(1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.國(guó)網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

近年來，中國(guó)各省市電網(wǎng)的短路電流超標(biāo)問題日益突出，而現(xiàn)有的限流措施仍以運(yùn)行方式調(diào)整、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)改變和加裝電抗器等傳統(tǒng)方式為主，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行靈活性、可靠性、安全性造成影響[1-4]。限流式統(tǒng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)潮流優(yōu)化，增加輸電容量的同時(shí)，可以對(duì)系統(tǒng)短路電流進(jìn)行有效控制[5]。在電力系統(tǒng)短路容量不斷增大的趨勢(shì)下，限流式UPFC的優(yōu)異性能可以提高電網(wǎng)和裝置的安全性，為此受到電力界廣泛關(guān)注。

江蘇省UPFC的投運(yùn)處于全國(guó)領(lǐng)先水平，南京西環(huán)網(wǎng)UPFC示范工程和蘇州南部電網(wǎng)UPFC示范工程分別在2015年年底和2017年年底投運(yùn)[6-7]。針對(duì)實(shí)際已投運(yùn)的江蘇省含UPFC電網(wǎng)，文獻(xiàn)[8]提出了模塊化多電平UPFC(MMC-UPFC)單相接地故障后的保護(hù)策略，在220 kV南京西環(huán)網(wǎng)項(xiàng)目中進(jìn)行了驗(yàn)證，但MMC-UPFC會(huì)影響距離保護(hù)性能。文獻(xiàn)[9]針對(duì)蘇州南部電網(wǎng)項(xiàng)目，將UPFC與串聯(lián)電抗器相結(jié)合，設(shè)計(jì)了既能控制短路電流又能調(diào)節(jié)線路潮流的電抗器阻值，但當(dāng)短路電流超標(biāo)節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，電抗器的優(yōu)化布點(diǎn)難度大。在學(xué)術(shù)性研究方面，文獻(xiàn)[10-13]對(duì)10 kV電壓等級(jí)下的限流式UPFC進(jìn)行了研究，采用橋式限流器與UPFC協(xié)調(diào)配合的方法，基于常規(guī)限流式UPFC構(gòu)建新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，取得了較好的效果，但是不適用于220 kV線路。

下面針對(duì)220 kV線路，提出了一種飽和型自耦串聯(lián)變壓器與RLC串聯(lián)諧振支路相耦合的橋式限流UPFC。對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和限流過程進(jìn)行詳細(xì)分析說明，建立故障階段數(shù)學(xué)模型，給出主要元件參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。通過仿真驗(yàn)證所提方案的有效性和可行性。

1 限流式UPFC的電路拓?fù)?/h2>

1.1 常規(guī)限流式UPFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

常規(guī)的限流式UPFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,其中：us、ur為系統(tǒng)電源；L為線路阻抗；id、iL分別為短路電流和穩(wěn)態(tài)電流；并聯(lián)變壓器Tsh及串聯(lián)變壓器Tse分別將UPFC并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)與電網(wǎng)、限流器相連。串并聯(lián)變換器經(jīng)直流電容C背靠背連接，其交流側(cè)濾波電感分別為L(zhǎng)sh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(xù)流晶閘管，Ld、Rd為限流電感和電阻。

1.2 新型限流式UPFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

適用于高壓大容量電力系統(tǒng)的新型限流器一般串聯(lián)在系統(tǒng)線路中，所提出的用于220 kV線路的限流式UPFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2在圖1的基礎(chǔ)上進(jìn)行了如下改進(jìn)：用飽和型自耦變壓器AT替代了常規(guī)串聯(lián)變壓器Tse，使得整個(gè)限流器設(shè)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(guān)S組成的RLC串聯(lián)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(lián)在線路中的等效阻抗實(shí)現(xiàn)正常低阻與故障高阻的功能[14]。對(duì)新型限流式UPFC應(yīng)提出更高的要求，需要實(shí)現(xiàn)故障時(shí)限流器靈敏可靠地限制短路電流，正常運(yùn)行時(shí)僅作為常規(guī)UPFC，減小限流器對(duì)線路造成的影響。同時(shí)，在等效阻抗變化過程中對(duì)自身元器件和系統(tǒng)均不產(chǎn)生較大的負(fù)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(cè)故障電流、迅速切換等效阻抗，不借助因判斷與出口動(dòng)作具有延時(shí)而導(dǎo)致限流器難以應(yīng)對(duì)短路電流第一周波峰值的繼電保護(hù)裝置或其他裝置。

