专利名称：基于电压幅值与相角控制的动态潮流控制器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及柔性输电技术领域，特别是一种基于电压幅值与相角控制的动态潮流控制器及其控制方法。
背景技术：
随着大型电力系统的互联、风电等间歇性新能源的接入以及各种新设备的使用，使得电网运行在稳定极限边缘的可能性大为增加。因此，电网运行的灵活性、潮流可控性以及电网稳定性显得日益重要，同时也是智能电网所追求的目标。而在一个结构日益复杂的电网中，能够同时控制线路的电压和电流将成为问题的关键。为了控制线路的电压和电流，常规的做法是通过离线的最优潮流计算和状态估计来调整发电机的励磁，变压器分接头和无功补偿装置，来满足电压和电流的双重约束。但在 一个复杂的网络里，这是一个非常具有挑战性的问题，以至于在实践中没有任何控制器可以实时控制一个复杂网络。有一些新的方法可以同时控制线路的节点电压的幅值和相位，通过对节点电压相位与幅值的控制实现对有功功率与无功功率的控制。能够提供这样功能的装置有FACTS设备，比如统一潮流控制器(united power flow control, UPFC)和静止同步串联补偿器(static synchronous series compensator, SSSC)。无功补偿装置如 SVC 和 STATC0M 能够通过无功支持控制节点电压幅值。尽管FACTS装置已经进入成形期，但是上述装置的经济性仍有待检验。移相器能够提供有功潮流控制，但是不能控制电压，并且这种控制是迟缓的。固态变压器，又称为电力电子变压器，能够控制电压的幅值和相角，但是需要使用大量的大功率电力电子开关器件，并且研发仍停留在理论研究阶段。针对以上问题，有人提出了低成本的可控网络变压器(controllable network transformer, CNT),其所需电力电子开关容量只是变压器容量的一小部分。它能够控制输出电压的幅值和相角，但是对电压相角的控制范围比较小并且电压幅值和相角控制不能实现解耦，另外为了消除该方法所产生的低频谐波，需要增加较大的成本。但是，目前的FACTS技术也存在很大的局限性FACTS装置工程造价高，推广应用困难；FACTS装置和电力设备及其他控制器之间存在不良作用；FACTS装置自身的损耗大；FACTS装置的复杂控制结构以及对通信设施等相应附属设备的要求，对电网的运行和控制提出了更为严格的要求；装置故障所带来的额外问题；串联接入引起的系统稳定性问题等等使其在电网中的应用受到很大的限制。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供基于电压幅值与相角独立控制的可控三相变压器的动态潮流控制器及其控制方法，该动态潮流控制器基于全控型电力电子开关的可控三相变压器，通过可控三相变压器输出电压相角与幅值的独立控制实现输电线路有功功率与无功功率的解耦控制，具有低成本、高可靠性特点。
本发明的技术解决方案如下一种基于电压幅值与相角控制的动态潮流控制器，其特征在于该动态潮流控制器包括可控三相变压器、第一功率单元、第二功率单元、测量与控制模块、串联绕组单元、输入电压互感器、输出电压互感器和输出电流互感器构成所述的可控三相变压器的副边包含主接头、正分接头、负分接头、，以及每相各自输出2组变比为N的独立绕组，其中0〈N〈0. 2 ；每相的串联绕组单元由可控三相变压器的另外两相、且电压极性相反的各I组独立绕组串接而成；所述的第一功率单元由第一开关功率管、第二开关功率管、第一滤波电感第一滤波电容和第二滤波电容组成；
所述的第二功率单元由第三开关功率管、第三开关功率管、第二滤波电感第三滤波电容和第四滤波电容组成；所述的第一开关功率管、第二开关功率管、第三开关功率管和第四开关功率管均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成；所述的第一开关功率管的一端接所述的可控三相变压器副边的正分接头，所述的第二开关功率管的一端接负分接头，该第一组开关功率管的另一端和第二组开关功率管的另一端相连且该连接点与所述的第一滤波电感的一端相连，该第一滤波电感的另一端分别与所述的串联绕组单元的一端、第四开关功率管的一端、第二滤波电容的一端相连，第二滤波电容的另一端与所述的可控三相变压器的副边主接头相连，所述的串联绕组单元的另一端与第三开关功率管的一端相连，所述的第三开关功率管另一端和第四开关功率管另一端相连且该连接点与所述的第二滤波电感的一端相连，该第二滤波电感的另一端连接输出电源或负载，所述的第一滤波电容接在所述的可控三相变压器副边的正分接头和负分接头之间，所述的第三滤波电容跨接在第三开关功率管与第四开关功率管不相连的两端之间，所述的第四滤波电容的一端与串联绕组单元中2个串接绕组的连接