分布式潮流控制器控制保护策略研究

裘 鹏，唐爱红，徐 华，钱 平，宋金根，翟晓辉，徐 政

分布式潮流控制器控制保护策略研究

裘 鹏1,2，唐爱红3，徐 华4，钱 平4，宋金根4，翟晓辉3，徐 政1

(1.浙江大学工程师学院，浙江 杭州 310015；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014；3.武汉理工大学，湖北 武汉 430070；4.国网浙江省电力有限公司，浙江 杭州 310014)

近些年，随着波动性与间歇性新能源电源的大规模接入，具有成本效益与功能强大优势的分布式潮流控制器(Distributed Power Flow Controllers, DPFC)在国内外逐步得到关注，并有多个工程项目相继投产运行。为提高DPFC运行的安全可靠性，结合DPFC的组成结构，研究了DPFC运行时可能发生的故障类型，并构建了各故障类型对应的等效电路。基于等效电路模型，分析并提取了串联耦合变压器故障、IGBT器件故障、触发信号丢失/直流电源损坏等故障情况下DPFC装置子模块的外在表现特征。结合故障特征与DPFC的启停动作时序，提出了DPFC的保护配置方案，并提出了DPFC变压器过压、直流电容过流、直流电容过压以及直流电容失压的保护策略。基于PSCAD/EMTDC构建了含DPFC的电磁暂态模型。仿真结果表明，所提保护配置方案及保护策略可以有效兼顾DPFC多种故障保护的需求。

分布式潮流控制器；变压器故障；IGBT击穿；故障分析；控制保护策略

0 引言

随着电力需求的日益增加以及环保理念不断深化，以风能、太阳能为代表的新能源发电规模正快速扩大[1-3]，新能源电力自身的波动性与间歇性、含新能源电源的电力系统双侧随机性以及线路输送能力限制，可能会导致传输线路存在过载和双向潮流问题[4-6]，丰富电力系统的潮流调控手段极其迫切。

DPFC是一种利用低压变流器模块叠加进行线路补偿的分布式串联型柔性交流输电设备，由于每个变流器模块具备独立的控制单元，其可分布式安装在站内、线路或杆塔上以协同满足电网的多种调控需求，可分群分组投入与控制，各子模块互为冗余，运行损耗小且可靠性高。DPFC 将会是未来柔性交流输电技术的重点研究对象，具有广阔的推广应用前景[7-8]。

目前，众多学者已在DPFC的数学模型、控制策略以及选址定容等理论上作了不少研究积累。文献[9]与文献[10]分别从电磁暂态层面与机电暂态层面研究了DPFC的数学模型；文献[11]提出了一种基于非线性反馈的DPFC装置级控制策略，改善了DPFC的动态响应特性；文献[12]提出了用于分布式静态串联补偿器的线性Heffron-Philips模型，基于该模型设计用于单机和多机电源系统中低频振荡的辅助阻尼控制器，并利用粒子群算法实现控制；文献[13]在综合考虑DPFC直流电压约束、输出电压约束以及线路潮流极限等目标，提出了基于多目标协调优化的DPFC装置级控制器参数优化方法；针对DPFC多子模块协调控制，目前广泛采用的方法有均分法和比例法[14-16]，文献[17]提出一种集群控制策略，使得DPFC可以在整个运行范围内都稳定地保持补偿效率；文献[18]在提高系统负载能力和可靠性之间达成了折衷，利用混合整数线性规划方法，提出了一种使用直流潮流模型找到DPFC最佳位置以增强系统负载能力和可靠性的方法；文献[19]采用对初值选取不敏感的半定规划法建立了含DPFC的系统最优潮流模型，并提出了一种基于原对偶内点法的求解方法；文献[20]以输电断面潮流分布均衡性和DPFC装置全寿命周期收益率为目标，提出了DPFC的优化配置模型及其求解方法；文献[21]依据世界首个220 kV DPFC示范工程实际，建立了多级DFC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。

