面向配電網(wǎng)低損耗的UPFC潮流控制研究

金建新 姜于 郭獻之

摘? ?要：針對兩個級聯(lián)多電平逆變器（CMI）的無變壓器中的統(tǒng)一潮流控制器（UPFC），提出了一種適用于兩個互聯(lián)同步交流電網(wǎng)間的潮流控制，可實現(xiàn)無變壓器UPFC對無功功率和有功功率的獨立控制。還研究了不同潮流控制方案的半導(dǎo)體器件額定功率（SDPR）。研究結(jié)果表明，與基于模塊化多電平變換器（MMLC）的背靠背高壓直流輸電（HVDC）系統(tǒng)相比，基于級聯(lián)多電平逆變器的無變壓器UPFC具有更低的SDPR，表明采用無變壓器UPFC控制潮流可顯著節(jié)約成本，基于13.8 kV/2MVA無變壓器UPFC樣機的實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);高壓直流輸電;統(tǒng)一潮流控制器;潮流控制

中圖分類號：TM726.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1003—6199（2020）02—0055—07

Abstract：Aiming at the unified power flow controller （UPFC） of two cascaded multi-level inverters （CMI） without transformers，a power flow control method suitable for two interconnected synchronous ac power grids is proposed，which can realize the independent control of reactive power and active power of the transformer free UPFC. In addition，the rated power of semiconductor devices with different power flow control schemes （SDPR） is studied. Based on the research results show that with the modular multilevel converter （MMLC） than back-to-back high-voltage direct current transmission （HVDC） system，based on cascaded multilevel inverter without transformer UPFC has lower SDPR，this suggests that the tide of UPFC control without transformer can significant cost savings，based on a 13.8 kV / 2 MVA transformer free of UPFC prototype experimental results validate the correctness of theoretical analysis.

Key words：distribution network;HVDC;UPFC;flow control

配電網(wǎng)復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得網(wǎng)絡(luò)過于擁擠，經(jīng)常會出現(xiàn)嚴重的擁塞現(xiàn)象[1]。大部分的潮流都遵循低阻抗路徑，當(dāng)潮流通過高阻抗路徑時，由于鏈路流量問題，潮流將分開流動以防止線路或設(shè)備過載并消除欠壓[2-3]。為了解決這個問題，可以通過電壓源變換器（VSC）連接到下半島（LP），然后返回高壓直流輸電（HVDC）系統(tǒng)[4]。傳統(tǒng)的HVDC系統(tǒng)主要用于遠距離輸電[5]和異步配電網(wǎng)的互聯(lián)[6]。文獻[7]將基于VSC的背對背HVDC系統(tǒng)也應(yīng)用于同步配電網(wǎng)的互聯(lián)以實現(xiàn)潮流控制?；赩SC的背靠背HVDC系統(tǒng)能夠重新啟動，也能夠在孤島情況下使用任何轉(zhuǎn)換器作為靜止同步補償器（STATCOM）[8]。然而，背對背HVDC系統(tǒng)的主要缺點是需要兩個額定功率的變換器連接兩個電網(wǎng)連接，這將降低系統(tǒng)效率并增加成本。文獻[9]提出了一種基于級聯(lián)多電平逆變器（CMI）的模塊化無變壓器統(tǒng)一潮流控制器（UPFC），它具有無變壓器、重量輕、效率高、可靠性高、成本低、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點。

將無變壓器UPFC技術(shù)應(yīng)用于兩個同步交流配電網(wǎng)，實現(xiàn)了獨立的有功功率和無功功率控制。比較了背對背HVDC和無變壓器UPFC的半導(dǎo)體器件總功率額定值（SDPR）。分析結(jié)果表明，采用無變壓器UPFC系統(tǒng)進行潮流控制時，其SDPR比背對背HVDC系統(tǒng)小8倍。最后在13.8 kV/ 2MVA試驗裝置上，介紹相應(yīng)的無變壓器UPFC系統(tǒng)配置、潮流及直流鏈路電壓控制，并進行實驗驗證。

