。

1.2.1 直流变压器型DCPFC

直流变压器型DCPFC 将直流变压器与换流器输出端口并联,其通用简化拓扑如图4 所示。

图4 直流变压器型DCPFC 通用简化拓扑Fig.4 General simplified topology of DC transformer type DCPFC

U1与U2之间的关系满足式（3）,改变变压器变比k值来微调两端电压差ΔU,进而达到控制潮流的目的［15］。

如附录A 图A2（a）所示,文献［14］提出一种直流变压器型DCPFC,并指出该拓扑与图A1（b）拓扑相比更适合于两端电压差范围在1%～20% 的工况,但不具备双向调节的能力。如图A2（b）所示,文献［16］研究了两组双向DC/DC 变换器的拓扑结构,实现双向调节潮流。如图A2（c）所示,文献［17］在此基础上增加了维持电容电压UC恒定的隔离式DC/DC 变换器,实现了高达97.0%的效率。

为适应高压大功率的应用场景,可以采用晶闸管换流阀或者模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）技术。如附录A 图A3（a）所示,文献［18-19］研究了一种直流变压器型DCPFC,由低压电路、高压电路以及中央接地的储能电容和谐振电感组成,利用软开关实现兆瓦级功率下95%的效率。如图A3（b）所示,文献［20-21］利用MMC 高效率的优点,实现兆瓦级功率下的高变比和高效率。如图A3（c）所示,文献［22］研究了基于容性能量转移原理的直流变压器型DCPFC,由三相结构组成,每相包括4 个IGBT 串联结构的换流阀和1 个桥臂电感,无需交流变压器和大容量电感,减少了体积和成本。

综上所述,直流变压器型DCPFC 有如下特点：1）可以实现线路潮流的双向调节,安装位置灵活；2）调整变比可以降低端口电压进而抑制故障电流；3）易于实现两端的故障隔离,与断路器具有相似的功能,但成本较高；4）端口电压与系统电压一致,因此电压高容量大,导致器件数目、功率损耗、体积重量等较高；5）单纯用于直流潮流调节功能的性价比不高。因此,直流变压器型DCPFC 建议并联于星型、环型和混合型的直流电网中,适用于互联不同电压等级的直流系统,不适合单一潮流调节功能使用。

1.2.2 串联电压源型DCPFC

串联电压源型DCPFC 是在输电线路中串入正向/负向的直流电压ΔU,达到调节线路电流的目的,其通用简化拓扑如图5 所示,主要由能量供给部分和串联可调电压源部分组成。

图5 串联电压源型DCPFC 通用简化拓扑Fig.5 General simplified topology of series voltage source type DCPFC

能量供给可由交流线路或直流线路提供。如附录A 图A4（a）所示,文献［23］提出了一种交流取电的串联电压源型DCPFC,由反向并联六脉冲晶闸管桥组成,在直流线路发生故障时,晶闸管会承受较高的暂态电压［24］。如图A4（b）所示,文献［25］利用全桥结构的母线电容电压不能突变的特点构造潮流控制器,具有良好的故障过电压穿越能力。如图A4（c）所示,文献［26］采用两级式全桥结构,串联电压源所需的端口调节电压较低,可简化拓扑。

如附录A 图A5（a）所示,文献［27］提出了一种直流取电串联电压源型DCPFC,其取能部分需要多个串联IGBT 承受高电压,取能部分和换流部分通过变压器连接,增加了成本和损耗。如图A5（b）所示,文献［28］采用两级式结构,简化了拓扑,降低了成本。如图A5（c）所示,为实现对多端线路潮流的全面控制,文献［29］采用输入串联输出并联的组合拓扑,实现了端口拓展,提高了系统冗余度。

与直流变压器型DCPFC 相比,串联电压源型DCPFC 主要具有以下特点：1）可以进行潮流的双向调节；2）潮流控制的范围较大,由于直流线路电阻小,串入较小电压ΔU即可显著改变输电线路上电流；3）额定功率低,虽然串联电压源型DCPFC 流过电流为系统电流,但不需要承受系统级电压和功率,所以损耗低；4）可通过串联反压发挥限流作用；5）需要额外的交流/直流系统进行能量供给,且大多需要变压器,导致系统结构复杂,建设成本高,安装位置的灵活度不高。因此,串联电压源型DCPFC建议串接于环网型、混合型的结构简单的三端或者四端直流电网中。

