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CN102545222A - 基于线路3次谐波的分布式潮流控制器 - Google Patents

基于线路3次谐波的分布式潮流控制器 Download PDF

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CN102545222A
CN102545222A CN201110432026XA CN201110432026A CN102545222A CN 102545222 A CN102545222 A CN 102545222A CN 201110432026X A CN201110432026X A CN 201110432026XA CN 201110432026 A CN201110432026 A CN 201110432026A CN 102545222 A CN102545222 A CN 102545222A
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transformer
flow controller
subharmonic
current transformer
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唐爱红
卢俊
黄萍
许湘莲
陈跃鹏
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Wuhan University of Technology WUT
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Abstract

本发明涉及一种基于线路3次谐波的分布式潮流控制器，它包括输电线路，在输电线路的两端分别设有第一Y-Δ型变压器和第二Y-Δ型变压器，输电线路上设有潮流控制器单元，该分布式潮流控制器还包括3次谐波电源，3次谐波电源与第一Y-Δ型变压器的Y型绕组的中性点连接，第二Y-Δ变压器的Y型绕组的中性点接地；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电容一端连接，变流器直流侧的负极与电容另一端连接，变流器通过单匝耦合变压器串联接入到输电线路中，所述的变流器与控制器的输出端连接，控制器的输入端分别与输电线路上的电流互感器和电压互感器连接。本发明能提高输电线路的可靠性。

