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FACTS设备：分布式功率流控制器（DPFC）
Zhihui Yuan，IEEE学生会员，Sjoerd WH de Haan，IEEE会员，Jan Braham Ferreira，IEEE研究员， Dalibor Cvoric，IEEE学生会员
摘要 - 本文介绍了灵活交流系统（FACTS）系列中的一个新组件，称为分布式功率流控制器（DPFC）。DPFC源自统一的功率流控制器（UPFC）。DPFC可以被视为具有消除的公共直流链路的UPFC。分流器和串联转换器之间的有功功率交换，通过UPFC中的公共直流链路，现在通过三次谐波频率的传输线。DPFC采用分布式FACTS（D-FACTS）概念，即在UPFC中使用多个小尺寸单相转换器而不是一个大尺寸三相串联转换器。大量串联转换器提供冗余，从而提高系统可靠性。由于D-FACTS转换器是单相的并且相对于地浮动，因此相之间不需要高压隔离。因此，DPFC系统的成本低于UPFC。DPFC具有与UPFC相同的控制能力，其包括线路阻抗，传输角度和总线电压的调整。本文介绍了DPFC的原理和分析，并给出了在比例原型上进行的相应实验结果。索引条款 - 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，电力传输控制。
I. 介绍
随着需求的增长和网络的老化，需要快速可靠地控制电力传输系统中的功率流[1]。灵活的交流传输系统（FACTS），由IEEE定义为“基于电力电子的系统和其他静态设备，提供对一个或多个交流传输系统参数的控制，以增强可控性和增强功率传输能力”[ 2]，可用于功率流控制。目前，图1所示的统一功率流控制器（UPFC）是功能最强大的FACTS设备，它可以同时控制系统的所有参数：线路阻抗，传输角度和母线电压[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，以允许SSSC的串联输出端子和分流器之间的有功功率双向流动STATCOM的输出端子[4]。与线路串联的转换器通过注入具有可控幅度和相位的四象限电压来提供UPFC的主要功能。注入的电压基本上用作同步交流电压源，用于改变传输角度和线路阻抗，从而独立地控制通过线路的有功和无功功率流。串联电压导致串联转换器和传输线之间的有功和无功功率注入或吸收。该无功功率由串联转换器在内部产生（参见例如SSSC [5]），并且有功功率由背靠背连接的分流转换器提供。分流变换器通过吸收或产生来自总线的有功功率来控制直流电容器的电压;因此，它作为与系统并行的同步源。与STATCOM类似，分流转换器也可以为总线提供无功补偿。
UPFC的组件处理高额定电压和电流;因此，系统的总成本很高。由于常见的直流链路互连，在一个转换器上发生的故障将影响整个系统。为了实现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），另一方面，这会增加成本。因此，UPFC尚未商业化使用，即使它具有最先进的控制能力。
本文介绍了一种新概念，称为分布式功率流控制器（DPFC），它源自UPFC。与UPFC相同，DPFC能够控制所有系统参数。DPFC消除了分流器和串联转换器之间的公共直流链路。分流器和串联转换器之间的有功功率交换是通过三次谐波频率的传输线。DPFC的串联转换器采用分布式FACTS（D-FACTS）概念[6]。与UPFC相比，DPFC具有两个主要优点：1）由于低压隔离和串联转换器的低组件额定值而成本低，2）由于串联转换器的冗余而具有高可靠性。本文首先介绍了DPFC的原理，然后是稳态分析。在简要介绍DPFC控制之后，本文结束了DPFC的实验结果。
图2.从UPFC到DPFC的流程图。
图3. DPFC配置。
II. dpfc原理
UPFC采用两种方法来提高可靠性并降低成本;他们如下。首先，消除UPFC的公共直流链路和第二次分配串联转换器，如图2所示。通过组合这两种方法，实现了新的FACTS设备-DPFC。DPFC由一个分流器和几个串联连接的转换器组成。分流转换器类似于STATCOM，而串联转换器采用D-FACTS概念，即使用多个单相转换器而不是一个大额定转换器。DPFC内的每个转换器都是独立的，并有自己的直流电容，以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之外，DPFC还需要在传输线的另一侧并联连接的高通滤波器，以及在线的每侧的两个Y-Delta;变压器。这些额外组件的原因将在后面解释。UPFC的独特控制能力由分流器和串联转换器之间的背靠背连接提供，允许有功功率自由交换。为确保DPFC具有与UPFC相同的控制能力，必须采用一种允许在消除直流链路的转换器之间交换有功功率的方法。
