多級(jí)分布式潮流控制器的平滑啟停策略

謝浩鎧，黃曉明，王 松，陸承宇，裘 鵬，陳 騫

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

電網(wǎng)運(yùn)行過程中潮流波動(dòng)大、分布不均衡導(dǎo)致關(guān)鍵供電斷面限額偏低，嚴(yán)重制約了電網(wǎng)的供電能力[1-3]。過去解決供電瓶頸及斷面超限問題的主要方式是新建輸電線路，部分區(qū)域探索應(yīng)用了SSSC（靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器），UPFC（統(tǒng)一潮流控制器）等大型FACTS（柔性交流輸電系統(tǒng)）裝置[4-7]。但這些措施均存在建設(shè)周期長(zhǎng)、占地面積大、一次性投資成本高、靈活性低等問題[8]，無法兼顧電網(wǎng)運(yùn)行與投資效益。

針對(duì)這些不足，美國(guó)Divian Deepak 教授等首先提出了DPFC（分布式潮流控制器）的概念，其核心是將小容量DSSC（分布式串聯(lián)補(bǔ)償器）作為DPFC 的子模塊，串聯(lián)懸掛在電力線上，多級(jí)協(xié)同實(shí)現(xiàn)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設(shè)，各級(jí)子模塊相互獨(dú)立，任一級(jí)子模塊故障后也不影響其他子模塊運(yùn)行，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可靠性高。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)DPFC 的大部分研究還處于理論階段，研究方向主要集中在裝置布點(diǎn)分析[10-13]、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性研究[14-15]、子模塊的控制邏輯設(shè)計(jì)[16-18]等方面，對(duì)啟動(dòng)和停運(yùn)策略研究鮮有提及。工程方面，美國(guó)Smart Wires 公司曾開展過兩項(xiàng)小容量DPFC 工程試驗(yàn)項(xiàng)目，高電壓等級(jí)、大容量DPFC 工程經(jīng)驗(yàn)匱乏[19]。2020 年，國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司為解決特定運(yùn)行工況下潮流分布嚴(yán)重不均的問題，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。在工程應(yīng)用中，串入系統(tǒng)的DPFC 容量越大、級(jí)數(shù)越多，啟動(dòng)和停運(yùn)過程中可能造成的沖擊影響就越大。適當(dāng)?shù)膯⑼？刂撇呗钥梢詼p少這種影響，提升DPFC 控制響應(yīng)速度。

由此，本文在DPFC 結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理基礎(chǔ)上，依據(jù)湖州220 kV DPFC 示范工程實(shí)際，建立了多級(jí)DPFC 控制系統(tǒng)架構(gòu)，提出了“分級(jí)啟動(dòng)”和“零壓停運(yùn)”的平滑啟停策略?！胺旨?jí)啟動(dòng)”策略通過集控系統(tǒng)協(xié)調(diào)各子模塊逐級(jí)啟動(dòng)、低直流電壓解鎖，減少啟動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)功率波動(dòng)。通過集控與多級(jí)閥控系統(tǒng)的信息交互減少整體啟動(dòng)時(shí)間?！傲銐和＿\(yùn)”策略控制各級(jí)子模塊先下降輸出電壓為零后再閉鎖停運(yùn)，降低停運(yùn)沖擊至最小。所提策略的有效性在工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

1 DPFC 技術(shù)方案

1.1 DPFC 工程結(jié)構(gòu)

DPFC 子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，由復(fù)合開關(guān)CS、電壓源變流器VSC、取能電源及控制與通信單元等部分組成[18-19]。取能電源由線路電流取能、電容電壓取能及電源變換電路組成，為VSC 的正常工作提供電源。復(fù)合開關(guān)CS 由機(jī)械旁路開關(guān)KM 和雙向晶閘管TBS 組成，用以實(shí)現(xiàn)DPFC 子模塊的投退操作及保護(hù)。

圖1 DPFC 子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為便于設(shè)備運(yùn)行維護(hù)和檢修，工程中在DPFC 子模塊外并聯(lián)增設(shè)機(jī)械旁路斷路器BPS 和旁路隔離刀閘，以實(shí)現(xiàn)DPFC 設(shè)備的帶電檢修功能。由此，在需要多級(jí)子模塊串入系統(tǒng)的大容量示范工程中，采用多級(jí)DPFC 集中布置的工程方案，可以減少斷路器和隔離刀閘投資，且不影響DPFC 各項(xiàng)功能。湖州DPFC 示范工程的一次接線圖如圖2 所示。

