关键字 |
| 电能质量，事实技术，分布式潮流控制器(DPFC)，总谐波失真。 |
介绍 |
| 随着非线性和电子开关器件在配电系统和工业中的应用越来越多，电能质量(PQ)问题，如谐波、闪烁和不平衡已成为严重的问题。此外，输电线路的雷击、电容器组的开关和各种网络故障也会导致PQ问题，如瞬变、电压凹陷/膨胀和中断。另一方面，涉及数字电子和复杂过程控制器的敏感负载的增加需要一个纯正弦电源电压来进行适当的负载操作。为了满足PQ标准限制，可能需要包括某种补偿。现代的解决方案是主动整流或主动滤波。并联型有源电力滤波器适用于抑制供电网络负负荷影响，但如果存在供电电压缺陷，则可能需要串联型有源电力滤波器进行充分补偿。我们也有补偿技术，如抽头变压器，分流冷凝器等。 |
| 近年来，基于柔性交流传动系统(FACTS)的解决方案已经出现。FACTS概念在配电系统中的应用产生了新一代补偿装置。目前，图中所示的分布式功率流控制器(DPFC)是最强大的FACTS器件，它可以同时控制系统的所有参数:凹陷、膨胀、闪烁和母线电压。它类似于统一潮流控制器(UPFC)。UPFC是静态同步补偿器(STATCOM)和静态同步串联补偿器(SSSC)的组合，它们通过一个公共直流链路耦合，以允许SSSC的串联输出端子和STATCOM的并联输出端子之间的有功功率双向流动。统一电能质量调节器(UPQC)补偿器似乎是一种特别有前途的电能质量调节器装置。该装置由串联单元和分流单元组成，共用直流部分，通过直流部分可以交换功率。它的作用是提高市电吸收电流的质量水平和负载供电电压。相对于所获得的电能质量水平，安装投资也相当高。一个解决方案，具有类似的性能和优势，但也使成本降低可能，是提出的MC-DPFC。 |
| UPFC的进步是DPFC。DPFC能够控制所有的系统参数。DPFC消除了分流和串联变换器之间的普通直流链路。分流器和串联变换器之间的有功功率交换是通过传输线在第三次谐波频率。 |
| 与UPFC相比，DPFC具有两大优势:1)串联变流器的低压隔离和低元件额定值，降低了成本;2)串联变流器的冗余性，提高了可靠性。本文针对相邻多馈线的情况，对DPFC进行了改进。因此，主要优势是我们可以使用DPFC进行两次或两次以上的发电，而不增加经济效益，并具有最大的纯正弦输出。 |
DPFC原则 |
| DPFC由一个分流器和几个串接转换器组成。并联变换器类似于STATCOM，而串联变换器采用D-FACTS概念，即使用多个单相变换器而不是一个大型额定变换器。DPFC内的每个转换器都是独立的，并且有自己的直流电容器来提供所需的直流电压。DPFC的配置如图2所示，除了关键部件，即并联和串联变换器外，DPFC还需要在传输线的另一侧连接一个高通滤波器，并在线路的每一侧连接两个Y -Δ变压器。UPFC独特的控制能力是由分流和串联变换器之间的背靠背连接，这使得有功功率可以自由交换。为了保证DPFC具有与UPFC相同的控制能力，在消除直流链路的情况下，允许变换器之间进行有功功率交换的方法是先决条件。在DPFC内部，分流器和串联变流器的交流端子之间有一个共同的连接，这就是传输线。因此，可以通过变换器的交流端子交换有功功率。该方法基于非正弦分量的幂理论。 |
| 根据傅里叶分析，非正弦电压和电流可以用不同频率、不同幅值的正弦函数之和表示。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。-由于不同频率项的外积积分均为零，有功功率可表示为 |
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| 通过将该方法应用于DPFC，并联变换器可以从电网中吸收基频的有功功率，并以谐波频率将电流注入电网。这种谐波电流将流过传输线。DPFC系列变换器根据基频所需有功功率的大小，在谐波频率产生电压，从而吸收谐波分量的有功功率。假设有一个无损变换器，在基频产生的有功功率等于从谐波频率吸收的功率。为了更好地理解，图3显示了DPFC系统中分流器和串联变换器之间的有功功率交换。DPFC内部的高通滤波器阻断了基频分量，并允许谐波分量通过，从而为谐波分量提供了返回路径。并联和串联变换器、高通滤波器和接地构成谐波电流的闭环。由于三次谐波频率分量的独特性，在DPFC中选择三次谐波来交换有功功率。在三相系统中，每个相位的第三次谐波是相同的，称为“零序列”。Y -Δ变压器可以对零序谐波进行自然屏蔽，在电力系统中广泛应用于改变电压等级。 Therefore, there is no extra filter required to prevent the harmonic leakage to the rest of the network. In addition, by using the third harmonic, the costly high-pass filter, as shown in Fig. 3, can be replaced by a cable that is connected between the neutral point of the Y–Δ transformer on the right side in Fig. 3 and the ground. Because the Δ winding appears open circuit to the third-harmonic current, all harmonic current will flow through the Y-winding and concentrate to the grounding cable, as shown in Fig. 4. Therefore, the large-size high-pass filter is eliminated. |
