专利名称：一种潮流控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力电缆控制系统，尤其涉及一种电力电缆的潮流控制系统。
背景技术：
随着分布式发电(DG，distributed generation)技术的发展，越来越多的中小型 DG被接入电力系统的配电网侧，大量DG的接入使传统的固定由输电网向配电网传送的潮流发生逆向，基于可再生能源DG由于气候的变化性，使系统需要功率控制用于补偿DG的间歇性；用户负荷的不断增长需要潮流控制手段提高现有线路的功率输送能力；联络线间的功率阻塞、造成巨大线路损耗循环功率的存在及联络线间的双向潮流需要合适的潮流控制；正在蓬勃发展的智能电网和电力市场间复杂的功率交换需要频繁的潮流控制。因此，潮流控制设备电网安全稳定运行的保证。目前，统一潮流控制器(Unified power flow controller，UPFC)是功能最为强大的潮流控制装置，它由背靠背的两个完全相同的变流器(VSC，voltage source converter) 通过直流电容耦合而成，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。但是整个UPFC装置容量大、结构复杂，致使设计制造周期长、维修时间长、占地面积大、 对周围环境的集中影响也大。此外，由于采用高压变流器，因此需要相应的保护装置，使得 UPFC的整体费用较为昂贵，这限制了它的应用，同时复杂的结构也让它容易产生故障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种潮流控制系统对已有的UPFC装置的拓扑结构和功率交换方式做有效的改进，以节省装置的总成本，同时提高整个装置的运行可靠性和控制灵活性。本发明所采用的技术方案是一种潮流控制系统，包括并联侧变流器、串联侧变流器、第一 Υ-Δ变压器、第二 Y-Δ变压器，并联侧变流器位于电网与第一Υ-Δ变压器之间，串联侧变流器位于第一Υ-Δ 变压器和第二 Υ-Δ变压器之间；所述的并联侧变流器包括由背靠背的三相变流器和单相变流器通过直流电容耦合而成，三相变流器通过变压器接入电网与第一 Υ-Δ变压器之间的输电线路中，单相变流器将电网中的基波变为三次谐波，并通过第一 Υ-Δ变压器的Y型绕组中性点将产生的三次谐波电流均勻分布到第一 Υ-Δ变压器和第二 Υ-Δ变压器之间的输电线路中；所述的串联侧变流器包括每相输电线路上的潮流控制单元，所述的潮流控制单元包括单相变流器和与单相变流器连接的直流电容，单相变流器通过一个耦合变压器串联接入到输电线路中；第二 Υ-Δ变压器Y型绕组中性点接地；所述的并联侧变流器和串联侧变流器上的变流器分别与控制它的控制器的输出端连接，控制器的两个输入端分别通过电流互感器和电压互感器接入输电线路中。按上述方案，所述的潮流控制系统还包括一个系统级控制器，该系统级控制器分别控制各个变流器的控制器。按上述方案，所述的每相输电线路上潮流控制单元有多个，串联在输电线路中。利用三次谐波在装置的并联侧变流器和串联侧变流器之间传递有功功率，以此使得串联侧变流器能够达到调节输电线路上的有功功率分布的目的。并联侧变流器的三相变流器利用电网中的基波为公共直流电容电压建压并使其达到设定值。并联侧变流器中的单相变流器，根据系统级控制器对线路上有功功率的需求所发出的参考信号，该变流器发出相应大小三次谐波电流，通过Y- Δ变压器的Y侧中性点均勻分布到输电线路中。串联侧变流器的单相变流器在控制器的作用下一方面吸收线路中的三次谐波电流，为自身的电容建立指定大小的电压，另一方面根据系统级控制器对功率控制的要求，产生相应幅值和相位的基频电压。系统级控制器响应实际的功率需求，即根据要求的功率值产生相应的参考信号， 并分别传递给每个变流器的控制器，每个变流器的控制器再根据系统级控制器所给的电压或电流参考值对各个变流器的开关管进行控制，从而完成对线路潮流的控制。本发明的优点在于1.