圖2 湖州DPFC 示范工程一次接線

1.2 DPFC 運(yùn)行原理

子模塊控制與通信單元接收控制指令，執(zhí)行控保策略算法并生成PWM 指令，控制單相全橋VSC 的IGBT 通斷，向輸電線路注入一個(gè)幅值和相角可控的電壓，其垂直分量的相位超前或滯后線路電流90°，呈現(xiàn)感性或容性特性，等效改變線路阻抗，實(shí)現(xiàn)有功功率調(diào)節(jié)。注入電壓的平行分量用于維持直流電容電壓穩(wěn)定。

對(duì)于圖3 所示的簡(jiǎn)化電力傳輸系統(tǒng)，設(shè)DPFC 子模塊向線路注入電壓的垂直分量為，等效于一個(gè)可控?zé)o功電壓源，其注入電壓幅值不受線路電流影響[9，16]。在DPFC 串入線路后，線路電流為：

圖3 輸電系統(tǒng)簡(jiǎn)化

其幅值為：

容性補(bǔ)償時(shí)，線路電流的幅值增加；感性補(bǔ)償時(shí)，線路電流的幅值減小。幅值變化幅度與注入垂直分量的大小呈正比。圖4 中（a），（b），（c）分別為無補(bǔ)償、容性補(bǔ)償和感性補(bǔ)償時(shí)的向量圖。

圖4 DPFC 子模塊串聯(lián)注入電壓補(bǔ)償相量

對(duì)于多級(jí)DPFC 工程而言，各級(jí)子模塊注入系統(tǒng)的電壓幅值和相位均可調(diào)節(jié)。整體調(diào)節(jié)量是各級(jí)子模塊注入電壓的垂直分量之和。

2 平滑啟停策略

為更好地協(xié)調(diào)多級(jí)DPFC 子模塊運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的連續(xù)性和分級(jí)性，建立了包括調(diào)度控制層、集中控制層、子模塊控制層在內(nèi)的系統(tǒng)控制架構(gòu)，如圖5 所示。

圖5 多級(jí)DPFC 控制系統(tǒng)架構(gòu)

調(diào)度控制層根據(jù)交流電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，計(jì)算出DPFC 實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)潮流調(diào)節(jié)的最優(yōu)電壓指令、或最優(yōu)功率指令、或最優(yōu)阻抗指令，再傳輸給站內(nèi)集中控制保護(hù)系統(tǒng)。集中控制層將調(diào)度層指令轉(zhuǎn)換為各級(jí)子模塊的電壓參考值，將注入電壓指令或等效阻抗指令下發(fā)給各個(gè)子模塊，實(shí)現(xiàn)各回線路上多級(jí)子模塊的協(xié)調(diào)控制和DPFC 設(shè)備的集中保護(hù)功能。為保證系統(tǒng)可靠性，集中控制層采用雙重化配置，AB 兩套系統(tǒng)均接受調(diào)度控制層指令，執(zhí)行控制邏輯并下發(fā)指令。

子模塊控制層為子模塊內(nèi)閥控板卡，可執(zhí)行注入電壓控制、等效串入阻抗控制，實(shí)現(xiàn)模組電容電壓控制功能及模組本身的保護(hù)功能。不同控制單元之間通過光纖或電力通信網(wǎng)進(jìn)行信息交換。

基于三層控制系統(tǒng)架構(gòu)，多級(jí)DPFC 能按調(diào)度需求設(shè)定整體控制目標(biāo)，各級(jí)子模塊也能按接入點(diǎn)狀態(tài)獨(dú)立調(diào)節(jié)運(yùn)行。DPFC 系統(tǒng)通過不同控制層間的信息交互，實(shí)現(xiàn)啟停策略并以多種工作模式對(duì)線路潮流進(jìn)行控制，豐富了DPFC 方案的應(yīng)用場(chǎng)景，增強(qiáng)了靈活性。

2.1 分級(jí)啟動(dòng)策略

DPFC 啟動(dòng)是指設(shè)備從停運(yùn)狀態(tài)到正常運(yùn)行的過程，啟動(dòng)結(jié)束后DPFC 為0 電壓輸出狀態(tài)，并可進(jìn)一步根據(jù)指令調(diào)整線路潮流。針對(duì)多級(jí)DPFC 工程，提出的啟動(dòng)步驟如下：

步驟1：判斷DPFC 進(jìn)入準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)，即線路正常運(yùn)行、BPS 閉合、旁路用隔離刀閘分閘、與線路并聯(lián)的隔離刀閘合閘及相應(yīng)的地刀分閘、線路電流大于DPFC 最小運(yùn)行電流。

