CN103107559B - 一种确定分布式潮流控制器系统参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定分布式潮流控制器系统参数的方法，它包括如下步骤：先建立拓扑结构模型，按其功率模型和功率守恒定律确定串联侧变流器注入输电线路的最大基频电压幅值以及串联侧3次谐波电压幅值；再由串联侧变流器自身消耗的最大有功功率确定它从线路吸收的最大3次谐波电流，然后以使3次谐波无功功率等于零为约束条件，来确定并联侧输出的最大3次谐波电压幅值，再依据归一化LPF设计对串并联侧的滤波器参数进行确认。本发明能对分布式潮流控制器主要器件的参数进行了系统地设计，具有步骤简洁、可靠性高的特点，为日后分布式潮流控制器应用于工程实践或制造实验样机打下基础。

Description

一种确定分布式潮流控制器系统参数的方法

技术领域

本发明应用于电力系统和电力电子技术领域，具体涉及一种确定分布式潮流控制器系统参数的方法。

背景技术

进入20世纪以来，人们普遍认识到扩大电力系统规模可以在能源开发、工业布局、负荷调整及安全与经济运行等方面带来显著的社会经济效益。随着电力负荷的增长，电力系统的规模迅速发展。

不断增长的电力需求，以及电网网络系统的老化，使得我们对输电系统进行快速而可靠地潮流控制有着十分迫切的需求。统一潮流控制器(UPFC)作为综合型FACTS设备中的主要成员之一，是目前功能最为强大的潮流控制装置，它通过对电力系统的线路阻抗、电压相角和电压幅值进行调节，可同时或独立地实现电力系统母线电压、线路有功功率潮流、无功功率潮流和系统稳定的控制。但是由于整个统一潮流控制器(UPFC)的装置容量大、结构复杂，致使其设计制造周期长、占地面积大、成本高等原因，使得统一潮流控制器(UPFC)不能广泛地应用于电力系统。

在这样的背景下，一种分布式潮流控制器(DPFC)的概念应运而生，它去掉了UPFC中背靠背的两个变流器的直流耦合电容，并引入DSSC概念将串联侧的变流器分布化，通过输电线路上的3次谐波频率电流来实现串并联侧变流器间的有功功率交换。它拥有与UPFC相同的控制能力，降低耐压成本的同时又使可靠性大大提高。分布式潮流控制器(DPFC)概念一经提出，相关仿真验证研究崭露头角，系统而全面的数学模型、控制策略以及DPFC在稳态和暂态时的工作特性都有了较详细的分析说明。但目前还缺乏确定分布式潮流控制器系统参数的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种确定分布式潮流控制器系统参数的方法,为日后分布式潮流控制器(DPFC)应用于工程实践或制造实验样机打下基础。

本发明所采用的技术方案是：一种确定分布式潮流控制器系统参数的方法，它包括如下步骤：

第一步，建立分布式潮流控制器应用于电力系统的拓扑结构模型，以电力系统需要补偿的线路潮流大小确定分布式潮流控制器的容量；

第二步，根据分布式潮流控制器的功率模型和功率守恒定律确定分布式潮流控制器的串联侧变流器注入输电线路的最大基频电压幅值，以及串联侧3次谐波电压幅值；再由分布式潮流控制器的串联侧变流器自身消耗的最大有功功率确定分布式潮流控制器从线路吸收的最大3次谐波电流，以及由串联侧变流器输入输出电压的关系确定串联侧直流电容电压；

第三步，在分布式潮流控制器系统的3次谐波等效网络中，以3次谐波无功功率等于零为约束条件，确定并联侧的最大3次谐波电压幅值和并联侧直流电容电压；

第四步，依据归一化LPF设计所需低通滤波器的方法确定串并联侧的滤波器的参数，同时根据分布式潮流控制器的功能要求及已知系统参数范围确定变压器的容量、变比和接法。

按上述方案，第一步中，所述的拓扑结构模型包括并联侧变流器、串联侧变流器、第一系统Y-△变压器T1、第二系统Y-△变压器T2，并联侧变流器位于电网与第一系统Y-△变压器T1之间，串联侧变流器位于第一系统Y-△变压器T1和第二系统Y-△变压器T2之间；所述的并联侧变流器包括由背靠背的三相变流器和单相变流器通过并联侧直流母线电容耦合而成，三相变流器通过并联侧变压器接入电网与第一系统Y-△变压器T1之间的输电线路中，单相变流器将电网中的基波变为三次谐波，并通过第一系统Y-△变压器T1的Y型绕组中性点将产生的三次谐波电流均匀分布到第一系统Y-△变压器T1和第二系统Y-△变压器T2之间的输电线路中；所述的串联侧变流器包括每相输电线路上的潮流控制单元，所述的潮流控制单元包括串联侧单相变流器，串联侧单相变流器直流侧的正极与串联侧单相直流电容一端连接，串联侧单相变流器直流侧的负极与串联侧单相直流电容另一端连接，串联侧单相变流器通过串联侧单匝耦合变压器串联接入到输电线路中；所述的第二系统Y-△变压器T2的Y型绕组中性点接地。

