基于48脉冲电压源换流器的广义跨线潮流控制器

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报5（2018）68基于48脉冲电压源换流器的广义跨线潮流控制器Amir Ghorbania，Mr. Chang， Seyed Yaser Ebrahimib， Morteza Ghorbanica伊朗，Abhar，伊斯兰阿扎德大学，Abhar分校，电气工程系b伊朗伊达杰伊斯兰阿扎德大学伊达杰分校青年研究人员和精英俱乐部。c伊朗加兹温伊斯兰阿扎德大学加兹温分校电气、生物医学和机电一体化工程系接收日期：2015年1月31日;接收日期：2016年10月3日;接受日期：2017年1月10日2017年1月25日在线发布摘要广义跨线潮流控制器（GIPFC）是一种基于电压源控制器（VSC）的柔性交流输电系统（FACTS）控制器，能够独立调节多线系统中各条输电线路的潮流本文对基于48脉冲电压源变流器的GIPFC进行了建模和性能分析本文研究了一种级联型多电平变换器模型，即一个48脉波（三电平）电压源型变换器。本文介绍的电压源型变流器是一种谐波中和的48脉波GTO变流器。GIPFC控制器基于d-q正交坐标系。在MATLAB/Simulink环境下对算法进行了仿真验证并将统一潮流控制器（UPFC）与GIPFC进行了比较© 2017 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：广义跨线潮流控制器;电压源换流器; 48脉波GTO换流器1. 介绍柔性交流输电系统（FACTS）技术为高压输电线路的电压、阻抗和相角的动态控制提供了新的机会。用于功率控制的FACTS设备可以分为两个不同的类别。第一类包括利用具有晶闸管和阻抗的转换器来控制功率的设备（例如SVC、TCSC等）。第二类包括利用开关电源建立可控静态同步电压源的设备（例如，STATCOM、SSSC和UPFC）。GIPFC是一种新型的FACTS装置，属于第二类。所有事实*通讯作者。电子邮件地址：ghorbani a@abhariau.ac.ir（A. Ghorbani）。电子研究所（ERI）负责同行评审https://doi.org/10.1016/j.jesit.2017.01.0022314-7172/© 2017电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。A. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）6869Fig. 1. GIPFC模型。表1FACTS实现的不同配置的开关图。1.一、案件编号开关状态事实S1S2S31密切密切密切GIPFC2密切密切开放UPFC + SSSC 13开放密切密切IPFC + STATCOM4密切开放密切UPFC + SSSC 25开放开放开放STATCOM + SSSC 1 +SSSC 2设备仅能够控制一条传输线的参数。例如，UPFC只能控制其自身传输线路的传输有功和无功功率这在环形网络中是不期望的例如，当UPFC增加其自身线路的发射功率时，其它线路的发射功率减小，这是不期望的。GIPFC是用来解决这个问题。它可以同时控制多条输电线路，消除了统一潮流控制器的缺点GIPFC有一个并联变流器（STATCOM），它通过直流链路连接到多个每个串联转换器位于单独的传输线中。GIPFC的一般结构如图1所示，假设有两条传输线。如果所有开关S1、S2和S3都闭合，则结果将是GIPFC。配置的灵活性是GIPFC的另一个优势。表1列出了不同开关设置导致的不同操作模式。利用UPFC引入可转换和多用途控制器以增加传输线性能（Huang等人，2000;Bian等人，1996年）。这类控制器采用电压源变换器，可分别用于电压控制、阻抗补偿或角度补偿。它们还可以连接到一个共同的直流链路，以利用广泛的传输功率控制能力（图1）。①的人。 从图中可以看出，GIPFC由两个静止同步串联补偿器（SSSC）和一个并联静止同步补偿器（STATCOM）组成。当S1断开时，STATCOM将用于电压或无功功率控制（Sen，1999）。 两个组合SSSC与一个共同的直流环节导致一个线间潮流控制器（IPFC）。其中一个SSSC的输出电压具有可控的幅度和相位。另一个SSSC用于有功功率控制。这种组合可以用于控制多线路系统中的有功功率，在高负载线路和低负载线路之间转移负载（Gyugyi等人， 1998年）。第一个多线控制器是IPFC，稍后对其进行了分析（Jianhong等人，2002; Diez-Valencia等人，2002;Wei等人，2004;Sun等人，2008），研究广义UPFC，其中主要因素模型的GUPFC用于稳定性分析。在电力系统中增加FACTS装置总成本的原因之一是在它们旁边使用滤波器FACTS装置由于采用了电压源换流器，注入的谐波很高。因此，必须使用不同的过滤器。为了解决这个问题，现在已经提出了48脉冲转换器，其减少注入的谐波并且不需要滤波器。在Hingorani和Gyugyi（2000年）以及El-Rissi和Sharaf（2005年）中，已经调查了使用这48个脉冲转换器的SSSS和STATCOM的性能本文首次提出了一种48脉波变换器用于GIPFC，并给出了相应的控制器70A. