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一种FACTS设备:分布式潮流控制器(DPFC)
Zhihui Yuan,IEEE学生会员,Sjoerd W. H. de Haan,IEEE会员,Jan Braham Ferreira,IEEE会员,和Dalibor Cvoric,IEEE学生会员
摘要
本文介绍了柔性交流传输系统(FACTS)系列中的一个新组件,称为分布式潮流控制器(DPFC)。 DPFC源自统一潮流控制器(UPFC), D可以被认为是不具有公共直流电容的UPFC。分流和串联转换器之间的有功功率,从通过UPFC中的公共直流电容变为在DPFC通过在三次谐波频率的传输线中传播。 DPFC采用分布式FACTS(D-FACTS)概念,其使用多个小尺寸单相转换器而不是一个大尺寸三相串联变换器。大数串联转换器提供冗余,从而提高系统可靠性。由于D-FACTS转换器是单相的相对于地漂浮,在相之间不需要高压隔离。因此,DPFC系统的成本低于UPFC。和UPFC比较, DPFC具有相同的控制能力,包括用线路阻抗,传输角度和总线电压来调控。本文提出了DPFC的原理和分析并对其进行相应的实验结果,还给出了缩放的原型。
关键词: AC-DC电源转换,负载流量控制,电力电子,功率半导体器件,电力系统控制,传动控制。
I.引言
电网的增长需求和老化使得控制功率传输控制中的潮流系统必须快速可靠[1]。柔性交流传输系统(FACTS)由IEEE定义为“基于电力电子的系统和其他提供控制的静态设备的一个或多个交流传输系统参数来增强可控性和增加功率传输能力“[2]可用于功率流控制。目前,统一功率流控制器(UPFC)是最强大的FACTS设备,可以同时控制所有系统参数:线路阻抗,传输角度和总线电压[3]。
图1 UPFC的简化表示
UPFC是静态同步补偿器(STATCOM)和静态同步串联补偿器(SSSC)的组合,它们通过公共直流链路耦合到允许有功功率在SSSC的串联输出端子和分流输出端子之间双向流动[4]。与线串联的转换器提供通过注入四象限电压来实现UPFC的主要功能具有可控的幅度和相位。注入电压基本上充当同步交流电压源,用于改变传输角度和线路阻抗,从而独立地控制有功和无功功率流通过线。串联电压导致有功和无功功率注入或串联转换器之间的吸收传输线。该无功功率由串联转换器(例如,参见SSSC [5])和有源电压内部产生功率由背对背的分流转换器提供连接的。分流转换器控制直流的电压电容器通过从总线吸收或产生有功功率;因此,它作为与之并行的同步源系统。类似于STATCOM,分流变换器也可以为总线提供无功补偿。
图2 从UPFC到DPFC的流程图
图3 DPFC配置
UPFC的组件处理需要高额定电压和电流,因此,该系统的总成本高。由于公共直流母线互连,故障发生在一个转换器将影响整个系统。为达到电力系统所需的可靠性,需要旁路电路和冗余备份(备用变压器等),这从另一方面说明其增加了成本。因此,UPFC尚未在商业上使用,,即使它已经具有最先进的控制能力。本文介绍了一种称为分布式的新概念潮流控制器(DPFC)。与UPFC相同,DPFC能够控制所有系统参数。 DPFC去除了分流和串联转换器之间的公共直流链路。 有功功率分流器和串联转换器之间的交换是通过的三次谐波频率传输线。 串行转换器采用分布式FACTS(D-FACTS)概念[6]。与UPFC相比DPFC有两个主要优点:1)成本低:低压隔离和系列的低分量额定值转换器2)高可靠:由于冗余的串联转换器。本文首先介绍DPFC的原理,其后是其稳态分析。在简短介绍DPFC控制之后,以DPFC的实验结果作为此论文的结尾。
II.DPFC原则
两种方法应用于UPFC以提高可靠性和降低成本,它们如下。
首先,消除UPFC的公共直流链路和第二分配串联转换器,如图2所示通过组合这两个方法,实现了新的FACTS设备-DPFC。DPFC由一个分流器和几个串联连接组成转换器。并联转换器类似于STATCOM,而该串联转换器采用D-FACTS概念,即使用多个单相转换器而不是一个大额定值转换器。 DPFC内的每个转换器是独立的有自己的直流电容器提供所需的直流电压。DPFC的配置如图3所示。
如图所示,除了关键部件,即分流器和串联转换器,DPFC还需要一个高通滤波器并联连接在传输线的另一侧,并且在线的每一侧两个Y-Delta;变压器这些额外的部件的原因将在后面解释。UPFC的独特控制能力由分流和串联转换器之间的背对背连接,这允许有功功率自由交换。确保DPFC具有与UPFC相同的控制能力,允许有功功率交换的方法转换器具有消除的直流链路是先决条件。