按上述方案，第一步中，所述的分布式潮流控制器的容量包括串、并联侧变流器的容量，其中，所述的串联侧变流器容量S_se等于串联侧变流器从线路吸收的3次谐波功率，所述的并联侧变流器容量式中，P_sh是并联侧变流器向串联侧变流器提供的3次谐波有功功率，Q_sh是并联侧变流器向接入点母线注入的无功功率。

本发明的有益效果在于：1、能确定分布式潮流控制器中直流母线电容、系统变压器、串并联侧变流器、变压器等的参数，为日后DPFC应用于工程实践或制造实验样机打下基础。2、具有步骤简洁、可靠性高的特点。

附图说明

图1是分布式潮流控制器应用于电力系统的拓扑结构模型。

图2是分布式潮流控制器接入电力系统的简化原理图。

图3是分布式潮流控制器的等效电路图。

图4是分布式潮流控制器有功功率交换示意图。

图中：1-并联侧变压器，2-第一系统Y-△变压器，3-串联侧变压器，4-第二系统Y-△变压器，5-并联侧三相变流器，6-并联侧直流母线电容，7-并联侧单相变流器，8-串联侧变流器，9-串联侧直流母线电容。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例。

参见图1-图4，一种确定分布式潮流控制器系统参数的方法，它包括如下步骤：

第一步，建立分布式潮流控制器应用于电力系统的拓扑结构模型，以电力系统需要补偿的线路潮流大小确定分布式潮流控制器的容量；所述的分布式潮流控制器的容量包括串、并联侧变流器的容量，其中，所述的串联侧变流器容量S_se等于串联侧变流器从线路吸收的3次谐波功率，所述的并联侧变流器容量式中，P_sh是并联侧变流器向串联侧变流器提供的3次谐波有功功率，Q_sh是并联侧变流器向接入点母线注入的无功功率；

第二步，根据分布式潮流控制器的功率模型和功率守恒定律确定分布式潮流控制器的串联侧变流器注入输电线路的最大基频电压幅值，以及串联侧3次谐波电压幅值；再由分布式潮流控制器的串联侧变流器自身消耗的最大有功功率确定分布式潮流控制器从线路吸收的最大3次谐波电流，以及由串联侧变流器输入输出电压的关系确定串联侧直流电容电压；

第三步，在分布式潮流控制器系统的3次谐波等效网络中，以3次谐波无功功率等于零为约束条件，确定并联侧的最大3次谐波电压幅值和并联侧直流电容电压；

第四步，依据归一化LPF设计所需低通滤波器的方法确定串并联侧的滤波器的参数，同时根据分布式潮流控制器的功能要求及已知系统参数范围确定变压器的容量、变比和接法。

第一步中，所述的拓扑结构模型(参见图1)包括并联侧变流器、串联侧变流器、第一系统Y-△变压器2、第二系统Y-△变压器4，并联侧变流器位于电网与第一系统Y-△变压器2之间，串联侧变流器位于第一系统Y-△变压器2和第二系统Y-△变压器4之间；所述的并联侧变流器包括由背靠背的三相变流器和单相变流器通过并联侧直流母线电容6耦合而成，三相变流器通过并联侧变压器接入电网与第一系统Y-△变压器2之间的输电线路中，单相变流器将电网中的基波变为三次谐波，并通过第一系统Y-△变压器2的Y型绕组中性点将产生的三次谐波电流均匀分布到第一系统Y-△变压器2和第二系统Y-△变压器4之间的输电线路中；所述的串联侧变流器包括每相输电线路上的潮流控制单元，所述的潮流控制单元包括串联侧单相变流器，串联侧单相变流器直流侧的正极与串联侧单相直流电容一端连接，串联侧单相变流器直流侧的负极与串联侧单相直流电容另一端连接，串联侧单相变流器通过串联侧单匝耦合变压器串联接入到输电线路中；所述的第二系统Y-△变压器4的Y型绕组中性点接地。

