不同安裝方式下分布式潮流控制器的過電壓水平分析

徐 華，周路遙，宋金根，孟祥瑞，邵先軍，盧鐵兵

（1.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；3.華北電力大學，北京 102206）

0 引言

隨著高壓直流輸電以及新能源發電在電網接入規模的不斷擴大，電網運行過程中潮流波動大、分布不均衡的現象越來越嚴重。電網潮流根據線路的阻抗呈自然分布，容易在輸電斷面中形成局部輸送瓶頸，進而限制了整個電力系統的供電能力［1-2］。因此，有必要在現有電網架構的基礎上采用潮流控制手段降低重載線路潮流、消除局部輸送瓶頸，提升電網運行極限，實現安全和效能雙提升［3-4］。

文獻［5］最早提出了D-FACTS（分布式柔性交流輸電）的概念，D-FACTS的核心是小容量分布式串聯補償器［5］。DPFC（分布式潮流控制器）作為D-FACTS 的代表之一，采用小容量分布式靜止串聯補償器作為子模塊，串聯懸掛于輸電線路上或集中布置在變電站內，具有體積小、重量輕、成本低等優點［6］。DPFC通過向線路注入串聯補償電壓來調節線路阻抗，實現對線路潮流的柔性控制，可以提升線路的輸送能力以及電力系統運行的安全穩定水平［7］。

在工程方面，美國Smart Wires 公司和愛爾蘭國有電力供應商EirGrid于2017年合作完成了世界上第一個DPFC 工程示范項目［8］。2020 年，國網浙江省電力有限公司在湖州和杭州部署了世界首個220 kV DPFC 示范工程，設計總容量分別達58 MVA 和26 MVA［9］。目前國內外針對DPFC 開展的研究主要集中在DPFC的運行特性［10-12］、控制策略［13-15］、優化配置［16-20］等方面，但尚無關于DPFC投入系統運行后過電壓與絕緣配合相關的研究。

本文在介紹DPFC結構和運行原理的基礎上，依據220 kV DPFC 示范工程，在電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC 中搭建了DPFC 仿真模型。分別仿真分析了DPFC 集中安裝于變電站內和分散安裝于輸電線路上兩種情況下，輸電線路發生短路故障時DPFC 的過電壓水平，并對比分析了短路位置對DPFC過電壓水平的影響。

1 DPFC的技術原理

1.1 拓撲結構

DPFC 子模塊的主電路拓撲結構如圖1 所示［6］，主要由MOV（金屬氧化物可變電阻器）、BPS（快速旁路開關）、濾波器、VSC（電壓源型變換器）和控制取能單元等部件構成。

圖1 DPFC子模塊主電路拓撲Fig.1 Main circuit topology of DPFC sub-modules

BPS 由高速機械旁路開關K 和反并聯晶閘管TBS 并聯組成。當輸電線路無需開展潮流控制或發生故障時，BPS可以實現DPFC子模塊的旁路。DPFC 子模塊投入運行時，VSC 工作于無功輸出狀態，呈現電感或電容特性，從而改變線路阻抗，實現對線路潮流的控制。DPFC 補償呈容性時可以提升線路潮流，DPFC 補償呈感性時可以降低線路潮流。

1.2 運行原理

DPFC 子模塊與通信單元接收控制指令，并生成對應的PWM（脈沖寬度調制）控制信號，控制VSC 中IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的開通與關斷，進而向輸電線路注入一個大小可連續調節、相位超前或滯后線路電流90°的電壓，使DPFC 子模塊對外部電路呈現電感或電容特性，從而改變輸電線路的阻抗。電力系統的潮流分布會受到線路阻抗分布的影響，因此DPFC 可以通過改變線路阻抗的大小影響電網潮流的分布，實現對輸電線路輸送有功功率和無功功率的調節。

1.3 安裝方式

DPFC 可以集中安裝于變電站內或分散安裝于輸電線路上。采用變電站內集中安裝時，可以選擇絕緣支撐件部署或者采用移動集裝箱的形式。當DPFC 分散安裝于已投運的輸電線路上時，中低壓等級的輸電線路可以直接懸掛于桿塔兩側，而高電壓等級的輸電線路可以通過耐張塔的跳線接入線路中［6］。