A.消除直流链路
在DPFC内部,有一个共同的联系交流端子和串联转换器,就是传输线。因此,可以通过转换器的交流端子交换活动电源。方法是基于非正弦分量的功率理论。根据傅里叶分析,非正弦电压和电流可以由正弦函数的和表示,在不同的频率具有不同的幅度。功率则是由这种非正弦电压和电流产生的功率定义为电压和电流的乘积的平均值。由于所有交叉乘积项的积分与不同频率为零,有功功率可表示为:
(1)
其中Vi和Ii是第i个谐波处的电压和电流,phi;i是电压和电流之间的对应角度。等式(1)不同频率的有功功率彼此隔离并且一个频率中的电压或电流没有影响其他频率的有功功率。其在不同频率的有功功率的独立性给出的可能性:没有可以产生有功功率电源的转换器,但可以一个频率并从其他频率吸收该功率。通过将该方法应用于DPFC,分路变换器可以在基频处吸收来自电网的有功功率,并以谐波频率将电流注入电网。这种谐波电流将流过传输线。根据基频所需的有功功率量,DPFC系列变换器在谐波频率产生电压,从而从谐波分量吸收有功功率。假设一个无损转换器在基频下产生的有功功率等于从谐波频率吸收的功率。为了更好理解, 图4表示有功功率如何在分流器和DPFC系统中的串联转换器之间交换。DPFC内的高通滤波器阻挡了基频并允许谐波分量从而为谐波分量提供返回路径。分流和串联转换器,高通滤波器和地面形成谐波电流的闭环。由于三次谐波频率的独特特征组件,三次谐波被选择来交换DPFC中的有功功率。在三相系统中,每相的谐波是相同的,这被称为“零序”。零序谐波可以通过在功率中广泛使用的Y-Delta;变压器被天线阻塞系统改变电压电平。因此,不需要额外的滤波器用来防止谐波泄漏到其余部分网络。此外,通过使用三次谐波,高通滤波器,在图4可以用电缆代替连接在Y-Delta;变压器的中性点之间以及在图3中的右侧和地面。因为Delta;绕组对三次谐波电流,所有谐波出现开路电流将流过Y-绕组并集中到接地电缆,如图所示。因此,大尺寸高通滤波器可以不被需要。
使用三次谐波交换有源的另一个优点是Y-Delta;变压器的接地方式可以利用谐波电流灵活运用于在网络电路中。如果分支需要谐波电流流过中性点,Y-Delta;变压器可在另一侧分支将接地,反之亦然。图6演示通过使用a来路由谐波电流的简单示例接地Y-Delta;变压器。因为变压器的线路没有串联转换器浮动,它是开路用于三次谐波分量。因此,没有三次谐波电流将流过该线。
理论上,第三,第六和第九谐波频率都是零序列,并且全部可以用于交换主动功率在DPFC。众所周知,传输线传输功率的能力取决于其阻抗。因为传输线阻抗是电感性的,其与频率成比例,高传输频率会造成高阻抗。因此,零序谐波具有选择最低频率 - 第三谐波。
图5 利用接地的Y-Delta;变压器为零频率三次谐波提供路径
图6 通过使用Y-Delta;的接地状态来布置谐波电流变压器
B.分布式系列转换器
D-FACTS是串联FACTS的解决方案,是一个可以大大降低总成本并增加可靠性的系列FACTS设备。 D-FACTS的想法是使用大量的具有低评级的控制器代替一个大额定控制器。小型控制器是单相的转换器通过单匝变压器连接到传输线。转换器挂在线上,使得没有昂贵的高压隔离费用。单匝变压器使用传输线作为次级绕组,插入可控阻抗直接进线路。每个D-FACTS模块从线路自供电并远程控制通过无线或电力线通信(参见图7)。D-FACTS的结构导致低成本和高可靠性。由于D-FACTS单元是浮动的单相设备线之间,避免了相之间的高电压隔离。单元可以容易地应用在任何传输电压电平,因为它不需要支持相地隔离。每个单元的功率和电压额定值相对较小。进一步,单元被夹在传输线上,因此,不一定需要接地。 D-FACTS的冗余使得在单个模块故障期间的不间断操作比其他FACTS设备更可靠。
图7 D-FACTS单元配置[7]
C. DPFC的优点
DPFC可以被认为是采用DFACTS概念和通过交换谐波功率概念的UPFC。因此,DPFC继承了UPFC和D-FACTS所有的优点,如下:
1)高控制能力。 DPFC可以同时控制电力系统的所有参数:线路阻抗,传输角度和总线电压。消除公共直流链路使得能够分离安装DPFC转换器。分流器和系列转换器可以放置在最有效的位置。由于高控制能力,DPFC也可以用于提高电源质量和系统稳定性,如低频功率振荡阻尼[8]电压下陷恢复或平衡不对称。