A. 消除直流链路
在DPFC内，分流器的交流端子和作为传输线的串联转换器之间存在共同连接。因此，交换活动可以通过转换器的交流端子供电。该方法基于非正弦分量的功率理论。根据傅立叶分析，非正弦电压和电流可以用不同频率和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定义为电压和电流乘积的平均值。由于具有不同频率的项的所有叉积的积分为零，因此有效功率可以表示为：
（1）
其中Vi 和Ii 分别是第i谐波频率的电压和电流，phi;i 是电压和电流之间的对应角度。等式（1）描述了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对其他频率的有功功率没有影响。在不同频率下有功功率的独立性使得没有电源的转换器可以在一个频率上产生有功功率并从其他频率吸收该功率。
图4. DPFC转换器之间的有功功率交换。
通过将该方法应用于DPFC，分流转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。该谐波电流将流过传输线。根据基频所需的有功功率量，DPFC系列转换器产生谐波频率的电压，从而吸收谐波分量的有功功率。假设无损转换器，基频产生的有功功率等于谐波频率吸收的功率。为了更好地理解，图4显示了DPFC系统中分流器和串联转换器之间的有功功率交换。DPFC内的高通滤波器阻止基频分量并允许谐波分量通过，从而为谐波分量提供返回路径。分流器和串联转换器，高通滤波器和地面形成谐波电流的闭环。
由于三次谐波频率分量的独特特性，选择三次谐波来交换DPFC中的有功功率。在三相系统中，每相中的三次谐波是相同的，这被称为“零序”。零序谐波可以是自然的被Y-Delta;变压器阻挡，Y-Delta;变压器广泛用于电力系统以改变电压水平。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。此外，通过使用三次谐波，如图4所示，昂贵的高通滤波器可以用连接在图3右侧Y-Delta;变压器中性点之间的电缆代替。和地面。由于Delta;绕组对三次谐波电流开路，所有谐波电流将流经Y型绕组并集中到接地电缆，如图5所示。因此，大型高通滤波器被淘汰。
图5.利用接地的Y-Delta;变压器为零序三次谐波提供路径。
图6.使用Y-Delta;变压器的接地状态布设谐波电流。
使用三次谐波来交换有功功率的另一个优点是Y-Delta;变压器的接地方式可用于在网状网络中路由谐波电流。如果支路要求谐波电流流过，则该支路另一侧的Y-Delta;变压器的中性点将接地，反之亦然。图6演示了使用接地Y-Delta;变压器对谐波电流进行布线的简单示例。由于没有串联转换器的线路的变压器是浮动的，因此它对于三次谐波组件是开路的。因此，没有三次谐波电流流过该线路。
理论上，第三，第六和第九谐波频率都是零序，并且所有频率都可用于在DPFC中交换有功功率。众所周知，传输线传输功率的能力取决于其阻抗。由于传输线阻抗是电感性的并且与频率成比例，因此高传输频率将导致高阻抗。因此，选择具有最低频率 - 三次谐波的零序谐波。
B. 分布式系列转换器
D-FACTS是串联FACTS的解决方案，可以显着降低总成本并提高FACTS系列设备的可靠性。D-FACTS的想法是使用大量低额定值的控制器而不是一个大额定控制器。小型控制器是单相转换器，通过单匝变压器连接到传输线。转换器悬挂在线路上，因此不需要昂贵的高压隔离。单匝变压器使用传输线作为次级绕组，直接将可控阻抗插入线路。每个D-FACTS模块都是从线路自供电，并通过无线或电力线通信远程控制（见图7）。
图7. D-FACTS单元配置[7]。
- FACTS的结构导致低成本和高可靠性。由于D-FACTS单元是浮在线路上的单相器件，因此避免了相间的高压隔离。该装置可以在任何传输电压水平下轻松应用，因为它不需要支持相接地隔离。每个单元的功率和额定电压相对较小。此外，这些单元被夹在传输线上，因此不需要占地。DFACTS的冗余在单个模块故障期间提供不间断的操作，从而提供比其他FACTS设备高得多的可靠性。
C. DPFC的优点
DPFC可以被视为采用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，如下所述。
