高压直流电网潮流控制器新型拓扑及其故障保护策略研究

《IEEE Transactions on Power Delivery》：A New Topology for Power Flow Controllers and its Protection Against Faults in HVDC Grids

本文针对高密度网状高压直流(HVDC)系统中潮流控制需求，提出两种新型单向潮流控制器(PFC)拓扑结构。研究团队通过理论分析、PLECS仿真和缩比实验验证，系统阐述了拓扑工作原理、电气特性及六类典型故障（包括线路接地故障、开关管/二极管开路/短路）的防护电路设计。该拓扑凭借元件数量少（仅需1个开关管、1个二极管、2个电容、1个电感）、控制简单（单开关调控）等优势，为HVDC电网的潮流精准调控与安全运行提供了创新解决方案。

　　

随着可再生能源大规模并网，高压直流(HVDC)输电技术因其传输效率高、可控性强等优势成为电网建设的重点方向。尤其在多端互联的网状直流电网中，各条电缆的功率分配往往受限于线路参数固有特性，如同陷入"交通拥堵"的困局：传统电压源换流器(VSC)只能调控节点电压，却无法独立调节每条线路的潮流分布。这种失控状态可能导致线路过载、损耗激增，甚至制约电网基础设施的利用率。为解决这一难题，潮流控制器(PFC)应运而生，其通过注入可控电压的方式灵活调整线路电流，被誉为直流电网的"智能交通指挥系统"。

现有PFC拓扑虽能实现基本功能，但普遍存在结构复杂、开关器件多、损耗大等问题。更严峻的是，PFC自身故障或电网线路故障可能引发电容过压、器件过流等连锁反应，而相关保护机制的研究尚属空白。为此，发表在《IEEE Transactions on Power Delivery》的这项研究，由Shubhangi Bhadoria领衔的国际团队提出两种颠覆性简约拓扑，并首次系统构建了覆盖内外故障的全场景防护体系。

研究采用多维度验证方法：首先通过数学推导建立PFC稳态模型，明确电压插入量V_x/V_y与开关占空比的函数关系；继而利用PLECS软件搭建包含MMC换流器详细模型的HVDC系统，仿真分析六类故障下电容电压V_{x/Vy和电感电流IL的动态响应；最后设计缩比实验平台（基准电压250V/电流6A），采用CompactRIO实时控制器与Picoscope数据采集系统，验证故障保护电路的有效性。关键实验样本来源于简化三端HVDC系统（去除Line 1），功率电源采用Elekro-Automatik EA-PS系列设备，功率器件选用Infineon MOSFET与二极管模块。}

新型拓扑结构与工作原理

研究提出的两种拓扑呈镜像对称结构（图3），核心元件仅含电容C₁/C₂、电感L_com、开关S和二极管D。以图3(a)为例：当S导通时，两电容同时放电，电感电流I_L线性上升；S关断时二极管续流，电容充电而电流下降。通过调节S的占空比，可控制注入线路的平均电压V_x/V_y，从而改变线路电流分配。仿真表明该拓扑能将I₁₂提升至2.4倍、I₂₃提升至1.6倍，且节点电压波动小于1%。

故障响应特性与保护电路设计

针对线路接地故障（图8a-b），研究发现故障瞬间电容电压会产生极性反转（图9a-b），例如左线路故障时V_y在1ms内过零，而V_x需16.2ms才过零。对于器件故障，短路故障会导致电容电压剧烈振荡（图9d/f），开路故障则引发电压单向漂移（图9c/e）。基于此，团队创新提出"电感放电+晶闸管旁路"组合方案（图11）：当电压自然过零时（如左线路故障），直接触发晶闸管T₁/T₂旁路电容；若电压无过零点（如右线路故障），则先接入放电电感强制电压归零后触发旁路。

实验验证与工程适用性

缩比实验（图14）采用IRF100P218 MOSFET等商用器件，在左线路接地故障场景下，保护电路可在3.6ms内将电容电压V_y放电至-1V（图16c），完全旁路时间小于10ms，满足电网保护动作时限要求。表IV的标幺值对比显示实验与仿真误差小于5%，验证了模型的可靠性。研究还拓展了多线路应用场景（图17），指出可通过并联开关模块实现三线及以上系统的潮流控制。

该研究突破了传统PFC结构的复杂性瓶颈，提出的简约拓扑使元件总数降低50%以上，且单开关控制策略大幅简化了系统设计。更重要的是，首次建立的故障保护体系为PFC在真实电网中的安全应用扫除了障碍。团队建议未来重点研究SiC器件在此类拓扑中的应用，其耐高温（250℃）特性可进一步提升过流耐受能力。这项成果不仅为直流电网提供了高性价比的潮流调控方案，更通过"结构创新+安全防护"的双轮驱动，推动了柔性直流输电技术向高可靠性、低成本方向迈进。