2 DPFC集中安裝于變電站時的過電壓仿真計算

2.1 正常運行時的仿真計算

DPFC 集中安裝于變電站時系統的拓撲結構如圖2 所示。在變電站a 和變電站b 之間共有三回輸電線路，在其中兩回輸電線路的每相上分別裝設9臺DPFC，DPFC 集中安裝于變電站內，每一相的DPFC集中布置于一個絕緣子支撐的平臺上。兩座變電站的電壓等級均為220 kV，DPFC 子模塊內的橋臂電感為0.1 mH，直流電容為22.5 mF。輸電線路采用π型等效電路，參數按照實際線路參數進行選取。

圖2 DPFC集中安裝于變電站時系統的拓撲結構Fig.2 Topology of the system with DPFCs centrally installed in a substation

根據DPFC 和輸電線路的實際參數，在PSCAD中搭建了DPFC系統的仿真模型，仿真步長設置為20 μs。DPFC 正常投入運行時DPFC 模組的端口對地電壓、端口電流、端口總電壓以及單個DPFC子模塊的端口電壓如圖3所示。DPFC模組的端口對地電壓幅值為181.68 kV，端口電流幅值為1.23 kA，端口總電壓幅值為4.26 kV，單個DPFC子模塊的端口電壓幅值為1.15 kV。DPFC子模塊采用PWM 控制技術，單相輸電線路上的DPFC模組總體上輸出一個類正弦波的電壓波形。

圖3 DPFC正常投入運行時的電壓和電流波形Fig.3 Voltage and current waveforms when DPFC is in normal operation

2.2 輸電線路短路故障時的過電壓計算

通過DPFC 系統模型仿真分析輸電線路分別發生單相短路接地故障、兩相短路故障、兩相短路接地故障以及三相短路接地故障時，DPFC 系統關鍵節點的過電壓和過電流水平。故障發生時間設置為仿真開始后的1.5 s，此時DPFC 系統已經穩定運行，故障持續時間為100 ms。以輸電線路首端（即DPFC 的出口處）發生單相短路接地故障為例，DPFC系統關鍵節點的過電壓和過電流波形如圖4所示。當輸電線路首端發生兩相短路、兩相短路接地以及三相短路接地故障時，DPFC 系統關鍵節點的過電壓波形分別如圖5—7所示。

圖4 單相短路故障時DPFC的過電壓和過電流波形Fig.4 Overvoltage and overcurrent waveforms of DPFC in case of a single-phase short-circuit fault

圖5 兩相短路故障時DPFC模組的過電壓波形Fig.5 Overvoltage waveforms of DPFC modules in case of a two-phase short-circuit fault

圖6 兩相短路接地故障時DPFC模組的過電壓波形Fig.6 Overvoltage waveform of DPFC modules in case of a two-phase short-circuit ground fault

圖7 三相短路接地故障時DPFC模組的過電壓波形Fig.7 Overvoltage waveforms of DPFC modules in case of a three-phase short-circuit ground fault

由圖4可以看出，在短路故障發生期間DPFC端口流過較大的短路電流，使得DPFC 模組端口感應出較大的過電壓，最大值達到了14.03 kV。由于故障發生后DPFC 子模塊的BPS 和故障線路兩端的斷路器快速動作，故障后過電壓和過電流的持續時間較短。此外，DPFC 子模塊端口并聯了MOV，有效地降低了故障期間DPFC端口的過電壓水平。

表1統計了輸電線路首端發生各種短路故障時故障線路DPFC 子模塊和非故障線路DPFC 子模塊的過電壓和過電流水平，其中Us代表DPFC 端口對地電壓，Ud1、I1、Usm1分別代表故障線路DPFC模組端口總電壓、DPFC端口電流和DPFC子模塊端口電壓，Ud2、I2、Usm2分別代表非故障線路DPFC 模組端口總電壓、DPFC 端口電流和DPFC子模塊端口電壓。可以看出，DPFC過電壓和過電流水平最嚴重的情況大多發生在三相短路接地故障下，并且當輸電線路發生短路故障時，故障線路上DPFC 的過電壓和過電流水平要高于非故障線路。

表1 線路首端故障時DPFC過電壓和過電流水平Table 1 Overvoltage and overcurrent levels of DPFC in case of line terminal faults