国内外已有多项DPFC工程投入运行，其中，浙江省的2项DPFC工程是目前世界上容量最大的。文献[22-28]针对统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller, UPFC)和静止同步串联补偿器(Static Synchronous Series Compensator, SSSC)进行了控制保护策略的研究。其中，文献[22]从MMC-UPFC拓扑结构与工作原理出发，提出将并联侧及串联侧分区进行保护，设计了装置的整体保护配置方案；文献[23]基于苏南500 kV UPFC工程，提出了UPFC工程保护策略，并结合线路故障后UPFC系统的控制保护逻辑，通过建立含UPFC的电力系统故障等值模型，分析并提出UPFC接入对线路两侧距离保护动作特性的影响及应对性策略[24]，进而提出了一种不受UPFC多变的运行模式和控制参数的影响的新型距离保护方案[25]。针对SSSC的保护策略研究很少，工程上大多参考UPFC串联侧保护策略[26-27]。为提高SSSC保护的可靠性和灵活性，文献[28]提出一种引入晶闸管撬棒和压敏电阻的新拓扑。

但DPFC故障类型及故障现象与SSSC、UPFC大不相同，控制保护策略也更为复杂。本文将结合DPFC 的结构组成，研究DPFC运行时可能存在的故障类型，分析各故障情况下的等效电路模型，提取对应的电压、电流表现特征；结合故障现象与 DPFC启停动作，提出DPFC保护配置及策略，并仿真验证所提DPFC控制保护策略的有效性与可靠性，为日后成套的DPFC控制保护策略体系的制定提供参考。

1 DPFC的工作原理

DPFC由多个单相电压源变流器模块构成，一个单相电压源变流器即一个DPFC子模块，具体如图1所示。

图1 DPFC布置结构图

每个DPFC子模块可单独接收控制指令并逆变出与电流相角垂直的电压，可分别工作于电抗控制模式、电压控制模式和潮流控制模式(具体如图2所示)，根据需要进行模式切换，以满足电网不同的调控需求。

图2 DPFC控制策略

2 DPFC故障分析

2.1 DPFC子模块构成

每个DPFC子模块均是基于全控型器件组成的变流器，其结构如图3所示。

图3 DPFC子模块的构成

由图3可见，构成DPFC子模块的主设备包括旁路开关、隔离开关、耦合变压器、变流器以及直流滤波电容。在DPFC子模块正常运行时，旁路开关为常开状态、隔离开关为常闭状态；当线路或DPFC子模块发生故障时，旁路开关可实现快速闭合，隔离开关可快速断开DPFC子模块与线路的电气联系。

2.2 DPFC装置故障特征分析

2.2.1串联耦合变压器故障

DPFC子模块的串联耦合变压器副边发生短引线断开的示意图如图4所示。

图4 DPFC串联耦合变压器副边发生短引线断开的示意图

因为变压器副边断路时，线路与DPFC的回路变成了线路与变压器的回路，所以此时DPFC等效的接入线路的阻抗为

2.2.2器件故障

变流器装置由IGBT和反并联二极管等电力电子器件组成，其电压、电流过载能力较弱。IGBT击穿故障是DPFC子模块最常见的故障类型，IGBT会无视门极驱动信号，维持在直通状态，具体如图5所示。

图5 DPFC器件故障示意图

由图5(a)与图5(b)可见，IGBT器件击穿等效于该器件被短路。当T1、T4触发时，由于T4与T3直通，电容与T3、T4形成放电回路，由于器件导通阻抗极小，电容会快速放电，使电流迅速上升，电压迅速下降。当T2、T3触发时，其控制逻辑能正常实现，但因为直流电容在T4导通的时候已经进行了快速放电，所以T2、T3即使能接收到触发信号，DPFC仍无法工作在正常逆变状态。此外，在实际中，T4导通时流过的过电流可能会导致T4严重发热，从而使DPFC其他器件进一步损坏，因此，当发现器件存在击穿故障时，应快速退出该DPFC子模块。

2.2.3触发信号丢失

当触发信号丢失或直流供电电源损坏时，IGBT无法导通，此时DPFC子模块结构示意图如图6所示。

图6 当触发信号丢失或直流供电电源损坏时DPFC的结构示意图

3 DPFC保护配置及策略

根据上述故障特性分析，可以发现DPFC子模块可能面临过压、过流问题。为保障DPFC在发生故障时能迅速退出工作，DPFC需要配置变压器过压保护、直流电容过流保护、直流电容过压保护以及直流电容失压保护四部分，具体保护逻辑框图如图7所示。

