分布式潮流控制器的工程应用综述

周路遥，邵先军，郭 锋，徐 华，裘 鹏，王少华

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

为应对日益复杂的经济形势和能源局势，国网浙江省电力有限公司提出建设能源互联网下的多元融合高弹性电网，以节约能源、节省投资和唤醒资源为理念，充分挖掘在运设备潜力，增强安全承载评估能力，提升电网资源配置能力，在推动电网高质量发展上实现率先引领[1-2]。

电网潮流主要根据系统阻抗自然分布，易在输电断面中形成局部输送瓶颈，进而限制了整个电力系统的承载能力[3-4]。为改善系统潮流分布，电力系统长期以来采取新建电厂和输电线路的应对措施，需占用大量土地资源，且投资成本较高、建设周期较长。随着电力电子技术的发展，FACTS（柔性交流输电系统）逐渐成为提高电网稳定性、可靠性及系统承载能力的重要手段之一[5-6]。以DPFC（分布式潮流控制器）为代表的D-FACTS（分布式柔性交流输电系统），采用小容量DSSC（分布式静止串联补偿器）悬挂于输电线路上，通过向线路注入串联补偿电压来调节线路阻抗，实现对线路潮流的柔性控制，可提升线路的输送能力及系统运行的安全稳定水平[7-8]。相较于UPFC（统一潮流控制器），DPFC 的拓扑结构更为简单，省去了UPFC 中的直流母线及串并联变换器间的耦合电容，无变压器型DPFC 进一步省去了串并联变压器，在体积及成本方面优势明显[9-11]。

本文通过探索DPFC 柔性调控电网潮流分布的特点，梳理了DPFC 的应用现状、关键技术及控制保护要求，旨在为后续工程示范应用、技术标准规范制订等提供参考，以期实现多元融合高弹性电网的安全、效能双提升。

1 应用现状

1.1 国外工程应用

2004 年，美国佐治亚理工学院的Divan Deepak 教授等人将集中式FACTS 的功能分散化，提出了D-FACTS 的概念[12]。2017 年，世界上第一个DPFC 工程示范项目由美国Smart Wires 公司（以下简称SW 公司）和爱尔兰国有电力供应商EirGrid 合作完成，工程位于爱尔兰西部的卡什拉—埃尼斯110 kV 线路的两侧变电站附近。其中，DPFC 采用带串联变压器的电压源变换技术，子单元容量约为120 kvar，单台质量约为600 kg，可向线路注入容性/感性电压约80 V，为EirGrid优化现有电网、减少基础设施建设提供了较好的解决方案[13]。

爱尔兰DPFC 示范项目采用带串联变压器的电压源变换技术方案，存在串联变压器体积大、损耗高、制造安装工艺要求高等缺点。针对以上问题，SW 公司改进研发了无串联变压器型DPFC，支持铁塔、变电站柱式和可移动集装箱等多种安装方式。2019 年，为解决可再生能源的高渗透率导致系统拥塞问题，希腊输电公司IPTO在伯罗奔尼撒地区安装了SW 公司的移动式DPFC，位于IPTO 变电站出线的150 kV 输电线路上，总容量达到2.3 Mvar，旨在展示其动态调节线路阻抗并实现潮流柔性控制能力[14]。

1.2 国内工程应用

当前国内对DPFC 的研究已有一定的进展，其中武汉大学、武汉理工大学、华中科技大学等高校对DPFC 的运行特性、控制策略、优化配置等方面开展了大量的研究[15]。基于国家电网有限公司科技项目“基于分布式潮流控制的输电网柔性交流潮流控制技术研究”，国内已掌握了DPFC样机研制能力，并通过了第三方检测验证，具备了一定的技术积累，但对于样机在实际电网应用时的具体效能有待进一步验证。除DPFC 以外，目前国内具有代表性的采用FACTS 控制线路潮流的示范工程有南京西环网220 kV UPFC 工程、苏南500 kV UPFC 工程、上海蕰藻浜—闸北220 kV UPFC 工程、天津220 kV 杨柳青变电站SSSC（静止同步串联补偿器）工程等。