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）681−X111XL1XL11jXL1XL1XL1图二. 模型系统。在这篇论文中。在Vasquez-Arnez和Zanetta（2008）中，已经提出了一种分析方法来研究使用GIPFC的功率传输控制。本文用这种解析方法对仿真结果进行了仿真结果表明，GIPFC可以独立控制多条线路的发送功率，使一条线路的功率波动不影响其他线路。此外，GIPFC的结果已经与UPFC的结果进行了比较，以突出GIPFC的优点。最后，对GIPFC中的48脉波变换器进行了谐波分析。结果表明，这些变换器通过适当的控制器，显着减少谐波。2. GIPFC分析所研究的系统如图所示。 二、假设两条线的参数相同。采用基于d-q方程的稳态模型，可以方便地对理想电压源进行建模。因此，本文采用d-q坐标方程电流和电压方程如下（Vasquez-Arnez和Zanetta，2008年）：I<$1=I< $o+I<$ c（一）在上面的等式中，Io表示无补偿的线路1的电流I<$ c：表示线路1的电流1 1来自V1C补偿器。为简单起见，传输线电阻应可忽略不计。假设XL1=XL11+XL12和XL2=XL21+XL22，所以我们有：Io=. V1q−V2q−jV1d−V2d（2）同样，我们有：I<$c=V<$1 c=. V1cq−jV1cd（3）替换Eqs。（3）和（2）在等式中。（1）、有功和无功功率可按如下方式提取P1=Po+。V2V1cqdV2L1V1cdqXL1（四）ΣΣA. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）68711+XQ1=Qo+。V2V1cqqV2L1V1cddXL172A. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）6822d22章22doo“我的天，1个d1Q22章22dQo和Po是无补偿时的无功功率和有功功率。我们可以重复同样的计算，1 1第二行。唯一的区别是存在来自STATCOM的Ish甲21 =IoV2cqXL22++Id22dXL2XL2SHD甲21 =IoV2cdXL22− +Iq22qXL2XL2V2cqXL21SHQ（五）I22d=Io+XL2−XL2 我shdI22 =IoV2cdXL21+ −Iq22qXL2XL2SHQ因此，STA TCOMb us或V<$21的d-q电压为：V21d=V 1d+XL 21I 21q;V 21q=V 1q−XL 21I 21d（6）SSSC 1（串联转换器）的电源为：Pse1=V 1cdI 1d+V 1cqI 1q（7）类似地，SSSC 2的功率为：Pse2=V 2cdI 22d+V 2cqI 22q（8）替换Eq。（5）在Eq. （8）我们有：PSE2=10V2cdI22d +V2cqI22qXL21（五）L22CD我shd+V2cqIshq（9）对于并联补偿器，我们有：Psh=V21dIshd+V 22qIshq（10）替换Eqs。（5）和（6）在等式中。（9）我们有：Psh =Ishd.V1d+XL21IoXL21VL22CD+ISHQ.V1q+XL21IoXL21VL22cq中国（11）忽略逆变器损耗，可以说并联转换器为两个串联转换器供电Psh=Pse1+Pse2（12）替换Eqs。（1），（7），（9）和（11）在方程。（12）我们有：（V1cdIo+V1cqI）+（V2cdI+V2cqIIshd（V1d+XL21Io-Ishq（V1q−XL21I=0（13）D换句话说：阿布哈兹- -X- -X- -XOO22d22章A. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）6873d−bIshd−shq=0（14）STATCOM为控制V21而吸收或提供的无功功率为：Qsh=（V21qIshd−V 21dIshq）（15）替换Eqs。（5）和（6）在等式中。（15）我们有：k1（Ishd）2+（k2V2cq−a）Ishd+k1（Ishq）2−（k2V2cd−b）Ishq+c=0（16）74A. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）6821B=k2（V2cq+aV2cd）−1一一CDD2XL2cq）−（V2图三. P–Q curve for其中：k1=XL21XL22/ XL2， k2=XL21/ XL2，c=Qsh使用公式根据公式（14）和（16），可以获得参数Ishd和Ishq2SHD+BIshd+C=0（17）其中A、B和C如下：A=k1 1+.b200一B. a3+ 2 bdk1+ab2bd一个（十八）C=d。k1d−k2V2+b+ac电流可以使用方程获得（14）和（18）。 