步驟2：調(diào)度控制層或運(yùn)行人員下發(fā)運(yùn)行命令。

步驟3：經(jīng)一段時(shí)間延時(shí)后，集控系統(tǒng)控制BPS 開關(guān)分閘，各子模塊進(jìn)入旁路充電狀態(tài)，取能CT 對(duì)子模塊控制系統(tǒng)供電。

步驟4：集控系統(tǒng)檢測(cè)到與各子模塊控制系統(tǒng)的通信正常后，經(jīng)一段時(shí)間的延遲，下發(fā)啟動(dòng)命令給正常狀態(tài)的子模塊。

步驟5：子模塊控制系統(tǒng)接收到集控系統(tǒng)的啟動(dòng)命令后，判斷線路電流大于最小運(yùn)行電流、單元狀態(tài)無異常后，控制KM 開關(guān)分閘。

步驟6：KM 開關(guān)分閘后，子模塊進(jìn)行不控充電，電容電壓快速上升。

步驟7：電容直流電壓上升至解鎖閾值后，子模塊解鎖，經(jīng)PI（比例-積分）環(huán)節(jié)控制直流電壓平穩(wěn)，再平滑上升至額定值。

步驟8：在上一級(jí)子模塊解鎖后，集控系統(tǒng)給下一級(jí)子模塊下發(fā)啟動(dòng)命令，并重復(fù)步驟5 至步驟7。

步驟9：待各級(jí)子模塊均完成解鎖后，集控系統(tǒng)顯示DPFC 解鎖，待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，完成DPFC 分級(jí)啟動(dòng)。DPFC 維持0 電壓輸出狀態(tài)。

上述多級(jí)DPFC 啟動(dòng)流程如圖6 所示，其基本思想是通過集控系統(tǒng)控制子模塊依次進(jìn)行充電解鎖，并在可控充電階段引入PI 控制，減少DPFC 啟動(dòng)過程中子模塊電容充電引起的系統(tǒng)有功功率波動(dòng)。

圖6 DPFC 啟動(dòng)策略流程圖

若DPFC 安裝在雙回線路上，且雙回線路都帶電運(yùn)行時(shí)，步驟2 將同時(shí)向雙回線DPFC 下發(fā)啟動(dòng)命令，且此時(shí)通常不允許單回線DPFC 啟動(dòng)，避免雙回線間產(chǎn)生環(huán)流。

啟動(dòng)過程中在步驟3 設(shè)置延時(shí)，主要是為了判斷線路電流在一定時(shí)間內(nèi)能穩(wěn)定大于DPFC 最小運(yùn)行電流，避免旁路開關(guān)BPS 分閘后又因線路電流不滿足DPFC 啟動(dòng)條件而退出啟動(dòng)，重新合閘。而在步驟4 設(shè)置延時(shí)，主要是為了滿足KM開關(guān)合閘、分閘線圈的儲(chǔ)能需求。KM 開關(guān)的可靠合閘對(duì)保護(hù)變流器免受故障大電流沖擊至關(guān)重要。在故障發(fā)生后，KM 開關(guān)須能迅速合閘，退出DPFC 運(yùn)行。同時(shí)為配合保護(hù)重合閘，在線路重新運(yùn)行后盡快實(shí)現(xiàn)原有的潮流調(diào)節(jié)功能，KM 開關(guān)應(yīng)能在較短時(shí)間內(nèi)重新分閘，并具備再次合閘的保護(hù)能力。由此經(jīng)延時(shí)充能后，KM 開關(guān)應(yīng)在一次充能后具備連續(xù)“分-合-分-合”的能力，或至少能經(jīng)短時(shí)充電完成“分-合”動(dòng)作，以保證DPFC 子模塊安全。此外當(dāng)子模塊有更換，集控系統(tǒng)因從未采集過KM 位置信號(hào)，應(yīng)在啟動(dòng)前下發(fā)KM 合閘指令，以保證KM 能處于合閘位置。這段充放能時(shí)間也應(yīng)計(jì)入步驟4 的延時(shí)中。

步驟8 中，當(dāng)集控系統(tǒng)經(jīng)通信發(fā)現(xiàn)本級(jí)子模塊的某一相或多相故障時(shí)，將直接給下一級(jí)子模塊的對(duì)應(yīng)相發(fā)啟動(dòng)命令。如2 級(jí)子模塊的A 相已故障旁路，B，C 相可正常運(yùn)行，在2 級(jí)子模塊啟動(dòng)時(shí)，3 級(jí)子模塊的A 相會(huì)先充電解鎖；3 級(jí)子模塊的B，C 相則順延與4 級(jí)子模塊的A 相一同充電解鎖。這種策略有利于減少DPFC 整體啟動(dòng)時(shí)間，并有利于三相平衡運(yùn)行。

