CN112054528B - 一种适用于配电网的分布式潮流控制器拓扑及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适应于配电网的新型DPFC拓扑结构及控制方法。新型DPFC采用dq解耦思想，对变压器型号与接地方式无特殊要求，且不用通过3次谐波进行串并联能量交换；还提出一种采用三环控制的串联侧I、II控制策略，提高了DPFC的鲁棒性与控制精度；同时还具有常规DPFC的所有功能，相较于常规DPFC更有理论研究价值和工程应用前景。

Description

一种适用于配电网的分布式潮流控制器拓扑及控制方法
技术领域
本发明涉及一种分布式潮流控制器拓扑及控制方法，尤其是涉及一种适用于配电网的分布式潮流控制器拓扑及控制方法。
背景技术
随着我国电力需求的增加与国民经济的日益发展，以风能、太阳能为代表的新能源装机规模快速增加。而大量的二次设备投入、汽车充电桩逐渐普及、新能源电力自身的波动性与间歇性、含新能源电源的电力系统双侧随机性以及线路输送能力限制，将导致配电网可能存在线路潮流可控性低、三相不平衡、新能源消纳能力不足等问题。同时，不受控的潮流会造成部分区域电力供给不足、线路传输损耗大等问题，甚至降低系统稳定性和可靠性。
分布式潮流控制器(Distributed Power Flow Controller，DPFC)是一种串并联混合型柔性交流输电装置，其串联侧分布式布置于输电线路或电力杆塔上，具有经济性高、冗余度高、可靠性强的优点，多组串联侧可以进行分群分组控制，功能也十分强大，DPFC并联侧布置在变电站内，可实现对母线电压调节。但是常规DPFC需要向系统注入3次谐波电流以实现串联侧与系统的有功功率交换，这会引起额外的线损，而且常规DPFC需要在支路两端安装中性点接地的变压器以形成3次谐波回路，但不是所有配电网变压器类型及中性点接地方式都能满足常规DPFC的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对常规DPFC拓扑结构在配电网存在的上述不足，提供一种适应于配电网的新型DPFC拓扑结构及控制方法。新型DPFC采用dq解耦思想，对变压器型号与接地方式无特殊要求，且不用通过3次谐波进行串并联能量交换；还提出一种采用三环控制的串联侧I、II控制策略，提高了DPFC的鲁棒性与控制精度；同时还具有常规DPFC的所有功能，相较于常规DPFC更有理论研究价值和工程应用前景。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种适用于配电网的分布式潮流控制器拓扑，其特征在于，在配电网的并联侧设置并联侧变流器，并在串联侧设置串联侧I与串联侧II，串联侧I为单相变流器，经三相隔离变压器串入配电网；串联侧II包含多组单相变流器，通过单匝耦合变压器串入配电网。
本发明提出一种适用于配电网的新型DPFC，新型DPFC对变压器型号与接地方式无特殊要求，且不用通过3次谐波进行串并联能量交换。该新型DPFC可实现对配电网综合潮流调控，解决潮流阻塞、系统潮流最优调控等问题，还可通过改变每相出力，有效地改善因系统结构不对称而导致线路电流不对称的问题，消除线路电流不对称现象；新型DPFC还可通过强制控制线路潮流，在保障负荷需求的情况下，可使得新能源电源功率完全输送至用户侧，促进新能源消纳。
在上述的一种适用于配电网的分布式潮流控制器拓扑，并联侧变流器包括并联变压器、三相变流器、公共直流电容，其中三相换流器的交流侧通过变压器并联接入到电网中，另一侧接公共直流电容。
在上述的一种适用于配电网的分布式潮流控制器拓扑，串联侧I包括三个共直流侧的单相变流器，经三相隔离变压器串入配电网，其中共直流侧指并联侧公共直流电容；串联侧II包含多组单相变流器，其中A、B、C三个单相为一组，通过单匝耦合变压器串入配电网。
一种适用于配电网的分布式潮流控制器拓扑的控制方法，其特征在于，包括
