不同安装方式下分布式潮流控制器的过电压水平分析

徐 华，周路遥，宋金根，孟祥瑞，邵先军，卢铁兵

（1.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；3.华北电力大学，北京 102206）

0 引言

随着高压直流输电以及新能源发电在电网接入规模的不断扩大，电网运行过程中潮流波动大、分布不均衡的现象越来越严重。电网潮流根据线路的阻抗呈自然分布，容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供电能力［1-2］。因此，有必要在现有电网架构的基础上采用潮流控制手段降低重载线路潮流、消除局部输送瓶颈，提升电网运行极限，实现安全和效能双提升［3-4］。

文献［5］最早提出了D-FACTS（分布式柔性交流输电）的概念，D-FACTS的核心是小容量分布式串联补偿器［5］。DPFC（分布式潮流控制器）作为D-FACTS 的代表之一，采用小容量分布式静止串联补偿器作为子模块，串联悬挂于输电线路上或集中布置在变电站内，具有体积小、重量轻、成本低等优点［6］。DPFC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，可以提升线路的输送能力以及电力系统运行的安全稳定水平［7］。

在工程方面，美国Smart Wires 公司和爱尔兰国有电力供应商EirGrid于2017年合作完成了世界上第一个DPFC 工程示范项目［8］。2020 年，国网浙江省电力有限公司在湖州和杭州部署了世界首个220 kV DPFC 示范工程，设计总容量分别达58 MVA 和26 MVA［9］。目前国内外针对DPFC 开展的研究主要集中在DPFC的运行特性［10-12］、控制策略［13-15］、优化配置［16-20］等方面，但尚无关于DPFC投入系统运行后过电压与绝缘配合相关的研究。

本文在介绍DPFC结构和运行原理的基础上，依据220 kV DPFC 示范工程，在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC 中搭建了DPFC 仿真模型。分别仿真分析了DPFC 集中安装于变电站内和分散安装于输电线路上两种情况下，输电线路发生短路故障时DPFC 的过电压水平，并对比分析了短路位置对DPFC过电压水平的影响。

1 DPFC的技术原理

1.1 拓扑结构

DPFC 子模块的主电路拓扑结构如图1 所示［6］，主要由MOV（金属氧化物可变电阻器）、BPS（快速旁路开关）、滤波器、VSC（电压源型变换器）和控制取能单元等部件构成。

图1 DPFC子模块主电路拓扑Fig.1 Main circuit topology of DPFC sub-modules

BPS 由高速机械旁路开关K 和反并联晶闸管TBS 并联组成。当输电线路无需开展潮流控制或发生故障时，BPS可以实现DPFC子模块的旁路。DPFC 子模块投入运行时，VSC 工作于无功输出状态，呈现电感或电容特性，从而改变线路阻抗，实现对线路潮流的控制。DPFC 补偿呈容性时可以提升线路潮流，DPFC 补偿呈感性时可以降低线路潮流。

1.2 运行原理

DPFC 子模块与通信单元接收控制指令，并生成对应的PWM（脉冲宽度调制）控制信号，控制VSC 中IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的开通与关断，进而向输电线路注入一个大小可连续调节、相位超前或滞后线路电流90°的电压，使DPFC 子模块对外部电路呈现电感或电容特性，从而改变输电线路的阻抗。电力系统的潮流分布会受到线路阻抗分布的影响，因此DPFC 可以通过改变线路阻抗的大小影响电网潮流的分布，实现对输电线路输送有功功率和无功功率的调节。

1.3 安装方式

DPFC 可以集中安装于变电站内或分散安装于输电线路上。采用变电站内集中安装时，可以选择绝缘支撑件部署或者采用移动集装箱的形式。当DPFC 分散安装于已投运的输电线路上时，中低压等级的输电线路可以直接悬挂于杆塔两侧，而高电压等级的输电线路可以通过耐张塔的跳线接入线路中［6］。

