分布式靜止串聯(lián)補(bǔ)償器相間協(xié)調(diào)控制方法

林藝哲 潘 磊 鄒 強(qiáng) 董云龍

分布式靜止串聯(lián)補(bǔ)償器相間協(xié)調(diào)控制方法

林藝哲 潘 磊 鄒 強(qiáng) 董云龍

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

分布式靜止串聯(lián)補(bǔ)償器（DSSC）是一種串聯(lián)型分布式柔性交流輸電裝置，功率模組串聯(lián)接入交流線路。為快速、平穩(wěn)地處理DSSC的各相模組故障，本文提出相間協(xié)調(diào)控制策略，通過引入熱備用控制機(jī)制，在三相DSSC的某一相出現(xiàn)模組故障后，將非故障相指定模組轉(zhuǎn)為熱備用狀態(tài)并輸出零電壓，同時(shí)提升各相正常模組的輸出電壓，從而保持DSSC輸出總電壓不變，在避免對(duì)交流電網(wǎng)造成不平衡擾動(dòng)的同時(shí)，保證模組故障不影響線路穩(wěn)態(tài)潮流。在湖州分布式潮流控制器（DPFC）示范工程中，通過開展模組故障模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了相間協(xié)調(diào)控制方法的可行性和有效性。

分布式靜止串聯(lián)補(bǔ)償器（DSSC）；模組故障；相間協(xié)調(diào)控制；熱備用控制

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于電力需求的不斷增加，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。同時(shí)，由于電網(wǎng)潮流根據(jù)系統(tǒng)阻抗自然分布，電網(wǎng)中往往會(huì)出現(xiàn)潮流分布不均，從而在局部電網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生輸電瓶頸。為充分利用現(xiàn)有輸電通道，改善電網(wǎng)潮流分布，可采用柔性交流輸電系統(tǒng)（flexible AC transmission systems, FACTS）達(dá)到優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布、提升電網(wǎng)傳輸能力的目的[1-2]。其中，統(tǒng)一潮流控制器（unified power flow controller, UPFC）是目前功能最強(qiáng)大的FACTS設(shè)備，具備并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、移相和端電壓調(diào)節(jié)等多種功能[3-4]。此外，常見的串聯(lián)型FACTS設(shè)備還有串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（static synchronous series compensator, SSSC）和晶閘管控制串聯(lián)補(bǔ)償器（thyristor controlled series compensator, TCSC）等，均具備潮流控制能力[5-11]。

分布式柔性交流輸電系統(tǒng)（distributed FACTS, D-FACTS）采用小容量分布式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、占地小、靈活性高等優(yōu)勢(shì)[12-15]。其中，分布式靜止串聯(lián)補(bǔ)償器（distributed static series compensator, DSSC）將多個(gè)相同的模組依次串聯(lián)接入交流線路中，每個(gè)DSSC模組均為一個(gè)獨(dú)立的電壓源型換流器，通過向交流線路注入可控的串聯(lián)電壓，改變線路等效阻抗，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路潮流的控制[16-18]。

由于DSSC直接串聯(lián)接入三相交流線路，為減小DSSC的接入對(duì)交流系統(tǒng)不平衡度的影響，DSSC三相輸出電壓需要保持均衡。在正常情況下，三相投入運(yùn)行的串聯(lián)模組數(shù)相等，可保證三相輸出電壓平衡，當(dāng)DSSC的某一相出現(xiàn)模組故障時(shí)，由于可用模組數(shù)下降，故障相輸出電壓會(huì)發(fā)生變化，若不加以控制，三相注入電壓會(huì)存在不同，從而引入不對(duì)稱分量。此時(shí)，需要通過合理的控制策略保證相間協(xié)調(diào)與均衡，同時(shí)不影響線路潮流。

目前，針對(duì)DSSC的研究主要關(guān)注其基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性及潮流控制策略等[16-20]。針對(duì)模組故障的情況，目前基于模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）的UPFC、SSSC和柔性直流輸電系統(tǒng)，多采用在故障相中投入冗余模組來代替被旁路的故障模組，當(dāng)故障模組數(shù)超過設(shè)定的冗余模組數(shù)時(shí)，即會(huì)觸發(fā)換流器閉鎖[21-22]。DSSC無(wú)特定的冗余設(shè)計(jì)，換流器具備單模組運(yùn)行能力，為了充分發(fā)揮DSSC的特點(diǎn)，需要針對(duì)模組故障的問題，采用合理的相間協(xié)調(diào)控制方法。

1 DSSC的基本原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)與工作原理

DSSC基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其各級(jí)模組布置于交流線路中，串入三相交流線路，線路首末兩端之間，存在電磁環(huán)網(wǎng)。

