計(jì)及直流電網(wǎng)線路損耗的直流潮流控制器安裝位置選擇

李國慶，龍 超，陳洪濤

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計(jì)及直流電網(wǎng)線路損耗的直流潮流控制器安裝位置選擇

李國慶1，龍 超1，陳洪濤2

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)吉林省電力公司松原供電公司，吉林 松原 138000)

多端柔性直流電網(wǎng)內(nèi)部潮流的分布控制遵循-1準(zhǔn)則，即換流站可獨(dú)立控制的支路數(shù)為換流站個數(shù)減去一。當(dāng)直流電網(wǎng)支路數(shù)遠(yuǎn)多于-1時會有多條支路不可控，而且換流站功率變化時也會影響到直流電網(wǎng)內(nèi)部的潮流分布，這時可通過直流潮流控制器增加潮流控制自由度與換流站協(xié)調(diào)配合，保證支路潮流完全可控。驗(yàn)證了直流潮流控制器及換流站功率改變對電網(wǎng)內(nèi)部潮流分布的影響，并驗(yàn)證了潮流控制器可以擴(kuò)大直流系統(tǒng)換流站功率運(yùn)行區(qū)間的作用。最后以四端五節(jié)點(diǎn)的直流電網(wǎng)為例，綜合考慮各支路的安全裕度和直流系統(tǒng)的線路損耗，對比分析得出直流潮流控制器最優(yōu)安裝位置。

多端柔性直流電網(wǎng)；直流潮流控制器；線路損耗；安裝位置

0 引言

近年來高壓直流輸電技術(shù)在大容量遠(yuǎn)距離輸電和交流系統(tǒng)互聯(lián)等方面展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢[1]。隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭與環(huán)境壓力的不斷增加，風(fēng)光儲等清潔型新能源快速發(fā)展，其輸出功率具有的波動性、間歇性等特點(diǎn)使得傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行技術(shù)受到越來越多的限制與挑戰(zhàn)，而通過柔性高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)，新能源實(shí)現(xiàn)了與交流系統(tǒng)的平滑接入[2-3]。VSC成為解決新能源大規(guī)模并網(wǎng)的有效技術(shù)手段之一，這與VSC-HVDC技術(shù)靈活、安全的運(yùn)行特點(diǎn)，有功無功獨(dú)立可控以及潮流反轉(zhuǎn)時保持電壓極性不變等特性有關(guān)[4-6]。正是由于與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)相比，VSC在潮流反轉(zhuǎn)時直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變，且沒有換相失敗等問題，因而有利于構(gòu)成多端柔性直流輸電(VSC-MTDC)系統(tǒng)[7-9]。

多端柔性直流電網(wǎng)是由多個柔性換流站端經(jīng)過直流網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)組成的電力傳輸系統(tǒng)，具有網(wǎng)孔、直流端之間有多條冗余傳輸線路，能夠?qū)崿F(xiàn)新能源的平滑接入，具有靈活、安全的潮流控制特性，是一種適應(yīng)性更強(qiáng)的供電模式[10-11]。一個合理的直流電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)在未對輸電線路進(jìn)行限制時具備足夠的潮流控制自由度。但根據(jù)-1原理，含有個換流站的直流電網(wǎng)中可由換流站獨(dú)立控制的支路數(shù)為-1，超出-1的支路潮流不可控而可能導(dǎo)致線路過負(fù)荷。因此，需要引入直流潮流控制器(DCPFC)配合換流站控制各支路潮流，增加控制自由度[12-14]。

近年來，關(guān)于DCPFC的研究已在國內(nèi)外展開。文獻(xiàn)[15-16]提出了可變串聯(lián)電阻器、DC/DC變換器和輔助電壓源等潮流控制設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并對不同類型的DCPFC控制范圍、控制效果、響應(yīng)速度和運(yùn)行損耗等進(jìn)行了對比分析，最終得出輔助電壓源在控制范圍及控制效果等方面表現(xiàn)最佳的結(jié)論。文獻(xiàn)[17]提出基于晶閘管的DCPFC，分析其工作原理并給出其控制流程，驗(yàn)證了控制效果。文獻(xiàn)[18]提出一種模塊化多電平DCPFC并與晶閘管型DCPFC對比，驗(yàn)證了其由于晶閘管型DCPFC的過電壓穿越性能。文獻(xiàn)[7]分析了DCPFC對直流電網(wǎng)內(nèi)部潮流分布的影響并在以保證所有支路運(yùn)行于載流限值內(nèi)為目標(biāo)時提出了基于電流靈敏度的DCPFC安裝位置確定方法。