2.2 零壓停運(yùn)策略

多級(jí)DPFC 停運(yùn)的基本思想同樣是減少對(duì)交流系統(tǒng)的沖擊影響。本文所提策略是由集控系統(tǒng)先調(diào)節(jié)各子模塊注入線路的電壓為零，再下發(fā)子模塊閉鎖停運(yùn)命令，策略流程如圖7 所示，具體步驟如下。

圖7 DPFC 停運(yùn)策略流程

步驟1：調(diào)度控制層或運(yùn)行人員下發(fā)停運(yùn)命令。

步驟2：集控系統(tǒng)在收到停運(yùn)命令后，切換系統(tǒng)控制模式為“電壓控制”。

步驟3：集控系統(tǒng)以固定斜率調(diào)節(jié)子模塊電壓指令至0，子模塊實(shí)際注入電壓隨電壓指令，經(jīng)PI 環(huán)節(jié)下降。

步驟4：待所有子模塊零出力后，集控系統(tǒng)同時(shí)下發(fā)停運(yùn)命令至所有子模塊。

步驟5：所有子模塊收到停運(yùn)命令后，同時(shí)下發(fā)換流閥閉鎖、IGBT 的1，3 管導(dǎo)通、TBS 導(dǎo)通，KM 開關(guān)合閘信號(hào)。

步驟6：集控系統(tǒng)檢測(cè)到所有模組的KM 開關(guān)合閘后合上BPS 開關(guān)，DPFC 從線路中旁路，完成停運(yùn)。

上述停運(yùn)過程中，步驟5 在換流閥閉鎖的同時(shí)觸發(fā)IGBT 的1，3 管導(dǎo)通和TBS 導(dǎo)通，是為了在機(jī)械開關(guān)KM 閉合行程中先形成電流旁路，這兩者反應(yīng)速度快，但均不能長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)通。待KM開關(guān)完成合閘后，IGBT 的1，3 管和TBS 將不再導(dǎo)通。

當(dāng)DPFC 系統(tǒng)需要緊急停運(yùn)，則由運(yùn)行人員拍下停運(yùn)按鈕，DPFC 應(yīng)被快速旁路停運(yùn)。此時(shí)將直接閉鎖換流閥，合BPS 開關(guān)，并觸發(fā)TBS 導(dǎo)通、KM 合閘，相應(yīng)的系統(tǒng)沖擊影響將大于正常停運(yùn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證多級(jí)DPFC 分級(jí)啟動(dòng)和平滑停運(yùn)策略的正確性，在湖州DPFC 示范工程一期的系統(tǒng)試驗(yàn)階段進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。湖州DPFC 示范工程的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 湖州DPFC 示范工程一期的主要參數(shù)

線路Ⅰ的1 號(hào)子模塊瞬時(shí)解鎖運(yùn)行1 s 的波形如圖8 所示。圖中所有子模塊KM 合閘位置信號(hào)以十進(jìn)制表達(dá)，45 代表各級(jí)子模塊KM 均合閘，44 代表1 級(jí)子模塊的KM 分閘，其余子模塊合閘。啟動(dòng)解鎖過程中，DPFC 先經(jīng)24 ms 的不控充電使電容電壓快速上升至解鎖直流電壓閾值，解鎖后控制直流電壓平滑上升，約250 ms 后直流電壓達(dá)到600 V，再經(jīng)約500 ms 后達(dá)到額定電壓。由圖8 可知，子模塊解鎖后有功功率的波動(dòng)遠(yuǎn)小于KM 開關(guān)分閘后不控充電引起的有功波動(dòng)。解鎖后DPFC 注入線路的電壓為零，線路潮流受到的擾動(dòng)很小。

