徐 華，周路遙，宋金根，孟祥瑞，邵先軍，盧鐵兵

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3.華北電力大學(xué)，北京 102206）

0 引言

隨著高壓直流輸電以及新能源發(fā)電在電網(wǎng)接入規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中潮流波動(dòng)大、分布不均衡的現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。電網(wǎng)潮流根據(jù)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(jìn)而限制了整個(gè)電力系統(tǒng)的供電能力［1-2］。因此，有必要在現(xiàn)有電網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)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(wǎng)運(yùn)行極限，實(shí)現(xiàn)安全和效能雙提升［3-4］。

文獻(xiàn)［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(lián)補(bǔ)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(lián)補(bǔ)償器作為子模塊，串聯(lián)懸掛于輸電線路上或集中布置在變電站內(nèi)，具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)［6］。DPFC通過(guò)向線路注入串聯(lián)補(bǔ)償電壓來(lái)調(diào)節(jié)線路阻抗，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定水平［7］。

在工程方面，美國(guó)Smart Wires 公司和愛(ài)爾蘭國(guó)有電力供應(yīng)商EirGrid于2017年合作完成了世界上第一個(gè)DPFC 工程示范項(xiàng)目［8］。2020 年，國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司在湖州和杭州部署了世界首個(gè)220 kV DPFC 示范工程，設(shè)計(jì)總?cè)萘糠謩e達(dá)58 MVA 和26 MVA［9］。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)DPFC 開(kāi)展的研究主要集中在DPFC的運(yùn)行特性［10-12］、控制策略［13-15］、優(yōu)化配置［16-20］等方面，但尚無(wú)關(guān)于DPFC投入系統(tǒng)運(yùn)行后過(guò)電壓與絕緣配合相關(guān)的研究。

本文在介紹DPFC結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，依據(jù)220 kV DPFC 示范工程，在電磁暫態(tài)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(nèi)和分散安裝于輸電線路上兩種情況下，輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)DPFC 的過(guò)電壓水平，并對(duì)比分析了短路位置對(duì)DPFC過(guò)電壓水平的影響。

1 DPFC的技術(shù)原理

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DPFC 子模塊的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(kāi)關(guān)）、濾波器、VSC（電壓源型變換器）和控制取能單元等部件構(gòu)成。

圖1 DPFC子模塊主電路拓?fù)銯ig.1 Main circuit topology of DPFC sub-modules

BPS 由高速機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)K 和反并聯(lián)晶閘管TBS 并聯(lián)組成。當(dāng)輸電線路無(wú)需開(kāi)展潮流控制或發(fā)生故障時(shí)，BPS可以實(shí)現(xiàn)DPFC子模塊的旁路。DPFC 子模塊投入運(yùn)行時(shí)，VSC 工作于無(wú)功輸出狀態(tài)，呈現(xiàn)電感或電容特性，從而改變線路阻抗，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路潮流的控制。DPFC 補(bǔ)償呈容性時(shí)可以提升線路潮流，DPFC 補(bǔ)償呈感性時(shí)可以降低線路潮流。

1.2 運(yùn)行原理

DPFC 子模塊與通信單元接收控制指令，并生成對(duì)應(yīng)的PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制信號(hào)，控制VSC 中IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的開(kāi)通與關(guān)斷，進(jìn)而向輸電線路注入一個(gè)大小可連續(xù)調(diào)節(jié)、相位超前或滯后線路電流90°的電壓，使DPFC 子模塊對(duì)外部電路呈現(xiàn)電感或電容特性，從而改變輸電線路的阻抗。電力系統(tǒng)的潮流分布會(huì)受到線路阻抗分布的影響，因此DPFC 可以通過(guò)改變線路阻抗的大小影響電網(wǎng)潮流的分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路輸送有功功率和無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。