本文以附加電壓源型DCPFC為例，通過研究換流站節(jié)點(diǎn)運(yùn)行功率改變對支路電流分布的影響及支路電流過載可能引發(fā)的嚴(yán)重后果，說明了多端直流電網(wǎng)加裝DCPFC的必要性；對比加裝DCPFC前后直流系統(tǒng)換流站節(jié)點(diǎn)合理運(yùn)行區(qū)間的大小展示了DCPFC控制支路潮流之外的附加效果；最后以各支路不過載和最小線路損耗為目標(biāo)選擇DCPFC安裝位置。

1 直流電網(wǎng)

在圖1(a)所示三端直流輸電系統(tǒng)中，換流站T1和T2為定有功功率運(yùn)行模式，換流站T3運(yùn)行于定直流電壓模式。在換流站T1和T2之間增加一條輸電線路L12，構(gòu)成圖1(b)所示的三端直流電網(wǎng)。這樣使得T1的功率增加了由L12-L23輸送至T3的途徑。各支路參數(shù)見表1。

表1 三端系統(tǒng)參數(shù)

換流站T3的直流電壓設(shè)定為250 kV，換流站T1和T2注入直流電網(wǎng)的有功功率分別為200 MW和100 MW。兩條線路和三條支路的直流輸電系統(tǒng)的潮流分布見表2?？梢娫谠黾又稬12后分擔(dān)了一部分支路L13的功率，從節(jié)點(diǎn)T1經(jīng)由支路L12、L23輸送至節(jié)點(diǎn)T3。

表2 潮流計(jì)算結(jié)果

在直流系統(tǒng)中，僅由節(jié)點(diǎn)電壓和支路電阻便可以求解各支路的電流。各支路電流的等式為

式中：T1、T2、T3分別為各換流站節(jié)點(diǎn)的電壓；L13、L23、L12分別為各支路的電流；L13、L23、L12分別為各支路的電阻值。根據(jù)上式可以獲得交流系統(tǒng)經(jīng)由換流站T1和T2注入直流系統(tǒng)的有功功率T1、T2。

(2)

根據(jù)表1中系統(tǒng)的參數(shù)可以得到圖2所示的定功率運(yùn)行的換流站功率運(yùn)行區(qū)間圖，表示其合理運(yùn)行區(qū)間的大小。

圖2 三端直流系統(tǒng)功率運(yùn)行區(qū)間

形成直流電網(wǎng)后，各換流站相互配合維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，但換流站僅能控制交流側(cè)與直流系統(tǒng)交換的功率，而無法控制直流系統(tǒng)內(nèi)部潮流在各支路的分配。

隨著新能源的不斷發(fā)展，勢必會造成多點(diǎn)供電、多點(diǎn)受電的直流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在電力系統(tǒng)規(guī)劃過程或者實(shí)際運(yùn)行中換流站功率的調(diào)整，都會對系統(tǒng)內(nèi)部潮流在各線路間的分布產(chǎn)生影響。以圖1(b)所示系統(tǒng)為例，研究換流站功率改變對直流電網(wǎng)內(nèi)部各支路電流分布的影響情況，換流站T2的功率由-250 MW變化至250 MW時系統(tǒng)內(nèi)部各支路電流的變化趨勢見圖3。

圖3 三端直流系統(tǒng)功率運(yùn)行區(qū)間

可見，當(dāng)換流站運(yùn)行功率改變，直流電網(wǎng)內(nèi)部各支路的電流也會發(fā)生變化。隨著直流電網(wǎng)換流站端點(diǎn)的增多，換流站運(yùn)行功率的變化會對各支路電流帶來更復(fù)雜的影響。而可由換流站獨(dú)立控制的支路數(shù)僅為換流站個數(shù)減去一，為防止直流電網(wǎng)中某條支路因過載而切除運(yùn)行，致使相鄰支路相繼切除甚至導(dǎo)致?lián)Q流站的切除而威脅到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，引入DCPFC增加直流電網(wǎng)潮流的控制自由度，實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)內(nèi)部潮流分布的完全可控[13]。在直流電網(wǎng)規(guī)劃階段、運(yùn)行階段以及新的換流站端接入階段都可以通過潮流計(jì)算分析功率在直流電網(wǎng)內(nèi)部各支路的分布情況，并且根據(jù)實(shí)際運(yùn)行控制需要選擇安裝和調(diào)節(jié)DCPFC。

2 潮流控制器

2.1 輔助電壓源型DCPFC

本文基于輔助電壓源型DCPFC展開研究。輔助電壓源型DCPFC即為一個輸出電壓幅值和方向可根據(jù)控制需求決定的電壓源，其原理圖可用圖4表示，其中C為附加電壓源的輸出電壓值。

