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分布式潮流控制器
摘要
这篇论文主要介绍一种用于柔性输电系统（Flexible AC Transmission System，FACTS)的新的电子元件,它叫做分布式潮流控制器（Distributed Power Flow Controller，DPFC）。分布式潮流控制器是由统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）发展而来。分布式潮流控制器可以被看成一种取消了公共直流环节的UPFC。有功功率在并联侧变换器和串联侧变换器之间交换，并且通过UPFC的公共直流环节，并以3次谐波的形式在线路上传播。DPFC使用了分布式灵活输电技术的（Distributed Flexible AC Transmission System,D-FACTS)的概念,在UPFC中运用多重化小型单向变换器而不是大型三相串联变换器，大量的串联侧变换器降低了成本，因此增强了系统可靠性。由于D-FACTS变换器是单相的变换器且悬挂接地，没有相间高压隔离的要求。相应地，DPFC的价格比UPFC更低。DPFC有和UPFC相同的控制能力， 调整线路阻抗,传动角 总线电压。这篇论文描述了DPFC的原理和分析，摘要和相应的实验结果也以一个按比例缩小的形式展示出来。
关键词：负载分布控制、电力装置、电力半导体装置、电力系统控制、电力传送控制、
整流器。
1介绍
日益增长的电力需求和线路老化，使得控制电力快速稳定传输在电力系统中成为一个及其重要的问题。灵活交流输电技术被IEEE定义为基于电力系统和其他静态的电力装置，同时能够通过控制一个或多个交流传动参数提高可控性,提高电力传输能力，也能被用作功率潮流控制。目前，图一中的UPFC是功能最强的柔性输电装置，它几乎能控制系统的所有参数：线路阻抗、相角和总线电压。
将SRATCOM与SSSC通过普通的直流电容在直流侧进行耦合，形成UPFC。,有功功率在SSSC的串联输出端和STATCOM的并联输出端双向流动。与线路串联的变压器承担了UPFC的主要功能，它能加入4个象限可调节相位和大小的电压。加入的电压实际成了一个同步的交流电压源，用来改变相角和线路阻抗，因此能独立控制流过线路的有功和无功功率。
串联电压源导致了有功和无功在变压器和输电线路上输入或者输出。无功功率是由串联变压器在内部产生，有功功率是由紧靠的并联变压器提供的。并联变压器靠从总线上吸收或产生有功功率来控制直流电容的电压。因此它作为与系统同步的同步电压源。与STATCOM相似，并联变压器也能为总线提供无功功率。
2.DPFC的原理
有两种方式运用到UPFC中可以增强可靠性以及减少花费；第一减少UPFC的直流公共端第二分串联变换器。像图二的。把这两种方法一起运用，就能得到新的柔性输电装置—分布式潮流控制器。
DPFC由一个并联侧变换器和几个串联侧变换器连接而成。串联侧变换器和STATCOM相似，尽管串联侧变换器使用了D-FACTS的概念。就是使用多重化单相变换器而不是一个大的高质量的变换器。DPFC中每一个变换器都是独立的并且有自己能提供所需直流电压，DPFC的结构如图三所示。
如图所知，除了图里的串联侧、并联侧变化器等关键元器件之外DPFC也需要一个串联侧连接到输电线另一侧的高通滤波器，在输电线的两侧各放置一个Y-变压器。这些额外的元件将在后面解释。
2.1取消直流通路
在DPFC中，在串联侧和并联侧变换器的交流端之间有一个公共通路，这就是传输线。所以在变换器交流端之间交换有功功率是可能的。这个方法是以非正弦分量的为理论基础。根据傅里叶分析，非正弦的电压和电流能够被一系列不同频率和不同幅度的正弦波表示。来源于非正弦的电压和电流的有功功率被定义为电压和电流的乘积的平均值。因为所有不同频率的电压电流的乘积的积分为０，有功功率能被表示为
公式里面和是相同频率下相应的谐波电压和电流，是相同频率下电压和电流的相位角。公式展示了不同频率下的有功功率相互独立，一种频率下的电压电流对其他频率下的有功功率没有影响。由于不同频率下有功功率相互独立，无源变化器能够产生某种频率的有功功率以及吸收其他频率下的功率。