在本发明中，其简化原理拓扑如图2所示，并联侧三相变流器5通过并联侧变压器3并联接入系统，通过串联侧直流母线电容9向并联侧单相变流器5提供它需要的有功，同时也与系统进行无功交换以维持接入点母线电压恒定；并联侧单相变流器7直接接至第一系统Y-△变压器2的Y型绕组中性点，产生3次谐波电流I_sh3提供串联侧有功需求；由三个串联侧单相变流器组成的串联侧变流器8通过串联侧变压器3串联接入系统，通过输电线路吸收3次谐波电流I_sh3维持串联侧电容电压V_dcse稳定，同时产生基频50Hz电压V_se1∠θ_se1叠加到系统电压上来实现线路的无功补偿、相位控制以及综合性的控制目标。

分布式潮流控制器的容量取决于其串、并联侧变流器的容量。由图3可知，串联侧变流器容量S_se等于串联侧变流器8从线路吸收的3次谐波功率，即串联侧变流器8向线路注入的最大基波功率S_se1与其自身消耗的功率之和。并联侧变流器1的控制目标主要有两点：给串联侧变流器8提供3次谐波有功功率P_sh以维持串联侧直流电压不变；向并联侧接入点母线注入无功功率Q_sh以维持母线电压不变，所以并联侧变流器1容量

第二步中，串联侧变流器注入输电线路的最大基频电压幅值V_se1max由系统需要分布式潮流控制器(DPFC)补偿功率的大小决定，由串联侧变流器注入输电线路的最大基频电压幅值V_se1max可知串联侧变流器的3次谐波频率电压幅值V_se3max。根据电功率公式，确定串联侧变流器从线路吸收的3次谐波相电流I_se3。由于串联侧变流器由三个完全相同的串联侧单相变流器组成，并联侧单相变流器通过第一系统Y-△变压器的Y型绕组中性点向线路注入3次谐波电流I_sh3(如图2所示)，故I_sh3＝3I_se3。

第三步中，3次谐波频率网络旨在交换串、并联侧变流器的有功功率P_se3和无功功率Q_se3，由图4可得，有P_se3+jQ_se3＝V_se3(V_sh3-V_se3)/(jX₃′)，其中X₃′＝X₃+X_sh3，X₃代表线路总的零序阻抗，一般为正序阻抗的2～4倍，X_sh3是第一系统Y-△变压器2(如图2所示)的零序电抗，V_se3和V_se3分别是串、并联侧的3次谐波电压。由于对串联侧变流器来说，3次谐波频率无功功率将导致额外不必要的电压和电流，因此控制无功功率Q_se3＝0，将此作为约束条件可得到并联侧单相变流器输出的最大3次谐波电压幅值V_sh3max。对并联侧单相变流器，根据逆变器输入输出电压的关系又可求得并联侧直流母线电容电压V_dcsh。

第四步中，并联侧单相变流器向线路注入3次谐波电流的出口处、串联侧变流器向线路注入基频电压的出口处都加装了低通LC滤波器，本发明对其的参数设计采用一种不必进行复杂运算滤波效果又满足要求的方法——依据归一化LPF设计所需低通滤波器的方法。各变压器的容量选择在满足大于通过它的潮流的基础上，还要考虑足够的裕量和经济性；串联侧变压器的变比与串联侧变流器直流侧的串联侧直流母线电容电压是两个互相约束的量，当确定其一时，另一个量也可确定；对于并联侧变压器的变比，由于无功功率从电压幅值高的一侧流向幅值低的一侧，因此其确定要考虑并联侧最大直流电容电压V_dcshmax的大小；变压器的接法由是否需要具备隔离3次谐波电流决定。

假设电力系统未装设分布式潮流控制器时的初始潮流为S_r0＝P_r0+jQ_r0，P_r0、Q_r0分别是初始有功、无功潮流，分布式潮流控制器对系统潮流的补偿度为30％，即补偿功率大小|S_rc|＝30％·|S_r0|，当S_rc⊥S_r0时，串联侧变流器自身损耗的功率最大，为

$P_{\mathrm{se}\max }=\left|X_1\right|\left|S_{r0}\right|\left|S_{\mathrm{rc}}\right|/\left|V_R^2\right|$