1? ?無變壓器UPFC的工作原理

新型無變壓器UPFC的配置如圖1所示。如圖1（a）中，無變壓器UPFC由兩個級聯(lián)多電平逆變器（CMI）組成，即串聯(lián)CMI，直接與輸電線路串聯(lián);如圖1（b）中，即并聯(lián)CMI，串聯(lián)CMI后與發(fā)送端并聯(lián)。每個CMI由串聯(lián)的級聯(lián)H橋模塊組成。

結(jié)果表明，潮流由電壓幅度VS0和VR、線路阻抗XL發(fā)送端電壓與接收端電壓相位差δ0等參數(shù)決定。即有功功率與相位角有關(guān)，無功功率與電壓幅度有關(guān)。

當(dāng)采用UPFC連接同步交流電網(wǎng)時，本文考慮兩種不同的情況：

2? ?背靠背HVDC系統(tǒng)與無變壓器UPFC系

統(tǒng)的比較

半導(dǎo)體器件額定功率（SDPR）是反映半導(dǎo)體器件所需硅總面積的指標，也是衡量逆變器/變換器成本的重要指標之一[11]。單個器件的額定功率定義為半導(dǎo)體器件電壓和電流應(yīng)力的乘積，逆變器/轉(zhuǎn)換器SDPR為單個器件額定功率的總和：

其中，n為逆變器/變換器中半導(dǎo)體器件的總數(shù)，Vk和Ik分別為第k個半導(dǎo)體器件（如IGBT）的電壓和電流應(yīng)力。決定整個系統(tǒng)SDPR（SSDPR）為：

其中，η表示相對于系統(tǒng)額定值的逆變器/變換器的額定值。如考慮到每單位線路阻抗通常是線路的小部分，則串聯(lián)柔性交流傳輸系統(tǒng)（FACTS）設(shè)備的MVA額定值通常是吞吐量線路MVA的小部分[12]。

2.1? ?基本三相變換器的SDPR

在所有的分析中，線間交流電壓和線路電流可認為是基準值。因此，三相逆變器或變換器的SDPR為：

因此，當(dāng)逆變器與交流電網(wǎng)的功率交換等于1 pu時，三相逆變器/變換器的SDPR為12 pu。

2.2? ?半橋MMLC的SDPR

基于半橋的MMLC拓撲結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，它是高壓直流系統(tǒng)中最常用的VSC拓撲結(jié)構(gòu)[13]。其中，iarm為通過上臂的電流，iDC為通過直流鏈路的電流，ig為通過交流配電網(wǎng)的電流。將MMLC的基本單元（半橋）與圖4（a）所示的基本三相變換器的基本單元（單開關(guān)）進行比較，可以看出，基本單元中的IGBT數(shù)量增加了一倍。

根據(jù)文獻[14]中的電流和電壓推導(dǎo)，通過MMLC電路的每個臂的電流為：

考慮到單位功率因數(shù)和直流側(cè)與交流側(cè)的功率平衡，可得：

半橋MMLC的SDPR與模塊數(shù)量無關(guān)。例如，如果每個臂中半橋模塊的數(shù)量增加一倍，那么整個SDPR仍然保持不變。

2.3? ?級聯(lián)多電平變換器的SDPR

級聯(lián)多電平逆變器（CMI）的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示。與圖4（a）所示的基本三相變換器的拓撲結(jié)構(gòu)相比，CMI的IGBT數(shù)量增加了一倍，每個IGBT的額定電流相同，但額定電壓只有一半：

