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DPFC建模和基本控制
4.1介绍
在前面的章节中，介绍了新的FACTS装置，DPFC以及其操作原则，其次是DPFC的稳态分析。要控制DPFC，控制器对个人DPFC转换器是必要的。本章说明了DPFC的基本控制系统，如图4 - 1突出所示是由并联控制和系列控制组成。
图4-1DPFC基本控制
系列控制的功能可以概括为:
·用第三次谐波频率成分保持转换器电容的直流电压。
·生成中央控制的指定频率下的系列电压。
分流控制的功能有：
·注入恒定的三次谐波电流进线，为系列转换器提供有功功率。
·通过在基频吸收来自电网的无功功率保持分路转换器的电容器的直流电压。
·在基频到电网注入由中央控制的规定功电压。
本章首先在统一潮流控制器中的DQ-框架建模[适合03].该DPFC的交流分量通过使用Park的（DQ）转换变换为直流分量。该DPFC的变换直流分量可以通过传统的PI控制器来控制。
DPFC的模型已被介绍了，DPFC基本控制设计在4.3节中给出。由中央控制的规定,基本控制是负责维护DPFC转换器的直流电压和产生的交流电压。
此外，DPFC系列转换器和中央控制器之间的通信被认为在4.4节。对于系列转换器相对低的成本且可靠的同步方法提出了。此外，通信故障在系列转换器能够继续同步。
4.2 DPFC建模
要设计一个DPFC的控制方案中，必须先建模。本节介绍DPFC的这种建模。作为DPFC供应的电力系统，该模型应该描述在系统级，这是在基波和三次谐波频率的DPFC的行为。变换器的开关行为建模不是必需的。
4.2.1 DPFC模型概述
该DPFC的造型由转换器建模和网络建模。由于使用单相系列转换器，它们被建模为一个单相系统。以确保该单相串联变换器模型是与三相网络模型兼容，网络建模为120◦相移三个单相网络。图4-2给出了DPFC建模过程中，会导致六个分隔模型的流程图。
图4-2DPFC建模过程流程图
两个工具都采用了DPFC建模：叠加定理和Park变换【】。众所周知，传输网络是线性系统，因此，叠加原理可以应用。然而，对于转换器，需要用于叠加定理的某些近似应用。流程图中，用菱形S.P.表示施加叠加定理的过程，并用“DQ”的形状代表Park变换的过程。
因为Park变换是在单频率设计的信号分析并且DPFC信号由两个频率分量组成，叠加定理首先用于各组分分离。然后，在不同频率的成分进行Park变换单独分析。Park变换，它被广泛应用于电器机械分析，转换交流成分转换成直流。Park变换的原理是投射到一个旋转参考系，称为“DQ框架”在矢量表示的AC信号。旋转的频率被选择为相同的交流信号的频率。因此，DQ参考系下的电压和电流处于恒定稳定状态。
在不同的频率的分量被变换成在不同的频率的两个独立的旋转参考坐标。基频的分量是三相成分，所以Park变换可以直接应用。然而，因为Park变换是为三相系统设计的，所以在它应用到单相系统之前需要变换。这样做的原因是，三相系统的三次谐波分量可以被认为是一个单相分量，作为其组成部分都在相（lsquo;零序rsquo;）。单相Park变换的详细描述可以在附录A中找到。
在本节中，网络建模引入，接着DPFC变流器的建模。一旦分离模型提出，不同的模型之间的相关性给出。
4.2.2分体式模型的连接
该DPFC在分离的部分建模。在本小节中，分离部分的模型之间的连接被提出，如图4-3所示。
图4-3DPFC分离模型的连接
如图所示，统一潮流模型由基频网络模型，3次谐波频率网络模型，系列变流器模型以及并联变流器模型组成。基本频率的网络模型计算通过线I1基于发送端，接收端电流和系列变频器的电压。反馈到并串联变流器电流型号供直流电压的计算和在电源系统级应用程序中央控制。三次谐波频率网络模型计算从由分流和系列转换器中喷射出的电压的电流I3。三次谐波电流用于变流器的直流电压的计算，这是也分流控制的控制对象之一。
4.2.3网络建模
本节主要介绍网络与基本和3次谐波频率的DPFC的数学表达式。如在两个频率的电路已经被叠加定理分开，每个电路的建模单独列示。
