DPFC系統參數設計方法研究

謝靖言， 唐愛紅， 高夢露

(武漢理工大學 自動化學院， 武漢 430070)

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DPFC系統參數設計方法研究

謝靖言*， 唐愛紅， 高夢露

(武漢理工大學 自動化學院， 武漢 430070)

設計了一套分布式潮流控制器裝置參數設計方法，由線路潮流變化范圍確定串并聯側變流器的容量，按分布式潮流控制器的功率模型和功率守恒原理，確定串聯側注入輸電線路的最大基頻電壓幅值、流過串聯側變流器的電流以及并聯側變流器向系統注入的電流和電壓，再根據逆變器輸入輸出電壓的關系確定直流電容電壓和變流器的開關參數.最后驗證參數設計方法的正確性，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輸電系統進行仿真實驗，顯示DPFC能快速有效改善系統的電壓和潮流的能力，證明本文的裝置參數設計方法的正確性.

分布式潮流控制器； 參數設計； 裝置容量； 仿真實驗

分布式潮流控制器(DPFC)由并聯側變流器和多個低功率的串聯變流器組成，通過輸電線路上的3次諧波電流實現串并聯側變流器間的功率交換，它擁有統一潮流控制器(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，但目前還缺乏將其應用于電力系統潮流控制的實踐中的相關參數設計研究.本文的主要工作就是對DPFC裝置的主要器件，如系統變壓器、直流母線電容、串并聯變流器等的參數進行較系統的設計，并利用PSCAD/EMTDC軟件搭建的仿真模型進行穩態和暫態實驗，驗證參數設計的正確性.

1 DPFC工作原理

DPFC去掉了統一潮流控制器(UPFC)中背靠背的兩個變流器的直流耦合電容，將串聯側變流器分散成多個小功率變流器，通過輸電線路上的3次諧波電流來實現串并聯側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，將串聯側多個變流器等效為變流器VSC3).并聯側三相變流器VSC1通過變壓器T1并聯接入系統，單相變流器VSC2直接接至變壓器T2的Y型繞組中性點，VSC3通過變壓器T3串聯接入系統.VSC1通過直流電容C向VSC2提供它需要的有功功率，同時也與系統進行無功交換以維持接入點母線電壓恒定；VSC2則產生3次諧波電流Ish3提供串聯側有功需求；VSC3通過輸電線路吸收3次諧波電流Ish3維持串聯側直流電容電壓Vdcse穩定，同時產生基頻50 Hz電壓Vse1∠θse1疊加到系統電壓上來實現線路的無功補償、串聯補償、相位控制以及綜合性的控制目標.

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

DPFC通過改變串聯側變流器VSC3注入線路電壓的幅值和相位(Vse1∠θse1)，可以對輸電系統的有功、無功潮流進行控制.當忽略線路電阻時，DPFC補償的潮流如下：

(1)

2 DPFC裝置參數的確定

2.1DPFC裝置容量的確定

DPFC對輸電線路的潮流控制是通過改變串聯側變流器VSC3疊加到線路上的基頻電壓Vse1∠θse1(幅值和相角均可調)，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、并聯側變流器的容量.當DPFC實現的功能不同時，系統對其要求的容量也不同，如DPFC用于抑制系統低頻振蕩所需的容量遠小于用于調節輸電線路潮流的容量.

三相輸電線路中DPFC的串聯側變流器容量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個單相變流器組成，故Sse1=Vse1maxIse1max，Vse1max是VSC3注入輸電線路的持續運行線電壓最大值，Ise1max是流過VSC3的每個單相變流器持續運行基頻線電流最大值.Vse1max由系統需要DPFC補償功率的大小決定：

(2)

對于VSC3自身損耗的功率Psemax，當補償功率Src⊥Sr0(無DPFC補償時的潮流)時，損耗最大[1]，為

(3)

2.2DPFC器件參數設計

由于串聯側耦合變壓器T3的變比與VSC3直流側電容電壓是兩個相互約束的量，當確定變比K3后，可以得到VSC3的輸出最大輸出電壓Vse0，對于SPWM型VSC3，當調制比為mse時，有

(4)

屬于欠調制[4]，故直流側電容母線電壓Vdcse不得超過電容電壓Vdcsemax.確定Vdcsemax時還需要考慮輸電線路在輕載時不出現過電壓，過載時不因電壓過低而出現電壓崩潰現象；同時，考慮到變壓器損耗和輸電線路電流較大時的線路損耗，實際設計時要留一定余量.