提高了系统整体的可靠性。在分析了组合式FACTS装置的故障模式后发现，变流器之间的公共直流电容降低了装置的可靠性，因为一个变流器的故障会通过电容蔓延到整个装置。本发明在每相输电线路中去掉了这个公共直流电容，这样FACTS装置中的变流器可以独立运行，也就提高了系统的可靠性。在去掉了公共直流电容之后，本发明在每相输电线路中串联多个潮流控制单元，做成分布式的形式，这样由于有了串联的多个潮流控制单元做冗余备份也就相应的提高了整个系统的可靠性。2.提高了系统控制的灵活性。本发明可以同时控制线路阻抗、输电线路上的相角差、母线电压，以此来根据实际需要调节输送到线路末端的有功功率。每相输电线路中潮流控制单元的变流器采用三个单相变流器的形式，因而能够通过控制实现对每一相单独的功率调节，抑制三相不平衡。3.系统的总成本低。在每相输电线路中串联多个潮流控制单元，做成分布式的形式之后，虽然变流器数量增多了，但是每个变流器的容量变小了，因此潮流控制单元的变流器不再需要大功率元件和高压绝缘，系统的总成本也就降低了。
图1是系统整体的拓扑图。图2是系统各个控制器和数学模型的连接框图。图3是系统串联侧变流器的控制框图。图4是系统并联侧变流器中三相变流器的控制框图。图5是系统并联侧变流器中单相变流器的控制框图。图6是仿真系统简图。图7是并联侧变流器的电容电压波形。图8是并联侧变流器发出的三次谐波电流有效值的波形。
图9是串联侧变流器的电容电压波形。图10是线路上有功功率随控制指令变化的波形。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的实施例。参见图1，一种潮流控制系统，包括并联侧变流器、串联侧变流器、第一 Υ-Δ变压器Tl、第二 Υ-Δ变压器T2，并联侧变流器位于电网与第一 Υ-Δ变压器Tl之间，串联侧变流器位于第一 Υ-Δ变压器Tl和第二 Υ-Δ变压器T2之间；所述的并联侧变流器包括由背靠背的三相变流器VSCl和单相变流器VSC2通过直流电容耦合而成，三相变流器VSCl通过变压器接入电网与第一 Υ-Δ变压器Tl之间的输电线路中，单相变流器VSC2将电网中的基波变为三次谐波，并通过第一 Y-Δ变压器Tl的Y型绕组中性点将产生的三次谐波电流均勻分布到第一 Υ-Δ变压器Tl和第二 Υ-Δ变压器Τ2之间的输电线路中；所述的串联侧变流器包括每相输电线路上的潮流控制单元，所述的潮流控制器单元包括变流器，变流器直流侧的正极与直流电容一端连接，变流器直流侧的负极与直流电容另一端连接，变流器通过单匝耦合变压器串联接入到输电线路中；所述的第二 Υ-Δ变压器Τ2的Y型绕组中性点接地；以上所述的并联侧变流器上的三相变流器VSCl和单相变流器VSC2都配有一个控制器，以上所述的串联侧变流器的变流器也分别配有一个控制器，变流器与控制器的输出端连接，控制器的两个输入端分别通过电流互感器和电压互感器接入输电线路中。以上所述的潮流控制系统还可以包括一个系统级控制器，该系统级控制器响应实际的功率需求，即根据要求的功率值产生相应的参考信号，并分别传递给每个变流器的控制器，每个变流器的控制器再根据系统级控制器所给的电压或电流参考值对各个变流器的开关管进行控制，从而完成对线路潮流的控制。系统各个控制器和数学模型的连接框图如图2所示。图中系统级控制器被称为中央控制，并联侧变流器的三相变流器VSCl和单相变流器VSC2的控制器统称为并联控制，串联侧变流器的单相变流器的控制器统称为串联控制。其中中央控制是用来根据系统需求给出串联侧变流器的电压参考信号h ref,以及并联侧变流器的无功电流参考信号h refo 串联侧变流器的电压参考信号h ref经过串联控制后得到串联侧电压参考信号refv, se,， 串联侧电压参考信号refv_,分别通过和线路基频电流I1、三次谐波电流13进行计算得到串联侧基波参考信号refv, sea和串联侧三次谐波参考信号refv, se,so并联侧变流器的无功电流参考信号Vsfcl, q, ref经过并联控制后得到并联侧电压参考信号refv, sh，并联侧电压参考信号refv,sl^P线路基频电流I1、三次谐波电流I3 —起通过并联控制生成并联侧基波参考信号 refv,sha和并联侧三次谐波参考信号refv,sh,3。