| 利用三次谐波交换有功功率的另一个优点是可以利用Y -Δ变压器的接地方式将谐波电流在网状网络中路由。如果支路需要谐波电流通过，则该支路另一侧Y -Δ变压器的中性点将接地，反之亦然。图6展示了通过使用接地Y -Δ变压器布线谐波电流的简单示例。由于没有串联变流器的线路变压器是浮动的，三次谐波分量是开路的。因此，不会有三次谐波电流流过这条线路。 |
| 理论上，三次、六次和九次谐波频率均为零序，均可用于DPFC中有功功率的交换。众所周知，传输线输送电力的能力取决于它的阻抗。由于传输线阻抗是感应的，与频率成正比，高传输频率会产生高阻抗。因此，选择频率最低的三次谐波零序谐波。 |
提议的Mc-dpfc系统 |
| 这里我们使用了多连接分布式潮流控制器(MC-DPFC)，它同时用于多个母线。MC-DPFC原理图如图6所示。 |
| 对于系统一，它就像dpfc一样充当分流串联转换器。对于系统二，它只作为单相串联转换器，即DVR。该系统的主要优点是不需要为两个母线使用两个FACT设备。在低成本的情况下，我们可以获得电能质量。STATCOM是一种推导式连接装置，主要由耦合变压器组成，作为电力系统(EPS)和电压同步控制器(VSC)之间的纽带，产生与电力系统电压波相比较的电压波，实现无功功率的交换。STATCOM的控制系统在每个时刻调整反向电压，使注入网络的电流与网络电压成正交，在这些条件下P=0和Q=0。 |
| 系统中v与Vi的夹角为d。当STATCOM在d=0时运行，我们可以看到发送到系统设备的有功功率如何变为零，而无功功率主要取决于电压模块。这个操作条件意味着通过变压器的电流必须与Vs有+/-90º相位差。换句话说，如果Vi大于Vs，无功电流将被发送到系统的STATCOM(电容性操作)，在这个方向上产生电流流。在相反的情况下，无功电流将通过STATCOM(感应操作)从系统中吸收，电流将朝相反的方向流动。最后，如果v和Vi的模量相等，则系统中既不会有电流也不会有无功流。因此，我们可以说，在静止状态下Q只取决于Vs和Vi电压之间的模差。无功功率的大小与Vs和Vi之间的电压差成正比。 |
| 在STATCOM和EPS之间可以有少许有功功率交换。逆变器和交流系统之间的交换可以通过调节逆变器输出电压角到交流系统的电压角来控制。这意味着如果逆变器的输出电压高于交流系统的电压，逆变器就不能通过直流累积能量为交流系统提供有功功率。另一方面，如果逆变器的电压相对于交流系统电压延迟，则逆变器可以吸收交流系统的有功功率。 |
| STATCOM平稳、连续地控制电压从V1到V2。然而，如果系统电压超过低电压(V1)或高电压限制(V2)， STATCOM通过适当控制转换器电压(Vi)作为恒流源。DVR是串联FACT设备。DVR的主要功能是保护敏感负载免受来自网络的电压下降/膨胀。DVR位于敏感负载附近。当其他线路发生故障时，DVR插入串联电压，将负载电压补偿到故障前的值。三个注入相电压的瞬时振幅得到控制，以消除母线故障对负载电压VL的任何有害影响。这意味着在交流馈线中由瞬态扰动引起的任何差分电压将由变换器产生的等效电压补偿，并通过升压变压器注入中压水平。 |
| DVR的工作独立于故障类型或系统中发生的任何事件，只要整个系统仍然连接到供电电网，即线路断路器不跳闸。对于大多数实际情况，更经济的设计可以通过仅补偿在DVR输入处看到的电压扰动的正序和负序分量来实现。这个选项是合理的，因为对于一个典型的配电总线配置，扰动的零序列部分将不会通过降压变压器，因为该组件的无限阻抗。DVR有两种操作模式:待机模式和升压模式。在待机模式下(VDVR=0)，升压变压器的低压绕组通过变换器短路。在这种操作模式下，半导体不会发生开关，因为单个转换器腿被触发，例如为变压器连接建立短路路径。因此，在这个电流回路中，只有半导体相对较低的传导损耗才会造成损耗。DVR大部分时间都是这种模式。在升压模式下(VDVR>0)，由于检测到电源电压扰动，DVR正在通过升压变压器注入补偿电压。 |
| 当源电压下降或增加时，DVR通过注入变压器注入串联电压Vinj，以维持所需的负载电压幅值VL |
DPFC控制 |
| 为了控制多个变换器，DPFC由三种类型的控制器组成;分别为中央控制器、分流控制和串联控制，如图11所示 |
| 分流和串联控制是本地控制器，负责维护各自的变换器参数。中央控制考虑了DPFC在电力系统层面的功能。下面列出了每个控制器的功能 |
| A.中央控制 |
| 中央控制为DPFC的分流和串联变换器产生参考信号。重点研究了电力系统级别的DPFC任务，如功率流控制、低频功率振荡阻尼和非对称元件的平衡。根据系统要求，中央控制为串联变流器提供相应的参考电压信号，为并联变流器提供相应的无功电流信号。由中央控制产生的所有参考信号都在基频上。 |
| B.分流控制 |