针对浙江电网某断面潮流分布不均匀问题，国网浙江省电力有限公司开展了国内首个DPFC工程示范应用研究。该断面由A，B，C 3 条线路组成，考虑“N-2”条件时（即A，B 双线同杆发生故障），C 线潮流将达到569 MW，超过了该线路的短时输送能力（448 MW）。经潮流计算分析，若在C 线加装8 级DPFC 控制装置，共24 个子单元，总容量23 MVA，预计可动态转移潮流147 MW，可有效解决该潮流断面超限问题，如图1所示。该示范工程建成后将显著均衡该断面上联络线的潮流分布，减少新建输电通道投资，显著提升区域电网的风险抵御能力。

2 技术原理

2.1 拓扑结构

DPFC 子单元的主电路拓扑结构如图2 所示，包括快速旁路开关、电压源型变换器、控制取能单元、LC 滤波模块等部件。图2 中：MOV 为金属氧化物变阻器；BPS 为快速旁路开关；K 为高速机械旁路开关；TBS 为反并联晶闸管；VSC为电压源型变换器。

（1）快速旁路开关。快速旁路开关由高速机械旁路开关与反并联晶闸管并联组成，当线路无需开展潮流控制或模块故障时闭合，可实现模块的旁路，当线路需开展潮流调节时将子单元串入线路中。

图2 DPFC 子单元主电路拓扑

（2）电压源型变换器。当子单元被选通时，电压源型变换器工作于无功输出状态，呈现电感/电容特性而改变线路阻抗，从而实现对线路输送有功的调节。当补偿呈容性时可提升线路潮流，当补偿呈感性时可降低线路潮流。

（3）控制取能单元。通过线路电流取能以及模块电容电压自取能双供能回路实现控制、通信系统的电源供给。

2.2 运行原理

当线路中包含多个DPFC 子单元时，主控制器监测线路电流，当线路电流（功率）达到阈值后投入DPFC 子单元。同时，DPFC 可根据系统潮流控制目标，向线路注入一个与线路电流相差90°、幅值可调的电压，使其呈现电感/电容特性而改变线路等效阻抗，实现线路输送的有功调节，如图3 所示。

图3 DPFC 潮流控制原理

图3 中：U1，δ1为送端的电压及功角；U2，δ2为受端的电压及功角；I 为系统电流；P 为系统传输功率；X 为系统阻抗；UDPFC为DPFC 的补偿电压，当补偿呈容性时可提高线路潮流，当补偿呈感性时可降低线路潮流。

DPFC 的典型阻抗调节区间主要由子单元的额定交流电压、额定交流电流、最小运行电流等因素决定，如图4 所示。由于DPFC 为自取能供电设备，图4 中I0为满足DPFC 装置可进入运行模式的线路最小电流，I1为DPFC 装置接入线路的额定运行电流。

图4 DPFC 典型阻抗调节区间

2.3 工作模式

DPFC 子单元的主要工作模式包括：

（1）运行模式。当线路电流达到一定值后，机械旁路开关打开，子单元串联接入线路，向电网注入一个与线路电流相位垂直的电压，从而调节线路等效阻抗，调节线路有功功率，亦可注入“零电压”，进入热备用运行模式。

（2）冷备用模式。当线路无电流或者流过很小的电流时，所有子单元机械旁路开关闭合，子单元处于冷备用状态。

（3）检修模式。所有子单元被旁路，且DPFC装置的总旁路开关闭合，相应的检修用隔离刀闸断开，详见4.2 节。

（4）故障旁路模式。当子单元存在故障时，子单元机械旁路开关闭合，单元处于退出状态。各个子单元工作相互独立，出现单个故障后其他单元仍可继续正常运行。

3 控制保护系统

DPFC 的控制保护系统采用分级布置、分层控制结构，包括远端调度控制层、站内集中控制保护层、子单元控制保护层。

3.1 远端调度控制层

远端调度控制层根据交流电网的实时状态，计算DPFC 装置进行电网潮流调节的最优指令并传输给站内集中控制保护层，包括线路功率指令、阻抗指令、注入电压指令等。

调度控制层以DPFC 为等效电压源、发电机有功和无功出力作为控制变量，设置DPFC 容量、发电机出力上下限、线路传输容量、节点电压上下限等约束条件，根据电网运行状态选择网损最小、电压合格或线路负载均衡作为目标条件，采用优化算法进行DPFC 最佳运行策略求解。