图3为串联侧变流器的变流器的控制框图，由图3可以看出串联侧变流器的变流器能够在吸收三次谐波的同时发出基波。吸收的三次谐波用来维持串联侧直流电容电压 Vse,d。稳定。直流电容电压的期望值Vse,d。,M和实际值Vse,d。经过比较后通过直流控制得到三次谐波参考电压的d轴分量refv,Sd,d，三次谐波参考电压的d轴分量refv,_3,d用来控制直流电压；为了最小化三次谐波所引起的无功功率，将q轴分量ref^^设为0，这样串联侧变流器的变流器在三次谐波下表现为电阻性；通过单相锁相环得到线路中三次谐波电流的相位信号θ3。上面得到三个信号(三次谐波参考电压的d轴分量ref^m,轴分量refv,和相位信号03) —起进行单相dq反变换，这样就得到了三次谐波的参考波信号refv, se,30系统级控制器对实际功率需求的响应所产生的h ref经过信号转换生成基波参考信号refm，将三次谐波参考信号refv_,3和基波参考信号ref^进行叠加后就是PWM控制的参考波refv_，它再与三角载波信号做比较得到最终控制开关管通断的PWM波。图4和图5为并联侧变流器的控制框图，其中图4是系统并联侧变流器中三相变流器的控制框图，图5是系统并联侧变流器中单相变流器的控制框图。在图4中，系统级控制器提供q轴分量的参考值Ishil, q, ref,直流电容电压的期望值Vsh, dc, ref和实际值Vsh, dc经过比较后通过直流控制得到基频参考电流的d轴分量IshilK两个参考信号‘“Μ和 I^a.d,^以及线路基频电流的实际值Ishil —起经过电流控制后分别得到并联侧控制直流电容电压的dq轴参考信号ref^u和Mfv^q,对母线电压Vs锁相后得到其相位信号θ 10 这三个信号(直流电容电压的dq轴参考信号refV^d和ref^u，以及相位信号θ 输入到单相dq反变换模块后得到三相变流器PWM控制的参考波，此参考波和三角载波比较后得到最终控制开关管通断的PWM波，维持直流电容电压的稳定。图5中，输出的三次谐波电流的期望值Ish,3, ref和实际值Ish,3经过电流控制模块分别得到并联侧控制三次谐波电流的 d轴和q轴的参考信号refv, sh,3, d和refv, sh,3, q ；线路电压经过锁相环(PLL)并乘以3后得到三次谐波参考信号的相位θ 3。上面这三个信号三次谐波电流的d轴和q轴的参考信号 refv,sh,3,d和refv,sh,“，以及三次谐波参考信号的相位θ 3) 一起通过单相dq变换生成输出的三次谐波电流的参考波refv, sh,3,该参考波经过PWM波生成模块得到开关管控制信号，从而控制发出一定大小的三次谐波电流。可以根据需要，在第一 Υ-Δ变压器Tl和第二 Υ-Δ变压器T2之间的每相输电线路上串联设置多个潮流控制单元，以达到更好的潮流控制。本发明与现有的同类装置相比，本发明的可靠性更高、控制更灵活、成本更低。在PSCAD/EMTDC仿真软件环境下搭建了图6所示的双回线输电系统仿真模型。线路参数如下每条输电线路等值阻抗为τ、= 1. l+jl6. 0(Ω)发电机Vs额定电压为400V，容量2. 5kVA，功率因数0.8(额定有功2kW)初相角 8. 7°。无穷大电源端t电压为380V，初相角0°。变压器T1、T2变比为400V/380V，容量为2. 5kVA，漏抗按5%计算，Δ/Y接法。折算至Ij 400V侧的变压器Τ1、Τ2等效电抗为X112 = 0. 05X400/2500 = 3. 2 ( Ω )变压器13、114变比为380￥/380￥，容量为2.51^4，漏抗按5(%计算，￥/^接法。变压器 Τ3、Τ4 等效电抗为 Xt34 = 0. 05X380/2500 ^ 2. 9 ( Ω )由于变压器容量较小，其等效电阻不能忽略。