其中X₁是线路基频总电抗，|V_R|是接收端电压有效值。

由于串联侧变流器由3个串联侧单相变流器组成，故串联侧变流器向线路注入的最大基波功率S_se1＝3V_se1maxI_se1max(V_se1max串联侧变流器注入输电线路的持续运行相电压最大值，I_se1max是流过串联侧每个单相变流器的持续运行基频相电流最大值)，所以串联侧变流器容量|S_se|＝P_semax+|S_se1|。

由分布式潮流控制器DPFC需补偿功率可得串联侧变流器叠加到输电线路的最大基频电压幅值

|V_se1max|＝|S_rc|X₁/|V_R|

此亦为3次谐波电压幅值V_se3max。再由串联侧变流器消耗的有功功率P_se＝3V_se3I_se3，可得串联侧变流器吸收的最大3次谐波频率电流I_se3，故VCS注入线路的3次谐波电流I_sh3＝3I_se3。

当确定串联侧变压器的变比K₃后，可以得到串联侧变流器的输出最大输出电压|V_se0|＝|V_se1,max|/K₃，对于SPWM型串联侧变流器，当调制比为m_se时，有(V_dcse是串联侧直流电容电压)，属于欠调制，故直流侧母线电压V_dcse不得超过串联侧最大直流电容电压V_dcsemax。确定串联侧电容电压V_dcsemax时还需要考虑输电线路在轻载时不出现过电压，过载时不因电压过低而出现电压崩溃现象；同时，考虑到变压器损耗和输电线路电流较大时的线路损耗，实际设计时要留一定裕量。

忽略串、并联变流器间的无功功率交换，即Q_se3＝0时，可得交换的有功功率为

P_se3＝|V_sh3|²sin(2θ₃)/2X₃′

其中θ₃是V_se3与I_se3间的相角差，并联侧变流器提供串联侧变流器所需的有功功率来维持串联侧直流电容电压V_dcse不变，故并联侧单相变流器输出的最大3次谐波电压满足

$\left|V_{\mathrm{sh}3\max }\right|\≥\sqrt{2\left|P_{\mathrm{se}\max }\right|X_3^{\′}}$

用与确定V_dcsemax相同的方法可确定并联侧直流电容电压的最大值V_dcshmax。

对于LC滤波器的参数设计，采用归一化LPF法。归一化LPF，即指特征阻抗为R₀＝1Ω且截止频率为f₀＝1/(2π)Hz的LPF，依次进行截止频率变换和特征阻抗变换后得到滤波器参数为

$\left\{\begin{array}{c}L=f_{0}R/f_c\\ C=f_0/\left({\mathrm{Rf}}_c\right)\end{array}\right.$

滤波器的截止频率一般取输出信号频率的6～8倍，特征阻抗一般要求为30～70Ω，此处折中选择特征阻抗为50Ω。

并联侧变压器、第二系统Y-△变压器要防止3次谐波分量进入输电系统，故均选择Y-Δ变压器，其中第二系统Y-△变压器的Y型绕组中性点需接地。变流器开关管的最大关断电流必须大于变流器最大输出电流，否则将烧毁开关管；采用SPWM硬开关调制方式，当载波比为3的倍数时，死区对于波形的影响较小，据此可选择串联侧变流器、并联侧单相变流器开关管的工作频率。

以单机无穷大系统为例，如图2所示，假设发电机容量为10kVA，经系统变压器T1升压后，由双回线向无穷大系统供电，未加DPFC装置时的系统初始潮流为S_r0＝3000+j200；发送端母线电压为接收端母线电压输电线路阻抗Z_l＝4∠86°＝(0.279+j3.990)Ω，由于线路电抗比线路电阻大10倍以上，故将线路电阻忽略不计，所以线路阻抗近似为X_l＝3.990Ω，换算成线路电感为0.0127H；DPFC对潮流的补偿度为30％。则根据以上所述分析计算方法，求得串联侧变流器自身消耗的最大有功功率P_semax为115VA，并联侧变流器无功补偿容量按系统变压器1容量的30％选取，得到的主要系统参数或器件型号为表1所示：

表1DPFC装置参数

项目	参数	项目	参数
				串联侧变流器容量	≥1015VA	串联侧LC滤波器	20A,25mH；200V,10uF
并联侧变流器容量	≥760VA	并联侧LC滤波器	30A,10mH；200V,4.7uF
				串联侧直流电容电压Vdcse	100V	变压器2、4	5kVA，230/380，Y-Δ
并联侧直流电容电压Vdcsh	200V	变压器1	2.5kVA，2.5/1，Y-Δ
				变流器7注入线路电流Ish3	9A	变压器3	1.5kVA，1/5