Description

基于线路3次谐波的分布式潮流控制器
技术领域
本发明涉及柔性交流输电技术领域，尤其涉及一种基于线路3次谐波的分布式潮流控制器。
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，使整个输电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，以减缓或降低高成本新建线路的需要；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，在输电线路中增加适当的潮流控制设备和方法是未来电网安全稳定运行的保证。
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。然而功能如此强大的UPFC并没有被广泛应用于电力系统，主要原因如下：1、UPFC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，任何一点的故障都将通过直流电容传递到整个输电线路，引起整个输电线路的瘫痪；2、UPFC往往采用大功率的三相变流器，加之相与相之间的高电压绝缘使其投资成本高。
因此，我们迫切需要一种新的潮流控制器，不仅具有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的功能，而且成本低、性能可靠。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低、性能可靠的基于线路3次谐波的分布式潮流控制器。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案是：一种基于线路3次谐波的分布式潮流控制器，包括输电线路，在输电线路的两端分别设有第一Y-Δ型变压器和第二Y-Δ型变压器，输电线路上设有潮流控制器单元，该分布式潮流控制器还包括3次谐波电源，3次谐波电源与第一Y-Δ型变压器的Y型绕组的中性点连接，第二Y-Δ变压器的Y型绕组的中性点接地；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电容一端连接，变流器直流侧的负极与电容另一端连接，变流器通过单匝耦合变压器串联接入到输电线路中，所述的变流器与控制器的输出端连接，控制器的输入端分别与输电线路上的电流互感器和电压互感器连接。
按上述方案，所述的潮流控制器单元有多个，串联接入输电线路中。
按上述方案，所述的变流器由开关管与二极管组成，所述的开关管有四个，组成单相全桥电路；每个开关管上反并联一个二极管，起续流的作用。
利用基于线路3次谐波的分布式潮流控制器控制输电线路潮流的方法：
第一步：在两端由Y-Δ型变压器连接的输电线路中，将一端变压器Y型绕组的中性点与3次谐波电源(能产生频率为150Hz交流电的交流电源)连接，另一端变压器Y型绕组的中性点接地，形成3次谐波电流(频率为150Hz的交流电流)通路。
第二步：变流器和直流电容串联后通过单匝耦合变压器串联接入到输电线路中。
第三步：控制器启动，测量得到的直流电容电压值与给定参考直流电压值比较得到的误差经过控制器产生3次谐波电压参考信号控制变流器(3次谐波电压参考信号送入PWM发生器产生PWM信号，控制变流器)，将3次谐波电流整流给直流电容充电。
第四步：直流电容的直流电压达到给定值并稳定后，通过与输电线路连接的外部电流互感器和电压互感器，将采集到的电流与电压信号送入功率计算模块(功率计算模块测量得到基波电压的有效值U、基波电流的有效值I以及电压与电流的相角差
Figure BDA00001231456600021
利用公式
Figure BDA00001231456600022
Figure BDA00001231456600023
计算出线路基波的有功功率P和无功功率Q)计算出线路实误差和实时无功功率与参考无功功率比较得到的误差经过控制器得到的信号产生基波电压参考信号。时的有功功率与无功功率。实时有功功率与给定参考有功功率比较得到的
第五步：将第三步产生的3次谐波电压参考信号与第四步产生的基波电压参考信号叠加得到的信号送入PWM发生器产生PWM信号，控制变流器，使变流器逆变出包含基波分量的电压，作用在输电线路上，从而实现对输电线路潮流的实时控制。
利用输电线路中的3次谐波电流，对串联在线路中的变流器提供有功功率，维持直流电容电压恒定并逆变出基波电压，实时控制输电线路的潮流。
本发明的有益效果在于：1、改变以往UPFC由背靠背的两个完全相同的变流器通过直流电容耦合而成的连接形式，将两个变流器分别接直流电容，使两个变流器彼此独立，提高了可靠性。2、在输电线路上串联多个潮流控制器单元(采用分布式的连接方式)，使每个变流器的容量变小，采用单个电容器或者数个电容器并联作为储能元件，而UPFC的变流器容量很大，需要数百个电容器并联作为储能元件。因而每个潮流控制器单元补偿度很小，电容直流电压一般为500V左右，相比于UPFC的40KV，可以大大降低设备的绝缘成本，便于推广应用。
附图说明
图1为基于线路3次谐波的分布式潮流控制器结构示意图
图2为图1中变流器结构示意图。
图3为图1中控制器控制框图。
图4为基于线路3次谐波的分布式潮流控制器接入输电线路的一个实例。
图中：1-变流器，2-单匝变压器，3-电流互感器，4-电压互感器，5-输电导线，6-直流电容器，7-开关管，8-二极管，9-潮流控制器单元，10-第一Y-Δ型变压器，11-3次谐波电源，12-第二Y-Δ型变压器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例。
参见图1、图2、图3和图4，一种基于线路3次谐波的分布式潮流控制器，包括设有潮流控制器单元9的输电线路5，在输电线路5的两端分别设有第一Y-Δ型变压器10和第二Y-Δ型变压器12，第一Y-Δ型变压器10的Y型绕组的中性点与3次谐波电源11连接，第二Y-Δ变压器12的Y型绕组的中性点接地；所述的潮流控制器单元9包括变流器1，变流器1直流侧的正极与直流电容6一端连接，变流器1直流侧的负极与直流电容6另一端连接，变流器1通过单匝耦合变压器2串联接入到输电线路5中，所述的变流器1与控制器的输出端连接，控制器的输入端分别与输电线路5上的电流互感器3和电压互感器4连接。