圖4 附加電壓源

附加電壓源可通過圖5所示的晶閘管整流器得以實(shí)現(xiàn)，由交流側(cè)獲取能量經(jīng)整流后輸出直流電壓調(diào)節(jié)潮流分布。此類型附加電壓源原理與直流電網(wǎng)主換流站相同，所以其中的晶閘管也可用IGBT替換，即用一個單端VSC換流站代替[15-17]。由于直流電網(wǎng)中工作電壓為數(shù)百千伏而支路電阻僅為幾歐姆，線路壓降的些許改變就會引起支路電流的大幅變化，所以附加電壓源的容量相對于換流站來說是很小的，通常附加電壓源的電壓輸出值取額定電壓的±2.5%已足夠滿足控制需求[15]。

圖5 晶閘管附加電壓源

2.2 控制作用等效

在研究附加電壓源產(chǎn)生的控制效果時也可以將其外特性用圖6所示的理想變壓器模型代替。圖中是一次側(cè)與二次側(cè)電壓的比值，即變壓器變比。通過調(diào)整控制信號，改變變比的值，從而改變線路壓降，最終使電流、功率在各支路之間重新分配。

圖6 理想直流變壓器模型

這里理想變壓器等效變比的公式見式(3)，其中U是換流站電壓，C是附加電壓源的輸出電壓值。

當(dāng)在圖1(b)系統(tǒng)的支路L12上安裝DCPFC后各支路電流公式為

(4)

對于定有功功率控制運(yùn)行的換流站T1、T2，加裝DCPFC后注入有功功率為[7]

(5)

同樣，可以得到加裝DCPFC之后換流站的合理運(yùn)行區(qū)間如圖7。加裝DCPFC后換流站的合理運(yùn)行區(qū)間比兩條支路及3條支路明顯增大。

圖7 三端直流系統(tǒng)功率運(yùn)行區(qū)間

3 計(jì)及線路損耗的DCPFC安裝位置選擇

以圖8所示四端、五支路的直流電網(wǎng)為例，直流系統(tǒng)中通常由一個或幾個換流站控制直流電壓，維持直流系統(tǒng)電壓為230 kV；其余換流站控制有功功率，運(yùn)行在定有功功率控制模式。該算例系統(tǒng)中，換流站4運(yùn)行于定直流電壓控制模式，換流站1、2、3運(yùn)行于定有功功率模式，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)、各支路的運(yùn)行參數(shù)見表3。

圖8 算例系統(tǒng)

表3 系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)正常運(yùn)行時各換流站節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流(首端指向末端)、各支路載流利用率及安全裕度見表4。其中支路L23的載流利用率最高為90.9%，安全裕度僅為9.1%，很有可能出現(xiàn)過載被切除運(yùn)行而危及直流系統(tǒng)乃至交流系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為此，通過安裝DCPFC配合換流站的控制，避免上述情況發(fā)生。

表4 系統(tǒng)正常運(yùn)行潮流分布

求解DCPFC處于不同安裝位置時各支路電流關(guān)于控制參數(shù)的靈敏度，見表5。靈敏度數(shù)值的大小代表控制參數(shù)增大“1”時支路電流的改變量(單位為kA)；靈敏度的符號代表支路電流隨控制參數(shù)的變化趨勢。由于正常工作時各支路的電流限制在-500~500 A，結(jié)合表5中電流靈敏度的數(shù)值大小可知，參數(shù)進(jìn)行0.001~0.01的調(diào)整，即DCPFC輸出幾百伏特或上千伏特的輔助電壓值，就能夠滿足控制需求。

表5 正常運(yùn)行時DCPFC不同配置位置電流靈敏度

在保證直流系統(tǒng)中各支路運(yùn)行在載流限值以內(nèi)的前提下對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，選擇調(diào)整最小的支路作為DCPFC安裝支路時安裝支路選擇為支路L23或L34。

如圖9，以安裝在支路L23為例，各支路電流隨著連續(xù)變化的趨勢見圖10?？梢娬{(diào)整電壓型DCPFC的理想變比，直流系統(tǒng)內(nèi)部的潮流在各支路之間的分布情況得到了調(diào)整。同時也可以看出，參數(shù)僅由0.99變化至1.01，支路電流的變化達(dá)到數(shù)千安培，即DCPFC輸出很小的輔助電壓就能夠引起支路電流的劇烈變化。