基频网络建模
在网络模型的过程中，DPFC转换器可以被认为是可控电压源[宋99]。在实际传输系统中，由于不对称性的影响通常是小的，特别是如果线路被沿着它们的长度换位，所以各相之间的完美平衡通常是假定的。大多数架空输电线具有至少两个架空导线称为地线，其以均匀间隔沿着线路长度接地。因此，接地可以被视为理想的导体具有零阻抗和相位之间的相互阻抗可以忽略不计[GRAI94]。用这些假设，与在基频的DPFC系列转换器网络可以如图4-4的简化。
图4-4基频网络等效电路
用的等效电路，由系列转换器注入的基频电压是VSE，1，由线路阻抗注入的为Z1，并且发送端和接收端的电压分别是Vr与Vs。电压VSE，1，VR Vs和电流I1是列矢量，其包括三个相位的信息。在基频，网络建模为三个单相系统，其相位由120◦偏移。根据等效电路，线电流I1和串联电压之间的关系由下式给出：
该DPFC基本频率的模型表示DPFC系列转换器如何通过改变注入电压影响通过传输线的电流。因此，模型的输入是由串联变换器VSE，1注入的电压，并且输出是线电流I1。在发送和接收端上的电压可以
被认为是持续的在二端口网络中。而对于网状网络模型，这两个电压也可被视为输入。基本网络模型的框图如图4-5所示。
图4-5输入和基频网络输出的模型
三次谐波频率的网络建模
DPFC内部，并联变流器在Y-Delta;变换的中性点注入三次谐波电流，如图3-7所示。该电流分布在三个阶段，使闭环通过其他Y-Delta;变换的接地中性点。通过表示电压源变流器，对于三次谐波频率网络的等效电路可以如图4-6的简化。
图4-6三次谐波网络等效电路
两个变压器绕组和线路阻抗的零序电抗可以组合。在三次谐波频率该总阻抗由Z3表示。如之前所描述的，中性的阻抗假设为零。因此，在三次谐波频率的电压和电流之间的关系是：
三次谐波网络模型代表每个阶段内的三次谐波电流，这是通过分流和串联DPFC转换器中喷射出的3次谐波电压引起的。该模型的输入是电压Vsh3和VSE，3，其来自变流器的模型，而该模型的输出是每个相位I3的3次谐波电流，如图4-7所示。
图4-7三次谐波频率的网络模型的输入和输出
4.2.4系列转换器建模
所述DPFC系列转换器是相同的，因为是他们的模型。该系列转换器的PWM控制的单相转换器。它简化的配置如图4-8所示。如前面提到的，变流器的开关行为不考虑。为了简化分析，转换器的损失被忽略了。
图4-8：一个系列变频器的简图
由于系列转换器的身份，图4-8描绘了一个变流器在所有三个阶段有效。为了区分在不同的相位的变流器，如果有必要相位的下标可以被添加到图4-8中的电压和电流。串联变换器的交流侧和直流侧电压VSE和VSE，直流分别和refV，SEF是在普参考AC信号，它是由一系列的控制所产生的调制振幅。需要注意的是交流电压和电流在图4-8在由不同的频率下两部分组成的，即基本与由下标1和3分别表示三次谐波频率分量。它们之间的关系可说明如下：
交流侧建模
该系列转换器是一个PWM转换器。转换器的交流侧电压可近似与AC参考信号和所述直流电压作为VSE的乘积：
参考信号是普值与从-1到1的范围内。通过将叠加定理等式，等式（4.4）可以被分离成：
串联变换器的交流侧模型的输入信号是refV，Se和VSE，直流和输出交流电压VSE，它来自直流侧模型。
直流侧建模
串联变换器的直流电压Vdc,se和直流电流Idc是相关的关系式如下：
两个频率分量在两个参考电压和交流电流存在。串联变换器的直流侧的电流近似为：
并且直流电压可写为：
通过应用逆单相Park变换，在附录A中解释，我们得到：
什么角度是Park变换旋转坐标系的角度。在（4.9）的右侧，有显示为叠加有直流电压的零平均波纹交叉项的不同的频率分量。这种波纹对直流电压幅度没有贡献，致使波纹的术语在建模过程中忽略。
因此，对于直流侧模型的输入信号是refV,se,1, refV,se,1, I1 和I3，输出的直流电压Vse,dc。等式（4.9）可以精确地表示串联变换器的直流电压，它由平均值和波纹组成，而方程（4.10）忽略波纹。