VSC2向系統注入的電流Ish3=Ise3，其最小值要能保證使串聯側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，維持接入點母線電壓不至于變化過大.根據3次諧波等效電路，可得并聯側VSC2的輸出電壓

Vsh3=Vse3+jX3ise3.

(5)

式中，Vse3是串聯側變流器的注入電壓.對直流電容電壓Vdcshmax的確定方法與串聯側相同.

各變壓器容量的選擇在滿足大于通過它的潮流的基礎上，還要考慮足夠的裕量和經濟性.串聯側耦合變壓器T3的變比與VSC3直流側的電容電壓這兩變量互相約束，當確定其一時，另一個量可以根據式(1)和(4)確定.對于并聯側耦合變壓器T1的變比，由于無功功率從電壓幅值高的一側流向幅值低的一側，因此其確定要考慮Vdcshmax的大小；另一方面，要防止3次諧波分量進入并聯側接入點側輸電系統，故選擇Y-Δ變壓器.

變流器開關管的最大關斷電流必須大于變流器最大輸出電流，否則將燒毀開關管；采用SPWM硬開關調制方式，當載波比為3的倍數時，死區對于波形的影響較小，據此可選擇VSC2、VSC3開關管的工作頻率.

濾波器的參數設計，采用一種不必進行復雜運算，濾波效果又比較好的方法——依據歸一化LPF設計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，依次進行截止頻率變換和特征阻抗變換后得到濾波器參數為

(6)

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

3 設計實例

假設加入DPFC裝置后的補償容量為30%，約900 VA，根據2.2節所述參數設計方法，可得各器件參數如表1所示.

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

項目參數項目參數串聯側VSC1容量≥1015VA變壓器T2、T45kVA，230/380，Y-Δ串聯側直流電容電壓Vdcse100V變壓器T525kVA，25/1，Y-Δ并聯側直流電容電壓Vdcsh200V變壓器T625kVA，1/1VSC2注入線路電流Ish39A變壓器T715kVA，1/5

為達到維持DPFC接入點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分別是并聯側變流器VSC2的調制比和觸發相角，tse是串聯側變流器VSC3的調制信號，它與三角波信號進行比較后即得到變流器開關管的控制信號.

圖3 DPFC控制方法Fig.3 DPFC Control Method

選擇發電機出口處的基準電壓UN=380 V，基準容量SN=10 kVA，穩態時發電機出口處電壓為0.605 p.u.，初始相角0.041 7 rad.假設3 s時在線路L2的末端發生三相接地短路，持續0.5 s后故障切除，由PSCAD/EMTDC軟件仿真的結果波形如圖4和圖5所示.對比系統接入DPFC裝置前后的波形可知，接入DPFC時，輸電系統的潮流變化大大改善，短路時的線路電流變化也較小.

圖4 未裝DPFC時系統故障線路參數Fig.4 The parameters of fault line when the system is not install DPFC

4 結論

以上仿真實驗結果表明：在滿足約束條件的基礎上，分布式潮流控制器在發生短路時可以有效調節潮流，減少故障造成的損失，說明本文給出的參數設計方法的正確性和設備選型方案合理的可行性，對工程實際運用DPFC時裝置參數設計提供了思路.

圖5 裝有DPFC時系統故障線路參數Fig.5 The parameters of fault line when the system equip DPFC

針對本文的設計，存在的不足和需要深入研究的方向如下.

1) 本文仿真設備參數的選取，依據經驗而取的參數值一般留了較大的容量，滿足性能要求，但不滿足經濟性要求，后續改進中需找到更精確的方法.

2) DPFC串聯側采用分布式設計的理念，因此對DPFC系統參數的設計應把串聯側變流器分時分段投入運行的實際情況納入考慮范圍.

3) 本文給出的裝置參數設計方法和選型的正確性與合理性還有待于實驗樣機的進一步驗證.

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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.

國家自然科學基金項目(51177114);湖北省重點科技支撐計劃項目(2014BAA025);武漢市應用基礎研究計劃項目(2014010101010012);國家電網公司總部科技項目(2016).

1000-1190(2016)04-0506-04

TM571.2

A

*E-mail: 18627844580@163.com.