1.3 安裝方式

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

2 DPFC集中安裝于變電站時(shí)的過(guò)電壓仿真計(jì)算

2.1 正常運(yùn)行時(shí)的仿真計(jì)算

DPFC 集中安裝于變電站時(shí)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shè)9臺(tái)DPFC，DPFC 集中安裝于變電站內(nèi)，每一相的DPFC集中布置于一個(gè)絕緣子支撐的平臺(tái)上。兩座變電站的電壓等級(jí)均為220 kV，DPFC 子模塊內(nèi)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(shù)按照實(shí)際線路參數(shù)進(jìn)行選取。

圖2 DPFC集中安裝于變電站時(shí)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of the system with DPFCs centrally installed in a substation

根據(jù)DPFC 和輸電線路的實(shí)際參數(shù)，在PSCAD中搭建了DPFC系統(tǒng)的仿真模型，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為20 μs。DPFC 正常投入運(yùn)行時(shí)DPFC 模組的端口對(duì)地電壓、端口電流、端口總電壓以及單個(gè)DPFC子模塊的端口電壓如圖3所示。DPFC模組的端口對(duì)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(gè)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(shù)，單相輸電線路上的DPFC模組總體上輸出一個(gè)類正弦波的電壓波形。

圖3 DPFC正常投入運(yùn)行時(shí)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(shí)的過(guò)電壓計(jì)算

通過(guò)DPFC 系統(tǒng)模型仿真分析輸電線路分別發(fā)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(shí)，DPFC 系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的過(guò)電壓和過(guò)電流水平。故障發(fā)生時(shí)間設(shè)置為仿真開(kāi)始后的1.5 s，此時(shí)DPFC 系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行，故障持續(xù)時(shí)間為100 ms。以輸電線路首端（即DPFC 的出口處）發(fā)生單相短路接地故障為例，DPFC系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的過(guò)電壓和過(guò)電流波形如圖4所示。當(dāng)輸電線路首端發(fā)生兩相短路、兩相短路接地以及三相短路接地故障時(shí)，DPFC 系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的過(guò)電壓波形分別如圖5—7所示。

圖4 單相短路故障時(shí)DPFC的過(guò)電壓和過(guò)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(shí)DPFC模組的過(guò)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(shí)DPFC模組的過(guò)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(shí)DPFC模組的過(guò)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(fā)生期間DPFC端口流過(guò)較大的短路電流，使得DPFC 模組端口感應(yīng)出較大的過(guò)電壓，最大值達(dá)到了14.03 kV。由于故障發(fā)生后DPFC 子模塊的BPS 和故障線路兩端的斷路器快速動(dòng)作，故障后過(guò)電壓和過(guò)電流的持續(xù)時(shí)間較短。此外，DPFC 子模塊端口并聯(lián)了MOV，有效地降低了故障期間DPFC端口的過(guò)電壓水平。

表1統(tǒng)計(jì)了輸電線路首端發(fā)生各種短路故障時(shí)故障線路DPFC 子模塊和非故障線路DPFC 子模塊的過(guò)電壓和過(guò)電流水平，其中Us代表DPFC 端口對(duì)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?？梢钥闯觯珼PFC過(guò)電壓和過(guò)電流水平最嚴(yán)重的情況大多發(fā)生在三相短路接地故障下，并且當(dāng)輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)，故障線路上DPFC 的過(guò)電壓和過(guò)電流水平要高于非故障線路。

表1 線路首端故障時(shí)DPFC過(guò)電壓和過(guò)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(duì)DPFC過(guò)電壓水平的影響

2.2 節(jié)中仿真計(jì)算了輸電線路首端發(fā)生各種短路故障時(shí)DPFC 的過(guò)電壓和過(guò)電流水平。作為對(duì)比，本節(jié)分別仿真計(jì)算了輸電線路中點(diǎn)和末端發(fā)生各種短路故障時(shí)DPFC的過(guò)電壓和過(guò)電流水平，分別統(tǒng)計(jì)于表2和表3中。

