DPFC系统参数设计方法研究

谢靖言， 唐爱红， 高梦露

(武汉理工大学 自动化学院， 武汉 430070)



DPFC系统参数设计方法研究

谢靖言*， 唐爱红， 高梦露

(武汉理工大学 自动化学院， 武汉 430070)

设计了一套分布式潮流控制器装置参数设计方法，由线路潮流变化范围确定串并联侧变流器的容量，按分布式潮流控制器的功率模型和功率守恒原理，确定串联侧注入输电线路的最大基频电压幅值、流过串联侧变流器的电流以及并联侧变流器向系统注入的电流和电压，再根据逆变器输入输出电压的关系确定直流电容电压和变流器的开关参数.最后验证参数设计方法的正确性，使用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了一套分布式潮流控制器接入10 kVA输电系统进行仿真实验，显示DPFC能快速有效改善系统的电压和潮流的能力，证明本文的装置参数设计方法的正确性.

分布式潮流控制器； 参数设计； 装置容量； 仿真实验

分布式潮流控制器(DPFC)由并联侧变流器和多个低功率的串联变流器组成，通过输电线路上的3次谐波电流实现串并联侧变流器间的功率交换，它拥有统一潮流控制器(UPFC)相同的控制能力，但较之成本更低，可靠性更高[1].虽然DPFC的原理、控制策略研究、等效模型建立都有了一定的理论基础，但目前还缺乏将其应用于电力系统潮流控制的实践中的相关参数设计研究.本文的主要工作就是对DPFC装置的主要器件，如系统变压器、直流母线电容、串并联变流器等的参数进行较系统的设计，并利用PSCAD/EMTDC软件搭建的仿真模型进行稳态和暂态实验，验证参数设计的正确性.

1 DPFC工作原理

DPFC去掉了统一潮流控制器(UPFC)中背靠背的两个变流器的直流耦合电容，将串联侧变流器分散成多个小功率变流器，通过输电线路上的3次谐波电流来实现串并联侧变流器间的有功功率交换[2].图1是简化的DPFC原理图(为便于分析，将串联侧多个变流器等效为变流器VSC3).并联侧三相变流器VSC1通过变压器T1并联接入系统，单相变流器VSC2直接接至变压器T2的Y型绕组中性点，VSC3通过变压器T3串联接入系统.VSC1通过直流电容C向VSC2提供它需要的有功功率，同时也与系统进行无功交换以维持接入点母线电压恒定；VSC2则产生3次谐波电流Ish3提供串联侧有功需求；VSC3通过输电线路吸收3次谐波电流Ish3维持串联侧直流电容电压Vdcse稳定，同时产生基频50 Hz电压Vse1∠θse1叠加到系统电压上来实现线路的无功补偿、串联补偿、相位控制以及综合性的控制目标.

图1 简化的DPFC原理图Fig.1 Simplified schematic DPFC

DPFC通过改变串联侧变流器VSC3注入线路电压的幅值和相位(Vse1∠θse1)，可以对输电系统的有功、无功潮流进行控制.当忽略线路电阻时，DPFC补偿的潮流如下：

(1)

2 DPFC装置参数的确定

2.1DPFC装置容量的确定

DPFC对输电线路的潮流控制是通过改变串联侧变流器VSC3叠加到线路上的基频电压Vse1∠θse1(幅值和相角均可调)，从而来改变其注入或吸收的有功、无功功率大小的，如式1所示.因此DPFC装置的容量取决于串、并联侧变流器的容量.当DPFC实现的功能不同时，系统对其要求的容量也不同，如DPFC用于抑制系统低频振荡所需的容量远小于用于调节输电线路潮流的容量.

三相输电线路中DPFC的串联侧变流器容量Sse等于VSC3从线路吸收的3次谐波功率，即VSC3向线路注入的最大基波功率Sse1与其自身消耗的功率之和.由于VSC3由3个单相变流器组成，故Sse1=Vse1maxIse1max，Vse1max是VSC3注入输电线路的持续运行线电压最大值，Ise1max是流过VSC3的每个单相变流器持续运行基频线电流最大值.Vse1max由系统需要DPFC补偿功率的大小决定：

(2)

对于VSC3自身损耗的功率Psemax，当补偿功率Src⊥Sr0(无DPFC补偿时的潮流)时，损耗最大[1]，为

(3)

2.2DPFC器件参数设计

由于串联侧耦合变压器T3的变比与VSC3直流侧电容电压是两个相互约束的量，当确定变比K3后，可以得到VSC3的输出最大输出电压Vse0，对于SPWM型VSC3，当调制比为mse时，有

(4)

属于欠调制[4]，故直流侧电容母线电压Vdcse不得超过电容电压Vdcsemax.确定Vdcsemax时还需要考虑输电线路在轻载时不出现过电压，过载时不因电压过低而出现电压崩溃现象；同时，考虑到变压器损耗和输电线路电流较大时的线路损耗，实际设计时要留一定余量.

VSC2向系统注入的电流Ish3=Ise3，其最小值要能保证使串联侧Vdcse维持不变，最大值要由DPFC的控制方式将其限定在极限值内，维持接入点母线电压不至于变化过大.根据3次谐波等效电路，可得并联侧VSC2的输出电压

Vsh3=Vse3+jX3ise3.