在DPFC的设计期间，该系列转换器的电容被选择为限制标称直流电压的5％的误差范围内波纹。因此，（4.10）中给出的该模型将直流电压运算足够精确。
系列变频器模型
通过组合交流侧和直流侧的模型，该系列转换器模型如图4-9。
图4-9：串联变换器模型框图
系列转换器模型中的输入信号是从系列控制与线路电流，在两个频率取的参考电压。模型的输出信号是由串联转换器产生的交流电压。
4.2.5分流器建模
分流器包括背靠背连接到一个单相变换器的一个三相变换器。和STATCOM类似，三相转换器被连接到Y-Delta;变换的低电压侧从电网吸收无功功率。单相转换器连接在地和Y-Delta;变换的中性点注入三次谐波电流。分流变换器的简化示意图如图4-10。
图4-10：分流器的简图
由于在变压器的Delta;侧没有三次谐波分量，在左侧的转换器包含仅在基频的分量，即电压Vsh，1和电流Ish，1。在3次谐波频率电压在Vsh，3和电流的Ish，3是单相分量。
交流侧建模
类似于串联变换器建模，交流电压可近似写成如下：
在调制振幅refV，SH，1和refV，SH，3是PU值从-1到1的范围内。
直流侧建模
分流转换器的电容器的直流电压被赋予与下面的等式：
通过施加Park变换基波频率分量，在三相侧的直流电流，可以发现：
如果三相部件是对称的，直流电流Ish,dc,1是一个没有脉动的常数。代单相Park变换为第三次谐波分量，第三直流电流为：
如先前关于串联变换器建模所讨论的，而出现直流电压的波动时具有零平均值条款将不会有助于电容器的直流电压。由于忽视这些条款，分流器的直流电压可以近似为：
分流器模型
整体分流转换器模型，通过连接分流变换器模型的交流和直流侧创建的，示于图4-11。
图4-11：串行器模型框图
模型的输入信号是参考电压信号和电流，在两个频率下，当输出是通过分流转换器产生的基波和三次谐波频率的电压。
4.3 DPFC基本控制
基于先前提出的DPFC模型，控制现在可以得到进一步的发展。该DPFC基本控制包括一系列的控制和分流控制。在本节中，控制方案及其相应的设计得到解决。由于其简单的实施中，矢量控制方法[卡恩04，帕皮97]被用来控制DPFC转换器。控制器参数的计算是基于内部模型控制（IMC）法[82·加西亚，哈恩98]。
4.3.1系列转换器控制
每个DPFC系列转换器被局部由它自己的控制器控制，以及每个系列控制的方案是相同的。控制串联变换器，独立的控制回路被用于两个频率分量。三次谐波控制回路用于直流电压控制。该系列DPFC转换器控制框图如图4-12所示。
图4-12：串联变换器的控制方案
基频分量的控制
在对于系列转换器的基频基准电压是由中央控制产生并通过通信信道传送到每个转换器。信号处理块被用于在基频的“通信电压变换到交流基准电压。此块将在4.5节介绍。这个交流信号，叠加有由第三谐波控制所产生的信号，被发送到PWM发生器来驱动系列转换器的开关。
三次谐波频率分量的控制
由于如图4-12所示，3次谐波的频率控制与DPFC系列变频器控制主控制回路。它的任务是维持直流电容器的电压。
矢量控制的原理，这里使用的直流电压控制。通常情况下，电压被用作用于Park变换的旋转参照系，但在这里通过线路三次谐波电流被选择，因为它很容易被串联变换器测量。作为线电流包含两个频率分量，需要一个第三带通滤波器，以提取3次谐波电流。单相的锁相环（PLL），如附录B中描述的，产生从第3次谐波电流的旋转参照系。3次谐波电压的D成分是用来控制直流电压的参数。该控制信号由直流电压控制环路产生。由于3次谐波电压的Q分量只会造成无功功率注入交流网络时，q组件在操作过程中保持在零。
直流电压控制设计
直流电压控制回路用于维护串联变换器的直流电压。在该系列变频器控制，无论是频率分量电流取为Park变换的旋转坐标系。通过的电流投影到自身时，q分量I1，q和I3，Q是垂直于电流，将为零，且（4.10）可以写为：
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