由于CMI的SDPR與H橋模塊的數(shù)量無關(guān)，因此，增加CMI的H橋模塊數(shù)量并不能減少SDPR。

2.4? ?系統(tǒng)比較

為了有效的進行潮流控制，圖4（b）所示的兩個MMLC變換器必須采取背靠背連接。因此，基于MMLC的背靠背HVDC系統(tǒng)的SSDPR為：

可見，這還不到背靠背HVDC系統(tǒng)的1/4。無變壓器UPFC也可以在沒有并聯(lián)CMI的情況下控制潮流，在這種情況下，UPFC的運行方式與靜態(tài)同步串聯(lián)補償器（SSSC）相同。無并聯(lián)CMI的系統(tǒng)額定值為0.5 pu，總SDPR為0.5 × 2 = 6 pu，比背靠背HVDC系統(tǒng)小8倍。

綜上所述，與基于MMLC的背靠背HVDC系統(tǒng)相比，基于級聯(lián)多電平逆變器的無變壓器UPFC具有更低的SDPR，這表明在用于潮流控制時可以顯著節(jié)約成本。

3? ?仿真分析

為了驗證UPFC潮流控制能力，本文開發(fā)了一個13.8 kV/2MVA的無變壓器UPFC樣機。樣機裝置如圖5所示。主要系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

UPFC潮流控制不同運行點的相量圖如圖6所示。

在δs = 22°時運行的無變壓器UPFC的實驗波形，如圖7所示。其中，傳輸線電流ILa，發(fā)送端電流 ICa和并聯(lián)電流Ipa，Vinv_ab是串聯(lián)CMI輸出電壓VC_ab加并聯(lián)CMI輸出電壓VP_ab。線路電壓Vinv_ab是在電壓互感器（PT）的次級處測量的電壓，其匝數(shù)比為120×41 ∶ 1。在這種情況下，由于功率角δs值較大，相應(yīng)的線路電流LL = 84 A，有功功率P = 1.8 MW，無功功率Q = 1.8 MVar。

串聯(lián)CMI和并聯(lián)CMI的平均直流鏈路電壓，如圖8所示，其中串聯(lián)CMI的直流基準電壓為450 V，并聯(lián)CMI的基準電壓為550 V。選擇直流基準電壓以保持逆變器的調(diào)制指數(shù)（MI）接近統(tǒng)一，進而實現(xiàn)輸出電壓的最低總諧波失真（THD）。從實驗波形可以看出，所有的直流電壓都得到了很好的控制，并保持在其額定直流值的±5%范圍內(nèi)。

在δs = 2°時運行的無變壓器UPFC的實驗波形，如圖9所示。由于功率δs顯著降低，導(dǎo)致線路電流IL = 7 A，有功功率P = 0.14 MW，無功功率Q = 0.07 MVar。

串聯(lián)CMI和并聯(lián)CMI的平均直流鏈路電壓，如圖10所示。由于串聯(lián)CMI需要更高的輸出電壓來補償相位角差，所以串聯(lián)CMI的直流基準電壓從450 V變?yōu)?00 V，并聯(lián)CMI的基準電壓保持在550 V。

操作點A和B之間傳輸?shù)腜/Q值，如圖11所示。無變壓器UPFC可以從低（5%）到高（100%）平穩(wěn)地調(diào)節(jié)通過輸電線路的功率，反之亦然。

4? ?結(jié)? ?論

提出了一種無變壓器UPFC的同步配電網(wǎng)互聯(lián)方案，新型無變壓器UPFC可獨立控制有功功率和無功功率。還研究了不同功率流控制方案下的系統(tǒng)半導(dǎo)體器件額定值（SSDPR）。與基于MMLC的背對背直流系統(tǒng)相比，基于級聯(lián)多電平逆變器的無變壓器UPFC具有更低的SDPR。與兩個同步電網(wǎng)的HVDC方案相比，無變壓器UPFC具有更低的系統(tǒng)額定值，可節(jié)省了大量的成本。實驗結(jié)果表明，基于13.8 kV/2MVA無變壓器UPFC樣機驗證了理論分析的正確性。

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