圖1中，DSSC的每一相均為一個(gè)由級(jí)模組依次串聯(lián)構(gòu)成的電壓源型換流器，每級(jí)串聯(lián)模組包括一個(gè)絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）全橋單元、一個(gè)直流電容及一個(gè)模組旁路開關(guān)KM。

DSSC正常運(yùn)行時(shí)，各級(jí)模組KM均為分位，模組電容電壓為穩(wěn)定的直流電壓。各級(jí)模組采用單極倍頻載波移相正弦脈寬調(diào)制（sinusoide pulse width modulation, SPWM）方式[23-24]，根據(jù)電壓指令值，輸出交流電壓，級(jí)模組輸出電壓疊加后得到所需的交流電壓串入交流線路。通過可控的輸出電壓，DSSC可改變線路等效阻抗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路潮流的控制。需注意的是，由于DSSC不包含外部輔助電源供能，因此其必須通過控制來保證從線路吸收一部分有功功率補(bǔ)償自身功率損耗，維持電容電壓穩(wěn)定。

圖1 DSSC的基本結(jié)構(gòu)

1.2 潮流控制原理

圖2 線路各點(diǎn)電壓相量及線路電流相量的關(guān)系

線路首末兩端電壓分別為

進(jìn)而根據(jù)線路兩端電壓相量和線路電流相量，可得線路中傳輸?shù)挠泄β蕿?/p>

式中，SE為注入電壓幅值。

由式（5）和式（6）可見，DSSC注入電壓可統(tǒng)一表示為

進(jìn)而可推導(dǎo)出線路中傳輸?shù)挠泄β蕿?/p>

因此，可得到DSSC轉(zhuǎn)移線路潮流為

可見，當(dāng)DSSC注入感性電壓時(shí)，線路電流減小，線路傳輸?shù)挠泄β释瑯訙p小；當(dāng)DSSC注入容性電壓時(shí)，線路電流增大，有功功率增大。

2 DSSC相間協(xié)調(diào)控制策略

當(dāng)DSSC三相中某一相出現(xiàn)模組故障后，模組閉鎖旁路，模組旁路開關(guān)KM合閘。此時(shí)，該相可用模組數(shù)減少，若非故障相仍保持原狀態(tài)運(yùn)行，三相DSSC的電壓輸出將不對(duì)稱，造成三相交流線路等效阻抗不對(duì)稱，從而影響交流線路正常的均衡運(yùn)行。為避免這種情況，提出DSSC三相相間協(xié)調(diào)控制方法。

2.1 控制原理

在三相DSSC正常運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)各相所有模組的運(yùn)行狀態(tài)，判斷模組是否有故障，獲取各相換流器的可用模組個(gè)數(shù)，即具備正常運(yùn)行條件且無(wú)故障的模組數(shù)量，將其記為_VALID，其中可為A、B、C相。

根據(jù)獲取的各相可用模組個(gè)數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算本線路DSSC的有效投入模組個(gè)數(shù)，即可有效輸出指定電壓值的模組數(shù)，將其記為L(zhǎng)INE_VALID。

LINE_VALID與_VALID的關(guān)系為

式中：A_VALID、B_VALID、C_VALID分別為A、B、C三相可用模組個(gè)數(shù)；min{ }為取最小值。

當(dāng)某一相換流器出現(xiàn)某個(gè)模組故障時(shí)，該相將故障模組閉鎖旁路，_VALID減1，非故障相_VALID保持不變。各相將_VALID與實(shí)時(shí)計(jì)算的LINE_VALID進(jìn)行對(duì)比，若本相_VALID大于LINE_VALID，則將該相內(nèi)一定數(shù)量的模組轉(zhuǎn)為熱備用狀態(tài)，即模組解鎖運(yùn)行、具備電壓輸出能力，但保持端口輸出電壓為0的狀態(tài)。將各相熱備用的模組數(shù)記為_STANDBY，則

2.2 熱備用模組選擇

熱備用模組的選擇需按照一定的規(guī)則，為實(shí)現(xiàn)各級(jí)串聯(lián)模組的最大化利用，同時(shí)避免額外的模組狀態(tài)切換，熱備用模組的選擇需滿足以下原則：

1）當(dāng)某相_STANDBY減小時(shí)，已處于熱備用狀態(tài)的模組，具備切換回正常輸出指定電壓的能力。

2）當(dāng)某相_STANDBY增大時(shí)，該相已處于熱備用狀態(tài)的模組不變，僅新增相應(yīng)數(shù)量的模組轉(zhuǎn)入熱備用狀態(tài)。