1.2.3 IDCPFC

IDCPFC 在两条相邻的直流输电线路上接入可调电压源ΔU1、ΔU2来共同控制输电线路潮流,通过线路之间的功率交换即可实现功率平衡,无须从外部电网获取能量,其简化拓扑如图6 所示。相较于其他DCPFC 拓扑,IDCPFC 的容量小、损耗小、成本低,且不需要额外的电源,安装位置较为灵活,更适合直流电网线间潮流调节。第2 章中将重点对IDCPFC 的潮流控制原理、拓扑及特点详细分析。

图6 IDCPFC 通用简化拓扑Fig.6 General simplified topology of IDCPFC

2 IDCPFC 介绍

IDCPFC 根据线间功率转移原理的不同,可细分为以下4 类：变压器耦合型、电感耦合型、环流耦合型、电容直接耦合型。

2.1 变压器耦合型IDCPFC

变压器耦合型IDCPFC 的2 个可调电压源通过中间交流变压器建立功率转移路径。

如附录A 图A6（a）所示,文献［30］提出了一种两端口变压器耦合型IDCPFC,包括2 个MMC 和1 个交流变压器。如图A6（b）所示,文献［31］进一步提出了一种三端口拓扑,能够同时控制多条线路上的潮流。

2.2 电感耦合型IDCPFC

电感耦合型IDCPFC 的2 个可调电压源通过中间交流电感来建立功率转移路径。

如附录A 图A7（a）所示,陈武等提出了一种电感耦合型IDCPFC,由4 个双向开关Q1至Q4、电感Lf、2 个串联于线路中的电容C1和C2以及2 个旁路开关S1和S2组成,但不适用于潮流反转工况［32］。如图A7（b）所示,文献［33］进一步利用2 个耦合电感实现了双向潮流调节,并通过增加四电感耦合结构,使其适用于多线路潮流调节［34］。将文献［33］所提出拓扑的开关Q 替换为2 个反向串联的IGBT 结构,实现了电流的双向流通［35］。文献［32-35］所提出的拓扑仅能主动控制一条线路上的电流,另一条线路上的电流处于被动控制状态。如图A7（c）所示,文献［36］将可变电阻器（variable resistor,VR）或者串联可调电压源（series adjustable voltage source,SAVS）与文献［32］中的IDCPFC 拓扑进行组合,可主动控制2 条线路电流,增加了控制自由度。为满足直流电网的多线间结构,如图A7（d）所示,文献［37］提出了一种电感共用式结构,使其具备多线间拓展的能力。

2.3 环流耦合型IDCPFC

环流耦合型IDCPFC 通过构造环流实现不同线路MMC 模块的功率平衡,一般通过控制各桥臂的直流电压分量实现潮流控制,控制交流环流和桥臂交流电压实现功率传输。

如附录A 图A8（a）所示,文献［38-39］提出了一种环流耦合型IDCPFC,由5 个MMC 桥臂组成。文献［40］提出由MMC 桥臂、电容以及平波电抗器组成的拓扑。如图A8（b）所示,为互连多条线路,文献［41］提出了一种多边形拓扑,可根据需求连接任意数量的输电线路。

2.4 电容直接耦合型IDCPFC

电容直接耦合型IDCPFC 中,直流侧电容在两条线路间不断切换,等效为在一条线路接入正电压源,另一条线路接入负电压源,达到两条线路电流调节的目的。电容电压在充放电过程中保持动态平衡。

如附录A 图A9（a）所示,文献［7］首次提出了双H 桥背靠背的IDCPFC 拓扑,在1 kA 直流电流的工况下,双H 桥结构的损耗约为变阻型拓扑的2.4%,之后提出两个模块合并的简化拓扑,节省了成本体积。文献［42］采用滞环控制思想对图A9（a）所示的拓扑进行了研究,但电容电压波动大会影响其使用寿命。文献［43］针对线路电流和电容电压分别进行比例-积分（PI）闭环控制,对图A9（a）所示的拓扑进行了验证。如图A9（b）所示,文献［44］将拓扑进行了简化,但只适用于两条线路潮流方向相同的工况。如图A9（c）所示,文献［45］提出由电流流向控制部分和全桥子模块组成的拓扑,利用PI 结合脉冲宽度调制（PWM）的控制策略实现了电流和电容电压的同时控制。如图A9（d）所示,为实现多线间的潮流调节需求,文献［46］将图A9（a）所提的拓扑拓展到了三线间。文献［47］将图A9（c）所提的拓扑拓展到了三线间,如图A9（e）所示。文献［48］提出了一种内嵌于MMC 的IDCPFC,多模块结构使其潮流调节能力提升,如图A9（f）所示。