上述方案中，所述的潮流控制器单元9可以有多个，串联接入输电线路5中。
按上述方案，所述的变流器1由开关管7与二极管8组成，所述的开关管7有四个，组成单相全桥电路；每个开关管7上反并联一个二极管8，起续流的作用。
参见图4，由于3次谐波能被变压器的“Δ”侧自然阻截，因此3次谐波将不流入本分布式潮流控制器所在线路之外的系统。
潮流控制器单元9串联接入在输电线路中，投入运行后，电流互感器3采集到的线路电流I经过3次谐波滤波器和单相PLL锁相环，取得3次谐波电流相角信号θ3以此建立三次谐波电压的旋转坐标系。测量得到的直流电容器6的直流电压Vse，dc与参考直流电压值Vse，dc，ref比较得到的误差经过PI控制器得到的信号refv，se，3，d作为3次谐波电压的d轴分量。由于只需要3次谐波注入有功功率，3次谐波电压的q轴分量refv，se，3，q设为0；将得到3次谐波电流相角信号θ3、3次谐波电压的d轴分量、3次谐波电压的q轴分量经过单相dq变换计算后得到3次谐波电压参考信号refv，se，3，此信号送入PWM发生器产生PWM信号，控制变流器1触发开关管7动作，使变流器1工作于3次谐波整流的状态下，线路中的3次谐波电流经过变流器整流后对直流电容器6充电。
当直流电容电压稳定在设定值后，电流互感器3和电压互感器4将采集到的电流信号I与电压信号V送入功率计算模块(功率计算模块测量得到基波电压的有效值U、基波电流的有效值I以及电压与电流的相角差
Figure BDA00001231456600041
利用公式
Figure BDA00001231456600042
Figure BDA00001231456600043
计算出线路基波的有功功率P和无功功率Q)计算出线路实时的有功功率P与无功功率Q，电压V经过基波滤波器和单相PLL锁相环，取得基波电压相角信号θ1以此建立基波电压的旋转坐标系。无功功率Q与参考无功功率Qref比较得到的误差经过PI控制器得到的信号refv，se，1，d作为基波电压的d轴分量。有功功率P与参考有功功率Pref比较得到的误差经过PI控制器得到的信号refv，se，1，q作为基波电压的q轴分量。将得到基波电压的相角信号θ1、基波电压的d轴分量、基波电压的q轴分量经过单相dq变换计算后得到基波电压参考信号refv，se，1，得到的基波电压参考信号与3次谐波电压参考信号叠加得到电压参考信号refv，se送入PWM发生器产生PWM信号，控制变流器1触发开关管7动作。此时变流器1工作于3次谐波整流、基波逆变的状态下，线路中的3次谐波电流经过变流器整流后对直流电容器6充电维持直流电压稳定，直流电容器6作为储能元件，通过变流器1向外逆变出包含基波分量的电压，从而实现对线路潮流的实时控制。
利用基于线路3次谐波的分布式潮流控制器控制输电线路潮流的方法：
第一步：在两端由Y-Δ型变压器连接的输电线路中，将一端变压器Y型绕组的中性点与3次谐波电源(能产生频率为150Hz交流电的交流电源)连接，另一端变压器Y型绕组的中性点接地，形成3次谐波电流(频率为150Hz的交流电流)通路。
第二步：变流器和直流电容串联后通过单匝耦合变压器串联接入到输电线路中。
第三步：控制器启动，测量得到的直流电容电压值与给定参考直流电压值比较得到的误差经过控制器产生3次谐波电压参考信号控制变流器(3次谐波电压参考信号送入PWM发生器产生PWM信号，控制变流器)，将3次谐波电流整流给直流电容充电。
第四步：直流电容的直流电压达到给定值并稳定后，通过与输电线路连接的外部电流互感器和电压互感器，将采集到的电流与电压信号送入功率计算模块(功率计算模块测量得到基波电压的有效值U、基波电流的有效值I以及电压与电流的相角差
Figure BDA00001231456600044
利用公式
Figure BDA00001231456600045
Figure BDA00001231456600046
计算出线路基波的有功功率P和无功功率Q)计算出线路实时的有功功率与无功功率。实时有功功率与给定参考有功功率比较得到的误差和实时无功功率与参考无功功率比较得到的误差经过控制器得到的信号产生基波电压参考信号。
第五步：将第三步产生的3次谐波电压参考信号与第四步产生的基波电压参考信号叠加得到的信号送入PWM发生器产生PWM信号，控制变流器，使变流器逆变出包含基波分量的电压，作用在输电线路上，从而实现对输电线路潮流的实时控制。
本发明可以实现对输电线路有功功率和无功功率独立控制，由于采用分布式控制，在不改变现有输电线路结构的基础上能对输电线路进行改造，实现线路潮流的实时控制。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改，等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于线路3次谐波的分布式潮流控制器，包括输电线路，在输电线路的两端分别设有第一Y-Δ型变压器和第二Y-Δ型变压器，输电线路上设有潮流控制器单元，其特征在于：该分布式潮流控制器还包括3次谐波电源，3次谐波电源与第一Y-Δ型变压器的Y型绕组的中性点连接，第二Y-Δ变压器的Y型绕组的中性点接地；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电容一端连接，变流器直流侧的负极与电容另一端连接，变流器通过单匝耦合变压器串联接入到输电线路中，所述的变流器与控制器的输出端连接，控制器的输入端分别与输电线路上的电流互感器和电压互感器连接。
2.如权利要求1所述的基于线路3次谐波的分布式潮流控制器，其特征在于：所述的潮流控制器单元有多个，串联接入输电线路中。
3.如权利要求1所述的基于线路3次谐波的分布式潮流控制器，其特征在于：所述的变流器由开关管与二极管组成，所述的开关管有四个，组成单相全桥电路；每个开关管上反并联一个二极管，起续流的作用。
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