分布式潮流控制器控制保護策略研究

裘 鵬，唐愛紅，徐 華，錢 平，宋金根，翟曉輝，徐 政

分布式潮流控制器控制保護策略研究

裘 鵬1,2，唐愛紅3，徐 華4，錢 平4，宋金根4，翟曉輝3，徐 政1

(1.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江 杭州 310015；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；3.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070；4.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310014)

近些年，隨著波動性與間歇性新能源電源的大規(guī)模接入，具有成本效益與功能強大優(yōu)勢的分布式潮流控制器(Distributed Power Flow Controllers, DPFC)在國內(nèi)外逐步得到關(guān)注，并有多個工程項目相繼投產(chǎn)運行。為提高DPFC運行的安全可靠性，結(jié)合DPFC的組成結(jié)構(gòu)，研究了DPFC運行時可能發(fā)生的故障類型，并構(gòu)建了各故障類型對應(yīng)的等效電路?；诘刃щ娐纺Ｐ停治霾⑻崛×舜?lián)耦合變壓器故障、IGBT器件故障、觸發(fā)信號丟失/直流電源損壞等故障情況下DPFC裝置子模塊的外在表現(xiàn)特征。結(jié)合故障特征與DPFC的啟停動作時序，提出了DPFC的保護配置方案，并提出了DPFC變壓器過壓、直流電容過流、直流電容過壓以及直流電容失壓的保護策略?；赑SCAD/EMTDC構(gòu)建了含DPFC的電磁暫態(tài)模型。仿真結(jié)果表明，所提保護配置方案及保護策略可以有效兼顧DPFC多種故障保護的需求。

分布式潮流控制器；變壓器故障；IGBT擊穿；故障分析；控制保護策略

0 引言

隨著電力需求的日益增加以及環(huán)保理念不斷深化，以風(fēng)能、太陽能為代表的新能源發(fā)電規(guī)模正快速擴大[1-3]，新能源電力自身的波動性與間歇性、含新能源電源的電力系統(tǒng)雙側(cè)隨機性以及線路輸送能力限制，可能會導(dǎo)致傳輸線路存在過載和雙向潮流問題[4-6]，豐富電力系統(tǒng)的潮流調(diào)控手段極其迫切。

DPFC是一種利用低壓變流器模塊疊加進行線路補償?shù)姆植际酱?lián)型柔性交流輸電設(shè)備，由于每個變流器模塊具備獨立的控制單元，其可分布式安裝在站內(nèi)、線路或桿塔上以協(xié)同滿足電網(wǎng)的多種調(diào)控需求，可分群分組投入與控制，各子模塊互為冗余，運行損耗小且可靠性高。DPFC 將會是未來柔性交流輸電技術(shù)的重點研究對象，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景[7-8]。

目前，眾多學(xué)者已在DPFC的數(shù)學(xué)模型、控制策略以及選址定容等理論上作了不少研究積累。文獻[9]與文獻[10]分別從電磁暫態(tài)層面與機電暫態(tài)層面研究了DPFC的數(shù)學(xué)模型；文獻[11]提出了一種基于非線性反饋的DPFC裝置級控制策略，改善了DPFC的動態(tài)響應(yīng)特性；文獻[12]提出了用于分布式靜態(tài)串聯(lián)補償器的線性Heffron-Philips模型，基于該模型設(shè)計用于單機和多機電源系統(tǒng)中低頻振蕩的輔助阻尼控制器，并利用粒子群算法實現(xiàn)控制；文獻[13]在綜合考慮DPFC直流電壓約束、輸出電壓約束以及線路潮流極限等目標，提出了基于多目標協(xié)調(diào)優(yōu)化的DPFC裝置級控制器參數(shù)優(yōu)化方法；針對DPFC多子模塊協(xié)調(diào)控制，目前廣泛采用的方法有均分法和比例法[14-16]，文獻[17]提出一種集群控制策略，使得DPFC可以在整個運行范圍內(nèi)都穩(wěn)定地保持補償效率；文獻[18]在提高系統(tǒng)負載能力和可靠性之間達成了折衷，利用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法，提出了一種使用直流潮流模型找到DPFC最佳位置以增強系統(tǒng)負載能力和可靠性的方法；文獻[19]采用對初值選取不敏感的半定規(guī)劃法建立了含DPFC的系統(tǒng)最優(yōu)潮流模型，并提出了一種基于原對偶內(nèi)點法的求解方法；文獻[20]以輸電斷面潮流分布均衡性和DPFC裝置全壽命周期收益率為目標，提出了DPFC的優(yōu)化配置模型及其求解方法；文獻[21]依據(jù)世界首個220 kV DPFC示范工程實際，建立了多級DFC控制系統(tǒng)架構(gòu)，提出了分級啟動和零壓停運的平滑啟停策略。

