基于VSC的DCIPC在潮流調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

李 娟，魏晨晨,2

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.河南省駐馬店供電公司，河南 駐馬店 463000)

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和用戶對電能質(zhì)量要求的日益提高，大型電網(wǎng)互聯(lián)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，同時也將是提高電力系統(tǒng)運行可靠性和電能資源配置的重要途徑.由于地理位置、輸電走廊空間、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等限制，使得輸電系統(tǒng)不能通過結(jié)構(gòu)擴建作為解決輸電過程中遇到的諸如輸電線路過負(fù)荷運行、潮流分布不合理、網(wǎng)絡(luò)損耗增大，聯(lián)絡(luò)線功率波動、連鎖反應(yīng)的事故波及、環(huán)流等新問題.通過柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible Alternative Current Transmission Systems，F(xiàn)ACTS)進行聯(lián)網(wǎng)，可以有效地解決網(wǎng)絡(luò)損耗過大、潮流分配不合理、電力系統(tǒng)功率振蕩[1]等問題.在電力系統(tǒng)中加入FACTS元件并通過電力電子器件控制其參數(shù)，為實現(xiàn)潮流控制，降低網(wǎng)絡(luò)損耗提高網(wǎng)絡(luò)的功率傳輸能力提供了一種有效的手段[2～4].

相間功率控制器作為一種典型的串聯(lián)型器件，其對潮流的控制能力很強，可以有效控制線路功率，改善網(wǎng)絡(luò)的潮流分布，對電網(wǎng)的經(jīng)濟運行具有一定的影響[5～7].由于IPC在潮流調(diào)節(jié)中的靈活特性，且IPC具有良好的潮流控制魯棒性，短路電流限制特性以及兩端電網(wǎng)的故障隔離特性，所以將其應(yīng)用在電網(wǎng)中的程度被逐步擴大和完善，自從其問世以來便被廣大研究專家所青睞[8].文獻(xiàn)[9]對非調(diào)諧型IPC進行了計算和分析，得出非調(diào)諧型IPC相對于調(diào)諧型IPC的潮流控制魯棒性較差，限制短路電流的特性也趨向弱化.但是，相對于調(diào)諧型IPC它卻體現(xiàn)出具有保持同步能力的不同的有功功率控制特性.文獻(xiàn)[10]對相間功率控制器的運行狀態(tài)進行理論數(shù)學(xué)推導(dǎo)，論證了IPC的運行狀態(tài)和其本身參數(shù)以及連接IPC兩端電網(wǎng)的關(guān)聯(lián)參數(shù)表達(dá)形式，并可以對IPC的選址、潮流優(yōu)化調(diào)節(jié)以及IPC的運行特性具有實用的意義.本文以VSC代替?zhèn)鹘y(tǒng)IPC的移相環(huán)節(jié)，闡述了電壓注入型DCIPC中VSC的調(diào)制比M及移相角θ與線路潮流的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出間接電流控制策略以實現(xiàn)對VSC的調(diào)節(jié)控制，并進行仿真且驗證在潮流調(diào)節(jié)方面研究的意義.

1 IPC模型的建立

1.1 IPC基本結(jié)構(gòu)

IPC每相包括兩個相移環(huán)節(jié)，一組并聯(lián)、獨立移相單元的容性和感性支路，共四個可控單元，其單相電路結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1中Us、Ur分別為IPC入口和出口的電壓，δ為IPC入口、出口兩側(cè)電壓相位角差，Xl、Xc分別為IPC電感、電容元件的等效感抗和容抗.

圖1 IPC的電路模型

圖2 VSC基本結(jié)構(gòu)及注入電壓與電流相量關(guān)系圖

電壓源換流器(VSC)是可交直流雙向變換，且交流有功功率和無功功率可分別獨立控制的電力換流器[11].VSC的基本電壓由直流側(cè)并聯(lián)電容器提供，除自身損耗外，常與系統(tǒng)間不存在有功功率交換，因此其向輸電線路注入的電壓為近似正弦的，且是與電路電流正交的可控電壓.VSC的基本結(jié)構(gòu)及其注電壓與線路電流的相量關(guān)系，如圖2所示.

VSC注入電壓Uk(k=1、2)與電流關(guān)系相量圖虛線部分所示，注入電壓使得VSC兩端電壓的幅值和相位均發(fā)生改變，線路的有功功率和無功功率也相應(yīng)發(fā)生改變.

1.2 帶有IPC線路的潮流分析

令電感支路和電容支路的注入電壓分別為U1、U2，則其表達(dá)式為

U1=m1Vdc1ejθ1，U2=m2Vdc2ejθ2.

(1)

式中：m1、m2分別為電壓源換流器VSC1、VSC2的調(diào)制比；θ1、θ2分別為電壓源換流器的移相角度；Vdc1、Vdc2分別為壓源換流器直流側(cè)電容電壓.