点相连，第四滤波电容的另一端连接输出电源或负载端，所述的输入电压互感器的一侧与可控三相变压器原边输入电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块的电压信号输入端口相连；所述的输出电压互感器，一侧与可控三相变压器副边输出电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块的电压信号输入端口相连；所述的输出电流互感器，串接在可控三相变压器的输出主电路中，其电流信号输出端与所述的测量与控制模块的电流信号输入端口相连；所述的测量与控制模块的控制信号输出端分别与所述的第一开关功率管第二开关功率管、第三开关功率管和第四开关功率管的控制端相连，该测量与控制模块与上位机相连。所述的测量与控制模块是数字信号处理器、单片机或计算机。利用所述的动态潮流控制器进行输出电压幅值、相角的控制方法，其特点在于该方法包括下列具体步骤I)设可控三相变压器正负分接头变比分别为(1+N)和(1-N)，可控三相变压器三相输入电压分别为Vain=Sin (ω0 )Vbim=Sin (ω0 +120° )(I)Vcin=Sin (coQt-120。)其中，Vain为A相输入电压、V bin为B相输入电压、Vcin为C相输入电压；2)通过脉宽调制对第一开关功率管、第二开关功率管、第三开关功率管和第四开关功率管的占空比进行调节设第一开关功率管和第二开关功率管的占空比为D1，设第三开关功率管和第四开关功率管的占空比为D2，其中，O彡D1彡1，0彡D2彡I ;当D1=I时，S1导通，S2关断，当D1=O时，S2导通，S1关断；当D2=I时，S3导通，S4关断，当D2=O时，S4导通，S3关断；3)计算A相输出电压，公式如下Vaout=Vain[(l+N)D^(I-N) (I-D1)] (2)+(NVbin-NVcin)D24)将步骤I)中Vain，V1 Vein代入公式(2)得到Vaoilt = [(I + N)DX + (I- i￥)(l --D1)] sin(tt)0/ )(3)-τΤ3ΜΛ gos(o.; /)5)输出电压幅值为A = J[(l + AOB1 + (I-N){\-D1 )]2 +(SND2)2 (4)6)输出电压移相角度Θ为θ = tan (---)
[(l + AO/Ud-.^n-^)] (5)通过改变占空KD1和D2能够改变输出电压的幅值和相角。通常N〈0. 2，因此，幅值调节主要取决于D1，相角调节主要取决于D2。当N=O. I时，则近似可得，电压幅值控制范围为O. 9 ^ A ^ I. I (6)电压相角控制范围为
0<0< tan 1(^^) = 10.89° ι -0.97)将所述的动态潮流控制器串接在两个电网之间，动态潮流控制器的输入端接第一电网(11)，该动态潮流控制器的输出端经输出线路与第二电网(21)连接，通过该动态潮流控制器与输电线路向第二电网(21)输电；8)设动态潮流控制器输出与电网2之间的输电线路电抗为J L ;9)则动态潮流控制器传输的有功功率P和无功功率Q与动态潮流控制器输出电压移相角度Θ的关系如下Ρ=^^-8 η(δ + θ)(8)
coL
gjt-Κ^θ^δ+θ)⑶
‘ω/其中V1和V2分别为第一电网和第二电网的电压幅值，δ为V2与V1的角度差。从式(8)、(9)中可看出，有功功率P主要与可控三相变压器输出电压Θ有关，而无功功率Q则主要与可控三相变压器输出电压幅值A有关，即可控三相变压器输出的有功功率P主要与占空比D2有关，而无功功率Q则主要与占空比D1有关；因此，通过对占空比Dp D2的调节实现了动态潮流控制器输出有功功率和无功功率的调节。由于对可控三相变压器的分接头导通进行控制，控制开关功率管IGBT容量仅为可控三相变压器容量的一部分，因而，成本低，从而实现低成本、高可靠性的动态潮流的控制。与现有技术相比，本发明的特点如下 I.开关功率管只需对可控三相变压器分接头的导通进行控制，因而成本低，克服了已有FACTS装置高成本的问题；2.通过动态潮流控制器输出电压相角与幅值的独立控制实现输电线路有功功率与无功功率的解耦控制；3.输出电压不含低次谐波、质量好。
