摘 要

统一潮流控制器（Unified power flow controller，UPFC）是目前功能最为强大的潮流控制装置，它通过对电力系统的线路阻抗、电压相角和电压幅值进行调节可同时或独立地实现电力系统母线电压、线路有功功率潮流、无功功率潮流和系统稳定的控制。但它在目前的电力系统中并未得到广泛的应用，其原因是：UPFC由方向相反的两个电路且他们的拓扑结构是完全一样的变流器经一个公共直流电容耦合组成，UPFC里的故障都将经公共直流耦合电容影响到整个装置，从而使整体都发生故障；UPFC一般采用的是电压高功率大的三相变流器，而且相间的高电压绝缘技术使其很昂贵。

要满足将来负荷增长的需求和电力网络的发展，设备的初始容量相对要更大。由于设备的容量较大、控制系统相对较复杂，这将导致设备的设计以及制造周期延长、检修的时间变长、设备的占地面积增大、对环境的影响较大。于是研发一种既拥有UPFC的基本性能，设备可靠性又可以被电力系统允许的潮流控制装置将会对我们国家的电力经济发展有着深远的意义。本文研究了一种新型的分布式潮流控制器（DPFC），并探究了它的控制特性和方法。

本文借助PSCAD/EMTDC仿真软件建立了一个安装了DPFC的系统，对DPFC的各种控制特性，包括有功功率的调节特性、无功功率的调节特性运行了仿真研究。

关键词：分布式潮流控制器；控制特性；控制器设计；

Abstract

The Unified Power Flow Controller (UPFC) is currently the most powerful power flow control device. It can simultaneously or independently implement the power system bus voltage , line active power flow, reactive power flow and system stability control by adjusting the line impedance, voltage phase angle and voltage amplitude of the power system. However, it has not been widely used in current power systems because the UPFC consists of two circuits in opposite directions and their topologies are identical. The converter is composed of a common DC capacitor coupling, in the UPFC. The fault will be affected by the common DC-coupling capacitor to the whole device, so that the whole fault occurs; the UPFC generally uses a three-phase converter with high voltage and high power, and the high-voltage insulation technology between the phases makes it expensive.

To meet the demands of future load growth and the development of power networks, the initial capacity of equipment is relatively larger. Due to the large capacity of the equipment and the relatively complicated control system, this will lead to the design of the equipment and the extension of the manufacturing cycle, the length of inspection and maintenance, the increase of the equipment footprint, and the greater impact on the environment. Therefore, the development of a power flow control device that has the basic performance of UPFC and the reliability of the equipment can be allowed by the power system will have far-reaching significance for the development of power economy in our country. This paper studies a new type of distributed power flow controller (DPFC) and explores its control characteristics and methods.

In this paper, a DPFC-equipped system is built with PSCAD/EMTDC simulation software. The simulation research is carried out on various control characteristics of DPFC, including the regulation characteristics of active power and the regulation characteristics of reactive power.

Key words: distributed power flow controller; control characteristics; controller design;

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2潮流控制基本原理 1

1.3国内外研究现状 3

1.4本文主要工作 3

第2章 分布式潮流控制器结构与原理 4

2.1分布式潮流控制器的结构 4

2.2分布式潮流控制器原理 4

2.2.1非正弦分量功率的基本理论 4

2.2.2分布式潮流控制器的运行原理 5

第3章 分布式潮流控制器的建模与控制方法研究 8

3.1单相Park变换 8

3.2分布式潮流控制器的建模 9

3.3变流器的建模 11

3.4分布式潮流控制器的控制策略 14

3.4.1并联变流器的控制策略 14

3.4.2串联变流器的控制策略 15

3.5 DPFC的设计 15

3.5.1并联侧控制器的设计 15

3.5.2串联侧控制器的设计 17

3.6参数设计 18

第4章 DPFC控制性能仿真 19

4.1仿真模型建立 19

4.2仿真结果分析 21

4.3.1有功功率特性仿真 21

4.3.2无功功率特性仿真 24

第5章 总结与展望 25

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1选题背景

在如今的社会，电力与我们的生活和工作息息相关。生活中的各种用电设备都需要电力的驱动才可以使用。电力关系着生活中的方方面面，因此提供可靠、优质、经济的电能是电力行业的重要任务。