使用电流，接收器处的有功功率和无功功率可以如下导出：P2=Po+V2d（V2V2q- X L 21 IshdV2qXL2cdV2D-XL21Ishq）（十九）Q2=Qo+XL2（V2cq−XL21Ishd）+XL2（V2cd+XL21Ishq）P0和Q0为无补偿时第二条线路的有功功率和无功功率在下一节中，GIPFC2 2在P-Q曲线分析的基础上，对不同的运行方式进行了运行分析2.1. GIPFC运行分析利用P-Q曲线分析了GIPFC对有功和无功功率的控制能力。该曲线表示对于从0到360Ω变化的不同输出电压度值，接收端的有功功率和无功功率。图3示出了在以P0和Q0为中心的所示圆圈内是串联转换器SSSC 1的可控区域。半径与SSSC 1注入 图图4示出了SSSC 2的第二线可控区域。V1c= 0.2 p.u，角度= 15°，δ= 30Ω。从图中可以看出，在这种情况下，曲线不是圆这是因为STATCOM，AIA. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）6875见图4。 P–Q curve for图五. SSSC 2预计将参考Eq。（十九）、原因是UPFC中STATCOM的存在产生了并联电流（Ishd和Ishq），其对有功功率和无功功率的影响已在等式中提供。（十九）、这两个电流分量（Ishd和Ishq）导致方程被转换为椭圆方程。通过绘制方程可以看出，在这种情况下，Po和Qo也不在中心。改变系统负载角将改变P0和Q0值，1 1结果，以P0和Q0为中心的SSSC 1可控区域也将移位我可以从EQ中实现（4）线1独立于线2。P-Q面积对于所有载荷角值保持相同。然而，对于更高的载荷角值，线2的P-Q区域将不再是椭圆形的。图5所示为不同负载角值（V 1 c = 0.2 p.u，角度= 15 μ m，V 2 c = 0.15 p.u）的SSSC 22.2. GIPFC与UPFC和IPFC的UPFC不使用串联转换器SSSC 1 图图6显示了UPFC和GIPFC的P-Q比较，在GIPFC的情况下，V 1 c = 0.2p.u，V 2 c = 0.15 p.u，角度= 15 μ m。可以看出，面积保持不变，只有它在P-Q曲线中移动76A. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）68见图6。P–Q curve comparison between UPFC and见图7。P–Q curve comparison between IPFC andIPFC通常包含多个串联补偿器，这些补偿器在其DC端子中彼此连接在这项研究中，两个SSSC被认为是IPFC 在这种配置中，除了串联无功补偿之外，每个转换器还可以用于将有功功率从传输线供应到其公共DC链路（Hingorani和Gyugyi，2000）。对于IPFC，GIPFC（STATCOM）的分流部分未使用，这意味着Qsh= 0且Ish= 0。还假设SSSC 1独立地控制其输出电压幅度和相位值。SSSC 2为SSSC 1提供有功功率;因此，Vc2q独立控制，Vc2d取决于Vc1，V c1定义在等式中。（十三）、 图图7显示了获得的结果。第一行的可控区域类似于GIPFC在回路中的情况然而，第二条线的可控范围是有限的情况下，GIPFC是在回路中。事实上，这是GIPFC相对于IPFC最重要的优势之一。A. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）6877±±见图8。GIPFC控制器。3. GIPFC控制器GIPFC优越的运行性能主要是由于其独特的能力，注入一个串联补偿交流电压系数与任意数量的幅度和相位，同时发送命令，为两个系统，即使有不同的电压水平。并联转换器以试图吸收受控电流Ish并将其注入线路的方式操作通过在串联变流器处强制输入有功功率，自动提供Ishd系数由于另一个电流因数Ishq是无功的，因此可以将其调整为转换器可控限值内的任何参考值 串联和并联转换器控制器如图所示。8.第八条。Q Ref和P Ref由外部控制器（即，操作员）。有了这两个值和V22的Vd和Vq因子，将获得IqRef和IdRef的适当值将获得的参数与来自线路的测量值（I d和I q）进行比较，并且在适当放大之后，将其用于计算串联转换器输出电压的角度和幅度。SSSC2的控制器与SSSC 1的控制器完全相同。在串联补偿器输出处使用电压限制器以考虑实际约束，所述实际约束可以来自系统特性或由装置施加的限制（Khederzadeh和Ghorbani，2012; Ghorbani等人， 2016年）。在没有AC滤波器的情况下，在高功率FACTS设备中使用多达24个脉冲的转换器可能会产生更高级别的谐波，这在大多数情况下是不可接受的通常，对于24脉冲转换器，在变压器侧使用设置为23次和25次谐波的高通滤波器使用48脉冲转换器（四个12脉冲转换器）可以是另一种选项.采用了相位差为7.5μ48脉波转换器可在高功率高电压应用中使用，而无需任何交流滤波器在这种类型的转换器中，输出电压包括来自48 n-1（47，49，95，97和. . . ）阶，振幅为基谐波的1/48 n1倍。在MATLAB/Simulink环境中实现的48脉冲转换器的配置如图9所示。如图10所示，48脉冲转换器的半周期输出是如何由四个12脉冲转换器的输出之和产生的。 48和24脉冲转换器（VAN）的输出及其FFT分析如图所示。 十一岁从图中可以看出。