DCIPC電感、電容支路移相后的電壓分別為

(2)

聯(lián)絡(luò)線上的電流

(3)

整理可得：有功功率

(4)

無功功率

(5)

由此可見并入IPC后，線路傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率都與電壓源換流器VSC的調(diào)制比M和移相角θ有關(guān)，因此通過調(diào)整IPC中VSC的參數(shù)可以控制系統(tǒng)的潮流.

2 VSC的控制策略

2.1 工作原理

IPC中VSC的控制目標(biāo)是向線路注入一個與支路電流正交的電壓，使其呈現(xiàn)電感或電容特性來改變支路的等效阻抗和線路兩側(cè)相位差，從而實現(xiàn)對線路傳輸功率的調(diào)節(jié)[12].

通過對VSC內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制原理進行分析，采用間接電流控制策略調(diào)節(jié)PWM的調(diào)制比M和移相角θ，實現(xiàn)對VSC注入電壓的控制，從而達(dá)到靈活快速地調(diào)節(jié)交流電壓的幅值和相角，進而對電力系統(tǒng)的潮流進行控制.

2.2 間接電流控制機理分析

間接電流控制也稱為“直接控制”，實際上就是所謂的“電壓幅值相位控制”，也即是通過調(diào)節(jié)VSC交流側(cè)輸出電壓基波的幅值和相位來達(dá)到控制目標(biāo).其主要原理是根據(jù)所控制物理量的偏差值輸入，直接由比例積分調(diào)節(jié)器得到相應(yīng)的調(diào)制比M和移相角θ兩個物理量，然后將其輸入到觸發(fā)脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)以實現(xiàn)對換流器的控制調(diào)節(jié)，原理如圖3所示.其中φ表示系統(tǒng)電壓和電流之間的相角差；比例積分調(diào)節(jié)器中Kp用來提高響應(yīng)速度，Ki用來消除穩(wěn)態(tài)誤差.

圖3 VSC系統(tǒng)間接電流控制原理圖

圖4 有功功率控制器原理框圖

圖5 交流電壓控制器原理框圖

(1)有功功率控制機理分析

有功功率大小與電壓的相位密切相關(guān)，因此控制交流電壓的相角可以調(diào)節(jié)有功功率.有功功率控制的基本原理是利用有功功率測量值Psm與控制參考值Psref的差值，通過PI調(diào)節(jié)器來控制調(diào)節(jié)PWM調(diào)制波的移相角θ，以使換流站注入到交流系統(tǒng)的有功功率到達(dá)其設(shè)定值，其原理如圖4所示.當(dāng)有功功率差值很大時，為防止出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，需要在積分環(huán)節(jié)中加入相應(yīng)的限幅環(huán)節(jié)；同時為了防止有功功率控制器發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，在其輸出也需要加入移相角限幅環(huán)節(jié)[13～14].

(2)無功功率控制機理分析

無功功率大小與電壓的幅值密切相關(guān)，因此控制交流電壓的大小可以調(diào)節(jié)無功功率.無功功率控制的基本原理是利用測量值Usm與參考值Uref的差值，通過PI調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)PWM調(diào)制波的調(diào)制比M，以此來改變交流電壓的幅值進而改變注入到交流系統(tǒng)的無功功率，如圖5所示.

將實時采集的有功功率、交流電壓與系統(tǒng)相應(yīng)輸出物理量的參考值之間的偏差，輸入到相應(yīng)的控制模塊并經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)器，得到與VSC有功功率，交流電壓相關(guān)基于PWM調(diào)制的調(diào)制比M、移相角θ，最終根據(jù)得到的M與θ生成觸發(fā)脈沖，進而對電壓源換流器中的IGBT閥進行控制.依據(jù)上述間接電流控制的原理，得到換流器的間接電流控制原理，如圖6所示.圖6中，換流閥采用正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Polse Width Modu lation,SPWM)正脈寬調(diào)制，T1～T6為開關(guān)器件的脈沖觸發(fā)信號.

3 算例分析

以IEEE14節(jié)點系統(tǒng)為例(系統(tǒng)接線圖如圖7所示)，該系統(tǒng)共含有5臺發(fā)電機，其中1號節(jié)點為平衡節(jié)點，節(jié)點2、節(jié)點3、節(jié)點6、節(jié)點8為PV節(jié)點，節(jié)點4、節(jié)點5、節(jié)點7、節(jié)點9、節(jié)點10、節(jié)點11、節(jié)點12、節(jié)點13、節(jié)點14為PQ節(jié)點.

把IPC并入線路1-5、2-5上，得到無IPC和有IPC的系統(tǒng)潮流，如表1所示.(所有計算結(jié)果均以有名值表示)由表1可知功率的環(huán)網(wǎng)自然分布使得線路1-2處于重載狀態(tài)，而線路7-8處于輕載狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)潮流分布不合理，容易引起網(wǎng)損增大.并入IPC并對其參數(shù)進行控制之后減輕了重載線路的負(fù)擔(dān)，同時輕載線路也適當(dāng)增強了輸送功率的能力.