特高压电网是我国电网的基本框架。电网功能的全面与否、与电力用户之间的交流和电源的实用性、结构的复杂程度，这些各方面的问题对电力系统的稳定增加了难度，这是有待解决的问题。完善这些问题需要进行潮流控制，这是确保电力系统能够正常并稳定运行的关键之处。

1.2潮流控制基本原理

下图是输电线路的简图。

图1.1 输电线路图

该线路的首、末端电压分别为和，电压的相角分别为和，线路上流过的电流设为，线路上的电阻和电抗分别为和。由此可得视在功率为：

有功功率以及无功功率如下：

在输电线路上，电阻远小于电抗的大小，在潮流计算的时候可以将电阻忽略不计，有功以及无功功率如下：

由公式可知，电压的幅值以及相角和线路的等效阻抗这三个基本参数是潮流控制的主要参数。

假定线路首末端电压相同，，则有

从上式可以得出结论，有功以及无功功率之间并不是独立的，有功功率和无功功率会随着参数的变化而变化。电压相角的差改变时，有功功率的大小和方向可控，但是无功功率大小可控，方向不可控。线路阻抗既能是容性的也可以是感性的，因此，改变线路的等效阻抗可以在很宽的范围内控制有功功率和无功功率的幅度，并且可以改变功率方向。

有功潮流控制主要使用传输线中的串联元件，在提高传输系统的稳定性和传输容量方面具有极好的效果。如图所示，串联组件可以被视为在传输线中串联连接的可变电力电阻，该电抗可以是电容性的或电感性的，这取决于串联元件本身的特性和控制器的控制制策略。

图1.2 串联元件图

并联元件也可用于调节流量。如果将并联元件视为等效电压源，忽略器件内部的有源损耗并假设没有额外的储能设备，即并联元件不吸收或从系统发出有功功率，那么系统提供的功率为直接受系统影响、电压的影响。如果并联元件出口处的无功功率发生变化，则可以控制线路上指定节点的电压，使系统在干扰和意外情况下保持正常的电压和电流。原理如图所示。并联组件输出具有可控幅度的无功电流，其可以部分地补偿负载所需的电流。根据的性质和大小，流过线路的电流相应地增加或减少。线路阻抗上的电压降也会发生变化。由于通常假设电力发送端的电压是恒定的，因此也控制并联设备的接入点的电压值。

图1.3 并联元件图

通常，由于无功功率可在负载端局部补偿，因此功率流控制的主要任务是控制线路的有功功率。如果要单独控制系统的有功功率和无功功率，则需要同时调整多个参数。

1.3国内外研究现状

研究电力系统潮流控制问题具有重要意义。电网是电力供应和用户之间的桥梁。输配电环节要求系统具有灵活调节潮流的能力，满足用户在不同环境下的需求和电网的完全稳定运行的需要。

传统的功率流控制采用机械切换方式，动作时间长，响应慢，只能在稳态下部分调节线电流;大规模互联电网和智能电网的建设是时代潮流，需要在状态过程中，快速灵活地调整电力流量，系统电压，阻尼系统振荡等。传统的潮流控制方法和装置已不能满足这些要求。随着电力电子技术的发展，开关器件的开关能力更强，更快，更便宜。基于大功率电力电子技术的功率流控制解决方案已经出现。