DPFC保护与启停时序的配合如图8所示。

图7 DPFC保护逻辑框图

图8 DPFC保护与启停时序的配合示意图

在初始状态下，DPFC隔离开关断开，旁路开关闭合，IGBT、充电模块以及潮流/电压/阻抗控制模块均处于闭锁状态。当DPFC需要投入运行时，其按照“隔离开关闭合—>旁路开关开断、IGBT触发启动—>投入充电模块—>投入潮流/电压/阻抗控制模块”的顺序依次执行。

若运行时发生不同的故障，各自的保护均会根据图7中的逻辑进行动作。

(1) 串联耦合变压器故障

串联耦合变压器副边断线故障会引起变压器原边电压迅速上升，越过变压器过压保护阈值，从而引起保护动作。

(2) 器件故障

IGBT击穿引起的直流电容下降和直流电容电流增大，越过直流电容失压保护或直流电容过流保护的保护动作阈值，从而引起保护动作。

(3) 触发信号丢失

触发信号丢失引起的直流电容电压越限将触发直流电容过压保护，从而引起保护动作。

上述保护动作均为快速退出DPFC子模块，具体按照“闭合旁路开关—>开断隔离开关、闭锁IGBT—>闭锁充电模块与潮流/电压/阻抗控制模块”的顺序依次执行。

4 仿真实验分析

L2线路末端初始潮流为100+j0.75 MVA。

图9 仿真系统示意图

本文将以DPFC运行在潮流控制模式为例进行说明，潮流调节增量为初始潮流的10%，即设定给定值为110 kW。具体操作为：0.4 s时投入电容充电模块，1 s时投入潮流控制模块，所得仿真结果如图10所示。

图10 DPFC正常运行仿真结果

由图10可知，在0.4 s DPFC直流电容电压开始充电，经0.2 s达到给定值1.2 kV，此时DPFC输出电压几乎为0。在1 s时开始进行潮流调控，线路有功功率经0.1 s达到给定值110 kW，DPFC整体输出电压幅值约1.2 kV，线路电流幅值从2.23 kA增加到2.44 kA。

在该运行状态下，本文将在1.5 s分别模拟串联耦合变压器故障、器件故障以及触发信号丢失三种故障类型，以此检验本文所提保护策略的有效性。

4.1 串联耦合变压器故障

在1.5 s时，设置线路上其中一个DPFC子模块的串联耦合变压器副边短引线发生断线故障，图11为故障发生时含保护与不含保护的仿真结果。

由图11可知，无保护情况下的线路潮流与线路电流在1.5 s故障发生后快速下降至0，故障子模块串联耦合变压器原边电压迅速增大至母线I与母线II的电压差(DPFC整体的输出电压总和也接近于母线I与母线II的电压差)；由于子模块与系统没有回路，故障的DPFC子模块电容电压经自身放电回路缓慢放电。在含保护的情况下，由于故障子模块在1.5 s发生故障后被迅速切除，DPFC整体输出电压总和几乎不变；虽然线路有功功率略有波动，但在经约0.1 s后仍能稳定在给定值110 kW。证明了本文所设计的DPFC变压器过压保护能保证故障子模块的快速切除，从而维持其他DPFC子模块的正常运行。

图11 串联耦合变压器故障仿真对比图

4.2 器件故障

在1.5 s时，设置线路上其中一个DPFC子模块的IGBT器件发生击穿故障，图12为故障发生时含保护与不含保护的仿真结果。

由图12(a)、(b)、(c)可知，由于单个子模块容量与线路潮流相比很小，因此在1.5 s发生IGBT击穿故障时，有无保护对线路电流、线路功率以及DPFC整体输出电压几乎没有影响。

由图12(d)、(e)可知，在无保护时，故障DPFC子模块的电容电压迅速下降至0，故障IGBT的桥臂与电容形成回路，使其产生很大的冲击电流；在有保护时，由于DPFC子模块因触发了直流电容过流保护阈值而退出工作，故障子模块直流电容电压在发生故障后几乎不变，且IGBT闭锁导致电容没有其他放电回路，因此，故障子模块的IGBT电流又迅速变为零。证明了本文所提出的保护策略能对DPFC子模块器件故障进行快速切除与隔离，保证线路与其他DPFC子模块正常运行。