國內(nèi)外已有多項DPFC工程投入運行，其中，浙江省的2項DPFC工程是目前世界上容量最大的。文獻[22-28]針對統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow Controller, UPFC)和靜止同步串聯(lián)補償器(Static Synchronous Series Compensator, SSSC)進行了控制保護策略的研究。其中，文獻[22]從MMC-UPFC拓撲結(jié)構(gòu)與工作原理出發(fā)，提出將并聯(lián)側(cè)及串聯(lián)側(cè)分區(qū)進行保護，設(shè)計了裝置的整體保護配置方案；文獻[23]基于蘇南500 kV UPFC工程，提出了UPFC工程保護策略，并結(jié)合線路故障后UPFC系統(tǒng)的控制保護邏輯，通過建立含UPFC的電力系統(tǒng)故障等值模型，分析并提出UPFC接入對線路兩側(cè)距離保護動作特性的影響及應(yīng)對性策略[24]，進而提出了一種不受UPFC多變的運行模式和控制參數(shù)的影響的新型距離保護方案[25]。針對SSSC的保護策略研究很少，工程上大多參考UPFC串聯(lián)側(cè)保護策略[26-27]。為提高SSSC保護的可靠性和靈活性，文獻[28]提出一種引入晶閘管撬棒和壓敏電阻的新拓撲。

但DPFC故障類型及故障現(xiàn)象與SSSC、UPFC大不相同，控制保護策略也更為復(fù)雜。本文將結(jié)合DPFC 的結(jié)構(gòu)組成，研究DPFC運行時可能存在的故障類型，分析各故障情況下的等效電路模型，提取對應(yīng)的電壓、電流表現(xiàn)特征；結(jié)合故障現(xiàn)象與 DPFC啟停動作，提出DPFC保護配置及策略，并仿真驗證所提DPFC控制保護策略的有效性與可靠性，為日后成套的DPFC控制保護策略體系的制定提供參考。

1 DPFC的工作原理

DPFC由多個單相電壓源變流器模塊構(gòu)成，一個單相電壓源變流器即一個DPFC子模塊，具體如圖1所示。

圖1 DPFC布置結(jié)構(gòu)圖

每個DPFC子模塊可單獨接收控制指令并逆變出與電流相角垂直的電壓，可分別工作于電抗控制模式、電壓控制模式和潮流控制模式(具體如圖2所示)，根據(jù)需要進行模式切換，以滿足電網(wǎng)不同的調(diào)控需求。

圖2 DPFC控制策略

2 DPFC故障分析

2.1 DPFC子模塊構(gòu)成

每個DPFC子模塊均是基于全控型器件組成的變流器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 DPFC子模塊的構(gòu)成

由圖3可見，構(gòu)成DPFC子模塊的主設(shè)備包括旁路開關(guān)、隔離開關(guān)、耦合變壓器、變流器以及直流濾波電容。在DPFC子模塊正常運行時，旁路開關(guān)為常開狀態(tài)、隔離開關(guān)為常閉狀態(tài)；當(dāng)線路或DPFC子模塊發(fā)生故障時，旁路開關(guān)可實現(xiàn)快速閉合，隔離開關(guān)可快速斷開DPFC子模塊與線路的電氣聯(lián)系。

2.2 DPFC裝置故障特征分析

2.2.1串聯(lián)耦合變壓器故障

DPFC子模塊的串聯(lián)耦合變壓器副邊發(fā)生短引線斷開的示意圖如圖4所示。

圖4 DPFC串聯(lián)耦合變壓器副邊發(fā)生短引線斷開的示意圖

因為變壓器副邊斷路時，線路與DPFC的回路變成了線路與變壓器的回路，所以此時DPFC等效的接入線路的阻抗為

2.2.2器件故障

變流器裝置由IGBT和反并聯(lián)二極管等電力電子器件組成，其電壓、電流過載能力較弱。IGBT擊穿故障是DPFC子模塊最常見的故障類型，IGBT會無視門極驅(qū)動信號，維持在直通狀態(tài)，具體如圖5所示。

圖5 DPFC器件故障示意圖

由圖5(a)與圖5(b)可見，IGBT器件擊穿等效于該器件被短路。當(dāng)T1、T4觸發(fā)時，由于T4與T3直通，電容與T3、T4形成放電回路，由于器件導(dǎo)通阻抗極小，電容會快速放電，使電流迅速上升，電壓迅速下降。當(dāng)T2、T3觸發(fā)時，其控制邏輯能正常實現(xiàn)，但因為直流電容在T4導(dǎo)通的時候已經(jīng)進行了快速放電，所以T2、T3即使能接收到觸發(fā)信號，DPFC仍無法工作在正常逆變狀態(tài)。此外，在實際中，T4導(dǎo)通時流過的過電流可能會導(dǎo)致T4嚴重發(fā)熱，從而使DPFC其他器件進一步損壞，因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)器件存在擊穿故障時，應(yīng)快速退出該DPFC子模塊。

