DPFC系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法研究

謝靖言， 唐愛紅， 高夢(mèng)露

(武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 武漢 430070)

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DPFC系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法研究

謝靖言*， 唐愛紅， 高夢(mèng)露

(武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 武漢 430070)

設(shè)計(jì)了一套分布式潮流控制器裝置參數(shù)設(shè)計(jì)方法，由線路潮流變化范圍確定串并聯(lián)側(cè)變流器的容量，按分布式潮流控制器的功率模型和功率守恒原理，確定串聯(lián)側(cè)注入輸電線路的最大基頻電壓幅值、流過串聯(lián)側(cè)變流器的電流以及并聯(lián)側(cè)變流器向系統(tǒng)注入的電流和電壓，再根據(jù)逆變器輸入輸出電壓的關(guān)系確定直流電容電壓和變流器的開關(guān)參數(shù).最后驗(yàn)證參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性，使用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了一套分布式潮流控制器接入10 kVA輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，顯示DPFC能快速有效改善系統(tǒng)的電壓和潮流的能力，證明本文的裝置參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性.

分布式潮流控制器； 參數(shù)設(shè)計(jì)； 裝置容量； 仿真實(shí)驗(yàn)

分布式潮流控制器(DPFC)由并聯(lián)側(cè)變流器和多個(gè)低功率的串聯(lián)變流器組成，通過輸電線路上的3次諧波電流實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)側(cè)變流器間的功率交換，它擁有統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)相同的控制能力，但較之成本更低，可靠性更高[1].雖然DPFC的原理、控制策略研究、等效模型建立都有了一定的理論基礎(chǔ)，但目前還缺乏將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)潮流控制的實(shí)踐中的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)研究.本文的主要工作就是對(duì)DPFC裝置的主要器件，如系統(tǒng)變壓器、直流母線電容、串并聯(lián)變流器等的參數(shù)進(jìn)行較系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并利用PSCAD/EMTDC軟件搭建的仿真模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性.

1 DPFC工作原理

DPFC去掉了統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)中背靠背的兩個(gè)變流器的直流耦合電容，將串聯(lián)側(cè)變流器分散成多個(gè)小功率變流器，通過輸電線路上的3次諧波電流來實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)側(cè)變流器間的有功功率交換[2].圖1是簡化的DPFC原理圖(為便于分析，將串聯(lián)側(cè)多個(gè)變流器等效為變流器VSC3).并聯(lián)側(cè)三相變流器VSC1通過變壓器T1并聯(lián)接入系統(tǒng)，單相變流器VSC2直接接至變壓器T2的Y型繞組中性點(diǎn)，VSC3通過變壓器T3串聯(lián)接入系統(tǒng).VSC1通過直流電容C向VSC2提供它需要的有功功率，同時(shí)也與系統(tǒng)進(jìn)行無功交換以維持接入點(diǎn)母線電壓恒定；VSC2則產(chǎn)生3次諧波電流Ish3提供串聯(lián)側(cè)有功需求；VSC3通過輸電線路吸收3次諧波電流Ish3維持串聯(lián)側(cè)直流電容電壓Vdcse穩(wěn)定，同時(shí)產(chǎn)生基頻50 Hz電壓Vse1∠θse1疊加到系統(tǒng)電壓上來實(shí)現(xiàn)線路的無功補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、相位控制以及綜合性的控制目標(biāo).

圖1 簡化的DPFC原理圖Fig.1 Simplified schematic DPFC

DPFC通過改變串聯(lián)側(cè)變流器VSC3注入線路電壓的幅值和相位(Vse1∠θse1)，可以對(duì)輸電系統(tǒng)的有功、無功潮流進(jìn)行控制.當(dāng)忽略線路電阻時(shí)，DPFC補(bǔ)償?shù)某绷魅缦拢?/p>

(1)

2 DPFC裝置參數(shù)的確定

2.1DPFC裝置容量的確定

DPFC對(duì)輸電線路的潮流控制是通過改變串聯(lián)側(cè)變流器VSC3疊加到線路上的基頻電壓Vse1∠θse1(幅值和相角均可調(diào))，從而來改變其注入或吸收的有功、無功功率大小的，如式1所示.因此DPFC裝置的容量取決于串、并聯(lián)側(cè)變流器的容量.當(dāng)DPFC實(shí)現(xiàn)的功能不同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)其要求的容量也不同，如DPFC用于抑制系統(tǒng)低頻振蕩所需的容量遠(yuǎn)小于用于調(diào)節(jié)輸電線路潮流的容量.