将上述数据代入用PSCAD/EMTDC软件搭建的仿真模型中，进行稳态的有功功率调节特性、无功功率调节特性仿真实验和暂态的单相短路、三相短路功率阻尼振荡仿真实验。实验结果表明，按照上述参数设计方法设计的分布式潮流控制器可以实现对电力系统有功、无功潮流的解耦控制，维持接入点母线电压恒定；加装DPFC后，系统发生短路故障时电压、电流的冲击减弱，切除故障后系统恢复稳定的时间缩短，实现了分布式潮流控制器的控制目标。

本发明确定分布式潮流控制器系统参数的方法是基于湖北省自然科学基金、武汉市科技攻关计划项目、国家自然科学基金面上项目资助而产生，具有非常大的应用价值。

Claims (1)

1.一种确定分布式潮流控制器系统参数的方法，其特征在于：它包括如下步骤：

第一步，建立分布式潮流控制器应用于电力系统的拓扑结构模型，以电力系统需要补偿的线路潮流大小确定分布式潮流控制器的容量；

所述的拓扑结构模型包括并联侧变流器、串联侧变流器、第一系统Y-△变压器T1、第二系统Y-△变压器T2，并联侧变流器位于电网与第一系统Y-△变压器T1之间，串联侧变流器位于第一系统Y-△变压器T1和第二系统Y-△变压器T2之间；所述的并联侧变流器包括由背靠背的三相变流器和单相变流器通过并联侧直流母线电容耦合而成，三相变流器通过并联侧变压器接入电网与第一系统Y-△变压器T1之间的输电线路中，单相变流器将电网中的基波变为三次谐波，并通过第一系统Y-△变压器T1的Y型绕组中性点将产生的3次谐波电流均匀分布到第一系统Y-△变压器T1和第二系统Y-△变压器T2之间的输电线路中；所述的串联侧变流器包括每相输电线路上的潮流控制单元，所述的潮流控制单元包括串联侧单相变流器，串联侧单相变流器直流侧的正极与串联侧单相直流电容一端连接，串联侧单相变流器直流侧的负极与串联侧单相直流电容另一端连接，串联侧单相变流器通过串联侧单匝耦合变压器串联接入到输电线路中；所述的第二系统Y-△变压器T2的Y型绕组中性点接地；

所述的分布式潮流控制器的容量包括串、并联侧变流器的容量，其中，所述的串联侧变流器容量S_se等于串联侧变流器从线路吸收的3次谐波功率，即|S_se|＝P_semax+|S_sel|，式中P_semax为串联侧变流器消耗的最大有功功率，X₁为线路基频总电抗，|V_R|为接收端电压有效值，S_r0为输电线路的初始潮流，S_rc为补偿功率，Sse1为串联侧变流器向线路注入的最大基波功率；所述的并联侧变流器容量式中，P_sh是并联侧变流器向串联侧变流器提供的3次谐波有功功率，Q_sh是并联侧变流器向接入点母线注入的无功功率；

第二步，根据分布式潮流控制器的功率模型和功率守恒定律确定分布式潮流控制器的串联侧变流器注入输电线路的最大基频电压幅值，以及串联侧3次谐波电压幅值；再由分布式潮流控制器的串联侧变流器自身消耗的最大有功功率确定分布式潮流控制器从线路吸收的最大3次谐波电流，以及由串联侧变流器输入输出电压的关系确定串联侧直流电容电压；

第三步，在分布式潮流控制器系统的3次谐波等效网络中，以3次谐波无功功率等于零为约束条件，确定并联侧的最大3次谐波电压幅值和并联侧直流电容电压；

所述并联侧最大3次谐波电压幅值式中，P_semax为串联侧变流器消耗的最大有功功率，P_se为串联侧变流器消耗的有功功率，并联侧单相变流器输出的3次谐波有功功率的取值要求为P_se3≤|V_sh3|²/2X′₃，V_sh3为并联侧变流器输出的3次谐波电压，X′₃＝X₃+X_sh3，X₃代表线路总的零序阻抗，X_sh3是第一系统Y-△变压器T1的零序电抗；

根据逆变器输入输出电压的关系求得并联侧直流母线电容电压V_dcsh；

第四步，依据归一化LPF设计所需低通滤波器的方法确定串并联侧的滤波器的参数，同时根据分布式潮流控制器的功能要求及已知系统参数范围确定变压器的容量、变比和接法。