并联侧双环控制步骤：定义usa、usb、usc分别为并联侧接入点母线A、B、C相电压，usha、ushb、ushc分别为换流器A、B、C相输出电压，Rsh+jXsh输出滤波阻抗，isha、ishb、ishc为网侧流入换流器的电流，Vdcsh为并联侧公共直流电容电压，则
将式(8)进行park变换，可以得到新型DPFC并联侧的同步旋转坐标系下的数学模型为：
下标d和q分别代表变量的d轴、q轴分量；并联侧输出电压的d轴分量与q轴分量分别为：
新型DPFC并联侧通过与系统交换无功功率以维持接入点母线电压us的稳定，此外为保证并联侧可靠运行以及为串联侧I变流器提供稳定的直流电压，需维持公共直流电容电压的稳定；
采用三环的串联侧I、II的控制步骤：定义u1为串联侧左侧接入点对地电压，u2为右侧接入点对地电压，Rse为串联侧等效内阻，Lse、C分别为单相变流器滤波电感、电容，ise1为网侧流入电流，ise2为经LC滤波后流经变流器的电流，use为串联侧逆变电压，Vdcse为单相变流器电容电压，则
u12为串联侧两侧电压差；通过构造与原变量滞后π/2的变量以实现单相坐标变换；假设xα为原变量，xβ为滞后xαπ/2相位的量，θ为定向相角；则：
结合式(11)、(12)、(13)，进行单相park变换，串联侧单相变流器dq坐标系下数学模型为：
下标d和q分别代表变量的d轴、q轴分量，下标“ref”代表变量的给定值；ω为系统频率；
串联侧I的电容电压由并联侧控制，因此只需控制无功潮流Qline；由于电容电压由并联侧控制，因此u12qref直接给0。
在上述的一种适用于配电网的分布式潮流控制器拓扑的控制方法，具体步骤包括
步骤1：比较Vdcshref和Vdcsh的大小，若Vdcshref>Vdcsh，对应PI调节输出值ishdref>0，则需增大ishd；若Vdcshref<Vdcsh，ishdref<0，则需减小ishd，下标“ref”代表变量的参考值/给定值，Vs为并联侧接入点母线电压幅值；
步骤2：比较Vsref和Vs的大小，若Vsref>Vs，对应PI调节输出值ishqref>0，则需增大ishq；若Vsref<Vs，则ishqref<0，则需减小ishq；
步骤3：根据ishdref、ishd、ishqref、ishq的值，结合并联侧回路方程，对应改变ushd和ushq的输出大小；
步骤4：对ushd和ushq进行2r/3s变换得到参考输出信号ush(abc)；
在上述的一种适用于配电网的分布式潮流控制器拓扑的控制方法，串联侧I的控制步骤包括：
步骤1：比较Qlineref和Qline的大小，若Qlineref>Qline，对应PI调节输出值u12dref>0，则需增大u12d；若Qlineref<Qline，对应PI调节输出值u12dref<0，则需减小u12d；
步骤2：比较0和u12q的大小，若u12q<0,对应PI调节输出值ise1qref>0，则需增大ise1q；若u12q>0,则ise1qref<0，则需减小ise1q；
步骤3：同步骤1、2，比较u12dref和u12d等大小，判断增大或减小ise1d、ise2q、ise2d、u12q和u12d；
步骤4：结合串联侧I回路方程，得到useq和used；
步骤5：对useq和used进行单相Park逆变换，得到输出use；
串联侧II的控制步骤包括：
步骤1：比较Plineref和Pline的大小，若Plineref>Pline，对应PI调节输出值u12qref>0，则需增大u12q；若Plineref<Pline，对应PI调节输出值u12qref<0，则需减少u12q；
步骤2：比较Vdcseref和Vdcse的大小，若Vdcseref>Vdcse，对应PI调节输出值u12dref>0，则需增大u12d；若Vdcseref<Vdcse，对应PI调节输出值u12dref<0，则需减少u12d；
步骤3：同步骤1、2，分别比较u12qref和u12q、u12dref和u12d等大小，判断增大或减小ise1q、ise1d、ise2q、ise2d、u12q和u12d；