表1 無IPC和有IPC支路的數(shù)據(jù)和潮流結(jié)果

表2 無IPC和有IPC網(wǎng)絡(luò)總有功和無功損耗

由表2可知網(wǎng)絡(luò)中加入IPC之后，系統(tǒng)的有功和無功損耗都有所降低.為了進一步研究IPC中VSC的控制變量M、θ對系統(tǒng)潮流的影響，接下來將分別固定其中一個變量，控制另外一個變量，觀測網(wǎng)絡(luò)潮流的變化.

情況一：將注入電壓的幅值固定，保持注入電壓的幅值在0.3p.u，使移相角θ在-180°到+180°范圍內(nèi)變化.線路1-5、2-5有功功率的變化，如圖8所示.在注入電壓一定的情況下，隨著移相角度的增大IPC所在線路的有功功率有波動的趨勢.線路1-5、2-5無功功率的變化,如圖9所示.在注入電壓一定的情況下，隨著移相角度的增大IPC所在線路的無功功率先減小而后逐漸增大.

圖8 裝有IPC線路的有功功率隨移相角變化的框圖圖9 裝有IPC線路的無功功率隨移相角變化的框圖

網(wǎng)絡(luò)的總有功功率損耗，如圖10所示.在注入電壓一定的情況下，從-180°到0°隨著移相角的增大，總有功功率的損耗也逐漸增加，在0°附近達(dá)到最大；從0°到+180°隨著移相角的增大，總有功功率損耗逐漸減小.

圖10 總有功功率損耗隨移相角變化的框圖圖11 總無功功率損耗隨移相角變化的框圖

網(wǎng)絡(luò)的總無功功率損耗，如圖11所示.在注入電壓一定的情況下，從-180°到+100°隨著移相角的增大，總有功功率的損耗減少，在-100°附近達(dá)到最小；從-100°到+70°之間隨著移相角的增大，總有功功率損耗也隨之增加；從+70°到+180°之間隨著移相角的增大逐漸減小.

情況二：將移相角θ固定，使注入電壓的幅值在0.01p.u～0.3p.u范圍內(nèi)變化.線路1-5、2-5有功功率的變化如圖12所示.在移相角一定的情況下，隨著注入電壓的逐漸增大，IPC所在線路的有功功率有逐漸增大的趨勢.

圖12 裝有IPC線路的有功功率隨注入電壓變化的框圖圖13 裝有IPC線路的無功功率隨注入電壓變化的框圖

線路1-5、2-5無功功率的變化如圖13所示.在移相角一定的情況下，隨著注入電壓的逐漸增大，IPC所在線路的無功功率有逐漸增大的趨勢.網(wǎng)絡(luò)的總有功功率損耗如圖14所示.

在移相角一定的情況下，隨著注入電壓的逐漸增大，總的有功功率損耗逐漸減小.

圖14 總有功功率損耗隨注入電壓變化的框圖圖15 總無功功率損耗隨移注入電壓變化的框圖

網(wǎng)絡(luò)的總無功功率損耗如圖15所示.在移相角一定的情況下，隨著注入電壓的逐漸增大，總的無功功率損耗有逐漸增加的趨勢.

情況三：調(diào)制比和移相角都發(fā)生變化時網(wǎng)絡(luò)的總有功功率損耗如圖16所示.調(diào)制比和移相角都發(fā)生變化時網(wǎng)絡(luò)的總無功功率損耗如圖17所示.

圖16 總有功功率損耗隨調(diào)制比和移相角變化的框圖圖17 總無功功率損耗隨調(diào)制比和移相角變化的框圖

由圖16、圖17可知當(dāng)注入電壓和移相角都發(fā)生變化時，有功功率和無功功率損耗曲線的趨勢和只控制注入電壓時大致保持一致.

4 結(jié) 論

本文將電壓注入型相間功率控制器中的移相環(huán)節(jié)采用VSC實現(xiàn)構(gòu)成DCIPC，VSC可以快速靈活地實現(xiàn)改變支路移相角的功能，并且損耗較小.分析了IPC并入系統(tǒng)之后對網(wǎng)絡(luò)潮流的影響，建立了電壓源換流器的控制參數(shù)與線路輸送潮流的關(guān)系式，設(shè)計出電壓注入型DCIPC中的VSC控制方式，采用間接電流控制對PWM調(diào)制的調(diào)制比M、移相角θ進行調(diào)節(jié).以IEEE14節(jié)點算例進行效果驗證，通過比較線路中含有IPC前后的線路傳輸功率大小，以及IPC安裝后通過調(diào)節(jié)VSC的參數(shù)，系統(tǒng)潮流的改變情況.分析表明通過控制IPC的變量可以改變功率的分布，提高功率輸送能力，對潮流有一定的調(diào)節(jié)作用.

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