假設(shè)系統(tǒng)故障發(fā)生在t1時(shí)刻，對(duì)限流式UPFC的工作過程分3個(gè)階段進(jìn)行分析，限流過程示意圖見圖3。

圖1 常規(guī)限流式UPFC電路拓樸

圖2 新型限流式UPFC電路拓?fù)?/p>

2.1 正常運(yùn)行工作階段

系統(tǒng)在t1之前正常運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)圖2中的飽和型自耦變壓器AT等同于常規(guī)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(xù)流，開關(guān)S關(guān)斷，RC支路接入，形成RLC串聯(lián)諧振電路，呈現(xiàn)零阻抗?fàn)顟B(tài)。短路電流id圖3所示，保持不變。此時(shí)限流器模塊整體體現(xiàn)零阻抗，等效為常規(guī)UPFC，系統(tǒng)運(yùn)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(tǒng)電壓正過零點(diǎn))發(fā)生短路故障，如圖3所示。T5被迫關(guān)斷，T1、T6繼續(xù)導(dǎo)通，T7、T8承受反向電壓關(guān)斷，開關(guān)S導(dǎo)通，RC支路短接。此時(shí)線路絕大部分電壓經(jīng)AT加于限流電抗Ld，即Ld自動(dòng)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(tǒng)內(nèi)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(jù)式(1)可知，限流器的等效限流電感很大，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)第一周期電流峰值的有效抑制。

直流側(cè)電容C兩端電壓udc為

(2)

由式(2)可知，短路電流經(jīng)串聯(lián)自耦變壓器AT向C充電，導(dǎo)致其兩端電壓迅速上升，易造成電容及換流器等設(shè)備的損壞。為此，檢測(cè)到短路故障時(shí)，需對(duì)并聯(lián)側(cè)立即采取定電圧控制，使功率倒送回系統(tǒng)，將電容電壓穩(wěn)定于Udc。

i和id滿足式(3)：

(3)

式中：IN為正常運(yùn)行時(shí)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(jiǎn)化計(jì)算，解得線路電流和短路電流分別為

(4)

(5)

由于故障時(shí)間極短，為簡(jiǎn)化公式，可將式(4)指數(shù)項(xiàng)值視為1，同時(shí)忽略r，式(4)、式(5)可化簡(jiǎn)為

(6)

(7)

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

(8)

(9)

對(duì)式(7)進(jìn)行求導(dǎo)，得到

(10)

由式(10)可得，在t>t1(系統(tǒng)電壓正過零點(diǎn))，即故障發(fā)生后的一段時(shí)間內(nèi)，式(10)大于0。說明限流電抗在故障發(fā)生后無需故障判斷延時(shí)，立即串入電路對(duì)短路電流第一周波上升率進(jìn)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(tǒng)檢測(cè)到id到達(dá)峰值后，延遲120～150°，即在t=t4時(shí)刻，開始進(jìn)入完全限流階段，再次觸發(fā)導(dǎo)通續(xù)流管T7-T8，整流橋退出運(yùn)行。id通過T7-T8續(xù)流，此時(shí)AT公共繞組兩端開路，AT相當(dāng)于“帶鐵心的電抗器”，其公共繞組和串聯(lián)繞組串聯(lián)接入電路。由AT的等效電抗實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)限流，id逐漸衰減到0。等效電路如圖5所示(忽略系統(tǒng)內(nèi)電阻和內(nèi)電感)。

圖5 完全限流階段等效電路

此時(shí)的串聯(lián)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(lián)限流，而常規(guī)的非自耦串聯(lián)變壓器結(jié)構(gòu)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L(zhǎng)1。將常規(guī)串聯(lián)變壓器用飽和型自耦變壓器替代后增強(qiáng)了其限流能力，使L1、L2及M的設(shè)計(jì)參數(shù)值顯著減小，節(jié)省了繞組導(dǎo)體和鐵心材料。

3 新型限流式UPFC的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 限流電感參數(shù)設(shè)計(jì)

為了使限流電感體積盡量減小，以滿足限流電感能量最優(yōu)為目的來進(jìn)行限流電感參數(shù)的設(shè)計(jì)。短路故障發(fā)生后，限流電感Ld儲(chǔ)能為

(12)

將式(9)中最大短路電流代入式(12)：

(13)

要使能量最優(yōu)，求E的極值點(diǎn)，得到此時(shí)Ld滿足的方程：

(14)

