220 kV限流式統一潮流控制器設計

(1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.國網成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

近年來，中國各省市電網的短路電流超標問題日益突出，而現有的限流措施仍以運行方式調整、網架結構改變和加裝電抗器等傳統方式為主，對電網運行靈活性、可靠性、安全性造成影響[1-4]。限流式統一潮流控制器作為一種新型FACTS裝置，在靈活控制線路電壓、相角、阻抗實現系統潮流優化，增加輸電容量的同時，可以對系統短路電流進行有效控制[5]。在電力系統短路容量不斷增大的趨勢下，限流式UPFC的優異性能可以提高電網和裝置的安全性，為此受到電力界廣泛關注。

江蘇省UPFC的投運處于全國領先水平，南京西環網UPFC示范工程和蘇州南部電網UPFC示范工程分別在2015年年底和2017年年底投運[6-7]。針對實際已投運的江蘇省含UPFC電網，文獻[8]提出了模塊化多電平UPFC(MMC-UPFC)單相接地故障后的保護策略，在220 kV南京西環網項目中進行了驗證，但MMC-UPFC會影響距離保護性能。文獻[9]針對蘇州南部電網項目，將UPFC與串聯電抗器相結合，設計了既能控制短路電流又能調節線路潮流的電抗器阻值，但當短路電流超標節點較多時，電抗器的優化布點難度大。在學術性研究方面，文獻[10-13]對10 kV電壓等級下的限流式UPFC進行了研究，采用橋式限流器與UPFC協調配合的方法，基于常規限流式UPFC構建新型拓撲結構，取得了較好的效果，但是不適用于220 kV線路。

下面針對220 kV線路，提出了一種飽和型自耦串聯變壓器與RLC串聯諧振支路相耦合的橋式限流UPFC。對其拓撲結構和限流過程進行詳細分析說明，建立故障階段數學模型，給出主要元件參數的設計方法。通過仿真驗證所提方案的有效性和可行性。

1 限流式UPFC的電路拓撲

1.1 常規限流式UPFC 拓撲結構

常規的限流式UPFC電路拓撲結構如圖1所示,其中：us、ur為系統電源；L為線路阻抗；id、iL分別為短路電流和穩態電流；并聯變壓器Tsh及串聯變壓器Tse分別將UPFC并聯側和串聯側與電網、限流器相連。串并聯變換器經直流電容C背靠背連接，其交流側濾波電感分別為Lsh和Lse。限流器模塊中，T1-T6組成晶閘管三相橋式整流電路，T7-T8為續流晶閘管，Ld、Rd為限流電感和電阻。

1.2 新型限流式UPFC 拓撲結構

適用于高壓大容量電力系統的新型限流器一般串聯在系統線路中，所提出的用于220 kV線路的限流式UPFC電路拓撲結構如圖2所示。圖2在圖1的基礎上進行了如下改進：用飽和型自耦變壓器AT替代了常規串聯變壓器Tse，使得整個限流器設備的體積與成本減小，變壓器容量被充分利用；在限流器模塊中，將由反向二極管、限流電容Cd、電力電子開關S組成的RLC串聯諧振電路作為新的限流電抗支路。

2 新型限流式UPFC的工作過程

限流器的基本原理是通過控制串聯在線路中的等效阻抗實現正常低阻與故障高阻的功能[14]。對新型限流式UPFC應提出更高的要求，需要實現故障時限流器靈敏可靠地限制短路電流，正常運行時僅作為常規UPFC，減小限流器對線路造成的影響。同時，在等效阻抗變化過程中對自身元器件和系統均不產生較大的負面影響。因此，要求新型限流式UPFC的限流器模塊憑借自身工作原理快速檢測故障電流、迅速切換等效阻抗，不借助因判斷與出口動作具有延時而導致限流器難以應對短路電流第一周波峰值的繼電保護裝置或其他裝置。