2 DPFC集中安装于变电站时的过电压仿真计算

2.1 正常运行时的仿真计算

DPFC 集中安装于变电站时系统的拓扑结构如图2 所示。在变电站a 和变电站b 之间共有三回输电线路，在其中两回输电线路的每相上分别装设9台DPFC，DPFC 集中安装于变电站内，每一相的DPFC集中布置于一个绝缘子支撑的平台上。两座变电站的电压等级均为220 kV，DPFC 子模块内的桥臂电感为0.1 mH，直流电容为22.5 mF。输电线路采用π型等效电路，参数按照实际线路参数进行选取。

图2 DPFC集中安装于变电站时系统的拓扑结构Fig.2 Topology of the system with DPFCs centrally installed in a substation

根据DPFC 和输电线路的实际参数，在PSCAD中搭建了DPFC系统的仿真模型，仿真步长设置为20 μs。DPFC 正常投入运行时DPFC 模组的端口对地电压、端口电流、端口总电压以及单个DPFC子模块的端口电压如图3所示。DPFC模组的端口对地电压幅值为181.68 kV，端口电流幅值为1.23 kA，端口总电压幅值为4.26 kV，单个DPFC子模块的端口电压幅值为1.15 kV。DPFC子模块采用PWM 控制技术，单相输电线路上的DPFC模组总体上输出一个类正弦波的电压波形。

图3 DPFC正常投入运行时的电压和电流波形Fig.3 Voltage and current waveforms when DPFC is in normal operation

2.2 输电线路短路故障时的过电压计算

通过DPFC 系统模型仿真分析输电线路分别发生单相短路接地故障、两相短路故障、两相短路接地故障以及三相短路接地故障时，DPFC 系统关键节点的过电压和过电流水平。故障发生时间设置为仿真开始后的1.5 s，此时DPFC 系统已经稳定运行，故障持续时间为100 ms。以输电线路首端（即DPFC 的出口处）发生单相短路接地故障为例，DPFC系统关键节点的过电压和过电流波形如图4所示。当输电线路首端发生两相短路、两相短路接地以及三相短路接地故障时，DPFC 系统关键节点的过电压波形分别如图5—7所示。

图4 单相短路故障时DPFC的过电压和过电流波形Fig.4 Overvoltage and overcurrent waveforms of DPFC in case of a single-phase short-circuit fault

图5 两相短路故障时DPFC模组的过电压波形Fig.5 Overvoltage waveforms of DPFC modules in case of a two-phase short-circuit fault

图6 两相短路接地故障时DPFC模组的过电压波形Fig.6 Overvoltage waveform of DPFC modules in case of a two-phase short-circuit ground fault

图7 三相短路接地故障时DPFC模组的过电压波形Fig.7 Overvoltage waveforms of DPFC modules in case of a three-phase short-circuit ground fault

由图4可以看出，在短路故障发生期间DPFC端口流过较大的短路电流，使得DPFC 模组端口感应出较大的过电压，最大值达到了14.03 kV。由于故障发生后DPFC 子模块的BPS 和故障线路两端的断路器快速动作，故障后过电压和过电流的持续时间较短。此外，DPFC 子模块端口并联了MOV，有效地降低了故障期间DPFC端口的过电压水平。

表1统计了输电线路首端发生各种短路故障时故障线路DPFC 子模块和非故障线路DPFC 子模块的过电压和过电流水平，其中Us代表DPFC 端口对地电压，Ud1、I1、Usm1分别代表故障线路DPFC模组端口总电压、DPFC端口电流和DPFC子模块端口电压，Ud2、I2、Usm2分别代表非故障线路DPFC 模组端口总电压、DPFC 端口电流和DPFC子模块端口电压。可以看出，DPFC过电压和过电流水平最严重的情况大多发生在三相短路接地故障下，并且当输电线路发生短路故障时，故障线路上DPFC 的过电压和过电流水平要高于非故障线路。

表1 线路首端故障时DPFC过电压和过电流水平Table 1 Overvoltage and overcurrent levels of DPFC in case of line terminal faults

