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带有分布式潮流控制器（DPFC）的电力传输系统结构
及其首次实验结果
袁志辉 Sjoerd WH de Haan Jan A. Ferreira
代尔夫特理工大学
Mekelweg 4，2628 CD
代尔夫特，荷兰
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致谢
该项目由经济部的能源研究计划EOS部分资助。
关键词
《DPFC》，《电力潮流控制器》，《UPFC》，《分布FACTS》，《柔性交流输电系统》。
摘要
分布式潮流控制器（DPFC）是FACTS设备系列中的新设备。DPFC具有与UPFC相同的控制能力，但其成本更低、可靠性更高。 本文介绍了DPFC在规模简单的电力系统中的实验结果。该DPFC实验装置的目标是验证使用3次谐波来实现分流器和串联转换器之间的有功功率交换的原理。几个转换器都制作完成，每个转换器都由单个DSP控制。 它证明了DPFC可以独立控制通过线路的有功功率和无功功率。
1.介绍
不断增长的网络需求和随时间逐渐严重的老化现象使得人们希望能够快速可靠地控制电力传输系统中的电力潮流。 最新的文章[1]介绍了分布式功率流控制器（DPFC），它是FACTS器件系列中的一款强大器件。与传统的FACTS器件相比，它成本更低，可靠性更高。 它源自UPFC，具有同时调整电力系统所有参数的能力，这些参数包括线路阻抗，传输角度和总线电压幅度[2]。 DPFC消除了分流器和串联变换器之间的公共直流连接，这使串联和并联变换器的独立布局更加灵活。DPFC使用传输线在三次谐波频率下交换有功功率[1]。与直接采用一个大型三相变流器相比，DPFC使用了多个单相变流器（D-FACTS概念[3]）作为串联补偿器，这不仅降低了组件的等级，而且由于冗余设计而提供了高可靠性。 简单双总线系统中的DPFC方案如图1所示。
图1分布式潮流控制器
本文的目的是验证DPFC的装置原理及其控制原理。 本文首先介绍了DPFC的原理及其相应的控制方案，然后给出了DPFC实验装置的设计，包括两个主要部分：DPFC转换器的设计和大型电网的设计。重点介绍了电气设计的设定和变频器的控制实现，因此不考虑变频器的优化。设备内的转换器彼此之间以及每个转换器之间都是电绝缘的，由其自己的DSP处理器控制。最后，本文介绍了DPFC实验装置的首次试验结果。
2．DPFC的原理
2.1 DPFC的介绍
多个单独的转换器配合在一起构成DPFC，参见图1。串联变换器由多个串联在线路上的单元组成。可以由这些单元注入一个相位角控制在360°以上且幅度也可控的电压，通过线路控制潮流。连接在线路和地之间的转换器是分流转换器。 并联变换器的功能是补偿电网的无功功率，并提供串联变换器所需的有功功率。 在正常的UPFC中，有功功率交换通过将串联变换器与分流变换器相连的直流链路来完成。
由于DPFC中并联和串联变换器之间没有公共的直流连接，有功功率通过谐波和交流网络进行交换。该原理基于有功功率的定义，即有功功率是电压和电流的乘积的平均值，其中电压和电流包括基波和谐波。由于具有不同频率的项的所有叉积的积分为零，所以时间平均有功功率可以表示为：
(1)
其中n是谐波频率的阶数，是第n次谐波的电流和电压之间的角度。
公式1表示，不同频率的有功功率彼此隔离，并且任何一个频率的电压或电流对其他频率成分没有影响。这里选择3次谐波来交换有功功率，是因为它可以很容易地被变压器滤波。
2.2 DPFC控制原理
DPFC系统由不同类型的转换器组成，每种类型的转换器都需要不同的控制方案。 DPFC及其控制的框图如图2所示。控制并联转换器向传输线注入一个恒定的3次谐波电流，以便为串联转换器提供有功功率。分流转换器从基频处的电网中提取一些有功功率以保持其直流电压。并联转换器的直流电压由基频电流的d分量控制，q分量用于无功功率补偿。串联变换器在基频处产生一个可控相位角的电压，并使用3次谐波频率的电压来吸收有功功率，以保持其直流电压恒定。电力潮流控制功能由外部控制回路即电力潮流控制模块实现。该模块的参考信号从系统操作员处获取，DPFC系列转换器的控制信号通过无线或PLC通信方式远程发送。