图I是本发明基于电压幅值与相角控制的动态潮流控制器串接在2个电网中的连接图。图2是本发明基于电压幅值与相角控制的动态潮流控制器的结构示意图。图3是本发明改变电压相角原理的电压向量示意图，其中a为展示了如何由B、C两相电压得到与A相垂直的电压分量；b为输出电压向量调节范围如图中虚线框内所示。图4是本发明输出电压谐波分析示意图。图中纵坐标Mag为电压幅值，横坐标Frequency 为频率。 图5是本发明工作时电力电子开关器件电压和电流波形仿真图，图中IGBT为绝缘栅极晶体管，Diode为IGBT的反并联二极管。图6是本发明输入输出电压波形示意图。图7是本发明无功功率控制仿真示意图，图中Q为无功功率。图8是本发明有功功率控制仿真示意图，图中P为有功功率。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图2，图2是本发明动态潮流控制器的结构示意图，如图所示，一种电压幅值与相角独立控制的可控三相变压器装置，包括可控三相变压器I、第一功率单元2、第二功率单元8、测量与控制模块3、串联绕组单元4、输入电压互感器5、输出电压互感器6和输出电流互感器7构成所述的可控三相变压器I的副边包含主接头12、正分接头13、负分接头11，以及每相各自输出2组变比为N的独立绕组，其中0〈N〈0. 2 ；每相的串联绕组单元4由可控三相变压器I的另外两相、且电压极性相反的各I组独立绕组串接而成；所述的第一功率单元2由第一开关功率管S1、第二开关功率管S2、第一滤波电感Lfl第一滤波电容Cfl和第二滤波电容Cf组成；所述的第二功率单元8由第三开关功率管S3、第三开关功率管S4、第二滤波电感Lf2第三滤波电容Cf3和第四滤波电容Cf4组成；所述的第一开关功率管S1、第二开关功率管S2、第三开关功率管S3和第四开关功率管S4均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成(图中未示)；所述的第一开关功率管S1的一端接所述的可控三相变压器I副边的正分接头13，所述的第二开关功率管S2的一端接负分接头11，该第一组开关功率管S1的另一端和第二·组开关功率管S2的另一端相连且该连接点与所述的第一滤波电感Lfl的一端相连，该第一滤波电感Lf2的另一端分别与所述的串联绕组单元4的一端、第四开关功率管S4的一端、第二滤波电容Cf2的一端相连，第二滤波电容Cf2的另一端与所述的可控三相变压器I的副边主接头12相连，所述的串联绕组单元4的另一端与第三开关功率管S3的一端相连，所述的第三开关功率管S3另一端和第四开关功率管S4另一端相连且该连接点与所述的第二滤波电感Lf2的一端相连,该第二滤波电感Lf2的另一端连接输出电源或负载，所述的第一滤波电容Cfl接在所述的可控三相变压器I副边的正分接头13和负分接头11之间，所述的第三滤波电容Cf3跨接在第三开关功率管S3与第四开关功率管S4不相连的两端之间，所述的第四滤波电容Cf4的一端与串联绕组单元4中2个串接绕组的连接点相连，第四滤波电容Cf4的另一端连接输出电源或负载端，所述的输入电压互感器5的一侧与可控三相变压器原边输入电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块3的电压信号输入端口相连；所述的输出电压互感器6，一侧与可控三相变压器副边输出电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块3的电压信号输入端口相连；所述的输出电流互感器7，串接在可控三相变压器的输出主电路中，其电流信号输出端与所述的测量与控制模块3的电流信号输入端口相连；所述的测量与控制模块3的控制信号输出端分别与所述的第一开关功率管S1第二开关功率管S2、第三开关功率管S3和第四开关功率管S4的控制端相连，该测量与控制模块3与上位机相连。所述的测量与控制模块3是数字信号处理器、单片机或计算机。利用动态潮流控制器进行输出电压幅值、相角的控制方法，其特征在于该方法包括下列具体步骤I)设可控三相变压器正负分接头变比分别为(1+N)和(1-N)，设可控三相变压器的三相输入电压分别为Vain=Sin (ω0 )Vbin=Sin (co0t+120° )(I)Vcin=Sin (coQt-120。)2)通过PWM技术对开关S1, SdPS3, S4的占空比进行调节。设S1, S2的占空比为D1,SS3, S4的占空比为D2ASD1彡1,0 ^ D2 ^ I。当D1=I时，S1导通，S2关断，当D1=O时，S2导通，S1关断；当D2=I时，S3导通，S4关断，当D2=O时，S4导通，S3关断。3)可得A相输出电压为Vaout=Vain[(l+N)D^(I-N) (I-D1)] (2)+(NVbin-NVcin)D24)将 Vain，Vbin，Vcin 代入得
权利要求