當(dāng)考慮直流系統(tǒng)的線路損耗時，DCPFC安裝于不同支路直流系統(tǒng)線損隨著參數(shù)的變化趨勢圖見圖11。當(dāng)DCPFC分別安裝于不同支路時，由直流系統(tǒng)的線路損耗隨參數(shù)的變化曲線可見，當(dāng)DCPFC未參與調(diào)節(jié)(=1)時直流系統(tǒng)的線路損耗最小，無論參數(shù)增大或減小都會導(dǎo)致系統(tǒng)線損增大。

圖9 安裝DCPFC后的算例系統(tǒng)

圖11 線損隨M變化

由于支路L12和L14、支路L23和L34的電流靈敏度及線路損耗曲線相同，所以僅選擇支路L12、L34及L24三條支路進(jìn)行對比。以將支路L23的載流利用率降為80%為例，分別討論DCPFC安裝在支路L12、L34及L24三條支路時的參數(shù)調(diào)整情況和線路損耗。調(diào)整前后支路潮流分布情況分別見表6、表7和表8。

表6 DCPFC安裝于L12時調(diào)整L23利用率為80%

表7 DCPFC安裝于L34時調(diào)整L23利用率為80%

表8 DCPFC安裝于L24時調(diào)整L23利用率為80%

可見DCPFC安裝于支路L12、L34或L24都可以通過參數(shù)調(diào)整，按需求輸出輔助電壓，從而達(dá)到調(diào)整支路電流的目的。安裝于支路L12時，參數(shù)的調(diào)整量為-0.003 64，輔助電壓為837.2 V，調(diào)整后直流系統(tǒng)的線路損耗為0.492 8 MW；安裝于支路L34時，參數(shù)的調(diào)整量為-0.000 336，輔助電壓為77.3 V，調(diào)整后直流系統(tǒng)的線路損耗為0.305 4 MW；安裝于支路L24時，參數(shù)的調(diào)整量為0.000 37，輔助電壓為85.1 V，調(diào)整后直流系統(tǒng)的線路損耗為0.307 5 MW。結(jié)合表5，DCPFC安裝于支路L23(L34)時的電流靈敏度數(shù)值大小為安裝于支路L12(L14)時的10.85倍，DCPFC輸出輔助電壓值相差十多倍。對比表6和表7，較之安裝于支路L12，安裝于支路L34時DCPFC以更小的輸出電壓獲得了更好的調(diào)節(jié)效果，并且在調(diào)節(jié)之后的線路損耗更小，可知支路L23(L34)更適合選作DCPFC的安裝支路。同樣，經(jīng)過對比可知支路L24比支路L12(L14)更適合安裝DCPFC。

對比DCPFC安裝于支路L23和L24時的情形，調(diào)整支路L23載流利用率為80%，DCPFC的調(diào)整量為-0.000 336、0.000 37；輸出電壓值為77.3 V、85.1 V；調(diào)整后直流系統(tǒng)的線路損耗為0.305 4 MW、0.307 5 MW，可見二者調(diào)整特性極為接近。要在支路L23和L24之間選擇更為合適的DCPFC安裝位置，可以通過對不同特性參數(shù)加權(quán)優(yōu)化，確定DCPFC的安裝位置。由于系統(tǒng)4個換流站可獨(dú)立控制支路數(shù)為3，要滿足所有支路潮流可控時需要安裝的DCPFC個數(shù)為1~2個?？梢园凑找陨喜襟E進(jìn)行第二個DCPFC安裝位置的選取。

4 結(jié)論

本文首先驗(yàn)證了換流站功率的改變對直流電網(wǎng)內(nèi)部潮流分布的影響，進(jìn)一步印證了引入直流潮流控制器增加直流電網(wǎng)潮流控制自由度的必要性。其中換流站功率與支路電流的變化趨勢圖可以為直流電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行以及新能源發(fā)電廠的擴(kuò)建提供依據(jù)。其次，驗(yàn)證了直流潮流控制器擴(kuò)大換流站功率運(yùn)行區(qū)間的作用。最后以四端五支路的直流電網(wǎng)為例，以各支路不過載和直流系統(tǒng)最小線路損耗為目標(biāo)確定了直流潮流控制器的最優(yōu)安裝位置。

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(編輯 魏小麗)

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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51377016)

2015-08-25；

2015-10-08

李國慶(1963-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性分析、控制與決策、配電系統(tǒng)自動化；E-mail: LGQ@mail.nedu.edu.cn 龍 超(1988-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊娤到y(tǒng)建模與仿真分析；E-mail: longzoudaokou@ 126.com 陳洪濤(1972-)，男，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行與控制。