变压器空载损耗为110W，那么Τ1、Τ2 的等效电阻为(折算到400V侧= 110X4002/25002 2. 8(Ω)Τ3、Τ4 的等效电阻为 Rt34 = 110 X 400725002 ^ 2. 5 ( Ω )所以每条线路上的总的阻抗为Ze= Zl+ZTI2+ZT34 = 1. l+jl6. 0+2. 8+j3. 2+2. 5+j2. 9 = 6. 4+j22. 1 ^ 23 Ω此线路参数下，在双回线的每条线路上自然传输的有功功率应为IkWjPPr0 = VsXVKXsin θ/|ΖΣ I = 400X380Xsin8. 7° /23 ^ 999. 6ff如果计及串联变流器串联在线路上的耦合变压器以及并联变流器的影响，此线路参数下单条线路上实际的自然有功功率应该稍低于1000W。仿真中，设定并联侧变流器的直流电容电压有效值为400V，其输出的三次谐波电流有效值为6A ；设定串联侧变流器的直流电压有效值为100V。0. 5s时将并联侧投入，并联侧变流器的直流电容开始按照设定的电压值建立稳定的电压并发出三次谐波；0. 5s至 2. 5s期间，串联侧变流器并未投入到功率调节的状态，只是利用三次谐波为直流电容充电； 2. 5s 4s，串联侧变流器开始按照有功功率调节的指令发出基频电压，指定末端有功功率调节至Ij 1500W ；4s 7s，有功功率减小到1000ff,7s IOs增大到1200W, IOs 14s再次减小到900W，14s以后稳定在700W。并联侧变流器的电容电压波形如图7所示；并联侧变流器发出的三次谐波电流有效值的波形如图8所示；串联侧变流器的电容电压波形如图9所示；线路上有功功率随控制指令变化的波形如图10所示。从上面的仿真结果可以看到，线路末端的有功功率能够较好的跟随有功需求的指令进行变化，除却超调，有功功率的波动率在3%以内；串并联侧直流电容电压和三次谐波电流在有功功率变化期间能基本保持恒定，电压的波动率在2%以内，三次谐波电流有效值的波动率在5%以内。
权利要求
1.一种潮流控制系统，其特征在于包括并联侧变流器、串联侧变流器、第一 Y-△变压器、第二 Υ-Δ变压器，并联侧变流器位于电网与第一 Υ-Δ变压器之间，串联侧变流器位于第一 Y-Δ变压器和第二 Y-Δ变压器之间；所述的并联侧变流器包括由背靠背的三相变流器和单相变流器通过直流电容耦合而成，三相变流器通过变压器接入电网与第一 Υ-Δ变压器之间的输电线路中，单相变流器将电网中的基波变为三次谐波，并通过第一 Y- Δ变压器的Y型绕组中性点将产生的三次谐波电流均勻分布到第一 Υ-Δ变压器和第二 Υ-Δ变压器之间的输电线路中；所述的串联侧变流器包括每相输电线路上的潮流控制单元，所述的潮流控制单元包括单相变流器和与单相变流器连接的直流电容，单相变流器通过一个耦合变压器串联接入到输电线路中；第二 Υ-Δ变压器Y型绕组中性点接地；所述的并联侧变流器和串联侧变流器上的变流器分别与控制它的控制器的输出端连接，控制器的两个输入端分别通过电流互感器和电压互感器接入输电线路中。
2.如权利要求1所述的一种潮流控制系统，其特征在于所述的潮流控制系统还包括一个系统级控制器，该系统级控制器分别控制各个变流器的控制器。
3.如权利要求1所述的一种潮流控制系统，其特征在于所述的每相输电线路上潮流控制单元有多个，串联在输电线路中。
全文摘要
本发明涉及一种潮流控制系统，该系统利用三次谐波在装置的并联侧变流器和串联侧变流器之间传递有功功率，以此使得串联侧变流器能够达到调节输电线路上的有功功率分布的目的，是对已有的UPFC装置的拓扑结构和功率交换方式做的有效改进，以节省装置的总成本，同时提高整个装置的运行可靠性和控制灵活性。
文档编号H02J3/38GK102437572SQ20111043201
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者刘芙蓉, 唐爱红, 张晓成, 王少荣, 袁玮 申请人:武汉理工大学