2.3 短路故障位置對DPFC過電壓水平的影響

2.2 節中仿真計算了輸電線路首端發生各種短路故障時DPFC 的過電壓和過電流水平。作為對比，本節分別仿真計算了輸電線路中點和末端發生各種短路故障時DPFC的過電壓和過電流水平，分別統計于表2和表3中。

對比表1、表2 和表3 可以發現，在輸電線路首端發生短路故障時DPFC 的過電壓和過電流水平最高，在線路中點發生故障時DPFC 的過電壓水平其次，在線路末端發生故障時DPFC 的過電壓水平最低。因為DPFC 集中安裝于變電站內，輸電線路首端發生故障時故障點距離DPFC最近，流過DPFC 的短路電流最大，所以此時DPFC 的過電壓水平最高。

表2 線路中點故障時DPFC過電壓和過電流水平Table 2 Overvoltage and overcurrent levels of DPFC in case of line midpoint faults

表3 線路末端故障時DPFC過電壓和過電流水平Table 3 Overvoltage and overcurrent levels of DPFC in case of line terminal faults

綜合以上仿真結果可知，當DPFC 集中安裝于變電站內時，可按照變電站出口處發生短路故障確定DPFC 的過電壓水平，并判斷DPFC 的絕緣配合是否滿足要求。若不滿足，則需對DPFC的絕緣設計進行優化。

3 DPFC分散安裝于輸電線路時的過電壓仿真計算

3.1 正常運行時的仿真計算

不同于DPFC 集中安裝于變電站內的方案，DPFC 還可以分散安裝于輸電線路的鐵塔上，此時DPFC系統的拓撲結構如圖8所示。變電站a和變電站b之間共有三回輸電線路，其中兩回輸電線路分別分散安裝9 臺DPFC，假定9 臺DPFC 均勻地分布于兩座變電站之間。

圖8 DPFC分散安裝于輸電線路時系統的拓撲結構Fig.8 Topology of the system with DPFCs decentrally installed on the transmission lines

輸電線路和DPFC 的參數設置都與集中安裝時一致，相鄰兩臺DPFC 之間輸電線路的長度相同。對于DPFC 分散安裝于輸電線路的情況，在PSCAD 中搭建了仿真模型，仿真步長設置為20 μs。在DPFC 采用分散安裝的情況下，正常投入運行時DPFC 子模塊的端口對地電壓、端口電流以及端口電壓與DPFC 采用集中安裝時一致，故不再贅述。

3.2 輸電線路短路故障時的過電壓計算

仿真分析DPFC 分散安裝于輸電線路的情況下，輸電線路分別發生單相短路接地故障、兩相短路故障、兩相短路接地故障以及三相短路接地故障時，DPFC 系統關鍵節點的過電壓和過電流水平。本節仿真計算中選取的輸電線路短路故障發生位置如圖9所示，故障發生時間為仿真開始后1.5 s，故障持續時間為100 ms。以輸電線路首端發生單相短路故障為例，故障點兩側DPFC 的過電壓和過電流波形如圖10 所示。輸電線路首端發生兩相短路、兩相短路接地以及三相短路接地故障時，輸電線路上DPFC 關鍵節點的過電壓波形分別如圖11—13所示。

圖9 輸電線路短路故障發生位置示意圖Fig.9 Locations of short-circuit faults on transmission line

圖10 單相短路故障時故障點兩側DPFC的過電壓和過電流波形Fig.10 Overvoltage and overcurrent waveforms of DPFC on both sides of the fault point during a single-phase short-circuit fault

圖11 兩相短路故障時DPFC子模塊的過電壓波形Fig.11 Overvoltage waveforms of DPFC sub-modules in case of a two-phase short-circuit fault

圖12 兩相短路接地故障時DPFC子模塊的過電壓波形Fig.12 Overvoltage waveforms of DPFC sub-modules in case of a two-phase short-circuit ground fault