综上所述,IDCPFC 具有以下特点：1）可以实现潮流的双向大范围调节；2）输出反压的特性使其具备一定的故障限流潜能；3）不需要承受系统级的电压和功率,对功率器件的要求相对较低；4）省去了外部能量供应的系统,结构简单,所以成本损耗都相对较低。因此,IDCPFC 建议串接于环网型、混合型直流电网的线路中。

综上,通过上述文献调研对各典型DCPFC 在调节能力、端口拓展能力、适用电网结构、设备制造难度、限流与隔离潜能、适用场景等方面的功能进行对比,结果如表1 所示。表1 中：（）代表部分性能在文献中未提及；设备制造难度从安装灵活度、占地面积等方面综合考量,“+”数量越多代表设备制造难度越高。

表1 DCPFC 性能对比Table 1 Comparison of DCPFC performance

可以看出,所有DCPFC 均具备故障限流的潜能,均可适用于环网型、混合型结构的直流电网,直流变压器型设备制造难度最大,串联电压源型次之,电阻控制型难度最低。除电阻控制型DCPFC 只能进行单向潮流调节外,其余均可实现大范围的双向潮流调节。其中,IDCPFC 兼具不需外部电源供电、不需承受系统级电压的线间调节特性以及端口拓展、故障限流隔离潜能等优势。因此,IDCPFC 的工程可行性最优。此外,多数文献并未对DCPFC 的端口拓展能力、故障限流与隔离潜能进行深入分析研究,仍需进一步探索。

为比较各DCPFC 技术方案在百千伏应用场景下的经济性,在DCPFC 拓扑中各选取一种典型拓扑,将其串接于额定电压为Udc的n条线路之间,各拓扑所需的器件数量以及各拓扑的总损耗如表2 所示。拓扑总损耗包括阻抗损耗和各类器件损耗,其中“+”数量越多表示拓扑总损耗越高。

表2 DCPFC 经济性对比Table 2 Comparison of DCPFC economy

由表1 可知,电阻控制型、串联电压源型和IDCPFC 不需要两端均承受系统级电压,在百千伏应用场景下,直流变压器型潮流控制器输出电压的调节范围是5%～10%,其余3 类输出电压的范围是1%～3%（即对于±200 kV 的直流电网,直流变压器型潮流控制器的输出电压调节能力为10～20 kV,其余3 类的电压输出能力为2～6 kV［13-14］）。因此,为保证各类DCPFC 经济性对比的正确性,表2 按照各类拓扑的最大潮流调节范围来计算。考虑四象限运行的通用性,器件均采用双向开关。考虑过流问题,并联2 条支路,所采用的IGBT 和晶闸管的额定电压分别为Ui和Ut。表中even（x）为向上偶数取整函数,roundup（x）为向上取整函数。此外,由于电阻、电容等器件成本相对较低,因此不在表中列举。

由表2 可以得出,环流耦合型IDCPFC 和电容直接耦合型IDCPFC 损耗最低,电阻控制型损耗最高。另外,假定将各拓扑串接于Udc=±200 kV 的直流电网中,其所需的电力电子器件成本与线路数量之间的关系曲线如图7 所示。

图7 各类型DCPFC 所需电力电子器件成本Fig.7 Cost of power electronic components required for each type of DCPFC

由于直流变压器型DCPFC 两端均需承受系统电压,与其余DCPFC 进行成本比较的意义不大,因此图7 未比较其成本。其中IGBT 和晶闸管的额定电压均为4.5 kV,设置IGBT 的成本为3 万元/个,晶闸管的成本是IGBT 的0.2 倍。从图7 可以看出,环流耦合型IDCPFC 和电容直接耦合型IDCPFC 所需的电力电子器件成本受线路数量影响最小,成本最低。电阻控制型DCPFC、电感耦合型IDCPFC、变压器耦合型IDCPFC 次之,串联电压源型DCPFC由于其一端要承受系统电压,成本最高。每增加一条线路,串联电压源型DCPFC 所需的电力电子器件成本就会增加550 万元左右,其增长速率是环流耦合型IDCPFC和电容直接耦合型IDCPFC 的50 倍左右。因此,从成本损耗方面的比较得出,环流耦合型IDCPFC 和电容直接耦合型IDCPFC 的技术经济性最优。