1986年，美国的G. Hingorani博士首次提及柔性交流输电系统。UPFC是FACTS中功能是最强大、研究最广泛的装置，统一潮流控制器的概念在1991年由美国西屋科技中心的Gyugyi等人提出，它是一种串并联组合器件，它是通过公共直流端子耦合STATCOM和SSSC而形成的。2004年，美国Deepak Divan教授提出了分布式静止串联补偿器的概念，以解决柔性交流输电大容量、高成本的问题，每个DSSC由单相电压源变流器、单胆变压器、嵌入式通信模块及相应的控制器组成。基于此，结合UPFC的控制能力和DSSC的控制概念，荷兰电力系统运行小组于2007年提出了一种新型的功率流控制装置，它结合了UPFC和DSSC的特性即为分布式潮流控制器（DPFC）。

1.4本文主要工作

（1）介绍分布式潮流控制器的组成和运行原理；

（2）建立分布式潮流控制器的数学模型；

（3）研究分布式潮流控制器的控制方法；

（4）使用PSCAD/EMTDC软件搭建分布式潮流控制器的仿真模型，对其控制特性进行仿真和分析；

第2章 分布式潮流控制器结构与原理

2.1分布式潮流控制器的结构

UPFC在结构上由直流电容器和两个大容量转换器组成。一点上的任何故障都会通过电容器传播到整个器件，导致UPFC功能失效。此外，控制的复杂性使UPFC变得容易故障。在分析组合的FACTS设备的故障模式之后，发现两个转换器之间的公共DC电容降低了设备的可靠性，因为一个转换器的故障通过电容器传播到整个设备。如果移除该公共DC电容器，则UPFC中的两个转换器可以独立操作，这提高了器件的可靠性。在UPFC结构改变之后，形成新的分布式FACTS控制器：分布式功率流控制器，如下图所示。

图2.1 从UPFC到DPFC的转变

在上图的结构中，DPFC和UPFC由串联侧和并联侧组成，并联侧与STATCOM类似，但DSSC的概念由多个分布式单相转换器代替原装三相转换器。

2.2分布式潮流控制器原理

2.2.1非正弦分量功率的基本理论

设电压,电流,和代表的是电压与电流中谐波的次数，为基频角频率，为i次谐波中电压与电流的相位差，于是，在周期T中由电压V和电流I的相互作用产生的有功功率P：

当i≠k时，

当i=k时，

从公式可以看出，所有不同频率的电压与电流间的交叉积分（有功功率）等于零，并且相同频率的电压和电流之间的相互作用可以产生有功功率。因此，在包含多个谐波的电力系统中传输的有功功率是;

上述等式表明，由相同频率的电压和电流产生的有功功率的代数和是线路上的总有功功率。不同频率的有功功率彼此独立。某个频率的电压或电流与其他频率相反。以下有功功率无效。因此，理论上，不同频率下的有功功率之间的独立性允许无源转换器以特定频率产生有功功率并通过其他频率吸收该功率。因此，对于其DC侧仅是公共电容器而不是能量存储装置的转换器，它可以从系统吸收一个频率的有功功率并且发出与其他频率相等的有效功率，而不管损耗如何。

2.2.2分布式潮流控制器的运行原理

UPFC的控制功能依赖于其两个背靠背转换器来为有功功率提供有源通道。为了实现与UPFC相同的控制功能，必须寻求DPFC的串和并联侧的解决方案，即有功功率交换通道。

在移除原始的公共DC电容器之后，在DPFC的串联侧和并联侧转换器之间仅连接传输线，因此传输线可以用作在两个转换器之间交换有功功率的通道。

根据上述非正弦分量功率理论，系统有功功率之和是所有频率下电压和电流交叉的代数和。由于不同频率的有功功率彼此独立，因此可以产生无源转换器某一频率的有功功率，有功功率在其他频率被吸收。

将该理论应用于DPFC，其并联转换器可以从电网吸收基频的有功功率，然后将谐波注入电网; 谐波通过传输线流向串联侧，串联侧根据系统需要吸收这些谐波，产生基频电压，将有功功率注入系统。在忽略损耗的情况下，串联转换器注入系统的有功功率等于它吸收的谐波功率。