(5)

式中，Vse3是串联侧变流器的注入电压.对直流电容电压Vdcshmax的确定方法与串联侧相同.

各变压器容量的选择在满足大于通过它的潮流的基础上，还要考虑足够的裕量和经济性.串联侧耦合变压器T3的变比与VSC3直流侧的电容电压这两变量互相约束，当确定其一时，另一个量可以根据式(1)和(4)确定.对于并联侧耦合变压器T1的变比，由于无功功率从电压幅值高的一侧流向幅值低的一侧，因此其确定要考虑Vdcshmax的大小；另一方面，要防止3次谐波分量进入并联侧接入点侧输电系统，故选择Y-Δ变压器.

变流器开关管的最大关断电流必须大于变流器最大输出电流，否则将烧毁开关管；采用SPWM硬开关调制方式，当载波比为3的倍数时，死区对于波形的影响较小，据此可选择VSC2、VSC3开关管的工作频率.

滤波器的参数设计，采用一种不必进行复杂运算，滤波效果又比较好的方法——依据归一化LPF设计所需低通滤波器的方法[4].所谓归一化LPF，即指特征阻抗为R0=1Ω且截止频率为f0=1/(2π)Hz的LPF，依次进行截止频率变换和特征阻抗变换后得到滤波器参数为

(6)

滤波器的截止频率一般取输出信号频率的6～8倍，特征阻抗一般要求为30～70Ω.

3 设计实例

假设加入DPFC装置后的补偿容量为30%，约900 VA，根据2.2节所述参数设计方法，可得各器件参数如表1所示.

图2 DPFC接入输电系统图Fig.2 The system figure of DPFC access transmission.

项目参数项目参数串联侧VSC1容量≥1015VA变压器T2、T45kVA，230/380，Y-Δ串联侧直流电容电压Vdcse100V变压器T525kVA，25/1，Y-Δ并联侧直流电容电压Vdcsh200V变压器T625kVA，1/1VSC2注入线路电流Ish39A变压器T715kVA，1/5

为达到维持DPFC接入点母线电压与输电线路潮流控制的目的，采用图3所示的控制方法[1，6-7].msh和θsh分别是并联侧变流器VSC2的调制比和触发相角，tse是串联侧变流器VSC3的调制信号，它与三角波信号进行比较后即得到变流器开关管的控制信号.

图3 DPFC控制方法Fig.3 DPFC Control Method

选择发电机出口处的基准电压UN=380 V，基准容量SN=10 kVA，稳态时发电机出口处电压为0.605 p.u.，初始相角0.041 7 rad.假设3 s时在线路L2的末端发生三相接地短路，持续0.5 s后故障切除，由PSCAD/EMTDC软件仿真的结果波形如图4和图5所示.对比系统接入DPFC装置前后的波形可知，接入DPFC时，输电系统的潮流变化大大改善，短路时的线路电流变化也较小.

图4 未装DPFC时系统故障线路参数Fig.4 The parameters of fault line when the system is not install DPFC

4 结论

以上仿真实验结果表明：在满足约束条件的基础上，分布式潮流控制器在发生短路时可以有效调节潮流，减少故障造成的损失，说明本文给出的参数设计方法的正确性和设备选型方案合理的可行性，对工程实际运用DPFC时装置参数设计提供了思路.

图5 装有DPFC时系统故障线路参数Fig.5 The parameters of fault line when the system equip DPFC

针对本文的设计，存在的不足和需要深入研究的方向如下.

1) 本文仿真设备参数的选取，依据经验而取的参数值一般留了较大的容量，满足性能要求，但不满足经济性要求，后续改进中需找到更精确的方法.

2) DPFC串联侧采用分布式设计的理念，因此对DPFC系统参数的设计应把串联侧变流器分时分段投入运行的实际情况纳入考虑范围.

3) 本文给出的装置参数设计方法和选型的正确性与合理性还有待于实验样机的进一步验证.

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XIE Jingyan, TANG Aihong, GAO Menglu

(School of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)

In this paper, a method is presented for parameters setting of the distributed power flow controller (DPFC). First, the capacity of parallel and cascade-side converters was determined based on line power flow range. The maximal voltage amplitude of the fundamental frequency for the parallel-side transmission line, the current which flows through parallel-side converters, and the current and voltage injected from cascade-side converters to the system were calculated according to the power model of distributed power flow controller and the principle of conservation of power. Then, DC capacitor voltage and parameters of the converter switch were determined by using the relationship between inverters’ input voltage and output voltage. Finally, simulation test was conducted by connecting 10 kVA transmission system and the distributed power flow controller built with PSCAD/EMTDC simulation software. The results show that DPFC effectively improves the system in terms of power and power flow, and thus the correctness of the proposed method is demonstrated.

distributed power flow controller; parameters design; installed capacity; power flow regulation simulation experiment

2016-02-28.

国家自然科学基金项目(51177114);湖北省重点科技支撑计划项目(2014BAA025);武汉市应用基础研究计划项目(2014010101010012);国家电网公司总部科技项目(2016).

1000-1190(2016)04-0506-04

TM571.2

A

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