步骤4：结合串联侧Ⅱ的回路方程，得到useq和used的输出；
步骤5：useq和used经过单项Park逆变换，得到输出use。
因此，本发明具有如下优点：本发明对变压器型号与接地方式无特殊要求，可增强DPFC装置对配电网的适用性，且不用通过3次谐波进行串并联能量交换，相比于常规DPFC损耗更小，经济性更好；还提出一种采用三环控制的串联侧I、II控制策略，提高新型DPFC的鲁棒性与控制精度，相较于常规DPFC更有理论研究和工程应用前景。。
附图说明
图1是新型DPFC拓扑结构图。
图2是新型DPFC并联侧控制策略图。
图3是串联侧I控制系统结构框图。
图4是串联侧II控制系统结构框图。
图5是并联侧拓扑结构。
图6是串联侧拓扑结构。
图7是新型DPFC电压dq解耦补偿电压补偿矢量图。
图8a是串联侧II补偿示意图(串联侧II正90°/感性补偿)
图8b是串联侧II补偿示意图(串联侧II负90°/容性补偿)。
图9是电力线路简化电路图。
图10是Vseq潮流调节范围图。
图11是新型DPFC潮流运行范围图。
图12是Vseq有功潮流调节特性图。
图13是Vseq无功潮流调节特性图。
图14是Vsed有功潮流调节特性图。
图15是Vsed无功潮流调节特性图。
图16是并联侧等效电路模型。
图17是新型DPFC并联侧控制策略图。
图18是新型DPFC串联侧等效模型。
图19是串联侧I控制系统结构框图。
图20是串联侧II控制系统结构框图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
(1)确定适用于配电网的分布式潮流控制器并联侧拓扑结构。如图5所示，并联侧基于并联变压器、三相变流器、公共直流电容组成的并联侧变流器，其中三相换流器的交流侧通过变压器并联接入到电网中，另一侧接公共直流电容。并联侧与常规DPFC并联侧功能相同，本发明故不在赘述。
(2)确定适用于配电网的分布式潮流控制器串联侧拓扑结构。如图6所示，串联侧分为串联侧I与串联侧II，其中串联侧I由三个共直流侧(并联侧公共直流电容)的单相变流器，经三相隔离变压器串入电力线路；串联侧II包含多组(A、B、C三个单相为一组)单相变流器，通过单匝耦合变压器串入线路。
图7为新型DPFC串联侧电压补偿矢量图。其中Vs、Vr、δ、θ分别为串联侧所在支路首末端节点电压与对应相角，IL为线路电流，VXR为线路阻抗上的压降，Vse为常规DPFC串联侧等效补偿电压，Vsed为新型DPFC串联侧I等效补偿电压，Vseq为串联侧II等效补偿电压。为实现DPFC的综合潮流调控功能，新型DPFC串联侧应用dq解耦思想，串联侧I提供与线路电流同相/反相的电压Vsed，串联侧II提供与线路电流垂直的电压Vsed，通过调节Vsed、Vseq的大小与方向，等效补偿幅值相角均可变的电压Vse。
当串联侧II单独工作时，可工作于容性/感性状态，其补偿方式如图8所示。
图9为一条简化的配电网支路。首末端电压分别为U1、U2，相角差为δ1，I为线路电流，R和jX分别为线路等效电阻与电抗。
配电网支路可知线路末端的有功潮流和无功潮流分别为：
设串联侧II补偿电压Vseq，等效输出阻抗为Xse，则：
此时对应线路末端有功潮流Pline、无功潮流Qline分别为：
结合配电网特点：①配电网R:X要远大于输电网，一般在1:2.5左右；②支路首末端电压相角差非常小；③配电网功率因数较高。令首端电压有效值为1.025pu，初相角为3°，末端电压有效值为1.0pu，初相角0°，线路阻抗Zline＝R+jX＝(0.04+j0.1)pu。令Xsemax＝0.04pu，结合式(3)、(4)、(5)，可得补偿电压Vseq潮流调节范围如图10所示。
可见串联侧II单独工作时无法实现潮流综合调控。
当串联侧I、II协同工作时，可逆变出幅值相角均可变的电压Vse∠θse，则此时支路末端潮流满足：