4.3 触发信号丢失

在1.5 s时，闭锁线路上其中一个DPFC子模块的触发信号，以此模拟触发信号丢失故障，图13为故障发生时含保护与不含保护的仿真结果。

由图13可知，无保护时，故障DPFC子模块直流电容电压与输出电压在故障发生后逐渐上升，DPFC整体输出电压也随之逐渐上升，线路有功功率与电流逐渐下降；有保护配置时，故障DPFC子模块直流电容过压保护将启动，故障子模块被迅速切除，IGBT被闭锁，电容电压将稳定于过压整定值1.8 kV，线路有功功率、电流以及DPFC整体输出电压几乎不变。

图13 触发信号丢失/直流供电电源故障仿真对比图

5 结论

本文分析了DPFC可能存在的故障类型，研究了各种故障凸显的独有特征现象，并据此提出了DPFC的变压器过压保护、直流电容过流保护、直流电容过压保护以及直流电容失压保护的配置及策略，基于PSCAD/EMTDC仿真软件构建了能模拟多种故障类型的DPFC仿真系统，验证了本文所提的DPFC保护策略，所得结论如下：

1) 当发生串联耦合变压器与触发信号丢失故障时，DPFC子模块最终会呈现出高阻抗状态，使DPFC所在支路首末端的电压差全部施加在变压器原边侧，从而导致DPFC子模块会发生过电压现象。此外，该模块故障会致使线路潮流无法传输，等效为线路发生断路故障，本文所提出的保护配置及策略能有效切除故障子模块，从而保护线路正常运行。

2) 当发生IGBT击穿故障时，不会对线路及其他子模块的运行造成影响，但由于电容放电环流会使其他正常IGBT器件严重发热，从而可能导致该子模块进一步损坏。本文所提出的配置及保护策略可快速切除IGBT发生击穿故障的DPFC子模块，从而避免故障子模块进一步损坏导致二次事故。

3) 本文所提出的保护配置及策略能兼顾DPFC串联耦合变压器故障、器件故障、触发信号丢失故障发生时的保护需求，能为DPFC工程系统调试、保护策略的设计提供指导。

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A control and protection strategy for a distributed power flow controller

QIU Peng1, 2, TANG Aihong3, XU Hua4, QIAN Ping4, SONG Jingen4, ZHAI Xiaohui3, XU Zheng1

(1.Polytechnic Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310015, China; 2.Electric Power Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Hangzhou 310014, China; 3.Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;4.State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Hangzhou 310014, China)

With the large-scale access of volatile and intermittent new energy sources, gradually increasing attention has been paid to distributed power flow controller (DPFC) technology with its cost-effectiveness and function advantages, and a number of engineering projects have been put into operation.To improve the safety and reliability of DPFC operation, combined with the structure of DPFC, this paper studies the types of faults that may occur during operation.The equivalent circuit corresponding to each fault type is constructed.Based on these, the external performance characteristics of the sub-modules of the DPFC device under fault conditions such as series coupled transformer failure, IGBT device failure, trigger signal loss/DC power supply damage, etc., are analyzed and extracted.Combining the fault phenomenon and the DPFC start-stop action timing, a protection configuration scheme for the DPFC is developed.DPFC transformer over-voltage protection, DC capacitor over-current/over-voltage protection, as well as DC capacitor voltage loss protection strategies are proposed.The electromagnetic transient model containing DPFC is completed using PSCAD/EMTDC.Simulation results show that the protection configuration and strategy proposed can satisfy the protection requirements of DPFC.

distributed power flow controller; transformer fault; IGBT breakdown; fault analysis; control and protection strategy

10.19783/j.cnki.pspc.211244

2021-09-09；

2021-10-21

裘 鹏(1985—)，男，博士研究生，高级工程师，主要研究方向为高压直流输电和柔性直流输电及大功率电力电子技术；E-mail: qiupeng5000@163.com

唐爱红(1969—)，女，博士，教授，博士生导师，主要从事柔性交直流输电、电力系统运行与控制与智能电网研究工作。E-mail: tah@whut.edu.cn

湖北省技术创新专项重大项目资助(2019AAA016)；国网浙江电力有限公司科技项目资助《DPFC关键技术研究及工程示范应用》(5211DS20008F)

This work is supported by the Technical Innovation Special Major Project of Hubei Province (No.2019AAA016).

(编辑 张爱琴)