把这种方法用到DPFC上，并联侧变换器能够以基波频率从输电网上吸收有功功率以谐波的形式返回电流到输电网中。谐波电流将流过传输线。由于在基波频率下需要的有功功率的总量，DPFC串联侧变流器能产生这种谐波电压，因此能够从谐波中吸收有功功率。假定一个无损的变换器，在基频下产生的有功功率和从谐波中吸收的相等。在图四中我们能更好地理解在DPFG系统中串联侧变换器和并联侧变换器的有功功率交换的过程。
在DPFC里的高通滤波器阻碍了基波允许谐波通过，因此为谐波提供了一个返回通道。串联侧变换器、并联侧变换器、高通滤波器和地面为谐波提供了一个闭合通路。由于3次谐波的特性，在DPFC中交换有功功率的主要是三次谐波。在三相系统中，三次谐波在每一相是相同的，这被称为零序的。零序谐波能被自然被Y-变压器阻碍，这在电力系统中被广泛运用去改变电压水平。因此不需要额外的滤波器去阻碍谐波进入其他部分。此外用三次谐波，在图四中的昂贵高通滤波器，能够被放置在Y-变压器右侧连接中性点和地面之间的电缆取代。
因为连接对三次谐波是开路，所有的谐波都会流过Y变压器集中在图五的接地电缆上。因此不需要高通滤波器。
另一个使用三次谐波去交换有功功率优势是Y-变压器的接地方式能够在网状网络中传输谐波电流。如果那个分支要求谐波电流流过，那那一边分支的Y-变压器的分支点也得接地反之亦然。图六展示了一个简单的例子，使用Y-变压器的接地方式可以传输谐波电流。由于没有串联变换器，变压器的线是浮动的。对三次谐波来说电路是开路。因此三次谐波不能流过这个电路。
理论上，3次，6次，9次谐波都是零序，他们都能用来交换DPFC中的有功功率。总所周知，传输线传输功率的容量取决于它的阻值。传输线的阻值与频率成比例相关，高频率会导致高阻值。结果，就选择了零序谐波中频率最低的三次谐波。
2.2分布式串联侧变换器
D-FACTS是一种串联连接FACTS的产物，它可以极大地减少整体的花费和增强串联FACTS装置的可靠性。 D-FACTS的想法是使用大量低端控制器而不是一个大型高端控制器。小型控制器是连接到单匝变压器传输线上的单相变换器。变换器挂在线上因此不需要高压隔离。单匝电压器使用传输线作为二次接线，直接把可控电阻加入线路。每一个D-FACTS模块从电路上供电然后被无线电或者能源控制线远程控制。
D-FAACTS的结构导致了低成本和高可靠性。因为D-FACTS单元是悬挂在电路上的单相装置，不需要相间的高压隔离。这种单元能够很容易运用到任何电压水平的传输线上。因为它不要求相间地面隔离。每一个单元的电压和能量相对很小。这些单元固定在传输线上，因此不需要地面空间。当单个模块失效时D-FACTS的备份会产生一个不间断的变化，因此会比其他FACTS装置拥有更多可靠性。
2.3DPFC的优势
DPFC能被看作UPFC使用了D-FACTS以及通过谐波交换功率的概念。因此，ＤＰＦＣ拥有了ＵＰＦＣ和Ｄ－ＦＡＣＴＳ的优势：
高度控制能力：ＤＰＦＣ能够控制电力系统所有的参数：线电阻，相角和总线电压。取消直流公共端能够分开ＤＰＦＣ变换器的安装。串联侧和并联侧变换器能够放最有效的地方。
由于它的高度控制能力，ＤＰＦＣ能够用来提高电力质量和系统稳定。比如抑制低频电力震动，电压下滑恢复以及不对称平衡。
高稳定性：过量的串联侧变换器提高了稳定性。此外，串并联变换器都是独立的，在一个地方的故障不会影响到其他地方。当故障发生在串联侧变换器，变化器将会短路以及启动过保护因此对整个线路影响很小。如果并联变换器故障，并联变换器将跳闸。串联变换器将停止提供有功补偿其功能和Ｄ－ＦＡＣＴＳ控制器的功能一样。
低花费：没有在串联变换器需要的相与相之间的电压隔离。因为每个变换器电力容量不高而且很容易在串联变换器中生产出来。
然而，因为ＤＰＦＣ将额外的电流以３次谐波的形式注入输电线中，应该注意输电线和变压器中的额外损失。
2.4DPFC的分析
在这一段中，会分析DPFC稳定的表现，DPFC的控制能力在线路的参数中看出来。
为了简化DPFC，变换器被与阻抗串联的可控制电压源代替。因为每个变换器会产生2种不同频率的电压，用2个串联可控制电压源来表示它，一个以基波形式另一个以3次谐波的形式。假定变化器和传输线无功率损耗，由两种频率电压电源产生的有功功率的和为0,。多重化串联变换器被简化为与图8中所有串联侧变换器的电压总和相等的一个大型
