多级分布式潮流控制器的平滑启停策略

2021-10-13谢浩铠黄晓明陆承宇

浙江电力 2021年9期

谢浩铠，黄晓明，王松，陆承宇，裘鹏，陈骞

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

电网运行过程中潮流波动大、分布不均衡导致关键供电断面限额偏低，严重制约了电网的供电能力[1-3]。过去解决供电瓶颈及断面超限问题的主要方式是新建输电线路，部分区域探索应用了SSSC（静止同步串联补偿器），UPFC（统一潮流控制器）等大型FACTS（柔性交流输电系统）装置[4-7]。但这些措施均存在建设周期长、占地面积大、一次性投资成本高、灵活性低等问题[8]，无法兼顾电网运行与投资效益。

针对这些不足，美国Divian Deepak 教授等首先提出了DPFC（分布式潮流控制器）的概念，其核心是将小容量DSSC（分布式串联补偿器）作为DPFC 的子模块，串联悬挂在电力线上，多级协同实现和SSSC 相近的潮流控制效果[9]。相比于集中式FACTS，DPFC 可按需求分期分批地建设，各级子模块相互独立，任一级子模块故障后也不影响其他子模块运行，可扩展性强，可靠性高。

目前国内外针对DPFC 的大部分研究还处于理论阶段，研究方向主要集中在装置布点分析[10-13]、稳态运行特性研究[14-15]、子模块的控制逻辑设计[16-18]等方面，对启动和停运策略研究鲜有提及。工程方面，美国Smart Wires 公司曾开展过两项小容量DPFC 工程试验项目，高电压等级、大容量DPFC 工程经验匮乏[19]。2020 年，国网浙江省电力有限公司为解决特定运行工况下潮流分布严重不均的问题，在湖州和杭州部署了世界首个220 kV DPFC 示范工程，设计总容量分别达58 MVA 和26 MVA。在工程应用中，串入系统的DPFC 容量越大、级数越多，启动和停运过程中可能造成的冲击影响就越大。适当的启停控制策略可以减少这种影响，提升DPFC 控制响应速度。

由此，本文在DPFC 结构和运行原理基础上，依据湖州220 kV DPFC 示范工程实际，建立了多级DPFC 控制系统架构，提出了“分级启动”和“零压停运”的平滑启停策略。“分级启动”策略通过集控系统协调各子模块逐级启动、低直流电压解锁，减少启动时的系统功率波动。通过集控与多级阀控系统的信息交互减少整体启动时间。“零压停运”策略控制各级子模块先下降输出电压为零后再闭锁停运，降低停运冲击至最小。所提策略的有效性在工程现场试验中得到了验证。

1 DPFC 技术方案

1.1 DPFC 工程结构

DPFC 子模块的拓扑结构如图1 所示，由复合开关CS、电压源变流器VSC、取能电源及控制与通信单元等部分组成[18-19]。取能电源由线路电流取能、电容电压取能及电源变换电路组成，为VSC 的正常工作提供电源。复合开关CS 由机械旁路开关KM 和双向晶闸管TBS 组成，用以实现DPFC 子模块的投退操作及保护。

图1 DPFC 子模块拓扑结构

为便于设备运行维护和检修，工程中在DPFC 子模块外并联增设机械旁路断路器BPS 和旁路隔离刀闸，以实现DPFC 设备的带电检修功能。由此，在需要多级子模块串入系统的大容量示范工程中，采用多级DPFC 集中布置的工程方案，可以减少断路器和隔离刀闸投资，且不影响DPFC 各项功能。湖州DPFC 示范工程的一次接线图如图2 所示。

图2 湖州DPFC 示范工程一次接线

1.2 DPFC 运行原理

子模块控制与通信单元接收控制指令，执行控保策略算法并生成PWM 指令，控制单相全桥VSC 的IGBT 通断，向输电线路注入一个幅值和相角可控的电压，其垂直分量的相位超前或滞后线路电流90°，呈现感性或容性特性，等效改变线路阻抗，实现有功功率调节。注入电压的平行分量用于维持直流电容电压稳定。

对于图3 所示的简化电力传输系统，设DPFC 子模块向线路注入电压的垂直分量为，等效于一个可控无功电压源，其注入电压幅值不受线路电流影响[9，16]。在DPFC 串入线路后，线路电流为：

图3 输电系统简化

其幅值为：

容性补偿时，线路电流的幅值增加；感性补偿时，线路电流的幅值减小。幅值变化幅度与注入垂直分量的大小呈正比。图4 中（a），（b），（c）分别为无补偿、容性补偿和感性补偿时的向量图。