對(duì)比表1、表2 和表3 可以發(fā)現(xiàn)，在輸電線路首端發(fā)生短路故障時(shí)DPFC 的過(guò)電壓和過(guò)電流水平最高，在線路中點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)DPFC 的過(guò)電壓水平其次，在線路末端發(fā)生故障時(shí)DPFC 的過(guò)電壓水平最低。因?yàn)镈PFC 集中安裝于變電站內(nèi)，輸電線路首端發(fā)生故障時(shí)故障點(diǎn)距離DPFC最近，流過(guò)DPFC 的短路電流最大，所以此時(shí)DPFC 的過(guò)電壓水平最高。

表2 線路中點(diǎn)故障時(shí)DPFC過(guò)電壓和過(guò)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(shí)DPFC過(guò)電壓和過(guò)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(jié)果可知，當(dāng)DPFC 集中安裝于變電站內(nèi)時(shí)，可按照變電站出口處發(fā)生短路故障確定DPFC 的過(guò)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(duì)DPFC的絕緣設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

3 DPFC分散安裝于輸電線路時(shí)的過(guò)電壓仿真計(jì)算

3.1 正常運(yùn)行時(shí)的仿真計(jì)算

不同于DPFC 集中安裝于變電站內(nèi)的方案，DPFC 還可以分散安裝于輸電線路的鐵塔上，此時(shí)DPFC系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(tái)DPFC，假定9 臺(tái)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(shí)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 Topology of the system with DPFCs decentrally installed on the transmission lines

輸電線路和DPFC 的參數(shù)設(shè)置都與集中安裝時(shí)一致，相鄰兩臺(tái)DPFC 之間輸電線路的長(zhǎng)度相同。對(duì)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(zhǎng)設(shè)置為20 μs。在DPFC 采用分散安裝的情況下，正常投入運(yùn)行時(shí)DPFC 子模塊的端口對(duì)地電壓、端口電流以及端口電壓與DPFC 采用集中安裝時(shí)一致，故不再贅述。

3.2 輸電線路短路故障時(shí)的過(guò)電壓計(jì)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(fā)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(shí)，DPFC 系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的過(guò)電壓和過(guò)電流水平。本節(jié)仿真計(jì)算中選取的輸電線路短路故障發(fā)生位置如圖9所示，故障發(fā)生時(shí)間為仿真開(kāi)始后1.5 s，故障持續(xù)時(shí)間為100 ms。以輸電線路首端發(fā)生單相短路故障為例，故障點(diǎn)兩側(cè)DPFC 的過(guò)電壓和過(guò)電流波形如圖10 所示。輸電線路首端發(fā)生兩相短路、兩相短路接地以及三相短路接地故障時(shí)，輸電線路上DPFC 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的過(guò)電壓波形分別如圖11—13所示。

圖9 輸電線路短路故障發(fā)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(shí)故障點(diǎn)兩側(cè)DPFC的過(guò)電壓和過(guò)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(shí)DPFC子模塊的過(guò)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(shí)DPFC子模塊的過(guò)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(dāng)發(fā)生單相短路故障時(shí)，短路點(diǎn)兩側(cè)的DPFC都會(huì)流過(guò)比較大的短路電流，短路電流分別由短路點(diǎn)兩側(cè)的變電站流入短路故障點(diǎn)。由于短路故障點(diǎn)在輸電線路首端，距離變電站a較近，因此流過(guò)變電站a側(cè)DPFC 的短路電流要明顯大于變電站b 側(cè)DPFC，變電站a 側(cè)DPFC端口的過(guò)電壓也要高于變電站b側(cè)DPFC。表4 統(tǒng)計(jì)了輸電線路首端發(fā)生各種短路故障時(shí)，短路點(diǎn)兩側(cè)DPFC 的過(guò)電壓和過(guò)電流水平，其中，Usa、Ia和Usma分別代表變電站a側(cè)DPFC的端口對(duì)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(cè)DPFC 的端口對(duì)地電壓、端口電流和端口電壓?？梢钥吹?，在線路首端發(fā)生短路故障的情況下，變電站a側(cè)DPFC的過(guò)電壓和過(guò)電流水平要高于變電站b側(cè)DPFC。在兩相短路故障下DPFC 端口對(duì)地過(guò)電壓達(dá)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(dá)到最大值，分別為39.51 kA 和1.69 kV。