2.2.3觸發(fā)信號丟失

當(dāng)觸發(fā)信號丟失或直流供電電源損壞時，IGBT無法導(dǎo)通，此時DPFC子模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 當(dāng)觸發(fā)信號丟失或直流供電電源損壞時DPFC的結(jié)構(gòu)示意圖

3 DPFC保護配置及策略

根據(jù)上述故障特性分析，可以發(fā)現(xiàn)DPFC子模塊可能面臨過壓、過流問題。為保障DPFC在發(fā)生故障時能迅速退出工作，DPFC需要配置變壓器過壓保護、直流電容過流保護、直流電容過壓保護以及直流電容失壓保護四部分，具體保護邏輯框圖如圖7所示。

DPFC保護與啟停時序的配合如圖8所示。

圖7 DPFC保護邏輯框圖

圖8 DPFC保護與啟停時序的配合示意圖

在初始狀態(tài)下，DPFC隔離開關(guān)斷開，旁路開關(guān)閉合，IGBT、充電模塊以及潮流/電壓/阻抗控制模塊均處于閉鎖狀態(tài)。當(dāng)DPFC需要投入運行時，其按照“隔離開關(guān)閉合—>旁路開關(guān)開斷、IGBT觸發(fā)啟動—>投入充電模塊—>投入潮流/電壓/阻抗控制模塊”的順序依次執(zhí)行。

若運行時發(fā)生不同的故障，各自的保護均會根據(jù)圖7中的邏輯進行動作。

(1) 串聯(lián)耦合變壓器故障

串聯(lián)耦合變壓器副邊斷線故障會引起變壓器原邊電壓迅速上升，越過變壓器過壓保護閾值，從而引起保護動作。

(2) 器件故障

IGBT擊穿引起的直流電容下降和直流電容電流增大，越過直流電容失壓保護或直流電容過流保護的保護動作閾值，從而引起保護動作。

(3) 觸發(fā)信號丟失

觸發(fā)信號丟失引起的直流電容電壓越限將觸發(fā)直流電容過壓保護，從而引起保護動作。

上述保護動作均為快速退出DPFC子模塊，具體按照“閉合旁路開關(guān)—>開斷隔離開關(guān)、閉鎖IGBT—>閉鎖充電模塊與潮流/電壓/阻抗控制模塊”的順序依次執(zhí)行。

4 仿真實驗分析

L2線路末端初始潮流為100+j0.75 MVA。

圖9 仿真系統(tǒng)示意圖

本文將以DPFC運行在潮流控制模式為例進行說明，潮流調(diào)節(jié)增量為初始潮流的10%，即設(shè)定給定值為110 kW。具體操作為：0.4 s時投入電容充電模塊，1 s時投入潮流控制模塊，所得仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 DPFC正常運行仿真結(jié)果

由圖10可知，在0.4 s DPFC直流電容電壓開始充電，經(jīng)0.2 s達到給定值1.2 kV，此時DPFC輸出電壓幾乎為0。在1 s時開始進行潮流調(diào)控，線路有功功率經(jīng)0.1 s達到給定值110 kW，DPFC整體輸出電壓幅值約1.2 kV，線路電流幅值從2.23 kA增加到2.44 kA。

在該運行狀態(tài)下，本文將在1.5 s分別模擬串聯(lián)耦合變壓器故障、器件故障以及觸發(fā)信號丟失三種故障類型，以此檢驗本文所提保護策略的有效性。

4.1 串聯(lián)耦合變壓器故障

在1.5 s時，設(shè)置線路上其中一個DPFC子模塊的串聯(lián)耦合變壓器副邊短引線發(fā)生斷線故障，圖11為故障發(fā)生時含保護與不含保護的仿真結(jié)果。

由圖11可知，無保護情況下的線路潮流與線路電流在1.5 s故障發(fā)生后快速下降至0，故障子模塊串聯(lián)耦合變壓器原邊電壓迅速增大至母線I與母線II的電壓差(DPFC整體的輸出電壓總和也接近于母線I與母線II的電壓差)；由于子模塊與系統(tǒng)沒有回路，故障的DPFC子模塊電容電壓經(jīng)自身放電回路緩慢放電。在含保護的情況下，由于故障子模塊在1.5 s發(fā)生故障后被迅速切除，DPFC整體輸出電壓總和幾乎不變；雖然線路有功功率略有波動，但在經(jīng)約0.1 s后仍能穩(wěn)定在給定值110 kW。證明了本文所設(shè)計的DPFC變壓器過壓保護能保證故障子模塊的快速切除，從而維持其他DPFC子模塊的正常運行。