图4 DPFC 子模块串联注入电压补偿相量

对于多级DPFC 工程而言，各级子模块注入系统的电压幅值和相位均可调节。整体调节量是各级子模块注入电压的垂直分量之和。

2 平滑启停策略

为更好地协调多级DPFC 子模块运行，实现调节的连续性和分级性，建立了包括调度控制层、集中控制层、子模块控制层在内的系统控制架构，如图5 所示。

图5 多级DPFC 控制系统架构

调度控制层根据交流电网的实时状态，计算出DPFC 实现电网潮流调节的最优电压指令、或最优功率指令、或最优阻抗指令，再传输给站内集中控制保护系统。集中控制层将调度层指令转换为各级子模块的电压参考值，将注入电压指令或等效阻抗指令下发给各个子模块，实现各回线路上多级子模块的协调控制和DPFC 设备的集中保护功能。为保证系统可靠性，集中控制层采用双重化配置，AB 两套系统均接受调度控制层指令，执行控制逻辑并下发指令。

子模块控制层为子模块内阀控板卡，可执行注入电压控制、等效串入阻抗控制，实现模组电容电压控制功能及模组本身的保护功能。不同控制单元之间通过光纤或电力通信网进行信息交换。

基于三层控制系统架构，多级DPFC 能按调度需求设定整体控制目标，各级子模块也能按接入点状态独立调节运行。DPFC 系统通过不同控制层间的信息交互，实现启停策略并以多种工作模式对线路潮流进行控制，丰富了DPFC 方案的应用场景，增强了灵活性。

2.1 分级启动策略

DPFC 启动是指设备从停运状态到正常运行的过程，启动结束后DPFC 为0 电压输出状态，并可进一步根据指令调整线路潮流。针对多级DPFC 工程，提出的启动步骤如下：

步骤1：判断DPFC 进入准备运行状态，即线路正常运行、BPS 闭合、旁路用隔离刀闸分闸、与线路并联的隔离刀闸合闸及相应的地刀分闸、线路电流大于DPFC 最小运行电流。

步骤2：调度控制层或运行人员下发运行命令。

步骤3：经一段时间延时后，集控系统控制BPS 开关分闸，各子模块进入旁路充电状态，取能CT 对子模块控制系统供电。

步骤4：集控系统检测到与各子模块控制系统的通信正常后，经一段时间的延迟，下发启动命令给正常状态的子模块。

步骤5：子模块控制系统接收到集控系统的启动命令后，判断线路电流大于最小运行电流、单元状态无异常后，控制KM 开关分闸。

步骤6：KM 开关分闸后，子模块进行不控充电，电容电压快速上升。

步骤7：电容直流电压上升至解锁阈值后，子模块解锁，经PI（比例-积分）环节控制直流电压平稳，再平滑上升至额定值。

步骤8：在上一级子模块解锁后，集控系统给下一级子模块下发启动命令，并重复步骤5 至步骤7。

步骤9：待各级子模块均完成解锁后，集控系统显示DPFC 解锁，待系统稳定运行后，完成DPFC 分级启动。DPFC 维持0 电压输出状态。

上述多级DPFC 启动流程如图6 所示，其基本思想是通过集控系统控制子模块依次进行充电解锁，并在可控充电阶段引入PI 控制，减少DPFC 启动过程中子模块电容充电引起的系统有功功率波动。

图6 DPFC 启动策略流程图

若DPFC 安装在双回线路上，且双回线路都带电运行时，步骤2 将同时向双回线DPFC 下发启动命令，且此时通常不允许单回线DPFC 启动，避免双回线间产生环流。

启动过程中在步骤3 设置延时，主要是为了判断线路电流在一定时间内能稳定大于DPFC 最小运行电流，避免旁路开关BPS 分闸后又因线路电流不满足DPFC 启动条件而退出启动，重新合闸。而在步骤4 设置延时，主要是为了满足KM开关合闸、分闸线圈的储能需求。KM 开关的可靠合闸对保护变流器免受故障大电流冲击至关重要。在故障发生后，KM 开关须能迅速合闸，退出DPFC 运行。同时为配合保护重合闸，在线路重新运行后尽快实现原有的潮流调节功能，KM 开关应能在较短时间内重新分闸，并具备再次合闸的保护能力。由此经延时充能后，KM 开关应在一次充能后具备连续“分-合-分-合”的能力，或至少能经短时充电完成“分-合”动作，以保证DPFC 子模块安全。此外当子模块有更换，集控系统因从未采集过KM 位置信号，应在启动前下发KM 合闸指令，以保证KM 能处于合闸位置。这段充放能时间也应计入步骤4 的延时中。

