摘 要

本文首先分析了分布式潮流控制器系统的研究背景及研究意义。

根据现在的电力系统发展历程分析，随着电力系统行业的逐步发展与扩大，外加各个地区的电网互相并网的局面的形成，电力系统对于各个电网的安全稳定性与应对突发性问题能力、降低电网脆弱性的能力要求越来越高。随着电力系统行业的不断进步，电力系统早已进入利用超高压线路进行远距离输电、电网跨区域进行相互并网的新阶段。然而由于经济因素和面临的环保问题，这些相关因素限制了电网线路的建设，使线路的增加速度远远不能满足人们对电力能源的需要。这就要求我们灵活的对输电网各个线路的潮流进行调节与优化，增加输电网线路输送电力能源的能力，以充分利用现在电网现已有的资源，提高电网资源的利用率并降低无关损耗。现在目前，提高电力系统中对潮流流向的控制能力以及提高电力系统网络中输电线路的输送电能的能力可以采用柔性交流输电技术，在不改变目前电力系统网络结构的情况下，利用柔性交流输电技术可以提高电力系统网络的电能输送能力以及大大提高电力网络内潮流和电压的可控性。统一潮流控制器是目前电网中柔性交流输电技术设备里面功能最为强大的潮流控制装置，它具有调节电力系统线路电压、相角，对串联功率进行补偿以及加强对电力系统网络中对潮流控制等功能。

分析统一潮流控制器的公共直流链路和第二次分配串联转换器，通过一定设计，转变为新的DPFC/FACTS设备。分布式潮流控制器由一个分流器和几个串联连接的电流转换器组成，分流转换器类似于静止同步补偿器，而串联转换器采用D-FACTS概念，淘汰了原本应用一个大额定转换器的设计，改为使用多个单相转换器，大大提高了系统的稳定性。分布式潮流控制器内的每个转换器都连接一个直流电容并且相互独立，以提供分布式潮流控制器所需的直流电压。

分析DPFC的稳态行为，并且DPFC的控制能力以网络和DPFC的参数表示。

简化DPFC，转换器由CON替换可控电压源与串联阻抗。由于每个转换器会产生两个不同频率的电压，它由两个串联的可控电压源表示，一个在基频，另一个在三次谐波频率。假设转换器和传输线是无损耗的，两个频率电压源产生的总有功功率将为零。多串联转换器简化为一个大电压转换器，其电压等于所有串联转换器的电压之和。

介绍PSCAD/EMTDC仿真软件各部分功能，明确各个部分的功能，并借助电力系统软件PSCAD/EMTDC仿真软件对分布式潮流控制器系统进行仿真，并对上述不同种类型的控制器进行分析。

关键词：电力系统；分布式潮流控制器；PSCAD；仿真分析

Abstract

Firstly, the research background and significance of distributed power flow controller system are analyzed.

According to the analysis, with the expansion of power grid scale and the formation of interconnected large power grid, the security, stability and vulnerability of power grid become more and more prominent. With the continuous progress of the power system industry, the power system has already entered a new stage of using ultra-high voltage lines for long-distance transmission and grid interconnection across regions.Due to economic and environmental reasons, the construction of transmission lines is limited, which requires flexible regulation of line flow and increased transmission capacity to make full use of the existing resources of the power grid. Flexible AC transmission technology can improve the control ability of power flow direction and transmission capacity of transmission lines. Without changing the network structure, the power transmission capacity and the controllability of power flow and voltage of the network are greatly improved. Distributed power flow controller is the most powerful power flow control device in flexible AC transmission technology equipment. It has the functions of line voltage regulation, phase angle regulation, series compensation and power flow control.

The common DC link and the second allocation series converter of UPFC are analyzed and transformed into a new FACTS device - DPFC through some design. DPFC consists of a shunt and several series connected converters. The shunt converter is similar to STATCOM, while the series converter uses the concept of D-FACTS, even though multiple single-phase converters are used instead of a large rated converter. Each converter in DPFC is independent and has its own DC capacitor to provide the required DC voltage.