三相輸電線路中DPFC的串聯(lián)側(cè)變流器容量Sse等于VSC3從線路吸收的3次諧波功率，即VSC3向線路注入的最大基波功率Sse1與其自身消耗的功率之和.由于VSC3由3個(gè)單相變流器組成，故Sse1=Vse1maxIse1max，Vse1max是VSC3注入輸電線路的持續(xù)運(yùn)行線電壓最大值，Ise1max是流過VSC3的每個(gè)單相變流器持續(xù)運(yùn)行基頻線電流最大值.Vse1max由系統(tǒng)需要DPFC補(bǔ)償功率的大小決定：

(2)

對(duì)于VSC3自身損耗的功率Psemax，當(dāng)補(bǔ)償功率Src⊥Sr0(無DPFC補(bǔ)償時(shí)的潮流)時(shí)，損耗最大[1]，為

(3)

2.2DPFC器件參數(shù)設(shè)計(jì)

由于串聯(lián)側(cè)耦合變壓器T3的變比與VSC3直流側(cè)電容電壓是兩個(gè)相互約束的量，當(dāng)確定變比K3后，可以得到VSC3的輸出最大輸出電壓Vse0，對(duì)于SPWM型VSC3，當(dāng)調(diào)制比為mse時(shí)，有

(4)

屬于欠調(diào)制[4]，故直流側(cè)電容母線電壓Vdcse不得超過電容電壓Vdcsemax.確定Vdcsemax時(shí)還需要考慮輸電線路在輕載時(shí)不出現(xiàn)過電壓，過載時(shí)不因電壓過低而出現(xiàn)電壓崩潰現(xiàn)象；同時(shí)，考慮到變壓器損耗和輸電線路電流較大時(shí)的線路損耗，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要留一定余量.

VSC2向系統(tǒng)注入的電流Ish3=Ise3，其最小值要能保證使串聯(lián)側(cè)Vdcse維持不變，最大值要由DPFC的控制方式將其限定在極限值內(nèi)，維持接入點(diǎn)母線電壓不至于變化過大.根據(jù)3次諧波等效電路，可得并聯(lián)側(cè)VSC2的輸出電壓

Vsh3=Vse3+jX3ise3.

(5)

式中，Vse3是串聯(lián)側(cè)變流器的注入電壓.對(duì)直流電容電壓Vdcshmax的確定方法與串聯(lián)側(cè)相同.

各變壓器容量的選擇在滿足大于通過它的潮流的基礎(chǔ)上，還要考慮足夠的裕量和經(jīng)濟(jì)性.串聯(lián)側(cè)耦合變壓器T3的變比與VSC3直流側(cè)的電容電壓這兩變量互相約束，當(dāng)確定其一時(shí)，另一個(gè)量可以根據(jù)式(1)和(4)確定.對(duì)于并聯(lián)側(cè)耦合變壓器T1的變比，由于無功功率從電壓幅值高的一側(cè)流向幅值低的一側(cè)，因此其確定要考慮Vdcshmax的大?。涣硪环矫?，要防止3次諧波分量進(jìn)入并聯(lián)側(cè)接入點(diǎn)側(cè)輸電系統(tǒng)，故選擇Y-Δ變壓器.

變流器開關(guān)管的最大關(guān)斷電流必須大于變流器最大輸出電流，否則將燒毀開關(guān)管；采用SPWM硬開關(guān)調(diào)制方式，當(dāng)載波比為3的倍數(shù)時(shí)，死區(qū)對(duì)于波形的影響較小，據(jù)此可選擇VSC2、VSC3開關(guān)管的工作頻率.

濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)，采用一種不必進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，濾波效果又比較好的方法——依據(jù)歸一化LPF設(shè)計(jì)所需低通濾波器的方法[4].所謂歸一化LPF，即指特征阻抗為R0=1Ω且截止頻率為f0=1/(2π)Hz的LPF，依次進(jìn)行截止頻率變換和特征阻抗變換后得到濾波器參數(shù)為

(6)

濾波器的截止頻率一般取輸出信號(hào)頻率的6～8倍，特征阻抗一般要求為30～70Ω.

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

假設(shè)加入DPFC裝置后的補(bǔ)償容量為30%，約900 VA，根據(jù)2.2節(jié)所述參數(shù)設(shè)計(jì)方法，可得各器件參數(shù)如表1所示.