图2 DPFC控制框图
图2所示的各个控制块的功能如下：
- 潮流控制：接收来自系统操作员的潮流设定点，并计算串联风机应该注入的基频电压。
- 串联变换器控制：根据接收到的数据生成开关信号，并通过控制3次谐波分量来稳定直流电容器电压。
- 交流电压控制：将设定点提供给并联变流器，以在基频下进行无功补偿。
- 并联变换器控制：产生3次谐波电流和基频下的无功电流，并稳定直流电压。
2.3 DPFC实验装置
DPFC实验装置由缩放网络部分和转换器部分组成。该缩放网络表示荷兰国家电网内的部分网络，需要对其进行电力潮流控制。因此DPFC转换器的设计要考虑缩放网络中的功率流需求。DPFC首先在双总线网络中进行测试，实验装置的电路如图3所示。
图3 DPFC实验装置的电路图
由图可知，DPFC实验装置中考虑了三个主要组件：串联转换器组，并联转换器组和缩放网络。
该装置使用了两组串联转换器，每一个包括三个单相转换器。并联转换器通过Y-Delta;变压器的中性点以3次谐波频率注入恒定电流，并由恒定的直流电压电源供电。串联变换器和并联变换器都是双向交流/直流变换器，使用MOSFET作为开关器件。该串联变换器选择带有单极电压开关的PWM [4] 进行控制，开关频率选择为6 kHz。串联变换器的基频参考电压由中央控制器产生，如图2中的功率流控制模块所示。它收集系统信息并产生控制信号，这些信号再通过USB电缆传送到串联变换器。
缩放网络由三相传输线和两个电源变压器组成。这两个变压器的一次侧连接在同一个电网上。其中一个变压器的电压进行了相移以使次级侧产生相位差。
2.4 模块布置
实验装置布局的俯视图如图4，表示装置的主要组成部分及其连接。
图4 DPFC实验装置的简化顶视图 图5 网络板
如图所示，大多数主要组件都与网络板相连接。网络板的作用是可对系统进行简单的修改。网络板下安装了三组电感器，代表三相传输线。电感器和电源变压器是隔离的，它们的电气端子在网络板上表现为插座的形式。这简化了DPFC转换器和缩放网络之间的连接。网络板的照片如图5所示。电源变压器放置在网络板的一侧，旨在通过相同的电源创建三条隔离的总线。这些变压器通过侧面板与网络板连接。
2.5 缩放网络
缩放网络由三相传输线和两个电源变压器组成。三相传输线用三个电感器表示。网络参数是通过一定的简化和近似从真实电力网络中计算出来的。计算过程中，网络的PU值保持不变，新的基准电压和功率分别为380V和2500W。表1列出了缩放网络的主要参数
表1. 实验网络d的电气规格
|
母线1 |
母线2 |
线路 |
||
|
电压（V） |
角度（°） |
电压（V） |
角度（°） |
电感（mH） |
|
380 |
0 |
380 |
1.2 |
0.2 |
两个变压器的一次侧连接到同一个电网。用相移变压器的原理使母线上产生不同的相位角。除了主变压器，还有一个小尺寸的附加三相变压器也用来控制功率。 两个变压器的一次侧并联，二次侧串联。 通过改变附加变压器的相电压比，电力变压器的电压相角得到了调整。实验装置中采用的移相变压器和变压器的原理如图6所示。
图6（a）移相变压器原理； （b）移相变压器的照片
2.6 系列转换器
该系列转换器是DPFC实验装置的关键组件。为了验证分布式串联变换器的概念，需要两套单相变换器。 每个串联变换器通过变压器连接到线路，并由DSP控制。该系列转换器是双向单相电压源转换器，没有电源供给直流电压。为了减小通过变换器的RMS电流，利用绕组的比率为5：25V的变压器将变换器与该线串联连接。
串联变换器选择带有单极电压开关的PWM进行控制。该转换器直接连接到变压器而无需滤波，因为PWM产生的主要谐波频率在开关频率6 kHz附近。