1.一种基于电压幅值与相角控制的动态潮流控制器及其控制方法，其特征在于，该动态潮流控制器包括可控三相变压器(I)、第一功率单元(2)、第二功率单元(8)、测量与控制模块(3)、串联绕组单元(4)、输入电压互感器(5)、输出电压互感器(6)和输出电流互感器(7)构成 所述的可控三相变压器(I)的副边包含主接头(12)、正分接头(13)、负分接头(11)，以及每相各自输出2组变比为N的独立绕组，其中0〈N〈0. 2 ； 每相的串联绕组单元(4)由可控三相变压器(I)的另外两相、且电压极性相反的各I组独立绕组串接而成； 所述的第一功率单元(2)由第一开关功率管(S1X第二开关功率管(S2)、第一滤波电感(Lfl)第一滤波电容(Cfl)和第二滤波电容(Cf2)组成； 所述的第二功率单元(8)由第三开关功率管(S3)、第三开关功率管(S4)、第二滤波电感(Lf2)第三滤波电容(Cf3)和第四滤波电容(Cf4)组成； 所述的第一开关功率管(Si)、第二开关功率管(S2)、第三开关功率管(S3)和第四开关功率管(S4)均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成； 所述的第一开关功率管(S1)的一端接所述的可控三相变压器(I)副边的正分接头(13)，所述的第二开关功率管(S2)的一端接负分接头(11)，该第一组开关功率管(S1)的另一端和第二组开关功率管(S2)的另一端相连且该连接点与所述的第一滤波电感(Lfl)的一端相连，该第一滤波电感(Lfl)的另一端分别与所述的串联绕组单元(4)的一端、第四开关功率管(S4)的一端、第二滤波电容(Cf2)的一端相连,第二滤波电容(Cf2)的另一端与所述的可控三相变压器(I)的副边主接头(12)相连，所述的串联绕组单元(4)的另一端与第三开关功率管(S3)的一端相连，所述的第三开关功率管(S3)另一端和第四开关功率管(S4)另一端相连且该连接点与所述的第二滤波电感(Lf2)的一端相连，该第二滤波电感(Lf2)的另一端连接输出电源或负载， 所述的第一滤波电容(Cfl)接在所述的可控三相变压器(I)副边的正分接头(13)和负分接头(11)之间，所述的第三滤波电容(Cf3)跨接在第三开关功率管(S3)与第四开关功率管(S4)不相连的两端之间，所述的第四滤波电容(Cf4)的一端与串联绕组单元(4)中2个串接绕组的连接点相连，第四滤波电容(Cf4)的另一端连接输出电源或负载端， 所述的输入电压互感器(5)的一侧与可控三相变压器原边输入电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块(3)的电压信号输入端口相连； 所述的输出电压互感器(6)，一侧与可控三相变压器副边输出电压主电路相连，电压信号输出端与所述的测量与控制模块(3)的电压信号输入端口相连； 所述的输出电流互感器(7)，串接在可控三相变压器的输出主电路中，其电流信号输出端与所述的测量与控制模块(3)的电流信号输入端口相连； 所述的测量与控制模块(3)的控制信号输出端分别与所述的第一开关功率管(S1)第二开关功率管(S2)、第三开关功率管(S3)和第四开关功率管(S4)的控制端相连，该测量与控制模块(3)与上位机相连。
2.根据权利要求I所述的动态潮流控制器，其特征在于所述的测量与控制模块(3)是数字信号处理器、单片机或计算机。
3.利用权利要求I所述的动态潮流控制器进行输出电压幅值与相角的控制方法，其特征在于，该方法包括下列具体步骤 1)设可控三相变压器正负分接头变比分别为(1+N)和(1-N),可控三相变压器三相输入电压分别为 Vain=Sin (w 0t) Vbin=Sin O 0t+120° )(I)Vcin=Sin (w 0t-120° ) 其中，vain为A相输入电压、Vbin为B相输入电压、VeinS C相输入电压； 2)通过脉宽调制对第一开关功率管、第二开关功率管、第三开关功率管和第四开关功率管的占空比进行调节 设第一开关功率管和第二开关功率管的占空比为D1，设第三开关功率管和第四开关功率管的占空比为D2，其中，O≤D1≤1，0≤D2≤I ; 3)计算A相输出电压，公式如下Va0ut=Vain[(l+N)D1+(I-N) (I-D1)](2) + (NVbin-NVcin)D2 4)将步骤I)中Vain,Vbin, VeinR入公式(2)得到
全文摘要
一种基于电压幅值与相角控制的动态潮流控制器及其控制方法，包括可控三相变压器、第一功率单元、第二功率单元、测量与控制模块、串联绕组单元、输入电压互感器、输出电压互感器和输出电流互感器构成可控三相变压器的副边包含主接头、正分接头、负分接头，以及每相各自输出2组变比为N的独立绕组，其中0<N<0.2；每相的串联绕组单元由可控三相变压器的另外两相、且电压极性相反的各1组独立绕组串接而成。本发明实现有功功率、无功功率的解耦控制，提高电力系统潮流的动态调节能力、输电能力，改善系统的稳定性和可靠性等，具有成本低、有功功率与无功功率独立控制、可靠性高的特点。
文档编号H02J3/18GK102801160SQ20121028963
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月15日 优先权日2012年8月15日
发明者李国杰, 许聪, 江秀臣, 盛戈皞 申请人:上海交通大学