實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用已成為目前解決傳統(tǒng)能源短缺和環(huán)境惡化等問(wèn)題的必然趨勢(shì)。而保證對(duì)大規(guī)模新能源的消納和高效利用，需要有效的輸電技術(shù)作為支撐。在大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)中，多端直流輸電技術(shù)的輸送距離遠(yuǎn)、輸送容量大，并且運(yùn)行方式比較靈活，因而成為了現(xiàn)階段解決大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)等問(wèn)題的主要手段之一。

在傳統(tǒng)柔性交流輸電系統(tǒng)中，通過(guò)引入潮流控制裝置可以有效提高輸電網(wǎng)絡(luò)的潮流控制能力。同理，為了便于實(shí)現(xiàn)對(duì)直流輸電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的潮流控制，避免各輸電線路上因電流分配不合理而引起的不必要的線路損耗，甚至換流站過(guò)載等問(wèn)題，可以在多端直流輸電系統(tǒng)中引入直流潮流控制器。

但由于直流輸電系統(tǒng)不存在無(wú)功功率、電抗和相角，故其線路潮流的控制只能依靠調(diào)節(jié)輸電線路的電阻或者直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，目前針對(duì)DPFC的設(shè)計(jì)思路主要有兩種，即線路電阻控制型和線路直流電壓控制型。

①對(duì)于線路電阻控制型DPFC，文獻(xiàn)[6-8]分別設(shè)計(jì)了不同的實(shí)現(xiàn)方案。這類控制方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，但只能單向調(diào)節(jié)線路等效電阻，對(duì)系統(tǒng)的潮流調(diào)節(jié)能力有限。②對(duì)于線路直流電壓控制型DPFC，根據(jù)電壓的調(diào)節(jié)手段可以分為兩類，即直流變壓器型和串聯(lián)可調(diào)電壓源型。

相比較而言，串聯(lián)可調(diào)電壓源型DPFC可避免控制器輸入與輸出側(cè)同時(shí)承受系統(tǒng)級(jí)的高壓和功率，降低了對(duì)功率器件的應(yīng)力要求和系統(tǒng)損耗，因此已成為目前關(guān)注較為廣泛的一類DPFC。

針對(duì)串聯(lián)可調(diào)電壓源型DPFC，文獻(xiàn)[11-14]基于共同電容控制的思想，分別設(shè)計(jì)了不同的主電路拓?fù)洹Ｆ渲饕枷胧菍⑼粋€(gè)電容分時(shí)地接入兩條不同的輸電線路來(lái)改變輸電線路的直流電壓。這種方案所需功率器件相對(duì)較少，但其電容需在不同線路中進(jìn)行頻繁切換，會(huì)在輸電線路中額外引入紋波電流，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹬C振，從而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

文獻(xiàn)[16]對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種在兩條線路中分別接入一個(gè)電容來(lái)控制輸電線路直流電壓的線間潮流控制器。該種方案相當(dāng)于在兩條線路中分別接入了一個(gè)穩(wěn)態(tài)電壓源，避免了電容在線路中進(jìn)行切換而引起的電流紋波問(wèn)題，但其在潮流發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)法正常工作。

文獻(xiàn)[17,18]對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，通過(guò)增加一定數(shù)量的開(kāi)關(guān)管和引入了多線圈耦合電感，保證了控制器所連接線路的電流方向不同時(shí)，控制器依然能夠正常工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)線路潮流的反轉(zhuǎn)控制。但需要注意的是，以上現(xiàn)有的DPFC均表現(xiàn)為兩端口特性，且不易進(jìn)行端口的拓展。若需同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多條線路的潮流控制時(shí)，應(yīng)用存在一定的局限。

然而，目前針對(duì)能同時(shí)輔助控制多條線路潮流的DPFC的研究還尚處于起步階段，文獻(xiàn)[19,20]初步研究了具備多端口輸出特性的DPFC，但文獻(xiàn)[19]提出的拓?fù)鋵?shí)質(zhì)上屬于共同電容控制方案的拓展，依然存在電流紋波的問(wèn)題。而文獻(xiàn)[20]需在每條控制線路中串入電壓源型DC-AC換流器，隨著線路的增多，該方案電路拓?fù)浼翱刂葡到y(tǒng)會(huì)變得相對(duì)復(fù)雜；并且其端口電壓的生成依賴于對(duì)輸電系統(tǒng)母線電壓的調(diào)節(jié)，控制自主性有待進(jìn)一步增強(qiáng)。

為此，在現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)對(duì)多端輸電系統(tǒng)線路潮流的全面與靈活的控制，本文基于串聯(lián)電壓源型DPFC的范疇提出了一種新型的多端口直流潮流控制器（Modular Multi-portDC Power FlowController, MM-DPFC）。文中首先詳細(xì)分析了該控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理；然后，為保證該控制器的有效運(yùn)行，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略；最后，分別在仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中對(duì)該潮流控制器的性能進(jìn)行了多種不同工況下的驗(yàn)證。

附圖1MM-DPFC樣機(jī)平臺(tái)實(shí)物圖

結(jié)論

本文針對(duì)適用于多端直流輸電系統(tǒng)的直流潮流控制器技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究：

1）基于串聯(lián)受控電壓源的思想提出了一種模塊化多端口直流潮流控制器（MM-DPFC）。其具備以下特征：①在DPFC的范疇，其同時(shí)保留了傳統(tǒng)DPFC無(wú)需配備外部電源、輸電線路功率雙向可控以及多端口輸出的優(yōu)勢(shì)；②在多端口DPFC的范疇，其保證了控制器各端口輸出電壓的完全本地控制，解決了傳統(tǒng)多端口DPFC需對(duì)輸電系統(tǒng)主換流站輸出直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的問(wèn)題，增強(qiáng)了其控制方式的靈活性與系統(tǒng)可靠性；③主電路和控制系統(tǒng)均采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化的設(shè)計(jì)，更易于實(shí)現(xiàn)工程后期的端口的拓展與系統(tǒng)冗余。

2）建立了多端口DPFC接入直流輸電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并基于此詳細(xì)分析了所提控制器工作原理；同時(shí)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的系統(tǒng)控制策略保證了該控制器的有效運(yùn)行。

3）在仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中分別搭建了五端與三端直流輸電系統(tǒng)，對(duì)該潮流控制器的性能進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)、潮流反轉(zhuǎn)、功率階躍以及故障缺失等多種不同工況下的驗(yàn)證，結(jié)果表明了該控制器的有效性。

4）MM-DPFC的基本模塊單元目前需采用多個(gè)隔離變壓器與電感，下一步將針對(duì)如何簡(jiǎn)化其基本模塊單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與降低工程造價(jià)展開(kāi)研究。

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適用于多端直流輸電系統(tǒng)的模塊化多端口直流潮流控制器