2)高可靠性。串联转换器的冗余提高了可靠性。此外,分流器和串联转换器是独立的,故障在一个地方不会影响其他转换器。当串联转换器发生故障时,转换器将发生故障处通过旁路保护短路,从而几乎没有影响网络。在并联转换器的情况下故障,分流变换器将跳闸,串联转换器将停止提供主动补偿以及将作为D-FACTS控制器[9]。
3)成本低。 没有相间电压隔离需要串联转换器。另外,额定功率的每个转换器都很小,可以很容易地生产系列生产线。然而,当DPFC在第三谐波频率处将额外的电流注入传输线时,额外的损耗在输电线路和变压器应注意。
图8 DPFC简化表示
III.DPFC分析
在本节中,将会分析DPFC的稳态行为,并且表示DPFC的控制网络能力和DPFC的参数。为了简化DPFC,转换器由与阻抗串联的可控电压源代替。因为每个转换器产生两个不同频率的电压,它由两个串联连接的可控电压表示源,一个在基本频率,另一个在三次谐波频率。假设转换器和传输线是无损的,总有功功率产生两个频率电压源将为零。多重串联转换器简化为一个大转换器电压,其等于所有系列的电压之和转换器,如图8所示,DPFC被放置在双总线系统中发送端和接端电压Vs和Vr。传输线由电感L与线路电流I表示。由所有DPFC注入电压联转换器的在基波和三次谐波频率的电压是Vse,1和Vse,3。分流变换器通过电感器Lsh连接到发送总线并产生电压Vsh,1和Vsh,3;电流注入分流转换器是Ish。有功无功功率流在接收端分别为Pr和Qr。这个表示包括基本和三次谐波频率分量。基于叠加定理,图 8可以进一步简化被分成不同频率的两个电路。他们俩电路彼此隔离,以及它们之间的链路电路是每个转换器的有功功率平衡,如图9所示DPFC的功率流控制能力可以通过在处接收的有功功率Pr和无功功率Qr来说明接收端。因为DPFC电路在根本上频率表现与UPFC相同,即有功和无功功率流可以表示如下[1]:
(2)
其中Pr0,Qr0和theta;是有功,无功潮流,未补偿系统的传输角,Xse,1 =omega;Lse
是基频的线路阻抗,| V |是个两端的电压幅值。在P Q平面中,没有DPFC补偿f(Pr0,Qr0)的功率流是半径为| V | 2 / | X1 |的圆围绕中心定义通过坐标P = 0和Q = | V | 2 / | X1 |。这一点的每一点圆以对应的传输角度theta;给出未补偿系统的Pr0和Qr0值。边界Pr和Qr的可获得的控制范围从a获得电压Vse,1以其最大幅度完全旋转。图10表示出了DPFC的控制范围透射角theta;。为了确保串联转换器注入360°可旋转电压,基频下的有功和无功功率需要。无功功率由串联转换器提供并且有功功率由并联转换器提供。该有功功率需求由下式给出: (3)
其中phi;r0是未补偿系统的接收端的功率角,等于tan-1(Pr0 / Qr0),phi;r是接收端与DPFC补偿的功率角。线路阻抗X1和电压幅值| Vr |是不变;因此,所需的有功功率成正比|Srle;Sr0| sin(phi;r0phi;r),它是三角形面积的两倍其由两个向量Sr0和Sr形成。图11示出了P es,1和潮流之间的关系以特定功率角theta;接收端。因此,串联转换器所需的有功功率可以写成如下:
(4)
其中系数C = 2X1 / | Vr | 2和A(0,r0,r)是面积三角形(0,Sr0,Sr)。角度差phi;r0-phi;r可以是正或负,符号给出活动的方向电源通过DPFC系列转换器。积极的迹象意味着DPFC系列变换器产生有功功率在基频处,反之亦然。有功功率要求随着受控功率流而变化,并且活动当矢量Sr-Sr0时,功率需求具有其最大值垂直于矢量Sr0,如图12所示根,据图12,功率流控制范围和最大有功功率需求之间的关系可以表示为
(5)
其中| Sr,c |是DPFC的控制范围。DPFC中的每个转换器生成两个频率电压
与此同时。因此,每个的额定电压转换器应该是两者的最大电压之和频率分量
(6)
在操作期间,串联转换器的有功功率需求随着在基波处注入的电压而变化频率。当要求低时,串联电压在三次谐波频率将小于| Vse,3,max |。该电位在Vse,3和| Vse,3,max |之间能够用于控制基频下的功率流,从而增加DPFC的功率流控制区域。当Sr,c垂直于未补偿功率Sr0,串联转换器需要最大有功功率,DPFC控制区域的半径由下式给出:
(7)
如果S,r,c与Sr0在同一条线上,串联
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