面向配电网低损耗的UPFC潮流控制研究

金建新 姜于 郭献之

摘   要：针对两个级联多电平逆变器（CMI）的无变压器中的统一潮流控制器（UPFC），提出了一种适用于两个互联同步交流电网间的潮流控制，可实现无变压器UPFC对无功功率和有功功率的独立控制。还研究了不同潮流控制方案的半导体器件额定功率（SDPR）。研究结果表明，与基于模块化多电平变换器（MMLC）的背靠背高压直流输电（HVDC）系统相比，基于级联多电平逆变器的无变压器UPFC具有更低的SDPR，表明采用无变压器UPFC控制潮流可显著节约成本，基于13.8 kV/2MVA无变压器UPFC样机的实验结果验证了理论分析的正确性。

关键词：配电网;高压直流输电;统一潮流控制器;潮流控制

中图分类号：TM726.1                                      文献标识码：A

文章编号：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

配電网复杂的网状结构使得网络过于拥挤，经常会出现严重的拥塞现象[1]。大部分的潮流都遵循低阻抗路径，当潮流通过高阻抗路径时，由于链路流量问题，潮流将分开流动以防止线路或设备过载并消除欠压[2-3]。为了解决这个问题，可以通过电压源变换器（VSC）连接到下半岛（LP），然后返回高压直流输电（HVDC）系统[4]。传统的HVDC系统主要用于远距离输电[5]和异步配电网的互联[6]。文献[7]将基于VSC的背对背HVDC系统也应用于同步配电网的互联以实现潮流控制。基于VSC的背靠背HVDC系统能够重新启动，也能够在孤岛情况下使用任何转换器作为静止同步补偿器（STATCOM）[8]。然而，背对背HVDC系统的主要缺点是需要两个额定功率的变换器连接两个电网连接，这将降低系统效率并增加成本。文献[9]提出了一种基于级联多电平逆变器（CMI）的模块化无变压器统一潮流控制器（UPFC），它具有无变压器、重量轻、效率高、可靠性高、成本低、动态响应快等优点。

将无变压器UPFC技术应用于两个同步交流配电网，实现了独立的有功功率和无功功率控制。比较了背对背HVDC和无变压器UPFC的半导体器件总功率额定值（SDPR）。分析结果表明，采用无变压器UPFC系统进行潮流控制时，其SDPR比背对背HVDC系统小8倍。最后在13.8 kV/ 2MVA试验装置上，介绍相应的无变压器UPFC系统配置、潮流及直流链路电压控制，并进行实验验证。

1   无变压器UPFC的工作原理

新型无变压器UPFC的配置如图1所示。如图1（a）中，无变压器UPFC由两个级联多电平逆变器（CMI）组成，即串联CMI，直接与输电线路串联;如图1（b）中，即并联CMI，串联CMI后与发送端并联。每个CMI由串联的级联H桥模块组成。

结果表明，潮流由电压幅度VS0和VR、线路阻抗XL发送端电压与接收端电压相位差δ0等参数决定。即有功功率与相位角有关，无功功率与电压幅度有关。

当采用UPFC连接同步交流电网时，本文考虑两种不同的情况：

2   背靠背HVDC系统与无变压器UPFC系

统的比较

半导体器件额定功率（SDPR）是反映半导体器件所需硅总面积的指标，也是衡量逆变器/变换器成本的重要指标之一[11]。单个器件的额定功率定义为半导体器件电压和电流应力的乘积，逆变器/转换器SDPR为单个器件额定功率的总和：

其中，n为逆变器/变换器中半导体器件的总数，Vk和Ik分别为第k个半导体器件（如IGBT）的电压和电流应力。决定整个系统SDPR（SSDPR）为：

其中，η表示相对于系统额定值的逆变器/变换器的额定值。如考虑到每单位线路阻抗通常是线路的小部分，则串联柔性交流传输系统（FACTS）设备的MVA额定值通常是吞吐量线路MVA的小部分[12]。

