南京UPFC示范工程人工接地短路試驗(yàn)分析

黃志高，潘 磊，祁萬(wàn)春，邱德鋒，黃如海，姜崇學(xué)

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇南京210008)

電網(wǎng)技術(shù)

南京UPFC示范工程人工接地短路試驗(yàn)分析

黃志高1，潘 磊2，祁萬(wàn)春3，邱德鋒2，黃如海2，姜崇學(xué)2

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇南京210008)

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）包含有串聯(lián)側(cè)換流器和并聯(lián)側(cè)換流器兩部分，在近端線路發(fā)生故障時(shí)，UPFC串、并聯(lián)的換流器均會(huì)受故障影響，對(duì)于線路的瞬時(shí)性故障，需要UPFC能承受故障沖擊，并且在線路故障清除后繼續(xù)運(yùn)行。人工短路試驗(yàn)可以考驗(yàn)UPFC的故障穿越能力，文中通過(guò)對(duì)南京UPFC示范工程的人工接地短路試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證示范工程主設(shè)備參數(shù)的設(shè)計(jì)，和故障處理策略的合理性。

UPFC；線路故障；人工短路試驗(yàn)；故障穿越

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）作為迄今最全面的柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）設(shè)備,既能在電力系統(tǒng)穩(wěn)定方面實(shí)現(xiàn)潮流調(diào)節(jié)，合理控制有功功率、無(wú)功功率，提高線路的輸送能力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行；又能在動(dòng)態(tài)方面，通過(guò)快速無(wú)功吞吐，動(dòng)態(tài)地支撐接入點(diǎn)的電壓，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；還可以改善系統(tǒng)阻尼，提高功角穩(wěn)定性[1-4]。因此，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，對(duì)UPFC的故障處理和故障穿越能力進(jìn)行優(yōu)化研究具有非常重要的意義。

南京西環(huán)網(wǎng)UPFC示范工程為世界上首個(gè)基于模塊化多電平換流器（MMC）的UPFC工程，也是我國(guó)首個(gè)UPFC工程，該工程的投運(yùn)代表著我國(guó)電力電子技術(shù)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，對(duì)后續(xù)UPFC的推廣應(yīng)該具有很好的示范意義。設(shè)備的故障穿越能力是考驗(yàn)UPFC運(yùn)行可靠性的重要指標(biāo)。

1 南京UPFC工程概況

南京西環(huán)網(wǎng)是南京城網(wǎng)的主要負(fù)荷中心，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特殊，目前南京主城西環(huán)網(wǎng)的沿江輸電通道受限，南北輸電通道負(fù)荷分布嚴(yán)重不均，且新增線路和擴(kuò)容改造的成本高、施工難度大。經(jīng)研究論證，在西環(huán)網(wǎng)北通道的鐵北至?xí)郧f雙回線路上安裝UPFC（設(shè)備安裝在220 kV鐵北變電站），利用其快速調(diào)節(jié)電網(wǎng)潮流的能力，可以?xún)?yōu)化南京西環(huán)網(wǎng)潮流，解決曉莊南送斷面潮流過(guò)重，以及近、遠(yuǎn)期部分?jǐn)嗝娉绷鳠o(wú)法滿(mǎn)足N-1校核的問(wèn)題[5]。

南京UPFC示范工程采用3個(gè)相同容量的電壓源型UPFC換流器背靠背連接的方式，其一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中UPFC換流器采用基于IGBT的MMC技術(shù)，換流器容量設(shè)計(jì)為3×60 MV·A，各換流器通過(guò)隔離刀閘連接至直流公共母線上；同時(shí)3個(gè)換流器的交流側(cè)安裝有多個(gè)轉(zhuǎn)換刀閘，可以實(shí)現(xiàn)各換流器串、并聯(lián)連接的轉(zhuǎn)換，從而提高了UPFC系統(tǒng)的靈活性和可靠性[6]。

圖1 南京UPFC工程一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在正常雙回線路UPFC方式運(yùn)行時(shí)，2個(gè)換流器串聯(lián)接入220 kV線路，分別控制雙回線路的潮流，并可以對(duì)線路的有功功率和無(wú)功功率獨(dú)立控制；另一個(gè)換流器并聯(lián)接入35 kV交流系統(tǒng)，控制UPFC系統(tǒng)的直流電壓，并可以提高35 kV交流系統(tǒng)的無(wú)功儲(chǔ)備能力、控制交流系統(tǒng)電壓。南京UPFC示范工程的主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。