3）已處于熱備用狀態(tài)的某個(gè)模組發(fā)生故障，則該相_VALID減少一個(gè)，_STANDBY同樣減少一個(gè)，此時(shí)無(wú)需新增熱備用模組。

針對(duì)上述要求，提出如下熱備用模組選擇方法：將某相所有個(gè)模組按照一定順序進(jìn)行編號(hào)，同時(shí)將該相實(shí)時(shí)熱備用模組數(shù)記為RED且初始值為0。當(dāng)該相_VALID大于DSSC的有效投入模組個(gè)數(shù)LINE_VALID時(shí)，先判斷第級(jí)模組是否故障，若無(wú)故障則將其轉(zhuǎn)為熱備用狀態(tài)，RED加1；若有故障則繼續(xù)判斷第-1級(jí)模組。如此依次判斷各級(jí)模組狀態(tài)，直至實(shí)時(shí)熱備用模組數(shù)RED達(dá)到_STANDBY。相單元熱備用控制流程如圖3所示。

在這種控制策略下，在每相個(gè)模組中，熱備用模組優(yōu)先選擇編號(hào)較大的正常模組。相似地，熱備用模組也可優(yōu)先選擇編號(hào)較小的正常模組，或根據(jù)實(shí)際工程需求按照其他順序進(jìn)行選擇。

圖3 相單元熱備用控制流程

2.3 模組熱備用控制

熱備用模組選擇完成后，需要對(duì)其進(jìn)行熱備用控制，即實(shí)現(xiàn)熱備用模組解鎖運(yùn)行，但保持端口輸出電壓為0的狀態(tài)。模組熱備用控制主要包括兩方面：零電壓輸出控制和載波移相角更新。

1）零電壓輸出控制

2）載波移相角更新

將熱備用模組的載波移相角更新為0，且不再參與該相所有模組的載波移相控制。

2.4 載波重構(gòu)與模組出力提升

故障模組旁路，以及熱備用模組選擇完成后，由于每一相的有效輸出模組數(shù)減少，此時(shí)該相其他運(yùn)行模組需調(diào)整控制過程，以保證DSSC輸出總電壓保持穩(wěn)定，主要包括以下兩個(gè)方面。

1）載波重構(gòu)

每相有效運(yùn)行模組的載波移相角根據(jù)該相有效投入模組個(gè)數(shù)LINE_VALID，重新按照載波周期的1/LINE_VALID進(jìn)行分配和更新，完成載波重構(gòu)，保證DSSC輸出電壓的精確性。

2）出力提升

每相提高有效運(yùn)行模組的輸出電壓，根據(jù)DSSC輸出的總電壓指令RMS，再結(jié)合該相有效投入模組個(gè)數(shù)LINE_VALID，重新按照RMS/LINE_VALID分配各模組輸出電壓指令，各級(jí)模組更新調(diào)制波大小，從而保證DSSC總輸出電壓保持不變。

3 工程應(yīng)用與驗(yàn)證

本文提出的DSSC相間協(xié)調(diào)控制策略已應(yīng)用于湖州分布式潮流控制器（distributed power flow controller, DPFC）示范工程，該工程采用DSSC拓?fù)?，一期工程主要參?shù)見表1。

在湖州DPFC示范工程一期工程中，開展3項(xiàng)模組故障模擬試驗(yàn)，分別驗(yàn)證2.2節(jié)所述熱備用模組選擇的三點(diǎn)原則。相間協(xié)調(diào)控制方法驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目見表2，模組故障試驗(yàn)前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)變化見表3。

表1 湖州DPFC示范工程一期工程主要參數(shù)

表2 相間協(xié)調(diào)控制方法驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目

表3 模組故障試驗(yàn)前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)變化

3.1 試驗(yàn)1

試驗(yàn)初態(tài)的線路潮流為125MW，各級(jí)模組輸出電壓0.41p.u.，三相DSSC每相4模組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，將三相各4個(gè)模組依次編號(hào)為A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4，C1、C2、C3、C4。其中，各級(jí)模組輸出電壓的基準(zhǔn)值為模組額定輸出電壓基波有效值615V。

模擬A1模組故障，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。其中，ABC為線路三相交流電流，注入電壓為各級(jí)模組輸出電壓的標(biāo)幺值，AC為交流線路潮流大小，SM_A、SM_B、SM_C分別為三相各模組的輸出電壓。

當(dāng)A1模組故障后，A1模組閉鎖，此時(shí)三相可用模組數(shù)A_VALID、B_VALID、C_VALID，當(dāng)前線路有效投入模組數(shù)LINE_VALID，以及三相熱備用模組數(shù)A_STANDBY、B_STANDBY、C_STANDBY分別見表3中“試驗(yàn)1”列數(shù)據(jù)。

