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柔性交流输电系统装置--分布式潮流控制器
袁志辉，IEEE学生会员，Sjoerd W.H. de Haan，IEEE会员，Braham Ferreira，IEEE院士，Dalibor Cvoric，IEEE学生会员
摘要--本文提出了一个在柔性交流输电系统中的全新组件，称为分布式功率潮流控制器（DPFC）。分布式功率潮流控制器起源于统一潮流控制器（UPFC）。DPFC可以被认为是一种消除公共直流连接的UPFC。串并联变流器中进行有功功率交换方式原是通过UPFC中的公共直流连接方式进行交换，现在改为通过三次谐波频率下的传输线进行交换。 DPFC采用了D-FACTS的概念，DPFC用许多小型单相变流器代替UPFC中的一个大型三相串联变流器。在DFPC中通过大量的串联变流器提供冗余，来增加系统可靠性。由于D-FACTS转换器是单相的且相对于地面浮动，在各相间没有高电压需要隔离，因此DPFC系统的成本低于UPFC。DPFC有与UPFC相同的控制能力，其中包括线路阻抗，传输角度和总线电压的调整。本文介绍了DPFC的原理及其分析，同时也对相对应的在微缩原型上取得的实验结果进行展示。
关键词：潮流控制，电力电子，电力半导体器件，电力系统控制，电力传输控制，AC-DC能量转换。
- 简介
随着需求的不断增长及网络的老化，快速可靠地在能量传输系统进行潮流控制变成了一种愿景[1]。柔性交流传输系统（FACTS）被IEEE定义为“对系统和其他的静态设备的一个或更多交流传输系统的参数提供控制的，用于增强可控性并提高能量传输能力的电力电子技术”[2]，它可用于潮流控制。目前，如图1所示的统一潮流控制器（UPFC）最强大的FACTS设备，可以同时控制系统的所有参数，包括线路阻抗，传输角度和总线电压[3]。
图 1 UPFC的简化模型
该项目的部分基金来自经济部的能源研究计划EOS。
一个静止同步补偿器和一个静止同步串联补偿器通过一个公共直流连接结合起来组成了统一潮流控制器（UPFC）。它允许有功功率在SSSC的串联输出端口与STATCOM的并联输出端口之间的双向流动[4]。有线的串联变流器主要作用是为UPFC注入一个具有可控幅度和相位的4象限电压，注入的电压基本上起一个同步交流电压源的作用，用于改变传输角度和线路阻抗，从而独立控制有功和无功功率流过线路。串联电压导致串联变流器和传输线之间的有功和无功功率注入或吸收。上述的无功功率是由串联变流器（如SSSC [5]）内部产生的，有功功率是通过背靠背连接的并联变流器提供的。并联变流器通过从总线吸收或产生有功功率来控制直流电容器的电压，因此它可以作为与系统并联的同步电源。与STATCOM类似，并联变流器也可以对总线提供无功功率补偿。
UPFC的组件处理高额定值的电压和电流; 因此系统的总成本很高。同时由于存在公共直流连接，发生在一个变流器上的故障将影响整个系统。而为了实现电力系统所需的可靠性，需要增加旁路电路和冗余备份（备用变压器等），这在另一方面也增加了成本。由于上述原因，即使UPFC拥有最先进的控制能力但它也尚未能在商业上被使用。
本文介绍了一种源于UPFC,现在被称为分布式潮流控制器（DPFC）的新概念。与UPFC相同，DPFC能够控制所有系统参数。DPFC消除了在串并联变流器之间的公共直流连接。在DPFC中，串并联变流器之间的有功功率的交换是通过传输线路上的三次谐波进行的。DPFC的串联变流器采用DFACTS概念[6]。与UPFC相比，DPFC有两大主要的优势：1.低电压隔离与低组件等级的串联变流器的成本低; 2.由于采用了串联变流器的冗余，使得可靠性更高。本文首先介绍了DPFC的原理，其次是它的稳态分析。在对DPFC控制进行简短的介绍后，本文最后介绍了DPFC的实验结果。
2.DPFC的原理
UPFC采用两种方法来增加可靠性和降低成本：首先消除UPFC的公共直流连接，其次是如图2所示的分布式串联变流器。将这两种方法结合起来，新式的FACTS设备——分布式潮流控制器就实现了。
DPFC
分布式串联变流器
消除公共直流连接
UPFC
图 2 UPFC到DPFC的流程图