2 南京UPFC工程故障處理策略

統(tǒng)一潮流控制器的核心設(shè)備為電壓源換流器，屬于電力電子設(shè)備，其承受系統(tǒng)過(guò)電壓和過(guò)電流的能力有限，相比傳統(tǒng)的電力設(shè)備比如變壓器，其耐受故障電壓和電流能力非常差，特別是串聯(lián)換流器對(duì)應(yīng)的線路發(fā)生故障時(shí)，線路短路電流會(huì)經(jīng)過(guò)串聯(lián)變壓器耦合至換流閥，因此在發(fā)生故障時(shí)，必須要迅速采取措施保護(hù)換流器。

南京UPFC工程在串聯(lián)側(cè)每組串聯(lián)變壓器兩側(cè)分別配置1臺(tái)高壓側(cè)機(jī)械旁路開(kāi)關(guān) （HVB）、1臺(tái)低壓側(cè)機(jī)械旁路開(kāi)關(guān) （LVB）和1臺(tái)快速晶閘管旁路開(kāi)關(guān)（TBS），如圖2所示。故障發(fā)生時(shí)（線路故障、串聯(lián)變壓器故障或者串聯(lián)換流器區(qū)故障），保護(hù)迅速動(dòng)作同時(shí)觸發(fā)TBS導(dǎo)通、發(fā)送高壓側(cè)旁路開(kāi)關(guān)和低壓側(cè)旁路開(kāi)關(guān)合閘命令，TBS快速導(dǎo)通，將串聯(lián)側(cè)換流器旁路，隔離換流閥和交流線路，避免交流系統(tǒng)故障和閥區(qū)故障的相互影響。在低壓側(cè)旁路開(kāi)關(guān)或者高壓側(cè)旁路開(kāi)關(guān)任意一個(gè)合閘后，閉鎖TBS的觸發(fā)脈沖[7，8]。

表1 南京UPFC工程主要參數(shù)

圖2 UPFC串聯(lián)側(cè)旁路方案

如上所述，南京UPFC工程采用三重旁路開(kāi)關(guān)的配置，可以保證UPFC串聯(lián)側(cè)換流器在故障時(shí)安全可靠的退出，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。安裝線路故障對(duì)于UPFC來(lái)說(shuō)是區(qū)外故障，但由于UPFC的串、并聯(lián)換流器均和線路的耦合關(guān)系較強(qiáng)，UPFC的串、并聯(lián)側(cè)換流器均會(huì)受到線路故障的影響。對(duì)此，南京工程對(duì)線路故障的處理策略為：并聯(lián)側(cè)換流器通過(guò)控制保護(hù)策略的優(yōu)化，保持并聯(lián)側(cè)換流器持續(xù)運(yùn)行；串聯(lián)側(cè)換流器在故障發(fā)生后通過(guò)三重旁路開(kāi)關(guān)的保護(hù)配合迅速退出。

另外，對(duì)于線路的瞬時(shí)性故障，線路保護(hù)可能會(huì)重合閘，因此南京UPFC工程的串聯(lián)側(cè)增加了故障重啟策略，在檢測(cè)到是區(qū)外故障或者接收到線路保護(hù)裝置的保護(hù)動(dòng)作命令后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延遲（延遲的時(shí)間主要和重合閘時(shí)間配合）后，如判斷線路重合閘成功，則將UPFC系統(tǒng)重新投入運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)UPFC設(shè)備的故障穿越。

3 南京UPFC工程人工短路試驗(yàn)概述

為檢查交流系統(tǒng)瞬時(shí)性故障情況下UPFC系統(tǒng)的故障穿越能力，考核一次設(shè)備耐受故障沖擊的能力，考核UPFC控制保護(hù)及系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)的動(dòng)作性能，2016年2月28日凌晨，在220 kV鐵北變曉鐵線近地相進(jìn)行單回線路單相瞬時(shí)人工接地故障試驗(yàn)。

3.1 人工接地點(diǎn)的選擇要求

（1）單相接地故障發(fā)生前曉鐵雙回線及UPFC系統(tǒng)正常運(yùn)行；

（2）單相接地故障發(fā)生后故障相線路兩側(cè)斷路器跳開(kāi)切除故障，非故障線路等設(shè)備在故障發(fā)生及清除過(guò)程中保持正常運(yùn)行；