图8中，DPFC被放在有着输出端和接收端的电压和。传输线用有线电流I的电抗L表示。用和分别表示在基波和三次谐波状态下所有DPFC串联点变换器发出的电压。并联变换器连接在发射总线通过电感产生电压和；并联侧变换器产生的电流表示为。流经接受终端的有功和无功功率分别表示为和。
基波和三次谐波下的频率共同组成了这幅图。根据叠加原理，图8中的电路能够被简化为不同频率的两个电路。这两个电路相互隔离，两个电路之间的联系是如图9所示的，每个变换器的有功功率平衡。
流过DPFC控制电容的能量能被表示为在接受端的有功功率和，因为在基波频率下的DPFC电路性能和UPFC电路相同，流过的有功和无功功率可以表示为[1]:
= (2)
公式里 ,和分别是不补偿系统的有功，无功和相角，=W表示基波下的线阻抗，|V|是两边的电压大小，在PQ坐标系中，没有DPFC功率补偿的轨迹是一个以为半径以P=0，Q=为圆心。圆上每一点都会给无补偿系统在相应传输角度下给与和的值。和可控制的范围是由Vse 1的最大大小决定的。图10显示了在传动角 下DPFC控制的范围。
为了确保串联变换器注入可旋转的电压，要求有基波频率下的有功和无功功率。局部串联变换器提供无功功率并联变换器提供有功功率。有功功率的要求由此公式给出：
==|||| （3）
公式里是不补偿系统接受端的功率角大小等于。r是DPFC补偿系统在接端的功率角。线阻抗和电压大小不变，所以要求的有功功率对||||
是成比例的，有功功率是两个矢量和形成的三角形区域的两倍。图11描述了和在某个确定相角在接受端能量流动的关系。
因此，串联侧变换器要求的有功功率能被写成：
=C （4）
协方差C=是（0，，）三角形区域,相位差—可正可负，正负号能让我们知道有功功率通过DPFC通过串联变换器的方向。正号表示DPFC串联变换器在基波频率下产生有功功率，反之亦然。需要的有功功率随着控制能源的不同而不同，如图12所示，当向量—与向量垂直时，需要的有功功率达到最大。
由图可知，能量流动范围和需要的最大有功功率能够由以下公式表示：
=| (5)
公式里是DPFC的控制范围。
DPFC的每个变换器都同时产生两种频率的电压。因此每个变换器的电压等级应该是两种频率下最大电压的和。
(6)
在运行中，需要的有功功率随着注入的基波频率的电压变化而变化。当需求很低时，在三次谐波频率下的串联电压比更小，在和之间的电压能够被用来控制基波频率下的能量流动，因此会增大DPFC能量流动控制区域。当垂直非补偿能源，串联变换器要求最大的有功功率，DPFC控制范围的半径由这个公式给出：
= (7)
如果和在同一条线上，串联变换器只提供了无功补偿，DPFC控制区域的边界将延伸到：
= (8)
图13中展示了DPFC的控制区域能被扩展到与一个椭圆形相似的区域。
为了获得与UPFC相同的控制能力，DPFC变换在基波频率的额定功率应该与UPFC的相同。因为三次谐波下的电压和电流需要增加，DPFC变换器的额定功率比UPFC略大一些。增加的额定功率与三次谐波下交换的有功功率有关。对传输线来说，线阻抗|正常情况下应该在0.05pu左右。假设总线电压|V|和非补偿能量流动||是1pu,从（7）可以看出，为了控制1pu的能量流动，有功功率交换大约在0.05pu左右。
即使有三次谐波下额外的电压和电流，DPFC的成本仍然比UPFC要低，有以下原因：1.
UPFC变换器能够处理比串联变换器注入电压更大的线间电压隔离；2串联变换器不需要空间3.DPFC变换器的有源元件和无源元件是低压侧元件（小于1KV和60A），这比UPFC的高压元件更便宜。
DPFC控制
为了控制多重化控制器，DPFC由三种类型的控制器组成；他们是中心控制器，并联控制和串联控制，如图14所示。
串联和并联控制器是局部控制器能够保持自己变换器的参数。中心控制器在电力系统的水平里考虑到DPFC的功能。每一个控制器的功能如下所列：
中心控制：
中心控制器为DPFC的传并联控制器产生了参考信号。它在电力系统水平上处理DPFC的任务，比如能量流动控制，抑制低频能量震荡和非对称元件的平衡。根据系统要求，中心控制器能给串联变换器相应的电压参考信号，以及给并联变换器无功电流信号。中心控制器产生的所有参考信号都是基波频率。
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