The steady-state behavior of DPFC is analyzed, and the control capability of DPFC is expressed by the parameters of network and DPFC.

DPFC is simplified, and the converter is replaced by CON by a controllable voltage source in series with impedance. Because each converter generates two different frequencies of voltage, it is represented by two series controllable voltage sources, one at the fundamental frequency and the other at the third harmonic frequency. Assuming that the converter and transmission line are lossless, the total active power generated by the two frequency voltage sources will be zero. The multi-series converter is simplified to a large voltage converter whose voltage equals the sum of the voltages of all series converters.

This paper introduces the functions of each part of PSCAD / EMTDC simulation software, clarifies the functions of each part, and simulates the distributed power flow controller system with PSCAD / EMTDC simulation software of power system, and analyses the different types of controllers mentioned above.

Key words: power system; distributed power flow controller; PSCAD; simulation analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 论文研究背景与意义 1

1.2 国外分布式潮流控制器系统研究现状 3

1.3 国内分布式潮流控制器系统研究现状 4

1.4 本课题研究内容 4

1.5 本章小结 4

第2章 分布式潮流控制器基本结构与工作原理 4

2.1 系统结构及工作原理 4

2.2工作方式 6

2.2.1 并联侧工作方式 6

2.2.2 串联转换器工作方式 7

2.3 分布式潮流控制器的功率交换原理 9

2.4 分布式潮流控制器潮流控制能力 10

2.5 本章小结 11

第3章 分布式潮流控制器系统仿真分析与参数设计 12

3.1 常规控制系统设计 12

3.1.1 并联侧控制器设计 12

3.1.2 串联侧控制器设计 12

3.2 分布式潮流控制器仿真模型 13

3.3装有分布式潮流控制器后潮流变化 14

3.4 参数取值 15

3.4 本章小结 16

第4章 软件学习及故障分析 17

4.1 PSCAD简介 17

4.2 PSCAD功能 17

4.3 PSCAD优点 17

4.4 用PSCAD仿真遇到的问题 18

第5章 结论与展望 19

5.1 全文工作总结 19

5.2 后续工作展望 19

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

本章主要介绍论文的研究背景与意义，分析分布式潮流控制器系统相比传统统一功率流控制器的优势及其在国内外研究的现状，比较国内国外分布式潮流控制器系统存在的主要差距，并介绍本课题研究内容。

1.1 论文研究背景与意义

近年来，我国电力系统的发展方向在向国家统一发布的任务靠拢的同时，积极向推动能源消费革命，抑制不合理能源消费；推动能源供给革命，建立多元供应体系；推动能源技术革命，带动产业升级；推动能源体制革命，打通能源发展快车道；全方位加强国际合作，实现开放条件下能源安全的核心方向进行发展。能源发展战略的全方面落实，在保障电力系统能够稳定运行、保持可靠供应和提供电力支撑的同时，带领我国的电力系统行业的不断进步，让我国的电力系统发展顺利进入利用超高压线路进行远距离输电、电网跨区域进行相互并网的新阶段。[1]。目前我国电力行业目前正加快新能源发电产业的发展，在不断地对电力系统的网络线路结构进行优化设计，为了持续推进我国的电力系统向市场化进行发展，我国对与科技的扶持方向逐渐向电力科技创新靠拢[2]，为国家经济社会发展、能源转型升级和落实国家充分依靠中国与有关国家既有的双多边机制，借助既有的、行之有效的区域合作平台，借用古代丝绸之路的历史符号，高举和平发展的旗帜，积极发展与沿线国家的经济合作伙伴关系，共同打造政治互信、经济融合、文化包容的利益共同体、命运共同体和责任共同体的战略，不断提高电力系统电网运行的安全性、稳定性、灵活性和高效性[3]。我国电力行业目前正在不停歇的建设建设电力系统网络，逐步扩大电力系统网络的规模，按照建设国家电网的方案不断将各个地区的电网相互并网，成为统一的大电网系统，例如正在建设和快要完工的“南北互供”、“西电东送”和“全国联网”等工程，这些工程大大优化了我国现在电力系统网络资源的结构和配置，实现了电力能源的统一调度[4]。