假設系統故障發生在t1時刻，對限流式UPFC的工作過程分3個階段進行分析，限流過程示意圖見圖3。

圖1 常規限流式UPFC電路拓樸

圖2 新型限流式UPFC電路拓撲

2.1 正常運行工作階段

系統在t1之前正常運行。正常運行時圖2中的飽和型自耦變壓器AT等同于常規變壓器，其公共繞組兩端短接。限流器模塊中，T1-T6工作在180°模式，T7-T8續流，開關S關斷，RC支路接入，形成RLC串聯諧振電路，呈現零阻抗狀態。短路電流id圖3所示，保持不變。此時限流器模塊整體體現零阻抗，等效為常規UPFC，系統運行損耗較小，滿足新型限流式UPFC的要求。

圖3 限流過程

2.2 過渡限流階段

t=t1(系統電壓正過零點)發生短路故障，如圖3所示。T5被迫關斷，T1、T6繼續導通，T7、T8承受反向電壓關斷，開關S導通，RC支路短接。此時線路絕大部分電壓經AT加于限流電抗Ld，即Ld自動串入回路，限制短路電流id的上升，有效抑制id第一周波峰值。過渡限流階段的等效電路如圖4所示。圖中，L1、L2分別為自耦變壓器AT的一、二次繞組自感；M為互感；uac為AT副邊的三相六脈電壓；r為系統內電阻和限流電阻等效值的和。

圖4 過渡限流階段等效電路

在過渡限流階段，限流器的等效限流電感為

(1)

根據式(1)可知，限流器的等效限流電感很大，可以實現對第一周期電流峰值的有效抑制。

直流側電容C兩端電壓udc為

(2)

由式(2)可知，短路電流經串聯自耦變壓器AT向C充電，導致其兩端電壓迅速上升，易造成電容及換流器等設備的損壞。為此，檢測到短路故障時，需對并聯側立即采取定電圧控制，使功率倒送回系統，將電容電壓穩定于Udc。

i和id滿足式(3)：

(3)

式中：IN為正常運行時線路電流幅值；Uac為uac的有效值。由于電壓幾乎全部通過AT加在Ld兩端，Udc可忽略以簡化計算，解得線路電流和短路電流分別為

(4)

(5)

由于故障時間極短，為簡化公式，可將式(4)指數項值視為1，同時忽略r，式(4)、式(5)可化簡為

(6)

(7)

根據式(6)、式(7)，在過渡限流階段，id迅速上升，t=t2時，id達到閾值Iy，控制系統判定電路發生短路故障，封鎖T1-T8的觸發脈沖，此時僅T1、T6仍處于封鎖前的導通狀態(晶閘管半控特性)。i和id一直增大到t3時刻達到峰值Im、Idm。

(8)

(9)

對式(7)進行求導，得到

(10)

由式(10)可得，在t>t1(系統電壓正過零點)，即故障發生后的一段時間內，式(10)大于0。說明限流電抗在故障發生后無需故障判斷延時，立即串入電路對短路電流第一周波上升率進行限制，等效限流電感值Lq2越大，短路電流上升速度越慢。

2.3 完全限流階段

控制系統檢測到id到達峰值后，延遲120～150°，即在t=t4時刻，開始進入完全限流階段，再次觸發導通續流管T7-T8，整流橋退出運行。id通過T7-T8續流，此時AT公共繞組兩端開路，AT相當于“帶鐵心的電抗器”，其公共繞組和串聯繞組串聯接入電路。由AT的等效電抗實現穩態限流，id逐漸衰減到0。等效電路如圖5所示(忽略系統內電阻和內電感)。

圖5 完全限流階段等效電路

此時的串聯等效電感為

Lq3=L1+L2+2M

(11)

由式(11)可知，完全限流階段，AT的一、二次繞組串聯限流，而常規的非自耦串聯變壓器結構的限流電路只有變壓器一次繞組參與限流，其等效電感約為L1。將常規串聯變壓器用飽和型自耦變壓器替代后增強了其限流能力，使L1、L2及M的設計參數值顯著減小，節省了繞組導體和鐵心材料。

3 新型限流式UPFC的關鍵參數設計

3.1 限流電感參數設計

為了使限流電感體積盡量減小，以滿足限流電感能量最優為目的來進行限流電感參數的設計。短路故障發生后，限流電感Ld儲能為

(12)

將式(9)中最大短路電流代入式(12)：

(13)

要使能量最優，求E的極值點，得到此時Ld滿足的方程：

(14)