（3）安全、可靠，便于試驗(yàn)實(shí)施和操作。人工接地裝置構(gòu)成如圖3所示。

圖3 人工接地試驗(yàn)示意圖

3.2 人工接地短路試驗(yàn)前準(zhǔn)備

（1）將準(zhǔn)備進(jìn)行接地試驗(yàn)的線路轉(zhuǎn)入檢修狀態(tài)。

（2）按圖3所示安裝好線路和地面部分的人工接地裝置。

（3）人工接地裝置安裝完畢并檢查無(wú)誤后，工作人員退出現(xiàn)場(chǎng)，報(bào)告試驗(yàn)指揮。

（4）將鐵曉雙線轉(zhuǎn)入運(yùn)行狀態(tài)；

（5）將UPFC系統(tǒng)投入運(yùn)行，通過(guò)UPFC將試驗(yàn)線路雙回線路輸送有功功率控制為50 MW。

3.3 人工接地短路試驗(yàn)步驟

（1）當(dāng)短路試驗(yàn)準(zhǔn)備命令發(fā)出后，工作人員將遙控發(fā)射裝置設(shè)置在準(zhǔn)備發(fā)射前狀態(tài)，全體工作人員退到試驗(yàn)場(chǎng)地遮攔之外（距接地點(diǎn)40 m以外），報(bào)告試驗(yàn)指揮。

（2）當(dāng)接地試驗(yàn)5 min準(zhǔn)備命令發(fā)出后，監(jiān)控員和裝彈員再進(jìn)入遮攔內(nèi)，先將彈射彈放入發(fā)射筒內(nèi)，然后將接有引弧線的接線環(huán)放置在發(fā)射筒上，最后接通遙控接收裝置和電動(dòng)機(jī)電源。

（3）發(fā)射裝置一切準(zhǔn)備就緒并且檢查無(wú)誤后，監(jiān)控員和裝彈員后退至距發(fā)射裝置40 m左右，報(bào)告試驗(yàn)指揮。

（4）由試驗(yàn)指揮發(fā)出接地試驗(yàn)命令，接地試驗(yàn)命令倒數(shù)至0時(shí)，控制人員按動(dòng)遙控器按鈕，彈射彈帶著連接有引弧線的接線環(huán)飛向懸掛在空中的金屬細(xì)棒（相碰前空氣間隙已被擊穿）形成線路對(duì)地故障。

3.4 人工接地短路試驗(yàn)預(yù)期結(jié)果

（1）試驗(yàn)過(guò)程期間，并聯(lián)側(cè)換流器一直保持運(yùn)行；

（2）接地故障發(fā)生后，故障線路對(duì)應(yīng)的UPFC串聯(lián)側(cè)迅速退出運(yùn)行，換流器閉鎖、晶閘管旁路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通、機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)合閘；

（3）線路保護(hù)在故障消失后完成線路的重合閘；

（4）退出的換流器在重合閘完成后重新投入運(yùn)行，最終恢復(fù)到接地短路試驗(yàn)前的功率狀態(tài)（即雙回線路50 MW）。

（5）故障期間，UPFC成套設(shè)備 （包括換流閥、變壓器和TBS、控制保護(hù)系統(tǒng)等）運(yùn)行正常。

4 南京UPFC工程人工短路試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 線路保護(hù)動(dòng)作情況

人工短路試驗(yàn)期間，鐵曉2Y59線路（短路故障模擬線路）的線路保護(hù)波形如圖4所示。線路保護(hù)正常動(dòng)作，在53 ms左右鐵曉2Y59開(kāi)關(guān)B相跳開(kāi)，大約876 ms后線路重合閘成功（重合閘整定時(shí)間為800 ms，線路開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間大約76 ms）。

圖4 鐵曉2Y59線保護(hù)裝置錄波

從圖4波形可以看出，故障發(fā)生后、串變1（接入2Y59線路的串聯(lián)變壓器）高壓側(cè)旁路開(kāi)關(guān)合上之前，鐵北側(cè)故障電流有效值10.8 kA（瞬時(shí)值18 kA）；串變1高壓側(cè)旁路開(kāi)關(guān)合上后故障電流有效值略有增加，有效值13.7 kA（瞬時(shí)值22.4 kA），故障點(diǎn)短路電流有效值19.97 kA（峰值33.7 kA）。從圖4可以看出，串變1高壓側(cè)旁路開(kāi)關(guān)合上的時(shí)間約為34 ms。

