适用于多端直流输电系统的模块化多端口直流潮流控制器
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国家能源主动配电网技术研发中心（北京交通大学）的研究人员武文、吴学智、荆龙、魏梦航、姜久春，在《电工技术学报》2019年第3期上撰文，针对多端直流输电系统潮流控制技术问题，提出了一种模块化多端口直流潮流控制器（MM-DPFC）。
与现有DPFC相比，其在保留无需配备外部电源、输电线路功率双向可控以及多端口输出等优势的基础上，保证了DPFC各端口输出电压可基于本地进行独立控制，避免了传统多端口DPFC对输电系统主换流站直流输出电压调节的依赖，增强了其控制方式的灵活性与系统的可靠性。同时，其采用标准模块化设计，易于实现后期的端口拓展与系统冗余。
文中首先详细分析了该控制器的拓扑结构与工作原理；然后，设计了相应的控制策略，保证了控制器的有效运行；最后，通过仿真与实验对其进行了多种工况下的验证。
实现对绿色清洁能源的开发和利用已成为目前解决传统能源短缺和环境恶化等问题的必然趋势。而保证对大规模新能源的消纳和高效利用，需要有效的输电技术作为支撑。在大规模远距离输电技术中，多端直流输电技术的输送距离远、输送容量大，并且运行方式比较灵活，因而成为了现阶段解决大规模可再生能源并网等问题的主要手段之一。
在传统柔性交流输电系统中，通过引入潮流控制装置可以有效提高输电网络的潮流控制能力。同理，为了便于实现对直流输电网络内部的潮流控制，避免各输电线路上因电流分配不合理而引起的不必要的线路损耗，甚至换流站过载等问题，可以在多端直流输电系统中引入直流潮流控制器。
但由于直流输电系统不存在无功功率、电抗和相角，故其线路潮流的控制只能依靠调节输电线路的电阻或者直流电压来实现。因此，目前针对DPFC的设计思路主要有两种，即线路电阻控制型和线路直流电压控制型。
①对于线路电阻控制型DPFC，文献[6-8]分别设计了不同的实现方案。这类控制方案实现简便，但只能单向调节线路等效电阻，对系统的潮流调节能力有限。②对于线路直流电压控制型DPFC，根据电压的调节手段可以分为两类，即直流变压器型和串联可调电压源型。
相比较而言，串联可调电压源型DPFC可避免控制器输入与输出侧同时承受系统级的高压和功率，降低了对功率器件的应力要求和系统损耗，因此已成为目前关注较为广泛的一类DPFC。
针对串联可调电压源型DPFC，文献[11-14]基于共同电容控制的思想，分别设计了不同的主电路拓扑。其主要思想是将同一个电容分时地接入两条不同的输电线路来改变输电线路的直流电压。这种方案所需功率器件相对较少，但其电容需在不同线路中进行频繁切换，会在输电线路中额外引入纹波电流，严重时甚至会引起谐振，从而影响系统的正常运行。
文献[16]对此进行了改进，提出了一种在两条线路中分别接入一个电容来控制输电线路直流电压的线间潮流控制器。该种方案相当于在两条线路中分别接入了一个稳态电压源，避免了电容在线路中进行切换而引起的电流纹波问题，但其在潮流发生反转时无法正常工作。
文献[17,18]对此进行了进一步改进，通过增加一定数量的开关管和引入了多线圈耦合电感，保证了控制器所连接线路的电流方向不同时，控制器依然能够正常工作，进而实现了对线路潮流的反转控制。但需要注意的是，以上现有的DPFC均表现为两端口特性，且不易进行端口的拓展。若需同时实现对多条线路的潮流控制时，应用存在一定的局限。
然而，目前针对能同时辅助控制多条线路潮流的DPFC的研究还尚处于起步阶段，文献[19,20]初步研究了具备多端口输出特性的DPFC，但文献[19]提出的拓扑实质上属于共同电容控制方案的拓展，依然存在电流纹波的问题。而文献[20]需在每条控制线路中串入电压源型DC-AC换流器，随着线路的增多，该方案电路拓扑及控制系统会变得相对复杂；并且其端口电压的生成依赖于对输电系统母线电压的调节，控制自主性有待进一步增强。
为此，在现有文献的研究基础上，为实现对多端输电系统线路潮流的全面与灵活的控制，本文基于串联电压源型DPFC的范畴提出了一种新型的多端口直流潮流控制器（Modular Multi-portDC Power FlowController, MM-DPFC）。文中首先详细分析了该控制器的拓扑结构与工作原理；然后，为保证该控制器的有效运行，设计了相应的控制策略；最后，分别在仿真和实验平台中对该潮流控制器的性能进行了多种不同工况下的验证。
附图1MM-DPFC样机平台实物图
本文针对适用于多端直流输电系统的直流潮流控制器技术问题进行了研究：
1）基于串联受控电压源的思想提出了一种模块化多端口直流潮流控制器（MM-DPFC）。其具备以下特征：①在DPFC的范畴，其同时保留了传统DPFC无需配备外部电源、输电线路功率双向可控以及多端口输出的优势；②在多端口DPFC的范畴，其保证了控制器各端口输出电压的完全本地控制，解决了传统多端口DPFC需对输电系统主换流站输出直流电压进行调节的问题，增强了其控制方式的灵活性与系统可靠性；③主电路和控制系统均采用标准模块化的设计，更易于实现工程后期的端口的拓展与系统冗余。
2）建立了多端口DPFC接入直流输电系统的数学模型，并基于此详细分析了所提控制器工作原理；同时，设计了相应的系统控制策略保证了该控制器的有效运行。
3）在仿真和实验平台中分别搭建了五端与三端直流输电系统，对该潮流控制器的性能进行了稳态、潮流反转、功率阶跃以及故障缺失等多种不同工况下的验证，结果表明了该控制器的有效性。
4）MM-DPFC的基本模块单元目前需采用多个隔离变压器与电感，下一步将针对如何简化其基本模块单元的拓扑结构与降低工程造价展开研究。