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分布式潮流控制器(DPFC)规模化输电系统的构建与初探
袁之慧 Sjoerd W.H. de Haan Jan A. Ferreira
Delft University of Technology
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Delft, Netherlands
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声明：本项目部分资金来源于经济部能源研究项目EOS。
摘要：分布式潮流控制器(Distributed Power Flow Controller, DPFC)是柔性交流输电系统设备系列中的一种新型设备。分布式潮流控制器（DPFC）与统一潮流控制器（UPFC）有相同的控制能力，但其成本更低，可靠性更高。本文介绍了DPFC在一个简单电力系统中的实验结果。本实验的目的是验证三次谐波在串并联侧变流器之间交换有功功率的原理。制造了几个变流器，且使每个变流器由一个单独的DSP控制。结果表明，该控制系统能够独立控制线路的有功和无功功率。
关键词：分布式潮流控制器(DPFC)；潮流控制器；柔性交流输电系统；统一潮流控制器(UPFC)；分布式柔性交流输电系统（FACTS）
1引言
随着网络需求的增加和网络的老化，有必要对输电系统的潮流进行快速、可靠的控制。最近在[1]中提出的分布式潮流控制器（DPFC）是FACTS设备系列中的一种功能强大的设备，与传统的FACTS设备相比，它具有更低的成本和更高的可靠性。它是由UPFC派生而来，具有同时调整电力系统所有参数的能力：线路阻抗、传输角、母线电压大小[2]。在DPFC内，串并联侧变流器之间的公共直流链路被消除，这为串联侧和并联侧变流器的独立放置提供了灵活性。 DPFC使用传输线在三次谐波频率下于变流器之间交换有功功率[1]。 DPFC使用多个单相变换器（D-FACTS概念[3]）作为串联补偿器，而不是一个大型三相变换器。该概念不仅降低了组件的额定值，而且由于冗余而提供了高可靠性。简单的双总线系统中的DPFC方案如图1所示。
本文的目的是验证DPFC的概念及其控制。本文首先介绍了DPFC的原理及其相应的控制方案。在介绍了DPFC原理后，给出了DPFC实验装置的设计，实验装置主要包括两个部分:DPFC变流器和一个规模化电网。本文重点介绍了设置的电气设计和变流器控制的实现，因此不考虑变流器的优化。设置中的变流器彼此电绝缘，并且每个变流器由其自己的DSP处理器控制。在本文的最后部分，介绍了DPFC实验装置的第一个结果。
图1分布式潮流控制器
2 DPFC原理
2.1介绍DPFC
多个单独的变流器协同工作并组成DPFC，见图1。串联侧变流器由多个单元组成，这些单元串联连接到传输线。它们可以注入一个电压，其相位角可控制在360°以上，并且其幅度也是可控的。因此，他们可控制通过线路的功率流。连接在线路和地之间的变流器是并联侧变流器。并联侧变流器的功能是补偿电网的无功功率，并提供串联侧变流器所需的有功功率。在普通的UPFC中，串联侧变流器与并联侧变流器之间通过直流链路进行有功功率交换。
由于DPFC中的并联侧和串联侧变流器之间没有公共直流链路，因此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，有功功率是电压和电流乘积的平均值，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乘积的积分为零，因此时间平均有功功率可表示为：
其中n是谐波频率的阶数，是n次谐波的电流和电压之间的角度。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分量没有影响。这里选择三次谐波来交换有功功率，因为它可以很容易地通过Y-Delta;变压器进行滤波。
2.2 DPFC控制原理
DPFC系统由不同类型的变流器组成，并且每种类型的变流器需要不同的控制方案。DPFC的框图及其控制如图2所示。控制并联侧变流器以将恒定的三次谐波电流注入传输线，该传输线旨在为串联侧变流器提供有功功率。并联侧变流器以基频从电网中提取一些有功功率，以维持其直流电压。并联侧变流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。串联侧变流器在基频下产生具有可控相角的电压，并使用第三频率的电压来吸收有功功率，以将其直流电压保持在恒定值。潮流控制功能由外部控制回路即潮流控制块实现。该块获取其参考信号来自系统操作员，DPFC系列变流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中所示的每个控制块的功能可以描述为：
bull; 潮流控制：接收来自系统操作员的潮流的设定点，并计算应由串联侧变流器注入的基频电压。
bull; 串联侧变流器控制：根据接收的数据生成开关信号，并通过控制三次谐波分量来稳定直流电容器电压。
bull; 交流电压控制：为并联变流器提供设定点，以便在基频下进行无功功率补偿。
bull; 并联侧变流器控制：产生三次谐波电流，基频无功电流，并稳定直流电压。
3 DPFC实验装置
DPFC实验装置包括规模化电网部分和变流器部分。规模化电网代表荷兰国家电网网络的一部分，其具有潮流控制的需求。DPFC变流器是根据规模化电网中的潮流需求而设计的。DPFC首先在双总线网络中进行测试，DPFC实验装置的电路如图3所示。
图3 DPFC实验装置的电路
如图3所示，DPFC实验装置中考虑了三个主要组件：串联侧变流器组，一个并联侧变流器和一个规模化电网。