式中：飽和型自耦變壓器AT的參數為L1、L2；M短路故障后的值可由有限元分析得到[15]；Lq2的值可由式(1)得到。

3.2 限流電容參數設計

系統正常運行時，限流器部分組成RLC串聯諧振電路，Ld和Cd的串聯等效電阻為0，則有

(15)

Ld對限流器限流水平起重要作用，一定的穩態短路電流幅值要求下，越高的電壓等級需要越大的Ld，從式(15)可以看出Ld和Cd成反比，則需要的電容Cd就相應越小，在實際高電壓等級系統中更易于配置。說明RLC串聯諧振電路作為限流電抗支路較適合所提的220 kV高壓系統。

3.3 直流電容參數設計

直流電容參與限流過程，因此設計的電容值不僅需要達到維持UPFC兩側功率平衡和電容電壓穩定的目標，還要確保裝置安全性及限流效果。

短路故障的發生使得短路電流快速為直流電容充電，導致直流電容電壓急劇上升。在檢測到短路故障后對并聯側立即采取了定電圧控制，電容電壓被穩定于Udc。為此，需要將直流電容穩定前的最大充電電壓值Udcm限制在IGBT耐壓值以下，保證UPFC串并聯換流器的安全。設在tm時刻直流電容電壓達到Udcm，則

(16)

i的表達式為式(6)，由式(16)可以計算出直流電容的合理取值C。

4 算例分析

在Matlab/Simulink中對220 kV/1.5 kA(額定電壓220 kV，額定電流1.5 kA)系統進行限流式UPFC在正常運行和短路限流情況下的仿真分析。主要仿真參數如表1所示。

4.1 正常運行

正常運行時，限流式UPFC等效為常規UPFC，對線路的潮流分布進行控制。在某節點處當線路的有功和無功指令分別發生階躍變化時，仿真結果如圖6所示。

表1 主要仿真參數

圖6 線路潮流調節曲線

從圖6可以看出，初始時刻有功、無功標幺值分別為8.7和-0.6，系統在啟動后的0.1 s內有功功率和無功功率存在輕微振蕩，之后保持穩定，對系統影響很小。在0.25 s時有功控制指令階躍到10，UPFC可以使有功功率快速準確跟蹤指令變化，且無功功率基本沒有波動。在0.5 s時無功控制指令階躍到0.7，UPFC可以使無功功率快速準確跟蹤指令變化，且有功功率基本沒有波動。說明正常運行時，限流式UPFC可以實現等效為常規UPFC，控制線路的潮流分布。

4.2 短路限流仿真

在0.2 s時系統發生三相短路，安裝常規UPFC、安裝限流式UPFC、安裝所提的新型限流式UPFC的系統短路波形分別如圖7至圖9所示。

圖7 常規UPFC三相短路電流

圖8 常規限流式UPFC短路波形

圖9 新型限流式UPFC短路波形

從圖7可知，常規UPFC在短路故障中三相短路電流最大峰值超過了110 kA，將對系統穩定運行和UPFC裝置的正常工作造成嚴重影響。從圖8可以看出，采用限流式UPFC后，短路故障時的電流峰值降低到了30 kA以下，故障后約14 ms整流橋退出運行，相比于常規UPFC性能得到了很大提升，但是短路電流衰減速度較慢，衰減為0耗時長。從圖9可以看出，采用所提出的限流式UPFC后，短路故障時的電流峰值被限制到15 kA以下，從短路故障發生到短路電流衰減為0用時10 ms左右。表2為3種類型UPFC的限流情況對比表。綜上，新型限流式UPFC相較于常規限流式UPFC限流效果更佳。

表2 限流情況對比

5 結 語

針對220 kV線路的潮流調節和短路電流超標問題，提出了改進后的新型限流式UPFC，采用飽和型自耦變壓器作為串聯變壓器，RLC串聯諧振電路作為限流電抗支路，減少了裝置體積和成本。通過對正常運行、過渡限流、完全限流3個階段的電路分析以及主要元件參數的設計，證明了其理論上的可靠性。最后，仿真結果表明新型限流式UPFC能縮短限流時間，大大減小短路電流峰值且短路電流很快衰減為0，可以作為220 kV線路的限流式UPFC裝置。