由圖10 可以看出，當發生單相短路故障時，短路點兩側的DPFC都會流過比較大的短路電流，短路電流分別由短路點兩側的變電站流入短路故障點。由于短路故障點在輸電線路首端，距離變電站a較近，因此流過變電站a側DPFC 的短路電流要明顯大于變電站b 側DPFC，變電站a 側DPFC端口的過電壓也要高于變電站b側DPFC。表4 統計了輸電線路首端發生各種短路故障時，短路點兩側DPFC 的過電壓和過電流水平，其中，Usa、Ia和Usma分別代表變電站a側DPFC的端口對地電壓、端口電流和端口電壓，Usb、Ib和Usmb分別代表變電站b 側DPFC 的端口對地電壓、端口電流和端口電壓。可以看到，在線路首端發生短路故障的情況下，變電站a側DPFC的過電壓和過電流水平要高于變電站b側DPFC。在兩相短路故障下DPFC 端口對地過電壓達到最大值，為301.57 kV；在單相短路接地故障下DPFC 端口電流和端口電壓達到最大值，分別為39.51 kA 和1.69 kV。

表4 線路首端故障時DPFC過電壓和過電流水平Table 4 Overvoltage and overcurrent levels of DPFC in case of a terminal fault

3.3 短路故障位置對DPFC過電壓水平的影響

3.2 節中仿真計算了輸電線路首端發生各種短路故障時故障點兩側DPFC 的過電壓和過電流水平。作為比較，本節計算了線路中點和線路末端發生短路故障時故障點兩側DPFC 的過電壓和過電流水平，分別統計于表5和表6中。

表5 線路中點故障時DPFC過電壓和過電流水平Table 5 Overvoltage and overcurrent levels of DPFC in case of a line midpoint fault

表6 線路末端故障時DPFC過電壓和過電流水平Table 6 Overvoltage and overcurrent levels of DPFC in case of a terminal fault

圖13 三相短路接地故障時DPFC子模塊的過電壓波形Fig.13 Overvoltage waveforms of DPFC sub-modules in case of a three-phase short-circuit ground fault

不同于在線路首端發生短路故障時變電站a側DPFC 的過電壓和過電流水平要高于變電站b 側DPFC，在線路中點和末端發生短路故障時，變電站b側DPFC的短路電流和端口過電壓要高于變電站a側DPFC。短路故障位置從線路首端變化到末端時，變電站a側DPFC的短路電流和端口過電壓逐漸降低，而變電站b側DPFC的短路電流和端口過電壓逐漸升高。發生短路故障時，變電站a 側DPFC 端口對地過電壓要高于變電站b 側DPFC，并且在線路末端發生兩相短路故障時DPFC 端口對地過電壓水平最高，變電站a側DPFC端口對地電壓為302.76 kV，變電站b 側DPFC 端口對地電壓為274.92 kV。由于變電站a 和變電站b 的電壓幅值、相角以及等效阻抗都不相同，因此輸電線路首段和末端發生故障時DPFC 的過電壓和過電流水平也不相同，在確定DPFC 過電壓水平的情況下這兩種故障位置都應該進行仿真計算。

綜合以上仿真結果可以看到，當DPFC 分散安裝于輸電線路時，DPFC 的過電壓水平與短路點的位置、DPFC 距離變電站的距離以及變電站的電氣參數都是相關的。總體而言，對于安裝位置最靠近變電站的DPFC，在其相鄰輸電線路（遠離變電站側）發生短路故障時，DPFC 承受的過電壓和過電流水平最嚴重，可以按照這種情況確定DPFC的過電壓水平，并校驗DPFC的絕緣配合是否滿足要求。

4 結語

DPFC 能夠改善電網潮流分布，解決輸電斷面超限問題，賦予電網更高的靈活性和可控性。本文根據DPFC 拓撲結構和運行原理，依托220 kV DPFC 示范工程，搭建了DPFC 的仿真模型，分別考慮DPFC 集中安裝于變電站內和分散安裝于輸電線路兩種情況，計算了在輸電線路不同位置發生短路故障時DPFC 關鍵節點的過電壓和過電流水平。根據研究結果可得，當DPFC 集中安裝于變電站內，可按照在變電站出口處發生短路故障來確定DPFC 的過電壓水平；當DPFC 分散安裝于輸電線路上，可以按照安裝位置最靠近變電站的DPFC 在其相鄰線路（遠離變電站側）發生短路故障確定DPFC 的過電壓水平。本文計算得到的DPFC 關鍵節點的過電壓和過電流水平，可為實際工程中DPFC的絕緣配合提供參考。