系统参数与前述一致，取Vsemax＝0.05pu，θse为0～2π，新型DPFC的潮流运行范围如图11所示。
由图11可以看出，新型DPFC串联侧I、II协同工作时，可以实现线路潮流的综合调控。
图12、13、14、15分别为Vseq有功潮流调节特性图、Vseq无功潮流调节特性图、Vsed有功潮流调节特性图、Vsed无功潮流调节特性图。
分别对比图12、14和图13、15可以看出：在典型配电网系统中，Vseq调节有功潮流能力优于Vsed，Vsed调节无功潮流能力优于Vseq。因此，串联侧I控制目标为线路无功潮流，串联侧II控制目标为线路有功潮流。此外，配电网功率因素较高，无功调潮流节范围较小，因此串联侧I所需容量很小；而串联侧II调节有功潮流，调节范围较大，串联侧II所需总容量也较大，与其分布式布置方式相匹配。
(3)确定适用于配电网的分布式潮流控制器的控制方法。本发明为提高控制精度，提出并联侧双环控制策略与采用三环的串联侧I、II的控制策略。
①新型DPFC并联侧等效电路模型如图16所示。
usa、usb、usc分别为并联侧接入点母线A、B、C相电压，usha、ushb、ushc分别为换流器A、B、C相输出电压，Rsh+jXsh输出滤波阻抗，isha、ishb、ishc为网侧流入换流器的电流，Vdcsh为并联侧公共直流电容电压。由图16可知：
将式(8)进行park变换，可以得到新型DPFC并联侧的同步旋转坐标系下的数学模型为：
下标d和q分别代表变量的d轴、q轴分量。并联侧输出电压的d轴分量与q轴分量分别为：
新型DPFC并联侧通过与系统交换无功功率以维持接入点母线电压us的稳定，此外为保证并联侧可靠运行以及为串联侧I变流器提供稳定的直流电压，需维持公共直流电容电压的稳定。具体控制结构图如图17所示：
下标“ref”代表变量的参考值/给定值，Vs为并联侧接入点母线电压幅值。
②新型DPFC串联侧单相变流器等效电路模型如图18所示。
u1为串联侧左侧接入点对地电压，u2为右侧接入点对地电压，Rse为串联侧等效内阻，Lse、C分别为单相变流器滤波电感、电容，ise1为网侧流入电流，ise2为经LC滤波后流经变流器的电流，use为串联侧逆变电压，Vdcse为单相变流器电容电压。由图18可得：
u12为串联侧两侧电压差。通过构造与原变量滞后π/2的变量以实现单相坐标变换。假设xα为原变量，xβ为滞后xαπ/2相位的量，θ为定向相角。则：
结合式(11)、(12)、(13)，进行单相park变换，串联侧单相变流器dq坐标系下数学模型为：
下标d和q分别代表变量的d轴、q轴分量，下标“ref”代表变量的给定值。ω为系统频率。
串联侧I的电容电压由并联侧控制，因此只需控制无功潮流Qline。由于电容电压由并联侧控制，因此u12qref直接给0，其控制系统结构框图如图19所示。
新型DPFC串联侧II需控制线路有功潮流Pline并维持电容电压Vdcse的稳定，其控制系统结构框图如图20所示。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种适用于配电网的分布式潮流控制器拓扑，其特征在于，在配电网的并联侧设置并联侧变流器，并在串联侧设置串联侧I与串联侧II，串联侧I为单相变流器，经三相隔离变压器串入配电网；串联侧II包含多组单相变流器，通过单匝耦合变压器串入配电网；
并联侧变流器包括并联变压器、三相变流器、公共直流电容，其中三相换流器的交流侧通过变压器并联接入到电网中，另一侧接公共直流电容；
串联侧I包括三个共直流侧的单相变流器，经三相隔离变压器串入配电网，其中共直流侧指并联侧公共直流电容；串联侧II包含多组单相变流器，其中A、B、C三个单相为一组，通过单匝耦合变压器串入配电网；
适用于配电网的分布式潮流控制器拓扑的控制方法，包括
并联侧双环控制步骤：定义usa、usb、usc分别为并联侧接入点母线A、B、C相电压，usha、ushb、ushc分别为换流器A、B、C相输出电压，Rsh+jXsh输出滤波阻抗，isha、ishb、ishc为网侧流入换流器的电流，Vdcsh为并联侧公共直流电容电压，则