圖4 試驗(yàn)1結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可見，在故障后A1模組輸出電壓變?yōu)?，B4和C4模組經(jīng)過一段延時(shí)后，切換到了熱備用狀態(tài)，輸出電壓降為0附近，并保持解鎖運(yùn)行。同時(shí)，由于有效輸出模組數(shù)減少，正常運(yùn)行模組的注入電壓由原來的0.41p.u.升至0.54p.u.，線路潮流大小仍為125MW，三相交流電壓和電流未出現(xiàn)較大的不對(duì)稱擾動(dòng)。

3.2 試驗(yàn)2

試驗(yàn)初態(tài)的線路潮流為125MW，模組輸出電壓0.63p.u.，A1模組旁路，B4、C4模組處于熱備用狀態(tài)，其他模組正常運(yùn)行。模擬B2模組故障，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，三相可用模組個(gè)數(shù)、線路有效投入模組數(shù)、三相熱備用模組數(shù)的變化見表3中“試驗(yàn)2”列數(shù)據(jù)。

從試驗(yàn)結(jié)果可見，在故障后B2模組輸出電壓變?yōu)?，B4模組經(jīng)一定延時(shí)后切回了正常輸出狀態(tài)，其他模組狀態(tài)不變。由于有效輸出模組數(shù)未發(fā)生變化，正常運(yùn)行模組的注入電壓保持為0.63p.u.，線路潮流大小仍為125MW，三相交流電壓和電流未出現(xiàn)較大的不對(duì)稱擾動(dòng)。

圖5 試驗(yàn)2結(jié)果

3.3 試驗(yàn)3

試驗(yàn)初態(tài)的線路潮流為140MW，模組輸出電壓0.41p.u.，A4、B4、C4模組均處于熱備用狀態(tài)，其他模組正常運(yùn)行。模擬A4模組故障，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，三相可用模組個(gè)數(shù)、線路有效投入模組數(shù)、三相熱備用模組數(shù)的變化見表3中“試驗(yàn)3”列數(shù)據(jù)。

從試驗(yàn)結(jié)果可見，在故障后A4模組旁路，其他模組狀態(tài)不變。由于有效輸出模組數(shù)未發(fā)生變化，正常運(yùn)行模組的注入電壓與線路潮流均不變。

4 結(jié)論

本文針對(duì)DSSC單相出現(xiàn)串聯(lián)模組故障時(shí)引起的三相不平衡問題，提出了相間協(xié)調(diào)控制方法，可避免DSSC單相模組故障對(duì)線路潮流產(chǎn)生影響。通過在湖州DPFC示范工程實(shí)施模組故障模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的可行性和正確性，所得結(jié)論如下：

1）三相所有模組正常運(yùn)行，某一相新增一個(gè)故障模組時(shí)，其他兩相將各新增一個(gè)模組切換為熱備用狀態(tài)，所有正常模組注入電壓提升，保證線路潮流保持不變。

圖6 試驗(yàn)3結(jié)果

2）某相帶熱備用模組運(yùn)行，該相新增一個(gè)正常模組故障時(shí)，該相熱備用模組切換回正常輸出狀態(tài)，其他各相所有模組狀態(tài)保持不變，保證線路潮流保持不變。

3）某相帶熱備用模組運(yùn)行，該相新增一個(gè)熱備用模組故障時(shí)，該熱備用模組退出運(yùn)行，其他各相所有模組狀態(tài)保持不變，保證線路潮流保持不變。

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Interphase coordinated control method for distributed static series compensator

LIN Yizhe PAN Lei ZOU Qiang DONG Yunlong

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

Distributed static series compensator (DSSC) is a kind of serial flexible AC transmission systems (FACTS) device and power modules are connected in series to AC line. To deal with power module fault in DSSC quickly and smoothly, this paper proposes an interphase coordinated control method for DSSC by introducing hot-standby control. When power module fault occurs in one phase, selected power modules in healthy phases will be switched to hot-standby mode and the output voltage is controlled to be zero. Moreover, the output voltage of other normal operated power modules will be enhanced to keep the DSSC outputting constant voltage. The proposed method can make sure that three-phase DSSC can be controlled in balance after power module fault without affecting the power flow in steady state. Furthermore, the proposed method is applied on Huzhou distributed power flow controller (DPFC) project, and power module fault simulative experiment is conducted to verify the feasibility and validity.

distributed static series compensator (DSSC); power module fault; interphase coordinated control; hot-standby control

2023-10-30

2023-11-27

林藝哲（1993—），男，湖北省襄陽(yáng)市人，碩士，工程師，主要從事柔性交直流輸電技術(shù)及應(yīng)用研究工作。