在三相交流系统中，三个相等大小的同向矢量变为零序分量，三相谐波在每个相位中相同，因此它是零序分量。由于Y-Δ变压器的三角形侧向零序分量开放，零序分量可以在不流入系统的情况下被阻挡，也可以通过星形侧的中性线流入地面，所以可以在没有滤波器的情况下使用它可以消除谐波。此外，传输线的阻抗是电感性的并且与频率成比例，并且高传输频率导致高阻抗，因此在多次谐波的所有三次中，三次谐波导致线路中的损耗最小。考虑到上述三次谐波的特性和优点，在调节线路的有功功率时可以使用三次谐波。

并联侧功能吸收电网的基频并同时发出三次谐波，但三线三桥臂的转换器为三次谐波开路，所以这样的转换器不能产生三次谐波，所以需要改变并联侧转换器的结构。

有多种拓扑结构可供选择，例如多线多桥逆变器和三个单相转换器，但这些解决方案通常会增加元件数量并增加器件成本。鉴于在引入三次谐波后增加了中性点谐波接地Y-Δ变压器，可以使用单相变换器从变压器的中性点注入三次谐波电流，三次谐波电流为均匀分布在变压器的中性点上。传输线的三个阶段。三相转换器的直流侧与单相转换器背对背连接，单相转换器为公共直流电容器提供有源电力支持。其AC侧连接到三相电力系统，其结构和功能类似于STATCOM。由于DPFC在传输线上注入额外的三次谐波电流，因此有必要考虑传输线和变压器上的额外损耗，以便实际产生的三次谐波功率大于必要值，并且并联转换器的总额定容量它也比UPFC略大。并联侧转换器的拓扑结构如下图所示：

图2.2 并联侧变流器拓扑结构

在DPFC中，并联侧由三相变换器从基频的工频吸收，然后由单相变换器产生的三次谐波电流通过Y-Δ变压器的中性点注入在电源线上。串联侧由分布式单相模块组成，每个模块由四个IGBT组成的单相转换器，一个LC输出滤波器和一个直流电容器组成，单匝变压器，相关控制，电源电路和内置通信模块，串联转换器吸收来自传输线的三次谐波，并将基波有功功率注入电网（注入幅度和相位可控的电压源）。剩余的三次谐波通过传输线另一端的Y-Δ变压器的中性点流入地，并与并联侧的单相变换器的接地点形成三次谐波路径。 DPFC的整体拓扑结构如下图所示：

图2.3 DPFC系统拓扑结构图

第3章 分布式潮流控制器的建模与控制方法研究

首先，DPFC的各个部分以dp坐标建模，然后分析每个部分的输入和输出与控制目标之间的关系。最后，研究了具体的控制策略，并设计了控制器。DPFC的建模和控制分为三个主要模块：中央控制，并行转换器控制和串联控制器控制。每个控制器模块之间的关系如下图所示。。

图3.1 DPFC控制结构图

3.1单相Park变换

Park变换广泛用于机电分析，将AC信号转换为DC信号。转换原理是将由相量表示的AC信号投影到旋转的dp坐标系，坐标系的旋转频率和AC信号的频率。一致，因此dp坐标系中的电压和电流是稳态DC常数。Park变换是单频信号的变换，DPFC信号包含两个频率分量。因此，首先使用叠加定理来分离两个频率分量，然后对这两个分量进行Park变换和分析。根据Park变换，DPFC的AC分量可以转换为DC分量，并且转换的DC分量可以由传统的PI控制器控制。

常用的Park变换用于三相静止坐标系和三相系统中的两相旋转坐标系之间的变换。 为了在单相系统上进行Park变换，需要改进三相系统的Park变换。对于特定周期变量，制作滞后于其90°的变量，使得从静止坐标系到旋转的dp坐标系的变换是：

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