DPFC由一个并联变流器和若干个串联变流器组成。并联变流器类似于STATCOM，而串联变流器采用DFACTS概念，即使用多个单相变流器来代替一个大的额定变流器。DPFC内的每个变流器都是独立的，它们有自己的直流电容来提供所需的直流电压。DPFC的结构如图3所示。
图 3 DPFC结构图
如图所示，除了关键部件，即串并联变流器之外，DPFC还需要一个高通滤波器，该滤波器在输电线路的另一侧并联连接；两个Y-Delta;变压器分布在线路两端；其余组件的功能将在后文进行解释。
UPFC的独特控制能力来源于串并联分流器之间的背靠背连接方式，这种连接方式允许有功功率的自由交换。为了确保DPFC具有与UPFC相同的控制能力，首先要找到一种允许在相互之间消除直流连接的变流器之间进行有功功率交换的方法。
- 消除直流连接
在DPFC内，串并联分流器的交流端口之间的公共连接是输电线路。因此，通过变流器的交流端口进行有功功率的交换变为可能。该方法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用不同频率、不同幅度的正弦函数之和来表示。由这种非正弦电压和电流产生的有功功率被定义为电压和电流乘积的平均值。由于不同频率项的所有叉积的积分为零，所以有功功率可以表示为：
（1）
其中Vi和Ii分别是第i个谐波频率下的电压和电流，phi;i是电压和电流之间的对应角度。公式（1）描述了不同频率下的有功功率之间是相互隔离的，并且同一个频率下的电压或电流对其他频率的有功功率没有影响。不同频率的有功功率的独立性使得无电源变流器在一个频率上产生有功功率并从其他频率吸收该功率成为可能。
将这种方法应用于DPFC，并联变流器可以在基频处从电网吸收有功功率，并将谐波频率下的电流注入电网。该且谐波电流将流过输电线路。根据基频所需有功功率的大小，DPFC串联变流器在谐波频率下产生电压，从而吸收谐波分量的有功功率。假设变流器无损耗，那么基频产生的有功功率等于谐波频率吸收的功率。为了更好地加以理解，图4指出了在DPFC系统中，串并联变流器之间是如何进行有功功率交换的。
图 4 DPFC变流器之间的有功功率交换
DPFC内的高通滤波器阻止基波频率分量通过，只允许谐波分量通过，从而为谐波分量提供返回路径。串并联变流器、高通滤波器和地之间形成了谐波电流的闭环。
由于3次谐波频率分量的独特特性，选择3次谐波在DPFC中进行有功功率交换。在三相系统中，每个相位的三次谐波是相同的，这被称为“零序”。零序谐波可以被Y-Delta;变压器自然地阻断，Y-Delta;变压器在电力系统中被广泛用于改变电压水平。因此，不需要额外的滤波器来防止谐波泄漏到网络的其余部分。另外，如图4所示，通过使用3次谐波，便可以用连接在图3右侧Y-Delta;变压器中性点与地之间的电缆代替昂贵的高通滤波器。由于Delta;绕组对三次谐波电流开路，所有谐波电流都将流过Y绕组并集中到接地电缆，如图5所示。因此，大尺寸高通滤波器就会被淘汰。
图 5 利用接地的Y-Delta;变压器为零序三次谐波提供通路
使用三次谐波交换有功功率的另一个优点是，Y-Delta;变压器的接地方式可以为网状网络中的谐波电流提供通路。如果分支需要谐波电流流过，则该分支另一侧的Y-Delta;变压器的中性点将接地，反之亦然。 图6演示了谐波电流流过接地Y-Delta;变压器路径的简单示例。由于没有串联变流器的线路的变压器是浮动的，它对于3次谐波分量是开路的，因此没有三次谐波电流流过这条线路。
图 6 使用Y-Delta;变压器的接地状态来为谐波电流提供通路
理论上，第3，第6，第9谐波频率都是零序，它们都可以用来在DPFC中交换有功功率。众所周知，输电线路传输功率的能力取决于其阻抗。由于传输线阻抗是感性的并且与频率成正比，所以高传输频率将导致高阻抗。因此，只选择具有最低频率的零序谐波--3次谐波，而排除了第6，第9谐波。
- 分布式串联变流器
- FACTS是串联FACTS的解决方案，它可显著降低总成本并提高串联FACTS设备的可靠性。D-FACTS的想法是使用大量低额定值的控制器来代替一个大的高额定控制器。小型控制器是一个通过单匝变压器连接到传输线的单相变流器。变流器挂在线路上，因此不需要昂贵的高压隔离。单匝变压器将输电线路作为次级绕组，直接将可控阻抗插入线路。每个D-FACTS模块都由线路自供电，并通过无线或电力线通信进行远程控制。