48脉冲的THD值是24脉冲的THD值的一半。4. 仿真结果图图2显示了模型化的系统。建模的STATCOM具有200 MVA标称功率，以使其能够提供每个串联转换器所需的功率（100 MVA）。48脉冲VSC用于模拟串联和并联转换器。两个系统之间的角度差等于δ= 30o。不同操作模式的模拟结果如下所示78A. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）68见图9。MATLAB/Simulink环境下的484.1. GIPFC仿真结果在该操作模式下，使用所有三个转换器，并且GIPFC处于其全操作状态。模拟结果如图1和2所示。12比18 线路1和线路2受端的有功功率如图1和图2所示。分别为12和14。P Ref1、P Ref和GIPFC测得的有功功率如图2和3所示。 13和15可以观察到，输出紧密跟随参考输入。可以得出结论，对于两条线路，可以在宽范围内控制STATCOM安装点的实测电压（V22）如图所示。 十六岁 STATCOM通过注入无功功率独立调节V 22。 STATCOM还应能够为两个串联转换器提供有功功率，如图所示。 十七岁48脉冲并联转换器（STATCOM）的输出和V 22，Iash如图18所示。逆变器电压与逆变器电压之间的相位差越大，STATCOM注入的有功功率越还可以提及的是，STATCOM向系统注入无功功率，因为转换器输出电压大于V22。4.2. UPFC在此状态下，不使用SSSC 1功率控制类似于GIPFC状态，不同之处在于，在这种情况下，第一线保持未补偿。 模拟结果如图1A和1B所示。 19和20，对于这个案子。从图中可以看出。在GIPFC的情况下，当第一线路处的传输功率被调节到固定值时，第一线路处的传输功率已经减小。应该注意的是，我们已经证明，即使是第一线的传输功率也可以使用GIPFC来增加A. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）6879见图10。48脉冲转换器输出。图十一岁转换器的输出及其FFT分析（a）24脉冲，（b）48脉冲。80A. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）68见图12。1号线有功功率图十三. SSSC 1的参考信号和实测有功功率。见图14。2号线的有功功率图15. SSSC 2的参考信号以及测量的有功功率。4.3. 比较分析和模拟结果在本节中，将分析结果与模拟结果进行比较。图图21和图22分别示出了包含分析结果和模拟结果的UPFC和SSSC 1的P-Q曲线。可以看出，解析结果与模拟结果非常相似。例如，图中显示了SSSC 1在GIPFC模式下注入的无功和有功功率。 23（a）和（b）。 将这两个图结合起来，并将它们转换为P-Q表示，将得到图1所示的相同曲线。 21岁A. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）6881图16. V 22和STATCOMV参考图十七岁STATCOM有功功率与串联变流器有功功率之和图18. STATCOM 48脉冲变流器输出连同I灰。图19. 2号线的有功功率82A. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）68图20. 2号线的有功功率图21.与仿真结果相比，UPFC注入电压不同值的解析图22. SSSC 1注入电压不同值的分析5. 结论在环网中，统一潮流控制器（UPFC）通过控制线路的传输功率，改变相邻线路的传输功率。GIPFC配置用于控制两条或多条线路同时传输功率。它能够独立地控制线路，而不影响其他线路。GIPFC提供了一个减少A. 古尔巴尼等人/电气系统与信息技术学报5（2018）6883图23岁在接收端使用GIPFC的UPFC部分进行无功（a）和有功（b）功率控制在过载期间传输线路的功率并经由其它线路传输功率本文介绍了GIPFC的工作原理，首次采用了48个脉冲变换器，并提供了相应的控制器本文研究了GIPFCGIPFC对发生在控制器的特定部分中的故障具有容忍性，即，如果GIPFC的一个组件发生故障，GIPFC仍将继续其操作。它还表明，在GIPFC设计中使用48脉冲转换器，不需要安装额外的AC滤波器。灵活性和广泛的操作范围使GIPFC成为未来工作的理想选择GIPFC的应用对暂态稳定、电压稳定等方面的影响可以作为今后的研究方向。本文给出了48和24脉冲变换器的输出从结果中可以观察到，48脉冲的THD值是24脉冲的THD值的一半。引用黄志，例如，2000. 统一潮流控制器在互联电力系统中的应用-建模、干扰、控制策略及案例。IEEETrans. PowerwerSyst.15（May（2）），817-824.卞，J.，D.G.雷米，纳尔逊，R.J.，Edris，A.，1996. 统一潮流控制器（UPFC）的设备尺寸和约束条件的研究. In：Proc.IEEE/PowerEng.Soc.Transm. 分布量确认，LosAngeles，CA. 332-338Sen，K.K.，1999. 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