式中：飽和型自耦變壓器AT的參數(shù)為L(zhǎng)1、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(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，限流器部分組成RLC串聯(lián)諧振電路，Ld和Cd的串聯(lián)等效電阻為0，則有

(15)

Ld對(duì)限流器限流水平起重要作用，一定的穩(wěn)態(tài)短路電流幅值要求下，越高的電壓等級(jí)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(yīng)越小，在實(shí)際高電壓等級(jí)系統(tǒng)中更易于配置。說明RLC串聯(lián)諧振電路作為限流電抗支路較適合所提的220 kV高壓系統(tǒng)。

3.3 直流電容參數(shù)設(shè)計(jì)

直流電容參與限流過程，因此設(shè)計(jì)的電容值不僅需要達(dá)到維持UPFC兩側(cè)功率平衡和電容電壓穩(wěn)定的目標(biāo)，還要確保裝置安全性及限流效果。

短路故障的發(fā)生使得短路電流快速為直流電容充電，導(dǎo)致直流電容電壓急劇上升。在檢測(cè)到短路故障后對(duì)并聯(lián)側(cè)立即采取了定電圧控制，電容電壓被穩(wěn)定于Udc。為此，需要將直流電容穩(wěn)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(lián)換流器的安全。設(shè)在tm時(shí)刻直流電容電壓達(dá)到Udcm，則

(16)

i的表達(dá)式為式(6)，由式(16)可以計(jì)算出直流電容的合理取值C。

4 算例分析

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

4.1 正常運(yùn)行

正常運(yùn)行時(shí)，限流式UPFC等效為常規(guī)UPFC，對(duì)線路的潮流分布進(jìn)行控制。在某節(jié)點(diǎn)處當(dāng)線路的有功和無功指令分別發(fā)生階躍變化時(shí)，仿真結(jié)果如圖6所示。

表1 主要仿真參數(shù)

圖6 線路潮流調(diào)節(jié)曲線

從圖6可以看出，初始時(shí)刻有功、無功標(biāo)幺值分別為8.7和-0.6，系統(tǒng)在啟動(dòng)后的0.1 s內(nèi)有功功率和無功功率存在輕微振蕩，之后保持穩(wěn)定，對(duì)系統(tǒng)影響很小。在0.25 s時(shí)有功控制指令階躍到10，UPFC可以使有功功率快速準(zhǔn)確跟蹤指令變化，且無功功率基本沒有波動(dòng)。在0.5 s時(shí)無功控制指令階躍到0.7，UPFC可以使無功功率快速準(zhǔn)確跟蹤指令變化，且有功功率基本沒有波動(dòng)。說明正常運(yùn)行時(shí)，限流式UPFC可以實(shí)現(xiàn)等效為常規(guī)UPFC，控制線路的潮流分布。

4.2 短路限流仿真

在0.2 s時(shí)系統(tǒng)發(fā)生三相短路，安裝常規(guī)UPFC、安裝限流式UPFC、安裝所提的新型限流式UPFC的系統(tǒng)短路波形分別如圖7至圖9所示。

圖7 常規(guī)UPFC三相短路電流

圖8 常規(guī)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(guī)UPFC在短路故障中三相短路電流最大峰值超過了110 kA，將對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和UPFC裝置的正常工作造成嚴(yán)重影響。從圖8可以看出，采用限流式UPFC后，短路故障時(shí)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(yùn)行，相比于常規(guī)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(shí)長(zhǎng)。從圖9可以看出，采用所提出的限流式UPFC后，短路故障時(shí)的電流峰值被限制到15 kA以下，從短路故障發(fā)生到短路電流衰減為0用時(shí)10 ms左右。表2為3種類型UPFC的限流情況對(duì)比表。綜上，新型限流式UPFC相較于常規(guī)限流式UPFC限流效果更佳。

表2 限流情況對(duì)比

5 結(jié) 語

針對(duì)220 kV線路的潮流調(diào)節(jié)和短路電流超標(biāo)問題，提出了改進(jìn)后的新型限流式UPFC，采用飽和型自耦變壓器作為串聯(lián)變壓器，RLC串聯(lián)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(duì)正常運(yùn)行、過渡限流、完全限流3個(gè)階段的電路分析以及主要元件參數(shù)的設(shè)計(jì)，證明了其理論上的可靠性。最后，仿真結(jié)果表明新型限流式UPFC能縮短限流時(shí)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。