3 故障限流型DCPFC 介绍

直流电网发展面临的另一个瓶颈是故障电流抑制［49-59］。直流电网的故障清除依赖于直流断路器,由于阻尼小,故障电流发展速度极快而断路器动作时间有限,导致断路器切断难度大,因此如何降低切断故障时刻电流是直流电网故障保护的重要研究方向［57-59］。

DCPFC 和故障限流器的主要元件都是电容和电感,因此DCPFC 具有潜在的限流特性。此外,DCPFC 作为串并联设备,在故障情况下极易出现过流和过压,对功率器件造成损坏,导致电流中断甚至危及整个直流系统。为解决这一问题,一些学者将故障限流功能集成到DCPFC 内,提出一系列故障限流型DCPFC。

抑制直流系统的短路电流可以通过两种方式实现：增大线路阻抗、降低线路压降。因此,目前故障限流型DCPFC 的拓扑根据限流原理的不同可分为增阻抗型和降电压型两大类。

3.1 增阻抗故障限流型DCPFC

增阻抗故障限流型DCPFC 是通过在线路中串接电感元件来达到限流目的。

如附录A 图A10（a）所示,文献［49］在文献［33］所提拓扑的基础上增加了故障转移支路,于10 ms内切除了200 kV 环型直流电网的应用场景下2 kA的故障电流。如图A10（b）所示,文献［50］提出一种可串接于两条独立线路之间的拓扑,在500 kV 的环型直流系统中实现了高达43.87%的限流效果,与断路器配合可在13 ms 内切除故障电流,节约了约3.6 ms 的故障切除时间。

由于单模块DCPFC 具有潮流调节能力不足等诸多局限性,如附录A 图A11（a）所示,文献［51］利用多模块结构,实现了更宽范围的潮流调节能力,并在200 kV 环型直流电网的场景下达到了41%的限流效果。如图A11（b）所示,文献［52］提出了一种可实现自动限流的拓扑,但其两端均需承受系统级电压。

3.2 降电压故障限流型DCPFC

上述DCPFC 的限流功能依赖于电感元件,限流作用有限。对于没有电感元件或电感值较小的DCPFC,采用降电压故障限流型DCPFC 拓扑,其通过在线路里串联反向电压来达到限流目的。

如附录A 图A12（a）所示,文献［53］在文献［7］所提拓扑的基础上增加了旁路开关,使其具备故障隔离作用,且搭建了125 V/8 A 的测试平台进行了验证。如图A12（b）所示,文献［54］将双H 桥替换为单H 桥,在文献［53］的测试条件下,将限流效果提升了30%左右。

为拓展到更高的直流电网额定电压,如附录A图A13（a）所示,文献［55］提出一种多模块降电压故障限流型DCPFC,每个子模块由一个全桥结构和一对起旁路作用的反并联晶闸管组成,多模块结构增大了潮流调节的范围。后续在双H 桥结构的基础上,利用开关隔离实现了由单模块向多模块的拓展,如图A13（b）所示,IS 和BS 是隔离开关和旁路开关,由2 个集成门极换流晶闸管（IGCT）的双向开关构成,利用闭锁降压机制和旁路保护策略分别实现了故障限流和自保护,且搭建500 V/10 A 的直流系统进行了功能验证［56］。

3.3 故障限流型DCPFC 对比

为比较各故障限流型DCPFC 技术方案的经济性,将各拓扑串接于额定电压为Udc的n条线路之间,其所需的器件数量以及各拓扑的总损耗如表3所示。拓扑总损耗包括阻抗损耗和各类器件损耗,表中“+”数量越多代表拓扑总损耗越高。

同样,为保证各类故障限流型DCPFC 经济性对比的正确性,均按照相同的限流效果以及各类拓扑的最高承压来计算。考虑四象限运行的通用性,器件均采用双向开关。考虑过流问题,200 kV 应用场景下不加装限流保护设备时,系统故障电流峰值约为10 kA［49］,所采用器件的额定电流为6 kA,因此需要并联的支路数为2。所采用的IGBT、晶闸管、二极管的额定电压分别为Ui、Ut和Ud。此外,由于电阻、电容等器件成本相对较低,因此不在表中列举。