然而随着电力系统行业的逐步发展与扩大，外加各个地区的电网互相并网的局面的形成，电力系统对于各个电网的安全稳定性与应对突发性问题能力、降低电网脆弱性的能力要求越来越高[5]。随着电力工业的发展，虽然我国电力系统早已进入利用超高压线路进行远距离输电、电网跨区域进行相互并网的新阶段，但是由于包括经济和保护环境在内的种种因素，限制了新的输电线路的建设。这就要求电网能灵活的调节线路潮流的同时，增加其输送电能的能力，以充分利用电网现有资源。与此同时，电网规模扩大和互联大电网带来了新的问题：过多无用功在电力系统中传输、无法控制大部分的功率流动方向致使其在电力系统中形成环流、由于电网的输送能力无法充分利用使输电网存在传输瓶颈等等。这些问题正是解决电网的安全稳定性与脆弱性问题的方向。

在国内，因为分布式发电技术具有利用能源效率高、初期投资建设花费小、发电方式可以根据当地环境灵活和结合地形进行选择等优势，中小型分布式发电产业蓬勃发展[6]。但随着越来越多的的中小型分布式发电接入电力系统的配电网侧，电网内输电网向配电网输送的潮流方向发生改变；由于新能源分布式发电受环境影响较大，使电力系统需要潮流功率控制来补偿新能源分布式发电的不稳定性；由于新的输电线路的建设被限制，需要用潮流控制手段提高现有线路的传输功率；电网内的功率阻塞、造成巨大功率损耗以及线路中的双向潮流也需要潮流控制。由此观之，潮流控制是未来电力系统的必不可少的一环，需要合适的潮流控制器和潮流控制方法来保证未来电力系统稳定并灵活的应对出现的电力系统中的功率损耗问题。

根据目前电力系统的运行特点，为了解决电网中的与功率相关的各种问题，电力系统的潮流大小和方向需要进行控制，为了保证电网的安全稳定的运行，需要在电力系统中引入适当的潮流控制设备。

电力传输系统中的潮流需要一种能够快速可靠地将其控制的方法，目前采用的是柔性交流输电技术（FACTS），被IEEE定义为“基于电力电子的系统和其他静态设备，提供对一个或多个交流传输系统参数的控制，以增强可控性和增强功率传输能力”，可用于对电力系统网络的潮流进行控制。目前统一潮流控制器（UPFC）是功能最强大的柔性交流输电技术设备，它可以同时控制电力系统中的所有参数，包括各条线路的阻抗，潮流传输相位角度和各条母线的电压。

统一潮流控制器（UPFC）是目前功能最强大、特性最优越的新一代柔性交流输电装置，它综合了FACTS元件的绝大部分对潮流灵活控制的方法，它可以独立的非常快速的对电力系统网络输电线路中有功功率和无功功率同时进行控制[7]。统一潮流控制器还可以控制电力系统线路的各个潮流分布方式,能够有效地提高目前电力系统的容错率与恢复能力[8]。统一潮流控制器是迄今为止通用性最好的FACTS装置，它综合了FACTS元件的绝大部分对潮流灵活控制的方法的同时，它还具有包括了调节线路电压、补偿串联线路功率和调整相位角度等所有能力，UPFC可以控制线路的潮流分布,有效地提高电力系统的容错率和恢复能力。统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，缩写为UPFC)的概念是由美国西屋科技中心(Westinghouse Science and Technology Center)的L. Gyugyi博士于1991年提出，并且世界上第一台统一潮流控制器装置在美国Inez变电站于1998年成功投入运营[11]。

图1.1 UPFC的简化表示

但是，统一潮流控制器有着不可避免的缺点：统一潮流控制器由两个背靠背的电路拓扑结构完全相同的变流器通过直流电容耦合形成，一旦结构出现任意一点故障，都会传递给全部的装置，引发大规模故障；统一潮流控制器装置采用高压大功率，其所运用的高压绝缘技术与材料大大提高了它的成本，使其初始投资成本很高，然而，它的投资回报缺很低[12]。

