[发明专利]一种基于ADPSS的分布式潮流控制器建模及仿真方法

权利要求书

1.一种基于ADPSS的分布式潮流控制器建模及仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在ADPSS/ETSDAC仿真环境下搭建双回线输电系统仿真模型，送电端电压为Vs，受电端电压为Vr，输电线路首末端的Y-△变压器分别为T₁和T₂，第一输电线路的阻抗为XL₁，第二输电线路的阻抗为XL₂，其中第一输电线路上装有分布式潮流控制器串联侧变流器模型，并联侧三相变流器与送电端通过变压器T_sh相连；

2)在ADPSS/ETSDAC仿真环境下利用UDM功能，采用等效电压源，搭建串联侧变流器等效数学模型，串联侧变流器等效数学模型一方面用于在并联侧发出三次谐波，使其自身直流电容电压能够维持稳定，另一方面用于根据系统对基频有功功率需求的响应，来产生相应的基频电压，从而控制线路有功功率；

搭建串联侧变流器等效数学模型具体包括以下步骤：

2.1)分别将接入在被控线路的各相中的串联侧变流器等效为一个单相基波可控电压源和一个单相三次谐波可控电压源串联而成的等效数学模型；由于每一相的串联侧变流器的等效数学模型搭建过程都相同，因此以其中的某一相为例，建立串联侧变流器等效数学模型；

2.2)串联侧等效数学模型数学关系的推导，具体如下：

由于串联侧变流器向系统注入的电压V_se存在基波和三次谐波两种频率的电压分量，因此V_se表示为：

其中，为串联侧变流器向系统注入的基波电压，为串联侧变流器向系统注入的三次谐波电压；将分解成与首端母线电压同相的横轴分量和与首端母线电压垂直的纵轴分量通过改变和的幅值，控制所在输电线路的潮流；将分解成与输电线路中三次谐波电流同相的横轴分量和与输电线路三次谐波电流垂直的纵轴分量通过改变和的幅值，控制调节串联侧的三次谐波有功功率和无功功率；

串联侧变流器向系统注入的电压分量与串联侧直流电容电压的数学关系如下所示：

式中k_se为串联侧耦合变压器的变比，θ_se1、θ_se3、m_se1、m_se3分别为控制器产生的串联侧基波的相角、三次谐波的相角、基波的调制比信号、三次谐波的调制比信号，V_se,dc为串联侧直流电容电压；

串联侧吸收的有功功率P_se表示为：

式中为串联侧产生的基波电压与线路基波电流的相角差，为串联侧产生的三次谐波电压与线路三次谐波电流的相角差，I₁、I₃分别为输电线路上的相电流的基波、三次谐波的电流分量；

忽略变流器开关和耦合变压器损耗，串联侧变流器吸收的有功功率P_se用串联侧直流电容储存的功率P_dc表示，得到如下所示的功率平衡方程：

P_se＝P_dc (5)

综合上面的关系式，推导出单相串联侧变流器等效数学模型如下所示：

2.3)完成了单相串联侧变流器等效数学模型数学公式的推导之后，进行控制方案的设计，包括单相串联侧变流器有功功率无功功率控制模型的搭建、单相串联侧变流器直流电容电压控制模型的搭建：

2.3.1)搭建三个单相串联侧变流器有功功率无功功率控制模型，各相有功功率的目标值P_ref1、P_ref2、P_ref3分别和各相线路上实际的有功功率P₁、P₂、P₃进行比较得到误差信号ΔP₁、ΔP₂、ΔP₃，各相无功功率的目标值Q_ref1、Q_ref2、Q_ref3和各相线路上实际的无功功率Q₁、Q₂、Q₃进行比较得到误差信号ΔQ₁、ΔQ₂、ΔQ₃，误差信号分别经过PI控制器之后，最终得到与首端母线电压同相的横轴分量和与首端母线电压垂直的纵轴分量再经过幅值与相角的计算，就得出三个单相串联侧基波可控电压源分别需要的电压幅值Vse_1A、Vse_1B、Vse_1C和电压相角θ_se1A、θ_se1B、θ_se1C，使得各相线路上实际的有功功率P₁、P₂、P₃和无功功率Q₁、Q₂、Q₃分别稳定在有功功率的目标值P_ref1、P_ref2、P_ref3和无功功率的目标值Q_ref1、Q_ref2、Q_ref3附近；

2.3.2)搭建三个单相串联侧变流器直流电容电压控制模型，给定串联侧直流电容电压目标值为VdcSEref，分别与三个单相实际值VdcSE_A、VdcSE_B、VdcSE_C比较得到误差信号ΔV_dcSEA、ΔV_dcSEB、ΔV_dcSEC，误差信号ΔV_dcSEA、ΔV_dcSEB、ΔV_dcSEC分别通过PI控制器之后，最终得到与输电线路中三次谐波电流同相的横轴分量即用来控制的有功分量并保持无功分量的幅值始终为0，再经过幅值与相角的计算，得到三个单相串联侧三次谐波可控电压源所需要的电压幅值Vse_3A、Vse_3B、Vse_3C和电压相角θ_se3A、θ_se3B、θ_se3C，使得三个单相实际值VdcSE_A、VdcSE_B、VdcSE_C稳定在目标值VdcSEref附近；

3)在ADPSS/ETSDAC仿真环境下利用UDM功能，采用MMC平均值模型，搭建并联侧变流器等效数学模型，并联侧由于只表现基波等效电压源的特性，因此只搭建并联侧三相变流器部分，从外特性上来看，相当于搭建一个MMC-STATCOM平均值模型；