圖8 線路Ⅰ的1 號(hào)子模塊瞬時(shí)解鎖運(yùn)行1 s

雙回線DPFC 解鎖運(yùn)行的波形如圖9 所示，（a）為線路ⅠDPFC，（b）為線路ⅡDPFC。集中控制系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)命令1 min 后雙回線DPFC 的BPS 開關(guān)分閘，DPFC 進(jìn)入旁路充電狀態(tài)，再46 s后雙回線DPFC 開始第一級(jí)啟動(dòng)。圖中可以看出DPFC 采取了分級(jí)啟動(dòng)策略，雙回線上一級(jí)DPFC同時(shí)啟動(dòng)后間隔100 ms，下一級(jí)DPFC 再同時(shí)啟動(dòng)充電。從第一級(jí)DPFC 開始不控充電至雙回線DPFC 完全解鎖時(shí)間為350 ms。每回線路的有功波動(dòng)幅值限制在了10 MW 以內(nèi)，有效避免了多級(jí)DPFC 子模塊電容同時(shí)進(jìn)行充電引起的波動(dòng)疊加。此外，圖中可以看出波動(dòng)主要存在于雙回線路之間，對(duì)斷面潮流幾乎沒有影響，這與系統(tǒng)阻抗大，線路阻抗小有關(guān)。由此亦可知，當(dāng)雙回線路帶電，單回線DPFC 運(yùn)行時(shí)，雙回線間容易產(chǎn)生環(huán)流，故通常不允許這種運(yùn)行方式。

圖9 雙回線DPFC 解鎖運(yùn)行

線路Ⅰ的1 號(hào)子模塊A 相故障旁路后的雙回線DPFC 解鎖運(yùn)行的波形如圖10 所示。分級(jí)啟動(dòng)過程與策略一致，但由于A1 子模塊故障，第二級(jí)子模塊的A 相與第一級(jí)子模塊的B，C 相同時(shí)啟動(dòng)。A 相共有3 級(jí)子模塊啟動(dòng)，B，C 相各有4 級(jí)子模塊啟動(dòng)，從開始不控充電至雙回線DPFC完全解鎖時(shí)間同樣約為350 ms，與4 級(jí)完整啟動(dòng)一致。若每相均只有3 級(jí)子模塊正常，啟動(dòng)時(shí)間將對(duì)應(yīng)縮短。

圖10 子模塊存在故障時(shí)線路ⅠDPFC 解鎖運(yùn)行

雙回線DPFC 閉鎖停運(yùn)的波形如圖11 所示，可以看出當(dāng)DPFC 出力下降，線路潮流絕對(duì)值上升，恢復(fù)到自然狀態(tài)，此時(shí)DPFC 子模塊再閉鎖停運(yùn)，對(duì)線路潮流幾乎無影響。

圖11 雙回線DPFC 閉鎖停運(yùn)

與圖12 所示的緊急停運(yùn)波形對(duì)比，可以看出即便DPFC 僅有一個(gè)很小的出力，直接緊急停運(yùn)對(duì)系統(tǒng)仍有10 MW 左右的沖擊，并引起線路潮流突變，可知系統(tǒng)正常停運(yùn)策略有利于減少DPFC 停運(yùn)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的沖擊影響。

圖12 線路ⅠDPFC 緊急停運(yùn)

4 結(jié)語(yǔ)

本文在DPFC 結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理基礎(chǔ)上，依據(jù)湖州220 kV DPFC 示范工程實(shí)際，建立了多級(jí)DPFC 控制系統(tǒng)架構(gòu)，并進(jìn)一步提出了“分級(jí)啟動(dòng)”和“零壓停運(yùn)”的平滑啟停策略，使其對(duì)交流系統(tǒng)的有功功率影響盡可能減小。

多級(jí)DPFC 控制系統(tǒng)架構(gòu)通過信息交互增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性，能協(xié)調(diào)系統(tǒng)整體控制和子模塊控制，是多級(jí)子模塊根據(jù)集中控制指令實(shí)現(xiàn)“分級(jí)啟動(dòng)”和“零壓停運(yùn)”的物理基礎(chǔ)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，“分級(jí)啟動(dòng)”策略能通過集控系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制各級(jí)子模塊逐級(jí)啟動(dòng)，在低直流電壓解鎖，有效避免了多級(jí)DPFC 子模塊電容同時(shí)充電引起的功率波動(dòng)疊加，分散降低了啟動(dòng)過程中的有功功率波動(dòng)幅值。

同時(shí)在啟動(dòng)過程中采用跳過本級(jí)子模塊故障相，啟動(dòng)下一級(jí)子模塊對(duì)應(yīng)相的方式，有利于減少整體啟動(dòng)時(shí)間和三相平衡運(yùn)行。

“零壓停運(yùn)”策略能控制各級(jí)子模塊先下降各級(jí)DPFC 輸出電壓為零，保證了DPFC 停運(yùn)后線路功率不變，對(duì)交流系統(tǒng)沒有潮流突變影響?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，通過策略與多類型旁路開關(guān)配合，停運(yùn)過程對(duì)換流器本體和交流系統(tǒng)幾乎沒有沖擊影響。