由于统一潮流控制器面临着各种各样的缺点，研发一种既有统一潮流控制器的强大功能，其稳定性和性价比又能被电力系统接受的潮流控制器迫在眉睫。

1.2 国外分布式潮流控制器系统研究现状

2004年，美国佐治亚理工学院的Divan Deepak教授等人最早提出了分布式灵活交流输电(Distributed FACTS,D-FACTS)概念，D-FACTS核心是小容量的分布式串联补偿器（DSSC），即分布式 FACTS 控制器[13]。因为分布式串联补偿器补偿度小，并且无相见绝缘问题，所以可以减小其体积和重量，使其能够分布式挂在电网的输送线路上，因此引起了众多科研工作者对其的研究，并将其可以分批建设、投资小、可靠性高的特点逐步在电力系统中应用，提高了电力系统的稳定性和灵活性[14]。

图1.2 分布式串联补偿器

2007年，荷兰Delft理工大学电力系统课题组提出了分布式潮流控制装置的思想，其方法是将统一潮流控制器串并联变流器的直流电容去掉，并在串联侧采用分布式串联补偿器[15]。这样相比起统一潮流控制器有了明显的改良，其不但提高了系统的可靠性，降低了成本，还有利于采用成熟的技术进行匹量生产[16]。

1.3 国内分布式潮流控制器系统研究现状

目前，国内对分布式潮流控制系统的研究状况不容乐观。由于我国对统一潮流控制系统的研究相较于国外而言起步较晚，虽然也取得了不少重要的研究成果，但相较于欧美比较成熟的技术和应用水平还远远不足。

早在2005年，唐爱红教授等就开始对统一潮流控制器进行研究，其研究在分布式潮流控制系统等方向上逐步深入，并取得了不少研究成果。

1.4 本课题研究内容

本文介绍了灵活交流系统（FACTS）系列中的一个新组件，称为分布式功率流控制器（DPFC）。DPFC源自统一潮流控制器（UPFC）。DPFC可以被视为具有消除的公共直流链路的UPFC。分流器和串联转换器之间的有功功率交换，通过UPFC中的公共直流链路，现在通过三次谐波频率的传输线。DPFC采用分布式FACTS（D-FACTS）概念，即在UPFC中使用多个小尺寸单相转换器而不是一个大尺寸三相串联转换器。大量串联转换器提供冗余，从而提高系统可靠性。由于D-FACTS转换器是单相的并且相对于地浮动，因此相之间不需要高压隔离。因此，DPFC系统的成本低于UPFC。DPFC具有与UPFC相同的控制能力，其包对线路阻抗，传输角度和总线电压的调整。

本课题的任务是学习基础的VSC，在pscad/emtdc软件仿真平台，研究一种既具有分布式潮流控制器的强大功能，其可靠性和成本又能被电力系统广泛接受的潮流控制方法，并对仿真结果进行分析；由分析的结果对目前的电力系统使用的的潮流控制方法进行改进。

1.5 本章小结

本章主要介绍了分布式潮流控制器系统研究的意义，分析了国内外分布式潮流控制器系统的研究现状和国内外的技术差距，最后介绍本课题的研究内容和部分安排。

第2章 分布式潮流控制器基本结构与工作原理

2.1 系统结构及工作原理

本文按照一种确定分布式潮流控制器系统参数的方法进行研究，它包括如下步骤：先建立拓扑结构模型，按其功率模型和功率守恒定律确定串联侧变流器注入输电线路的最大基频电压幅值以及串联侧3次谐波电压幅值；再由串联侧变流器自身消耗的最大有功功率确定它从线路吸收的最大3次谐波电流，然后以使3次谐波无功功率等于零为约束条件，来确定并联侧输出的最大3次谐波电压幅值，再依据归一化LPF设计对串并联侧的滤波器参数进行确认，简化分布式潮流控制器原理图如图2-1所示[19]。

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