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。消除公共直流电路可以分离安装DPFC转换器。分流器和串联转换器可放置在最有效的位置。由于具有高控制能力，DPFC还可用于改善电能质量和系统稳定性，例如低频功率振荡阻尼[8]，电压暂降恢复或平衡不对称。
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，一个地方的故障不会影响其他转换器。当串联转换器发生故障时，转换器将通过旁路保护进行短路，从而对网络的影响很小。在分流转换器的情况下故障，分流转换器将跳闸，串联转换器将停止提供有源补偿，并将作为D-FACTS控制器[9]。
3) 低成本。串联转换器不需要相间电压隔离。此外，每个转换器的额定功率很小，可以在批量生产线中轻松生产。
但是，由于DPFC将三次谐波频率的额外电流注入传输线，因此应注意传输线和变压器中的额外损耗。
图8. DPFC简化表示。
III. 分析dpfc
在本节中，分析了DPFC的稳态行为，并且DPFC的控制能力以网络和DPFC的参数表示。
为简化DPFC，转换器由CON替换可控电压源与阻抗串联。由于每个转换器产生两个不同频率的电压，它由两个串联的可控电压源表示，一个在基频，另一个在三次谐波频率。假设转换器和传输线是无损耗的，两个频率电压源产生的总有功功率将为零。多串联转换器简化为一个大电压转换器，其电压等于所有串联转换器的电压之和，如图8所示。
在图8中，DPFC分别放置在具有发送端和接收端电压Vs和Vr的双总线系统中。传输线由电感L表示，线电流为I.所有DPFC系列转换器注入的电压分别为基波和三次谐波频率的Vse比1 和Vse1-3 。分流变换器通过电感器Lsh 连接到发送总线，并产生电压V1 和V63;分流变换器注入的电流为Ish。接收端的有功和无功功率流分别为Pr 和Qr。
该图表示包括基波和三次谐波频率分量。基于叠加定理，图8中的电路可以通过分成不同频率的两个电路而进一步简化。这两个电路彼此隔离，并且这些电路之间存在联系，电路使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接收端接收的有功功率Pr 和无功功率Qr 来说明。由于基频的DPFC电路与UPFC相同，因此有功和无功功率流可表示如下[1]：
（2）
其中Pr0，Qr0和theta;是有效无功功率流和无补偿系统的传输角，Xse比1 =omega;L东南方 是基频的线阻抗，V是两端的电压幅度。在P Q平面中，没有DPFC补偿的功率流的轨迹f（Pr0，Qr0）是一个半径为V 2/ X1 的圆周，由中心定义坐标P = 0且Q = V 2/ X1 。该圆的每个点给出未补偿系统的Pr0 和Qr0 值在相应的透射角theta;。Pr 和Qr 可达到的控制范围的边界是从电压Vse比1 的最大幅度的完全旋转获得的。图10示出了具有传输角theta;的DPFC的控制范围。
确保串联转换器注入360◦可旋转电压年龄，基频需要有功和无功功率。无功功率由串联变换器本地提供，有功功率由分流变换器提供。该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角，等于1|【tan（Pr0/ Qr0）】和phi;r 是接收端的功率角与DPFC补偿。线路阻抗X1 和电压幅度Vr是恒定的;因此，所需的有功功率与|Sr Sr0 |sin(ϕr0ϕr )成正比，由两个矢量Sr0 和Sr形成，是三角形面积的两倍。看图11，在一定功率角theta;下记录Pse,1 与接收端的功率流之间的关系。因此，系列所需的有功功率关系可以写成如下：
（4）
其中系数C = 2X1/ Vr2 和A(0,r0,r) 是三角形（0，Sr0，Sr）的面积。角度差phi;r0 phi;r 可以是正的或负的，并且符号通过DPFC系列转换器给出有功功率的方向。正号表示DPFC系列转换器在基频下产生有功功率，反之亦然。有功功率要求随着受控功率流而变化，并且当向量Sr Sr0 垂直于向量Sr0时，有功功率要求具有其最大值，根据图12，功率流控制范围和最大有功功率要求之间的关系可以表示为：
（5）
其中|Sr,c |是DPFC的控制范围。
图11. Pse比1 与接收端功率流之间的关系。
图12.串联转换器的最大有功功率要求。
DPFC中的每个转换器同时产生两个频率电压。因此，每个转换器的额定电压应该是两者的最大电压之和与频率的关系
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