| STATCOM与电池储能相连接的分流器与电网系统中PCC的感应发电机和非线性负载接口相连接。STATCOM补偿器输出根据控制策略变化，以保持电网系统的电能质量规范。当前控制策略包括在控制方案中，该控制方案定义了电力系统中STATCOM补偿器的功能操作。提出了一种采用绝缘栅极双极晶体管的单个STATCOM，为异步发电机和电网系统中的非线性负载提供无功功率支持。 |
| C.系列控制 |
| 每个串联转换器都有自己的串联控制。该控制器使用三次谐波频率分量来维持其自身变换器的电容器直流电压，并在中央控制规定的基频上产生串联电压。三次谐波频率控制是DPFC系列变换器控制的主要控制环。本文采用矢量控制原理对直流电压进行控制。由于三次谐波电流易于被串联变换器中的锁相环捕获，因此选择通过线路的三次谐波电流作为单相park变换的旋转参考系。由于线路电流包含两个频率分量，因此需要第三个高通滤波器来减小基电流。三次谐波电压的d分量是用来控制直流电压的参数，其参考信号由直流电压控制回路产生。为了最小化由三次谐波引起的无功功率，串联变换器被控制为三次谐波频率的电阻。在运行过程中，三次谐波电压的q分量保持为零。由于串联变换器是单相变换器，在每个变换器的直流侧都会有电压纹波。 The frequency of the ripple depends on the frequency of the current that flows through the converter. As the current contains the fundamental and third harmonic frequency component, the dc-capacitor voltage will contain 100-, 200-, and 300-Hz frequency component there are two possible ways to reduce this ripple. One is to increase the turn ratio of the single-phase transformer of the series converter to reduce the magnitude of the current that flows into the converter. The other way is to use the dc capacitor with a larger capacitance. |
| 通过仿真实验验证了DPFC的原理和控制。构建了1个并联变换器和6个单相串联变换器，并在缩放网络中进行了测试，如图13所示。两路相位差的隔离母线由线路连接。在实验设置中，并联变换器为单相逆变器，连接在Y -Δ变压器的中性点和地之间。逆变器由恒定直流电压源供电。 |
| 图13;显示母线1上的电压和电流。在0.1到0.2的时间段，我们有电压下降，从0.2到0.3的电压膨胀，从0.3到0.4的故障电流。 |
| 图14为母线2上的电压和电流。在0.1到0.2的时间段，我们有电压下降，从0.2到0.3的电压膨胀，从0.3到0.4的故障电流。 |
| 图15分别为busbar1电压和电流下的总谐波电平。 |
| 图16分别为busbar1电压和电流下的总谐波电平。 |
| 为了减轻如图17所示的高电压、凹陷、故障电流，我们通过如图19所示的STATCOM原理在母线1上注入电流。 |
| 图18和图20分别为负载1和负载2时的输出电压和电流。 |
结论 |
| 本文提出了一个叫做MC-DPFC的新概念。MC-DPFC从UPFC发展而来，继承了UPFC同时调节线路阻抗、传输角度和母线电压幅值的控制能力。在UPFC中，用于交换有功功率的分流和串联变换器之间的普通直流链路被消除。这种功率现在通过传输线以三次谐波频率传输。DPFC的串联变换器采用D-FACTS概念，它使用多个小型单相变换器而不是一个大型变换器。串联变换器的冗余性大大提高了DPFC的可靠性。DPFC的总成本也比UPFC低得多，因为在串联转换器部分不需要高压隔离，并且其组件的额定值较低。DPFC概念已通过实验装置得到验证。实验证明，DPFC中的并联和串联变换器可以在三次谐波频率上交换有功功率，串联变换器可以在基频上注入可控有功功率和无功功率。 |
数字一览 |
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| 图1 |
图2 |
图3 |
图4 |
图5 |
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| 图6 |
图7 |
图8 |
图9 |
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| 图10 |
图11 |
图12 |
图13 |
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| 图14 |
图15 |
图16 |
图17 |
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| 图18 |
图19 |
图20 |
图21 |
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参考文献 |
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