2.1   基本三相变换器的SDPR

在所有的分析中，线间交流电压和线路电流可认为是基准值。因此，三相逆变器或变换器的SDPR为：

因此，当逆变器与交流电网的功率交换等于1 pu时，三相逆变器/变换器的SDPR为12 pu。

2.2   半桥MMLC的SDPR

基于半桥的MMLC拓扑结构如图4（b）所示，它是高压直流系统中最常用的VSC拓扑结构[13]。其中，iarm为通过上臂的电流，iDC为通过直流链路的电流，ig为通过交流配电网的电流。将MMLC的基本单元（半桥）与图4（a）所示的基本三相变换器的基本单元（单开关）进行比较，可以看出，基本单元中的IGBT数量增加了一倍。

根据文献[14]中的电流和电压推导，通过MMLC电路的每个臂的电流为：

考慮到单位功率因数和直流侧与交流侧的功率平衡，可得：

半桥MMLC的SDPR与模块数量无关。例如，如果每个臂中半桥模块的数量增加一倍，那么整个SDPR仍然保持不变。

2.3   级联多电平变换器的SDPR

级联多电平逆变器（CMI）的拓扑结构如图4（c）所示。与图4（a）所示的基本三相变换器的拓扑结构相比，CMI的IGBT数量增加了一倍，每个IGBT的额定电流相同，但额定电压只有一半：

由于CMI的SDPR与H桥模块的数量无关，因此，增加CMI的H桥模块数量并不能减少SDPR。

2.4   系统比较

为了有效的进行潮流控制，图4（b）所示的两个MMLC变换器必须采取背靠背连接。因此，基于MMLC的背靠背HVDC系统的SSDPR为：

可见，这还不到背靠背HVDC系统的1/4。无变压器UPFC也可以在没有并联CMI的情况下控制潮流，在这种情况下，UPFC的运行方式与静态同步串联补偿器（SSSC）相同。无并联CMI的系统额定值为0.5 pu，总SDPR为0.5 × 2 = 6 pu，比背靠背HVDC系统小8倍。

综上所述，与基于MMLC的背靠背HVDC系统相比，基于级联多电平逆变器的无变压器UPFC具有更低的SDPR，这表明在用于潮流控制时可以显著节约成本。

3   仿真分析

为了验证UPFC潮流控制能力，本文开发了一个13.8 kV/2MVA的无变压器UPFC样机。样机装置如图5所示。主要系统参数如表1所示。

UPFC潮流控制不同运行点的相量图如图6所示。

在δs = 22°时运行的无变压器UPFC的实验波形，如图7所示。其中，传输线电流ILa，发送端电流 ICa和并联电流Ipa，Vinv_ab是串联CMI输出电压VC_ab加并联CMI输出电压VP_ab。线路电压Vinv_ab是在电压互感器（PT）的次级处测量的电压，其匝数比为120×41 ∶ 1。在这种情况下，由于功率角δs值较大，相应的线路电流LL = 84 A，有功功率P = 1.8 MW，无功功率Q = 1.8 MVar。

串联CMI和并联CMI的平均直流链路电压，如图8所示，其中串联CMI的直流基准电压为450 V，并联CMI的基准电压为550 V。选择直流基准电压以保持逆变器的调制指数（MI）接近统一，进而实现输出电压的最低总谐波失真（THD）。从实验波形可以看出，所有的直流电压都得到了很好的控制，并保持在其额定直流值的±5%范围内。

在δs = 2°时运行的无变压器UPFC的实验波形，如图9所示。由于功率δs显著降低，导致线路电流IL = 7 A，有功功率P = 0.14 MW，无功功率Q = 0.07 MVar。

串联CMI和并联CMI的平均直流链路电压，如图10所示。由于串联CMI需要更高的输出电压来补偿相位角差，所以串联CMI的直流基准电压从450 V变为600 V，并联CMI的基准电压保持在550 V。

操作点A和B之间传输的P/Q值，如图11所示。无变压器UPFC可以从低（5%）到高（100%）平稳地调节通过输电线路的功率，反之亦然。

4   结   论

提出了一种无变压器UPFC的同步配电网互联方案，新型无变压器UPFC可独立控制有功功率和无功功率。还研究了不同功率流控制方案下的系统半导体器件额定值（SSDPR）。与基于MMLC的背对背直流系统相比，基于级联多电平逆变器的无变压器UPFC具有更低的SDPR。与两个同步电网的HVDC方案相比，无变压器UPFC具有更低的系统额定值，可节省了大量的成本。实验结果表明，基于13.8 kV/2MVA无变压器UPFC样机验证了理论分析的正确性。

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