步骤8 中，当集控系统经通信发现本级子模块的某一相或多相故障时，将直接给下一级子模块的对应相发启动命令。如2 级子模块的A 相已故障旁路，B，C 相可正常运行，在2 级子模块启动时，3 级子模块的A 相会先充电解锁；3 级子模块的B，C 相则顺延与4 级子模块的A 相一同充电解锁。这种策略有利于减少DPFC 整体启动时间，并有利于三相平衡运行。

2.2 零压停运策略

多级DPFC 停运的基本思想同样是减少对交流系统的冲击影响。本文所提策略是由集控系统先调节各子模块注入线路的电压为零，再下发子模块闭锁停运命令，策略流程如图7 所示，具体步骤如下。

图7 DPFC 停运策略流程

步骤1：调度控制层或运行人员下发停运命令。

步骤2：集控系统在收到停运命令后，切换系统控制模式为“电压控制”。

步骤3：集控系统以固定斜率调节子模块电压指令至0，子模块实际注入电压随电压指令，经PI 环节下降。

步骤4：待所有子模块零出力后，集控系统同时下发停运命令至所有子模块。

步骤5：所有子模块收到停运命令后，同时下发换流阀闭锁、IGBT 的1，3 管导通、TBS 导通，KM 开关合闸信号。

步骤6：集控系统检测到所有模组的KM 开关合闸后合上BPS 开关，DPFC 从线路中旁路，完成停运。

上述停运过程中，步骤5 在换流阀闭锁的同时触发IGBT 的1，3 管导通和TBS 导通，是为了在机械开关KM 闭合行程中先形成电流旁路，这两者反应速度快，但均不能长时间导通。待KM开关完成合闸后，IGBT 的1，3 管和TBS 将不再导通。

当DPFC 系统需要紧急停运，则由运行人员拍下停运按钮，DPFC 应被快速旁路停运。此时将直接闭锁换流阀，合BPS 开关，并触发TBS 导通、KM 合闸，相应的系统冲击影响将大于正常停运。

3 试验验证

为了验证多级DPFC 分级启动和平滑停运策略的正确性，在湖州DPFC 示范工程一期的系统试验阶段进行了相关测试。湖州DPFC 示范工程的主要参数如表1 所示。

表1 湖州DPFC 示范工程一期的主要参数

线路Ⅰ的1 号子模块瞬时解锁运行1 s 的波形如图8 所示。图中所有子模块KM 合闸位置信号以十进制表达，45 代表各级子模块KM 均合闸，44 代表1 级子模块的KM 分闸，其余子模块合闸。启动解锁过程中，DPFC 先经24 ms 的不控充电使电容电压快速上升至解锁直流电压阈值，解锁后控制直流电压平滑上升，约250 ms 后直流电压达到600 V，再经约500 ms 后达到额定电压。由图8 可知，子模块解锁后有功功率的波动远小于KM 开关分闸后不控充电引起的有功波动。解锁后DPFC 注入线路的电压为零，线路潮流受到的扰动很小。

图8 线路Ⅰ的1 号子模块瞬时解锁运行1 s

双回线DPFC 解锁运行的波形如图9 所示，（a）为线路ⅠDPFC，（b）为线路ⅡDPFC。集中控制系统发出启动命令1 min 后双回线DPFC 的BPS 开关分闸，DPFC 进入旁路充电状态，再46 s后双回线DPFC 开始第一级启动。图中可以看出DPFC 采取了分级启动策略，双回线上一级DPFC同时启动后间隔100 ms，下一级DPFC 再同时启动充电。从第一级DPFC 开始不控充电至双回线DPFC 完全解锁时间为350 ms。每回线路的有功波动幅值限制在了10 MW 以内，有效避免了多级DPFC 子模块电容同时进行充电引起的波动叠加。此外，图中可以看出波动主要存在于双回线路之间，对断面潮流几乎没有影响，这与系统阻抗大，线路阻抗小有关。由此亦可知，当双回线路带电，单回线DPFC 运行时，双回线间容易产生环流，故通常不允许这种运行方式。

图9 双回线DPFC 解锁运行

线路Ⅰ的1 号子模块A 相故障旁路后的双回线DPFC 解锁运行的波形如图10 所示。分级启动过程与策略一致，但由于A1 子模块故障，第二级子模块的A 相与第一级子模块的B，C 相同时启动。A 相共有3 级子模块启动，B，C 相各有4 级子模块启动，从开始不控充电至双回线DPFC完全解锁时间同样约为350 ms，与4 级完整启动一致。若每相均只有3 级子模块正常，启动时间将对应缩短。