由表3 可以得出,文献［55］所提拓扑损耗最低,文献［52］所提拓扑损耗最高。另外,假定将各拓扑串接于Udc=±200 kV 的直流电网中,各故障限流型DCPFC 所需的电力电子器件成本与线路数量之间的关系曲线如图8 所示。由于文献［52］所提拓扑属于直流变压器型,因此图8 未比较其成本。其中所采用的IGBT 和晶闸管的额定电压均为4.5 kV,IGBT 的成本为3 万元/个,晶闸管和二极管的成本分别是IGBT 的0.2 倍和0.1 倍。由图8 可知,文献［55］所提拓扑的成本最低,文献［51］所提拓扑成本较高。综上所述,文献［55］所提的基于多模块结构的故障限流型DCPFC 拓扑的技术经济性最优。与图7 进行对比,相较于DCPFC 和直流断路器单独发挥作用的拓扑,故障限流型DCPFC 将潮流控制和故障限流进行功能复合,可减少功率器件数量,降低成本和装置体积。

图8 各故障限流型DCPFC 所需电力电子器件成本Fig.8 Cost of power electronic components required by each fault current limiting DCPFC

表3 故障限流型DCPFC 经济性对比Table 3 Comparison of fault current limiting DCPFC economy

由上述可知,如果能够利用器件的设计裕量和合理的控制方法发挥DCPFC 的限流潜能,则可以在不增加装置复杂度的前提下抑制故障电流,对降低直流断路器的设计难度有重大意义。

值得注意的是,故障限流型DCPFC 串联接入系统中只处理小部分系统功率,设计的容量也相对较小。因此,只能在一定程度上限制故障电流的峰值或上升率,难以做到阻断电流的效果,可以在故障发生后至直流断路器动作前约毫秒级的窗口期发挥一定的限流作用,为断路器开断故障电流起到辅助作用。

4 DCPFC 的发展趋势

DCPFC 可以实现直流电网的潮流灵活调节,还可以具备一定的故障电流抑制能力,有利于降低直流电网的设备成本与体积,是直流电网中最重要的设备之一。当前,DCPFC 尚处于理论研究和样机研制阶段,在系统接入、启动策略、故障特性、限流机理、退保机制等方面还存在较多问题亟待解决。在未来直流电网朝着多端、大容量、多电压等级发展的背景下,本文对DCPFC 的研究和应用作如下展望。

1）为适应未来直流电网的宽范围潮流调节、多线间结构、多电压等级、故障电流主动抑制等发展趋势,要求DCPFC 具有潮流双向调节、多端口、多模块、故障抑制等多种功能,其中随着冗余线路数目的增加,加装多个DCPFC 将会成为一大技术难点,DCPFC 的最优数目、安装类型和装设位置选择以及各DCPFC 之间的协同配合机制有待进一步研究。

2）现阶段大多数DCPFC 的研究仍处于仿真阶段,新型DCPFC 拓扑与控制的研究需结合电网运行的实际需求,从场景适应性、技术经济性、安全可靠性、维护简便性等方面综合评估,以充分发挥其优势。

3）为实现DCPFC 的工程化应用,未来结合系统串/并联接入的绝缘要求,需综合考虑DCPFC 的启停特性、优化运行、故障抑制机理以及退保机制等,提出DCPFC 的合理运行规程方案。

4）大规模直流电网存在换流器、直流变压器、潮流控制器、直流限流器、直流断路器等多种设备。目前对DCPFC 与其他关键设备间的交互影响关注较少,将多设备间的最佳配置方案、控制时序逻辑等统筹考虑,可提高总体方案的利用率和经济性能,具有积极意义,将是未来DCPFC 设计的方向之一。

5）随着碳化硅（SiC）、IGCT 等新型电力电子器件的发展,DCPFC 所采用的器件将不再局限于IGBT 等特定器件,因此后续可将器件的开关损耗、成本、耐压耐流等特性与DCPFC 的具体设计需求紧密结合,并进一步实施样机试验,验证方案的可行性和实际意义,这也将为DCPFC 拓扑创新带来新思路。

5 结语

多端直流输电和直流电网技术是解决新能源发电的并网、传输和消纳问题的可靠高效方案,但是直流电网的发展面临着潮流控制能力和故障保护两大难题,DCPFC 是有效的解决方案之一。本文首先概述了直流电网的发展现状及其对DCPFC 的需求,对比梳理了已有DCPFC 的原理及特点,重点分析了已有IDCPFC 的潮流转移原理及优缺点。然后,综述了已有的故障限流型DCPFC 的限流原理以及拓扑、样机。最后,对DCPFC 将在多端口接入、宽范围调节、故障电流抑制等方面的发展趋势进行了展望。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。