圖11 串聯(lián)耦合變壓器故障仿真對比圖

4.2 器件故障

在1.5 s時，設(shè)置線路上其中一個DPFC子模塊的IGBT器件發(fā)生擊穿故障，圖12為故障發(fā)生時含保護與不含保護的仿真結(jié)果。

由圖12(a)、(b)、(c)可知，由于單個子模塊容量與線路潮流相比很小，因此在1.5 s發(fā)生IGBT擊穿故障時，有無保護對線路電流、線路功率以及DPFC整體輸出電壓幾乎沒有影響。

由圖12(d)、(e)可知，在無保護時，故障DPFC子模塊的電容電壓迅速下降至0，故障IGBT的橋臂與電容形成回路，使其產(chǎn)生很大的沖擊電流；在有保護時，由于DPFC子模塊因觸發(fā)了直流電容過流保護閾值而退出工作，故障子模塊直流電容電壓在發(fā)生故障后幾乎不變，且IGBT閉鎖導(dǎo)致電容沒有其他放電回路，因此，故障子模塊的IGBT電流又迅速變?yōu)榱?。證明了本文所提出的保護策略能對DPFC子模塊器件故障進行快速切除與隔離，保證線路與其他DPFC子模塊正常運行。

4.3 觸發(fā)信號丟失

在1.5 s時，閉鎖線路上其中一個DPFC子模塊的觸發(fā)信號，以此模擬觸發(fā)信號丟失故障，圖13為故障發(fā)生時含保護與不含保護的仿真結(jié)果。

由圖13可知，無保護時，故障DPFC子模塊直流電容電壓與輸出電壓在故障發(fā)生后逐漸上升，DPFC整體輸出電壓也隨之逐漸上升，線路有功功率與電流逐漸下降；有保護配置時，故障DPFC子模塊直流電容過壓保護將啟動，故障子模塊被迅速切除，IGBT被閉鎖，電容電壓將穩(wěn)定于過壓整定值1.8 kV，線路有功功率、電流以及DPFC整體輸出電壓幾乎不變。

圖13 觸發(fā)信號丟失/直流供電電源故障仿真對比圖

5 結(jié)論

本文分析了DPFC可能存在的故障類型，研究了各種故障凸顯的獨有特征現(xiàn)象，并據(jù)此提出了DPFC的變壓器過壓保護、直流電容過流保護、直流電容過壓保護以及直流電容失壓保護的配置及策略，基于PSCAD/EMTDC仿真軟件構(gòu)建了能模擬多種故障類型的DPFC仿真系統(tǒng)，驗證了本文所提的DPFC保護策略，所得結(jié)論如下：

1) 當(dāng)發(fā)生串聯(lián)耦合變壓器與觸發(fā)信號丟失故障時，DPFC子模塊最終會呈現(xiàn)出高阻抗狀態(tài)，使DPFC所在支路首末端的電壓差全部施加在變壓器原邊側(cè)，從而導(dǎo)致DPFC子模塊會發(fā)生過電壓現(xiàn)象。此外，該模塊故障會致使線路潮流無法傳輸，等效為線路發(fā)生斷路故障，本文所提出的保護配置及策略能有效切除故障子模塊，從而保護線路正常運行。

2) 當(dāng)發(fā)生IGBT擊穿故障時，不會對線路及其他子模塊的運行造成影響，但由于電容放電環(huán)流會使其他正常IGBT器件嚴重發(fā)熱，從而可能導(dǎo)致該子模塊進一步損壞。本文所提出的配置及保護策略可快速切除IGBT發(fā)生擊穿故障的DPFC子模塊，從而避免故障子模塊進一步損壞導(dǎo)致二次事故。

3) 本文所提出的保護配置及策略能兼顧DPFC串聯(lián)耦合變壓器故障、器件故障、觸發(fā)信號丟失故障發(fā)生時的保護需求，能為DPFC工程系統(tǒng)調(diào)試、保護策略的設(shè)計提供指導(dǎo)。

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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 鵬(1985—)，男，博士研究生，高級工程師，主要研究方向為高壓直流輸電和柔性直流輸電及大功率電力電子技術(shù)；E-mail: qiupeng5000@163.com

唐愛紅(1969—)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事柔性交直流輸電、電力系統(tǒng)運行與控制與智能電網(wǎng)研究工作。E-mail: tah@whut.edu.cn

湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項重大項目資助(2019AAA016)；國網(wǎng)浙江電力有限公司科技項目資助《DPFC關(guān)鍵技術(shù)研究及工程示范應(yīng)用》(5211DS20008F)

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

(編輯 張愛琴)