由串联变换器，控制电路（DSP板）和辅助设备组成的串联装置的电压等级在传输线的电位上浮动。外部功率流控制器是一个给定电压的设定点，它是在地电位下工作的。因此，实际上控制信号必须在高电压屏障上传输，例如通过电力线通信的无线传输。在我们的设置中，中央控制器和串联转换器之间的通信是通过USB电缆来降低复杂性。因此，DSP板和电源电路之间需要电压绝缘。该绝缘由门驱动器和为DSP提供反馈信号的测量设备提供。LEM的电流和电压传感器被用作串联变换器中的测量设备，它们可以提供1.7kV的电压绝缘。图7为实验装置中串联变换器和串联变换器照片以及简图。
图7（a）系列的简图; （b）实验装置中的串联转换器的照片
2.7 分流转换器
并联变换器的基本结构与串联变换器类似，该变换器是一种单相PWM控制的单相全桥电压源型变换器。为简化实验设置，直流电压由直流电压源供电，3次谐波交流输出端子直接连接至Y-Delta;变压器的中性点。并联转换器产生的3次谐波电流与电网同步，这需要电压传感器测量总线电压来实现。图8为实验装置中的并联转换器。
图8 实验装置中的并联转换器
2.8 DPFC控制的实现
DPFC转换器由eZdsp F2808套件控制，该套件使用德州仪器的微控制器C2000 F2808作为处理器。DSP F2808是一款可编程高性能数字处理器，系统时钟100MHz，集成了PWM信号发生器和A / D转换器。 F2808可以通过C 和调试语言进行编程。对于DPFC控制的编程，Matlab Simulink中的工具箱 - TI C2000（TC2000）被用作目标程序环境，它为DSP编程提供了一个友好的图形界面。TC2000通过使用Real-Time Workshop和TI开发工具从Simulink模型生成C语言实时实现。因此，DSP编程与Matlab Simulink中的仿真一样简单。这里不介绍实验装置中DPFC控制的详细设计，如控制参数计算。
矢量控制概念容易实现，因此被用于实验设置。其原理是将电压和电流转换为旋转参考系，并使用所谓的“Park变换”[5]将交流量转换为直流电。这里采用的是特殊的单相Park变换。旋转参考系由锁相环（PLL）创建，锁相环从正弦波中提取频率和相位信息。
分流转换器是电流控制的，它可向电网注入恒定的3次谐波电流。由于系统中没有用于3次谐波的旋转框架，所以创建了一个人造旋转框架。为了使3次谐波与系统频率同步，3次谐波旋转帧由系统中的基波分量导出。3次谐波旋转帧是通过将PLL环路捕获的基频信息omega;t乘以常数因子3而创建的。基频处的总线电压被选为3次谐波的旋转参考帧电流控制。
该系列转换器对基波和3次谐波频率分量具有独立的控制回路。3次谐波控制回路响应串联变流器的电容器直流电压控制以及3次谐波控制的旋转参考系是在3次谐波频率下流经线路的电流。通过线路的电流也用作基频的旋转参考系。串联变换器的参考电压直流量的从中央控制器远程接收并通过逆帕克变换回到交流量。图9显示了可以直接下载到DSP中的并联和串联转换器的控制回路。
(a)
(b)
图9（a）用于DSP F2808的Simulink中的并联转换器控制;
（b）用于DSP F2808的Simulink中的串联变换器控制
3． DPFC实验装置的第一个结果
本节演示了DPFC实验装置，并介绍了两种情况：稳态和阶跃响应。实验装置由220V的电网供电，并且在第一次测试中仅应用了一组串联转换器。整个DPFC实验装置的照片如图10所示。
图10整个DPFC实验装置的照片
图11显示了稳态时DPFC设置的一个操作点。为了清楚起见，仅示出了一个阶段中的波形。波形中显示了串联变换器注入的电压、通过线路的电流以及变压器Delta;侧的电压和电流。
图11 DPFC在稳态运行;
（a）线电流; （b）串联转换器电压; （c）变压器Delta;侧的母线电压和电流
如图11（a）所示，并联变换器注
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