圖2 DPFC接入輸電系統(tǒng)圖Fig.2 The system figure of DPFC access transmission.

項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)串聯(lián)側(cè)VSC1容量≥1015VA變壓器T2、T45kVA，230/380，Y-Δ串聯(lián)側(cè)直流電容電壓Vdcse100V變壓器T525kVA，25/1，Y-Δ并聯(lián)側(cè)直流電容電壓Vdcsh200V變壓器T625kVA，1/1VSC2注入線路電流Ish39A變壓器T715kVA，1/5

為達(dá)到維持DPFC接入點(diǎn)母線電壓與輸電線路潮流控制的目的，采用圖3所示的控制方法[1，6-7].msh和θsh分別是并聯(lián)側(cè)變流器VSC2的調(diào)制比和觸發(fā)相角，tse是串聯(lián)側(cè)變流器VSC3的調(diào)制信號(hào)，它與三角波信號(hào)進(jìn)行比較后即得到變流器開關(guān)管的控制信號(hào).

圖3 DPFC控制方法Fig.3 DPFC Control Method

選擇發(fā)電機(jī)出口處的基準(zhǔn)電壓UN=380 V，基準(zhǔn)容量SN=10 kVA，穩(wěn)態(tài)時(shí)發(fā)電機(jī)出口處電壓為0.605 p.u.，初始相角0.041 7 rad.假設(shè)3 s時(shí)在線路L2的末端發(fā)生三相接地短路，持續(xù)0.5 s后故障切除，由PSCAD/EMTDC軟件仿真的結(jié)果波形如圖4和圖5所示.對(duì)比系統(tǒng)接入DPFC裝置前后的波形可知，接入DPFC時(shí)，輸電系統(tǒng)的潮流變化大大改善，短路時(shí)的線路電流變化也較小.

圖4 未裝DPFC時(shí)系統(tǒng)故障線路參數(shù)Fig.4 The parameters of fault line when the system is not install DPFC

4 結(jié)論

以上仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在滿足約束條件的基礎(chǔ)上，分布式潮流控制器在發(fā)生短路時(shí)可以有效調(diào)節(jié)潮流，減少故障造成的損失，說明本文給出的參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性和設(shè)備選型方案合理的可行性，對(duì)工程實(shí)際運(yùn)用DPFC時(shí)裝置參數(shù)設(shè)計(jì)提供了思路.

圖5 裝有DPFC時(shí)系統(tǒng)故障線路參數(shù)Fig.5 The parameters of fault line when the system equip DPFC

針對(duì)本文的設(shè)計(jì)，存在的不足和需要深入研究的方向如下.

1) 本文仿真設(shè)備參數(shù)的選取，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)而取的參數(shù)值一般留了較大的容量，滿足性能要求，但不滿足經(jīng)濟(jì)性要求，后續(xù)改進(jìn)中需找到更精確的方法.

2) DPFC串聯(lián)側(cè)采用分布式設(shè)計(jì)的理念，因此對(duì)DPFC系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)把串聯(lián)側(cè)變流器分時(shí)分段投入運(yùn)行的實(shí)際情況納入考慮范圍.

3) 本文給出的裝置參數(shù)設(shè)計(jì)方法和選型的正確性與合理性還有待于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的進(jìn)一步驗(yàn)證.

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XIE Jingyan, TANG Aihong, GAO Menglu

(School of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)

In this paper, a method is presented for parameters setting of the distributed power flow controller (DPFC). First, the capacity of parallel and cascade-side converters was determined based on line power flow range. The maximal voltage amplitude of the fundamental frequency for the parallel-side transmission line, the current which flows through parallel-side converters, and the current and voltage injected from cascade-side converters to the system were calculated according to the power model of distributed power flow controller and the principle of conservation of power. Then, DC capacitor voltage and parameters of the converter switch were determined by using the relationship between inverters’ input voltage and output voltage. Finally, simulation test was conducted by connecting 10 kVA transmission system and the distributed power flow controller built with PSCAD/EMTDC simulation software. The results show that DPFC effectively improves the system in terms of power and power flow, and thus the correctness of the proposed method is demonstrated.

distributed power flow controller; parameters design; installed capacity; power flow regulation simulation experiment

2016-02-28.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177114);湖北省重點(diǎn)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAA025);武漢市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014010101010012);國家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目(2016).

1000-1190(2016)04-0506-04

TM571.2

A

*E-mail: 18627844580@163.com.