在该设置中，使用两组串联侧变流器，每组包括三个单相变换器。并联侧变流器通过Y-Delta;变压器的中性点以3次谐波频率注入恒定电流，并由恒定直流电压供电。串联侧变流器和并联侧变流器都是双向AC / DC转换器，使用MOSFET作为开关器件。该选择的串联侧变流器控制技术是具有单极性电压开关的PWM [4]，开关频率选择为6 kHz。串联侧变流器的基频参考电压由中央控制器产生，中央控制器代表图2中的功率流控制块。它收集系统信息并生成控制信号，这些信号通过USB电缆发送到串联侧变流器。
规模化电网由三相传输线和两个电源变压器组成。两个变压器的初级侧连接到同一网格。为了在次级侧之间产生相位差，其中的一个变压器电压是相移的。
3.1布局
图4 DPFC的简化俯视图 图5网络板实验设置
如图所示，大多数主要组件都连接到网络板。网络板用于简化系统修改。在网络板下面，安装了三组电感器来代表三相传输线。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显示为插座。这简化了DPFC变流器和规模化电网之间的连接。网络板的图片如图5所示。电源变压器放置在网络板的侧面，旨在通过相同的电源创建三个隔离的总线。这些变压器通过侧面板连接到网络板。
3.2规模化电网
规模化电网由三相传输线和两个电源变压器组成。三相传输线由三个电感器表示。通过对实际网络进行一定的简化和近似，计算出规模化电网的参数。在计算过程中，保持网络的PU值，新的基准电压和功率分别为380V和2500W。表1列出了规模化电网的主要参数。
表 1实验网络电气规范
两个变压器的初级侧连接到同一网格。为了产生总线的不同相角，采用了移相变压器的原理。除了处理电源的主变压器外，还使用了一个小尺寸的附加三相变压器。两个变压器的初级侧并联连接，次级侧串联连接。通过改变附加变压器的相电压比，可以调节电力变压器的电压角。实验装置中采用的相移变压器和变压器的原理如图6所示。
图6（a）相移变压器原理； （b）相移变压器的照片
3.3串联侧变流器
串联侧变流器是DPFC实验装置的关键部件。为了验证分布式串联侧变流器的概念，需要两组单相变流器。每个串联侧变流器通过变压器连接到线路，并由DSP控制。串联侧变流器是双向单相电压源变流器，没有电源支持其直流电压。为了减小通过变流器的RMS电流，使用变压器将变流器与线路串联连接，变压器绕组的比率为5：25V。
所选择的串联侧变流器控制技术是PWM，具有单极性电压切换功能。变流器直接连接到变压器而不进行滤波，因为PWM产生的主要谐波的开关频率大约为6 kHz。
根据电压电平，由串联侧变流器，控制电路（DSP板）和辅助设备组成的串联器件，浮在传输线电位上。外部潮流控制器给出了要注入的电压设定点，它在地电位下工作。因此，实际上控制信号必须通过高压屏障传输，例如通过电力线通信无线传输。在我们的设置中，中央控制器和串联侧变流器之间的通信是通过USB电缆来降低复杂性的。因此，DSP板和电源电路之间需要电压绝缘。这种绝缘由栅极驱动器以及为DSP提供反馈信号的测量设备提供。LEM的电流和电压传感器用作串联侧变流器中的测量装置，它们可以提供1.7kV的电压绝缘。图7示出了串联侧变流器的简化图和实验装置中的串联侧变流器的照片。
图7（a）串联侧变流器简化图； （b）实验装置中的串联侧变流器的照片
3.4并联侧变流器
并联侧变流器的基本结构类似于串联侧变流器，它是具有单极PWM控制的单相全桥电压源转换器。为简化实验设置，直流电压由直流电压源提供，三次谐波交流输出端子直接连接到Y-Delta;变压器的中性点。由并联侧变流器产生的三次谐波电流与电网同步，从而需要电压传感器测量总线电压以进行同步。实验装置中的并联侧变流器如图8所示。
图8实验装置中的并联侧变流器
4 DPFC控制实现
DPFC变流器由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，系统时钟为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，利用Matlab Simulink中的工具箱 - TI C2000的目标（TC2000）用作程序环境，为DSP编程提供了友好的图形界面。TC2000通过使用Real-Time Workshop和TI开发工具从Simulink模型生成了C语言的实时实现。因此，DSP编程就像Matlab Simulink中的仿真一样简单。实验装置中DPFC控制的详细设计，例如控制参数的计算，将不在此处介绍。
矢量控制概念被应用于实验设置，因为它易于实现。原理是将电压和电流转换为旋转参考系，并使用所谓的“公园转换”将交流量转换为直流量[5]。一种特殊的单相园区变换被采用。旋转参考系由锁相环（PLL）创建，锁相环从正弦波形中提取频率和相位信息。
并联变流器是电流控制的，旨在将恒定的三次谐波电流注入电网。由于系统中没有用于三次谐波的旋转框架，因此创建了人工旋转框架。为了使三次谐波与系统频率同步，三次谐波旋转帧来自系统中的基本组件。通过由PLL环路捕获的基频信息omega;t乘以常数因子3来创建三次谐波旋转帧。选择基频处的母线电压作为三次谐波电流控制的旋转参照系。
串联侧变流器具有用于基波和三次谐波频率分量的独立控制回路。三次谐波控制回路响应的是什么？串联侧变流器的电容器直流电压控制，且三次谐波控制的旋转参考系是在三次谐波频率下流过线路的电流。通过线路的电流也用作基频的旋转参考系。串联侧变流器dv和qv的直流量的参考电压从中央控制器远程接收，并通过逆Park变换转换回交流量。可以直接下载到DSP的并联侧和串联侧变流器的控制回路如图9所示。
图9（a）用于DSP F2808的Simulink中的并联侧变流器控制；（b）用于DSP F2808的Simulink中的串联侧变流器控制
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