4.2 UPFC動(dòng)作情況

人工短路試驗(yàn)期間，UPFC保護(hù)裝置CPR的部分電氣量的波形如圖5所示。第1組為2Y59線路三相電壓 UL_L_PR的波形、第2組為串聯(lián)變壓器 1（接入2Y59線路的串聯(lián)變壓器）閥側(cè)繞組電流IVT_L_PR_SE1的波形、第3組為換流器2（試驗(yàn)期間接入2Y59線路的換流器）交流電流IVS_L_PR_SE1的波形，第4組為變壓器1閥側(cè)繞組電流和換流器2交流電流波形的比較。

圖5 UPFC保護(hù)裝置（CPR）錄波

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，2Y59線路對(duì)應(yīng)的串聯(lián)變壓器1低壓側(cè)繞組電流IVT_L_PR_SE1和換流器2（試驗(yàn)時(shí)換流器2接入2Y59線路）的交流電流IVS_L_PR_SE1相等；當(dāng)TBS導(dǎo)通或者低壓側(cè)的機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)LVB合閘，但高壓側(cè)機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)分閘時(shí)，這2個(gè)電流不一樣，這種情況對(duì)應(yīng)的是UPFC換流器退出、但串聯(lián)變壓器接入線路。線路發(fā)生接地故障時(shí)，短路電流耦合到換流閥，UPFC保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到IVS_L2_PR_SE1超過(guò)過(guò)流保護(hù)保護(hù)動(dòng)作定值后，保護(hù)動(dòng)作迅速觸發(fā)串聯(lián)變壓器1對(duì)應(yīng)的TBS導(dǎo)通，而此時(shí)串聯(lián)變壓器1對(duì)應(yīng)的機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)還未合閘，換流器2與故障隔離，但串聯(lián)變壓器仍串入線路中，則TBS導(dǎo)通后 IVS_L_PR_SE1和IVT_L_PR_SE1會(huì)不相等，2者的電流波形會(huì)分叉。

人工短路試驗(yàn)期間，UPFC換流器2（試驗(yàn)期間接入2Y59線路的換流器）的控制裝置CCP的部分電氣量的波形如圖6所示。第1組為2Y59線路B相電壓UL_out_B_TFR，第 2組為2Y59線路B相電流IL_B_TFR，第3組為換流器2（試驗(yàn)期間接入2Y59線路的換流器）交流電流IV_TFR，第4組的4路開(kāi)關(guān)量分別為：換流器解鎖信號(hào)DEBLOCKED、串聯(lián)變壓器1高壓側(cè)旁路開(kāi)關(guān)的合閘信號(hào)W23_QF1_CLOSE_IND、串聯(lián)變壓器1低壓側(cè)旁路開(kāi)關(guān)的合閘信號(hào)W23_QF2_CLOSE_IND、2Y29線路開(kāi)關(guān)位置信號(hào)W23_QF2_CLOSE_IND（線路開(kāi)關(guān)任一相分即判斷為分位）。

圖6 UPFC控制裝置（CCP）錄波

人工接地短路試驗(yàn)對(duì)于線路來(lái)說(shuō)是瞬時(shí)性故障，故障消失后線路會(huì)重合閘，根據(jù)前述故障處理策略，UPFC也應(yīng)該在線路重合閘成功后重新啟動(dòng)投入運(yùn)行。人工短路試驗(yàn)控制保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖如圖7所示。

圖7 人工短路試驗(yàn)控制保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖

從圖7相關(guān)的波形可以看出，故障發(fā)生后，故障線路對(duì)應(yīng)的串聯(lián)側(cè)換流器迅速閉鎖、同時(shí)故障線路對(duì)應(yīng)的TBS導(dǎo)通、串聯(lián)變壓器機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)均合閘、故障線路開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。在線路故障清除后，故障線路對(duì)應(yīng)的換流器開(kāi)始重新啟動(dòng)，先分串聯(lián)變壓器1低壓側(cè)旁路開(kāi)關(guān)，之后換流器2重新解鎖，串聯(lián)變壓器繞組電流建立后，分開(kāi)串聯(lián)變壓器1高壓側(cè)旁路開(kāi)關(guān)，UPFC開(kāi)始重新控制線路功率，完成故障穿越和故障重啟過(guò)程。

4.3 控制保護(hù)動(dòng)作時(shí)序分析

對(duì)上述故障試驗(yàn)分析進(jìn)行梳理，整理出此次人工短路時(shí)間的整個(gè)控制保護(hù)動(dòng)作時(shí)序如下：00∶18∶09.148，人工模擬瞬時(shí)單相接地故障，1.5 ms UPFC保護(hù)動(dòng)作，9.2 ms鐵曉2Y59線路保護(hù)動(dòng)作，34 ms串聯(lián)變壓器1的高壓側(cè)機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)合閘，53 ms鐵曉2Y59線路開(kāi)關(guān)B相跳開(kāi)，929 ms鐵曉2Y59線路開(kāi)關(guān)B相重合成功，6.6 s換流器2完成對(duì)2Y59線路控制的重新啟動(dòng)。