将式(8)进行park变换，可以得到新型DPFC并联侧的同步旋转坐标系下的数学模型为：
下标d和q分别代表变量的d轴、q轴分量；并联侧输出电压的d轴分量与q轴分量分别为：
新型DPFC并联侧通过与系统交换无功功率以维持接入点母线电压us的稳定，此外为保证并联侧可靠运行以及为串联侧I变流器提供稳定的直流电压，需维持公共直流电容电压的稳定；
采用三环的串联侧I、II的控制步骤：定义u1为串联侧左侧接入点对地电压，u2为右侧接入点对地电压，Rse为串联侧等效内阻，Lse、C分别为单相变流器滤波电感、电容，ise1为网侧流入电流，ise2为经LC滤波后流经变流器的电流，use为串联侧逆变电压，Vdcse为单相变流器电容电压，则
u12为串联侧两侧电压差；通过构造与原变量滞后π/2的变量以实现单相坐标变换；假设xα为原变量，xβ为滞后xαπ/2相位的量，θ为定向相角；则：
结合式(11)、(12)、(13)，进行单相park变换，串联侧单相变流器dq坐标系下数学模型为：
下标d和q分别代表变量的d轴、q轴分量，下标“ref”代表变量的给定值；ω为系统频率；
串联侧I的电容电压由并联侧控制，因此只需控制无功潮流Qline；由于电容电压由并联侧控制，因此u12qref直接给0；
具体步骤包括
步骤1：比较Vdcshref和Vdcsh的大小，若Vdcshref>Vdcsh，对应PI调节输出值ishdref>0，则需增大ishd；若Vdcshref<Vdcsh，ishdref<0，则需减小ishd，下标“ref”代表变量的参考值/给定值，Vs为并联侧接入点母线电压幅值；
步骤2：比较Vsref和Vs的大小，若Vsref>Vs，对应PI调节输出值ishqref>0，则需增大ishq；若Vsref<Vs，则ishqref<0，则需减小ishq；
步骤3：根据ishdref、ishd、ishqref、ishq的值，结合并联侧回路方程，对应改变ushd和ushq的输出大小；
步骤4：对ushd和ushq进行2r/3s变换得到参考输出信号ush(abc)；
串联侧I的控制步骤包括：
步骤1：比较Qlineref和Qline的大小，若Qlineref>Qline，对应PI调节输出值u12dref>0，则需增大u12d；若Qlineref<Qline，对应PI调节输出值u12dref<0，则需减小u12d；
步骤2：比较0和u12q的大小，若u12q<0,对应PI调节输出值ise1qref>0，则需增大ise1q；若u12q>0,则ise1qref<0，则需减小ise1q；
步骤3：同步骤1、2，比较u12dref和u12d等大小，判断增大或减小ise1d、ise2q、ise2d、u12q和u12d；
步骤4：结合串联侧I回路方程，得到useq和used；
步骤5：对useq和used进行单相Park逆变换，得到输出use；
串联侧II的控制步骤包括：
步骤1：比较Plineref和Pline的大小，若Plineref>Pline，对应PI调节输出值u12qref>0，则需增大u12q；若Plineref<Pline，对应PI调节输出值u12qref<0，则需减少u12q；
步骤2：比较Vdcseref和Vdcse的大小，若Vdcseref>Vdcse，对应PI调节输出值u12dref>0，则需增大u12d；若Vdcseref<Vdcse，对应PI调节输出值u12dref<0，则需减少u12d；
步骤3：同步骤1、2，分别比较u12qref和u12q、u12dref和u12d等大小，判断增大或减小ise1q、ise1d、ise2q、ise2d、u12q和u12d；
步骤4：结合串联侧Ⅱ的回路方程，得到useq和used的输出；
步骤5：useq和used经过单项Park逆变换，得到输出use。
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