3.2 站内集中控制保护层

站内集中控制保护层通过执行远端调度层的运行指令，将线路功率指令和注入电压指令分配给各子单元模块，实现各个模组的协调控制及集中保护。

站内集中控制策略主要包括线路功率控制、定注入电压控制、线路过载紧急控制、故障穿越控制、设备启动和停运等功能。此外，站内集中保护包括过电流保护、电压异常保护等。

3.3 子单元控制保护层

子单元控制保护层根据集中控制层发送的电压参考指令以及等效注入线路阻抗指令，产生子单元内电力电子器件的开关指令，并将子单元的运行状态信息上传集中控制保护层。

子单元控制策略包括等效串入阻抗控制、子单元电容电压控制等功能。此外，子单元中配置了超快速过电流保护、过电压保护及慢速段过电流保护等综合保护。当线路发生短路故障时，子单元中配置的微秒级超快速过电流保护可快速地将晶闸管及旁路开关合闸，从而实现对单元本体的保护。

4 安装方式

DPFC 具备装置分布式、控制集中式的特点，能根据电网运行方式实现安装位置及控制方式的有效调整，其中站内集中控制保护系统与子单元之间可通过光纤或无线方式进行通信。

4.1 分布式安装

DPFC 可直接分布式安装于已投运的输电线路上，对于采用单导体的中低压等级线路可直接悬挂于杆塔两侧，而对于采用分裂导线架设的高电压等级线路，可通过耐张塔的跳线接入线路中。耐张塔安装时DPFC 装置可由悬式绝缘子和水平支柱绝缘子联接，如图5 所示。其中，悬式绝缘子主要承受子单元的重量，水平支柱绝缘子主要用来稳定子单元的位置并限制风偏，耐张绝缘子则承受线路导线的重量及张力。

图5 线路耐张塔悬挂安装DPFC

4.2 集中式安装

采用变电站内集中安装时，可选择绝缘支撑件部署或移动集装箱的形式，如图6 所示。DPFC各子单元串联后，通过总快速旁路开关CB1、检修隔离刀闸DS1 和DS2、旁路隔离刀闸DS3、接地刀闸ES1 和ES2 等隔离装置接入线路，以满足线路正常送电时DPFC 装置的检修需求，如图7所示。

图6 变电站内集中安装方式

图7 带隔离装置的集中式安装接线形式

5 发展趋势

将大容量FACTS 装置的小型化、模块化、可移动化、低成本化是未来技术发展的主要趋势，以DPFC 为代表的D-FACTS 是实现该目标的理想选择。总体而言，DPFC 在工程应用中的关键技术要点包括：

（1）轻型化：DPFC 可直接串入（或耦合接入）线路中，无需考虑相间绝缘设计，但仍需进一步优化装置的体积与重量，以满足杆塔荷载及电气安全距离要求。

（2）灵活性：相较于大型集中式FACTS 装置，DPFC 分布式安装时可灵活调整布点位置，根据潮流控制需求实现“即插即用”功能，亦可分阶段进行规划扩展，减少初期建设投资。

（3）可靠性：诸多分布式单元可作冗余备份，当单个模块发生故障后即被旁路，不影响系统的整体功能，进而提升了装置的可靠性。

（4）低成本：模块化构造适合标准化设计和规模化制造，且分布式结构使得单个元件容量大幅减小，可采用市场上供应充足的电力电子器件，造价明显降低，对于容量为集中式FACTS 装置1/N 的D-FACTS 子单元，其成本往往远小于前者的1/N。

（5）自冷式：由于DPFC 为串联型接入系统的D-FACTS 设备，其本体需承载线路电流，但分布式装置难以采用集中水冷却方式，因此采用相变热管自冷散热方式的大容量变换器研制已成为影响DPFC 推广应用的关键要素。

6 结语

DPFC 可实现分布式安装，能够改善电网潮流分布，充分利用线路走廊资源，解决输电断面超限问题，提升电力系统承载能力，赋予电网更大的可控性和灵活性。在DPFC 工程应用阶段，仍需进一步优化产品设计，突出DPFC 装置分布式、控制集中式的特点，围绕体积小型化、装置轻量化、模块可灵活组合等关键技术要点，进行标准化、系列化设计及成套系统型式试验，以期实现多元融合高弹性电网下分布式潮流控制技术的进一步推广。