图 7 D-FACTS 单元结构
D-FACTS的结构使其成本低，可靠性高。由于D-FACTS单元是浮置在线路上的单相设备，因此避免了相间的高压隔离。该单元可以很容易地应用于任何传输电压水平，因为它不需要支持相地间的隔离。且每个单元的功率和电压额定值相对较小。此外，这些单元被夹在传输线间，因此不需要占用土地。D-FACTS的冗余在单个模块故障期间提供了不间断的操作，所以D-FACTS比其他FACTS设备具有更高的可靠性。
- DPFC的优势
DPFC可以视为采用D-FACTS概念和通过谐波交换功率的概念的UPFC。 因此，DPFC继承了UPFC和D-FACTS的所有优点：
- 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。消除公共的直流连接实现了DPFC变流器的独立安装。串并联变流器可以放置在最有效的位置。由于其具有高控制能力，DPFC也可以用来提高电能质量和系统稳定性，如低频功率振荡阻尼[8]，电压暂降恢复或平衡不对称。
- 高可靠性：串联变流器的冗余性提高了可靠性。串并联变流器是独立的，因此在一个地方的故障不会影响其他变流器，当串联变流器发生故障时，变流器将被旁路保护短路，因此对网络影响很小；在并联变流器发生故障时，并联变流器将跳闸，串联变流器将停止提供有功补偿并将像D-FACTS控制器一样工作[9]。
- 低成本：串联变流器不需要相间电压隔离。同时，每个变流器的额定功率很小，因此可以很容易地在串行生产线上生产。
但是，由于DPFC以三次谐波频率向输电线路注入额外电流，因此也应当考虑到传输线和变压器中的额外损耗。
3.DPFC的分析
在本节中，对DPFC的稳态行为进行分析，并在DPFC的网络和参数中对其控制能力进行表示。为了简化DPFC，变流器由有阻抗的串联可控电压源取代。由于每个变流器在两个不同的频率下产生电压，所以它可以由两个串联的可控电压源表示：一个电压源在基频下，另一个在三次谐波频率下。假设转换器和输电线路是无损的，由两个频率电压源产生总有功率将为零。多歌串联变流器便可以简化成电压值为所有串联变流器的电压总和的一个大型变流器，如图8所示。
图 8 DPFC的简化表示
在图8中，DPFC被放置在具有发送端和接收端电压Vs和Vr的双总线系统中，传输线由流过线电流I的电感L表示。电压由所有 DPFC串联变流器注入，注入的电压包括两部分，一部分为基波下的V se，1，另一部分为三次谐波下的V se，3。连接在发送总线上的并联变流器通过电感Lsh产生电压V sh，1和V sh，3;由并联变流器注入的电流为Ish。在接收端的有功和无功功率分别为Pr和Qr。
该表达式由基波和三次谐波频率分量组成。根据叠加定理，图8中的电路可以通过分成不同频率的两个电路进一步进行简化，两个电路彼此隔离，这两个电路之间的连接则为每个变流器的有功功率平衡，如图9所示。
图 9 DPFC等效电路：（a）基频;（b）三次谐波频率
DPFC的潮流控制能力可以用接收端接收到的有功功率Pr和无功功率Qr来说明。由于基频下的DPFC电路表现与UPFC相同，有功和无功潮流可表示为[1]：
(2)
其中Pr0，Qr0和theta;分别是无补偿系统的有功，无功潮流和传输角度，Xse，1 =omega;L se是基频的线路阻抗，|V|是两端的电压幅度。在PQ平面中，没有DPFC补偿的潮流的轨迹f（Pr0，Qr0）是半径为|V|2 /|X1|的圆，它以P = 0，Q =|V|2 /|X1|为圆心。该圆的每个点给出未补偿系统的Pr0和Qr0在相应的发射角theta;处的值。Pr和Qr的可达到的控制范围的边界是电压V se，1以其最大值进行完整旋转而获得的。图10显示了DPFC传输角度theta;的控制范围。
图 10 与传输角theta;有关的DPFC有功和无功功率控制范围
为确保串联变流器注入的是360°可旋转电压，需要基频下同时存在有功和无功功率。局部无功功率由串联变流器提供，有功功率由并联变流器提供。这种有功功率要求由下式给出：
（3）
其中phi;r0是未补偿系统接收端的功率角，等于tan -1（Pr0/Qr0），phi;r是DPFC补偿时接收端的
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