整個(gè)故障過(guò)程中系統(tǒng)保護(hù)、UPFC控制保護(hù)均動(dòng)作正確。故障前，曉鐵雙回線輸送有功功率50 MW，故障后鐵曉雙回線功率恢復(fù)至故障前水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)南京UPFC工程人工接地短路試驗(yàn)的過(guò)程和試驗(yàn)波形進(jìn)行詳細(xì)分析，以及試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)一次設(shè)備的詳細(xì)檢查，結(jié)果表明電網(wǎng)相關(guān)保護(hù)動(dòng)作行為正確；UPFC控制保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作正確，故障處理策略設(shè)計(jì)合理、且具有較好的性能；UPFC一次設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)檢查無(wú)異常。南京UPFC工程可承受電網(wǎng)短路故障帶來(lái)的沖擊并成功穿越，整個(gè)UPFC系統(tǒng)具有良好的電網(wǎng)運(yùn)行適應(yīng)性和兼容性。試驗(yàn)過(guò)程中，所有設(shè)備運(yùn)行正常，未出現(xiàn)故障，表現(xiàn)出極高的可靠性。

[1]馬 凡.統(tǒng)一潮流控制器動(dòng)態(tài)特性及相關(guān)控制策略研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[2]朱鵬程，劉黎明，劉小元，等.統(tǒng)一潮流控制器的分析與控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(1)：45-51.

[3]魯 江，秦 健，潘 磊，等.南京UPFC工程控制保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)與配置研究[J].江蘇電機(jī)工程，2015，34(6)：1-5.

[4]凌 峰，秦 健，戴 陽(yáng)，等.南京UPFC工程運(yùn)行方式[J].江蘇電機(jī)工程，2015，34(6)：36-40.

[5]王 旭，祁萬(wàn)春，黃俊輝，等.柔性交流輸電技術(shù)在江蘇電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電力建設(shè)，2014，35(11)：92-96.

[6]凌 峰，李九虎，田 杰，等.適用于雙回線路的統(tǒng)一潮流控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)仳，2015，39(21)：113-119.

[7]姜崇學(xué)，戴 陽(yáng)，王 瑩，等.統(tǒng)一潮流控制器保護(hù)功能配置研究[J].江蘇電機(jī)工程，2015，34(6)：6-9.

[8]潘 磊，李繼紅，田 杰，等.統(tǒng)一潮流控制器的平滑啟動(dòng)和停運(yùn)策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39(12)：159-164.

Analysis of Artificial Grounding Test for Nanjing UPFC Pilot Project

HUANG Zhigao1,PAN Lei2,QI Wanchun3,QIU Defeng2,HUANG Ruhai2,JIANG Chongxue2
(1.State Grid Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 210024,China;2.Nanjing Nari-Relays Electric Co.Ltd.,Nanjing 211102,China;3.State Grid Jiangsu Economic Research Institute,Nanjing 210008,China)

Unified power flow controller(UPFC)consists of two parts,namely series and parallel converters.When faults happen on the line near the two parts,converters respectively at the series side and parallel side will be both affected.The UPFC must have the ability against the line instantaneous fault,and the ability to continue running after the fault is cleared. Artificial short circuit test can test the fault ride-through capability of UPFC.The parameter design of main equipment and strategy against faults of Nanjing UPFC pilot project are proved reasonable by the analysis of the artificial grounding test results.

unified power flow controller(UPFC);line fault;artificial short circuit test;fault ride-through

TM711

A

1009-0665（2016）06-0032-04

黃志高（1962），男，江蘇泗陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化；

潘 磊（1985），男，湖北荊州人，工程師，從事柔性直流輸電及柔性交流輸電技術(shù)研究工作；

祁萬(wàn)春（1979），男，江蘇鹽城人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃及可靠性；

邱德鋒（1986），男，江蘇泰州人，工程師，從事柔性直流輸電及柔性交流輸電技術(shù)研究工作；

黃如海（1987），男，江蘇南通人，工程師，從事柔性直流輸電及柔性交流輸電技術(shù)研究工作；

姜崇學(xué)（1987），男，黑龍江佳木斯人，工程師，從事柔性直流輸電及柔性交流輸電技術(shù)研究工作。

2016-08-03；

2016-09-14