搭建并联侧变流器等效数学模型具体包括以下步骤：

3.1)并联侧系统无功功率Q_sh和并联侧直流电容电压VdcSH是并联侧变流器等效数学模型的控制目标，根据并联侧桥臂子模块个数N，将DPFC并联侧三相变流器的6个桥臂输出等效为6个可控电压源，结合最近电平逼近策略给出可控电压源需要的信号，MMC平均值模型在得出每相上下桥臂的投入子模块个数后，乘以每个子模块的平均电压uc，即VdcSH/N，N为并联侧桥臂子模块个数，得到6个可控电压源的电压输出；

3.2)并联侧等效数学模型数学关系的推导，具体如下：

分布式潮流控制器并联侧变流器在abc坐标系下的数学模型，如式(7)所示：

式中L＝l_t+l_s/2，u_a、u_b、u_c和i_a、i_a、i_a分别表示并联侧交流系统的三相交流电压和三相交流电流，e_a、e_b、e_c分别为并联侧变流器的三相交流输出电压，r_t、l_t分别为并联侧换流变压器的等效电阻和等效电感，l_s为并联侧变流器的桥臂电感；

设定j＝a,b,c，对于某j相的上桥臂和下桥臂电路进行数学分析，得到：

式中，V_j上桥臂、V_j下桥臂分别为某j相的上、下桥臂对应的可控电压源需要的输出电压信号，将式(8)中的两式相加，即得到e_j的表达式为：

公式(7)和(9)是并联侧变流器对于三相静止坐标系的动态数学模型，描述了其并联侧变流器的动态特性，但是正弦形式的交流并不适合控制器的设计，因此对公式(7)进行dq轴坐标变换，经整理得到并联侧变流器在dq轴下的数学模型：

式中u_d、u_q分别为并联侧接入点电压在dq轴坐标系下的d轴分量和q轴分量，e_d、e_q分别为并联侧可控输出电压的d轴分量和q轴分量，i_d和i_q分别为流入并联侧变流器的电流的d轴和q轴分量，ω为并联侧交流系统的角频率，公式(10)即为并联侧变流器等效数学模型；

3.3)完成了并联侧变流器等效数学模型数学公式的推导之后，进行控制方案的设计，包括并联侧直流电容电压控制模块的搭建、并联侧系统无功功率控制模块的搭建、最近电平逼近控制模块的搭建：

3.3.1)首先搭建并联侧直流电容电压控制模块，该模块由直流电容电压外环控制模块和d轴内环电流控制模块两个部分组成：

设计直流电容电压外环控制模块，通过给定并联侧直流电容电压目标值VdcSHref，和实际测得的并联侧直流电容电压VdcSH进行比较得到误差信号ΔVdcSH，然后误差信号ΔVdcSH通过外环PI控制器得到d轴电流分量参考值Idref；

设计d轴内环电流控制模块，通过直流电容电压外环控制模块给出的d轴电流分量参考值Idref，和实际测得的d轴电流分量Id进行比较得到误差信号ΔId，然后误差信号ΔId通过内环PI控制器得到d轴电压分量Vd；

3.3.2)然后搭建并联侧系统无功功率控制模块，该模块由无功功率外环控制模块和q轴内环电流控制模块两个部分组成：

设计无功功率外环控制模块，通过并联侧系统无功功率目标值Qshref和并联侧系统无功功率Qsh进行比较得到误差信号ΔQsh，然后误差信号ΔQsh通过外环PI控制器得到q轴电流分量参考值Iqref；

设计q轴内环电流控制模块，由无功功率外环控制模块给出的q轴电流分量参考值Iqref，和实际测得的q轴电流分量Iq进行比较得到误差信号ΔIq，然后误差信号ΔIq通过内环PI控制器得到q轴电压分量Vq；

3.3.3)最后搭建最近电平逼近模块，理想情况下，不计控制器计算时间和触发延迟，并且忽略子模块的电容电压波动，子模块的电容电压均为uc，即为VdcSH/N，根据最近电平逼近的原理，将从并联侧直流电容电压控制模块得到的d轴电压分量Vd、并联侧系统无功功率控制模块得到的q轴电压分量Vq，经过派克反变换得到三相调制电压Varef、Vbref、Vcref，根据并联侧桥臂子模块个数N，计算得到并联侧变流器的上、下桥臂参考电压，再分别除以子模块的电容电压uc，然后取整，则得到各相上桥臂、下桥臂需要投入的子模块个数；

由于子模块的电容电压均为uc，根据各相上桥臂、下桥臂需要投入的子模块个数，计算得到并联侧三相变流器6个桥臂对应的6个可控电压源需要的输出电压信号，即Va_上桥臂、Va_下桥臂、Vb_上桥臂、Vb_下桥臂、Vc_上桥臂、Vc_下桥臂，从而使Qsh稳定在目标值Qshref附近，并且使VdcSH稳定在目标值VdcSHref附近。

2.根据权利要求1所述的基于ADPSS的分布式潮流控制器建模及仿真方法，其特征在于，上述步骤3.3.1)中设计直流电容电压外环控制模块时，如果VdcSH低于VdcSHref，外环PI控制器增大Idref，通过对并联侧直流电容充电从而升高并联侧直流电容电压；如果VdcSH高于VdcSHref，外环PI控制减小Idref，通过对并联侧直流电容放电从而降低并联侧直流电容电压；在变流器的容量范围内，并联侧直流电容电压VdcSH被控制在目标值VdcSHref附近。