表4 線路首端故障時(shí)DPFC過(guò)電壓和過(guò)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(duì)DPFC過(guò)電壓水平的影響

3.2 節(jié)中仿真計(jì)算了輸電線路首端發(fā)生各種短路故障時(shí)故障點(diǎn)兩側(cè)DPFC 的過(guò)電壓和過(guò)電流水平。作為比較，本節(jié)計(jì)算了線路中點(diǎn)和線路末端發(fā)生短路故障時(shí)故障點(diǎn)兩側(cè)DPFC 的過(guò)電壓和過(guò)電流水平，分別統(tǒng)計(jì)于表5和表6中。

表5 線路中點(diǎn)故障時(shí)DPFC過(guò)電壓和過(guò)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(shí)DPFC過(guò)電壓和過(guò)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(shí)DPFC子模塊的過(guò)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(fā)生短路故障時(shí)變電站a側(cè)DPFC 的過(guò)電壓和過(guò)電流水平要高于變電站b 側(cè)DPFC，在線路中點(diǎn)和末端發(fā)生短路故障時(shí)，變電站b側(cè)DPFC的短路電流和端口過(guò)電壓要高于變電站a側(cè)DPFC。短路故障位置從線路首端變化到末端時(shí)，變電站a側(cè)DPFC的短路電流和端口過(guò)電壓逐漸降低，而變電站b側(cè)DPFC的短路電流和端口過(guò)電壓逐漸升高。發(fā)生短路故障時(shí)，變電站a 側(cè)DPFC 端口對(duì)地過(guò)電壓要高于變電站b 側(cè)DPFC，并且在線路末端發(fā)生兩相短路故障時(shí)DPFC 端口對(duì)地過(guò)電壓水平最高，變電站a側(cè)DPFC端口對(duì)地電壓為302.76 kV，變電站b 側(cè)DPFC 端口對(duì)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(fā)生故障時(shí)DPFC 的過(guò)電壓和過(guò)電流水平也不相同，在確定DPFC 過(guò)電壓水平的情況下這兩種故障位置都應(yīng)該進(jìn)行仿真計(jì)算。

綜合以上仿真結(jié)果可以看到，當(dāng)DPFC 分散安裝于輸電線路時(shí)，DPFC 的過(guò)電壓水平與短路點(diǎn)的位置、DPFC 距離變電站的距離以及變電站的電氣參數(shù)都是相關(guān)的?？傮w而言，對(duì)于安裝位置最靠近變電站的DPFC，在其相鄰輸電線路（遠(yuǎn)離變電站側(cè)）發(fā)生短路故障時(shí)，DPFC 承受的過(guò)電壓和過(guò)電流水平最嚴(yán)重，可以按照這種情況確定DPFC的過(guò)電壓水平，并校驗(yàn)DPFC的絕緣配合是否滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

DPFC 能夠改善電網(wǎng)潮流分布，解決輸電斷面超限問(wèn)題，賦予電網(wǎng)更高的靈活性和可控性。本文根據(jù)DPFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)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(nèi)和分散安裝于輸電線路兩種情況，計(jì)算了在輸電線路不同位置發(fā)生短路故障時(shí)DPFC 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的過(guò)電壓和過(guò)電流水平。根據(jù)研究結(jié)果可得，當(dāng)DPFC 集中安裝于變電站內(nèi)，可按照在變電站出口處發(fā)生短路故障來(lái)確定DPFC 的過(guò)電壓水平；當(dāng)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(yuǎn)離變電站側(cè)）發(fā)生短路故障確定DPFC 的過(guò)電壓水平。本文計(jì)算得到的DPFC 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的過(guò)電壓和過(guò)電流水平，可為實(shí)際工程中DPFC的絕緣配合提供參考。