2.3 短路故障位置对DPFC过电压水平的影响

2.2 节中仿真计算了输电线路首端发生各种短路故障时DPFC 的过电压和过电流水平。作为对比，本节分别仿真计算了输电线路中点和末端发生各种短路故障时DPFC的过电压和过电流水平，分别统计于表2和表3中。

对比表1、表2 和表3 可以发现，在输电线路首端发生短路故障时DPFC 的过电压和过电流水平最高，在线路中点发生故障时DPFC 的过电压水平其次，在线路末端发生故障时DPFC 的过电压水平最低。因为DPFC 集中安装于变电站内，输电线路首端发生故障时故障点距离DPFC最近，流过DPFC 的短路电流最大，所以此时DPFC 的过电压水平最高。

表2 线路中点故障时DPFC过电压和过电流水平Table 2 Overvoltage and overcurrent levels of DPFC in case of line midpoint faults

表3 线路末端故障时DPFC过电压和过电流水平Table 3 Overvoltage and overcurrent levels of DPFC in case of line terminal faults

综合以上仿真结果可知，当DPFC 集中安装于变电站内时，可按照变电站出口处发生短路故障确定DPFC 的过电压水平，并判断DPFC 的绝缘配合是否满足要求。若不满足，则需对DPFC的绝缘设计进行优化。

3 DPFC分散安装于输电线路时的过电压仿真计算

3.1 正常运行时的仿真计算

不同于DPFC 集中安装于变电站内的方案，DPFC 还可以分散安装于输电线路的铁塔上，此时DPFC系统的拓扑结构如图8所示。变电站a和变电站b之间共有三回输电线路，其中两回输电线路分别分散安装9 台DPFC，假定9 台DPFC 均匀地分布于两座变电站之间。

图8 DPFC分散安装于输电线路时系统的拓扑结构Fig.8 Topology of the system with DPFCs decentrally installed on the transmission lines

输电线路和DPFC 的参数设置都与集中安装时一致，相邻两台DPFC 之间输电线路的长度相同。对于DPFC 分散安装于输电线路的情况，在PSCAD 中搭建了仿真模型，仿真步长设置为20 μs。在DPFC 采用分散安装的情况下，正常投入运行时DPFC 子模块的端口对地电压、端口电流以及端口电压与DPFC 采用集中安装时一致，故不再赘述。

3.2 输电线路短路故障时的过电压计算

仿真分析DPFC 分散安装于输电线路的情况下，输电线路分别发生单相短路接地故障、两相短路故障、两相短路接地故障以及三相短路接地故障时，DPFC 系统关键节点的过电压和过电流水平。本节仿真计算中选取的输电线路短路故障发生位置如图9所示，故障发生时间为仿真开始后1.5 s，故障持续时间为100 ms。以输电线路首端发生单相短路故障为例，故障点两侧DPFC 的过电压和过电流波形如图10 所示。输电线路首端发生两相短路、两相短路接地以及三相短路接地故障时，输电线路上DPFC 关键节点的过电压波形分别如图11—13所示。

图9 输电线路短路故障发生位置示意图Fig.9 Locations of short-circuit faults on transmission line

图10 单相短路故障时故障点两侧DPFC的过电压和过电流波形Fig.10 Overvoltage and overcurrent waveforms of DPFC on both sides of the fault point during a single-phase short-circuit fault

图11 两相短路故障时DPFC子模块的过电压波形Fig.11 Overvoltage waveforms of DPFC sub-modules in case of a two-phase short-circuit fault

图12 两相短路接地故障时DPFC子模块的过电压波形Fig.12 Overvoltage waveforms of DPFC sub-modules in case of a two-phase short-circuit ground fault

由图10 可以看出，当发生单相短路故障时，短路点两侧的DPFC都会流过比较大的短路电流，短路电流分别由短路点两侧的变电站流入短路故障点。由于短路故障点在输电线路首端，距离变电站a较近，因此流过变电站a侧DPFC 的短路电流要明显大于变电站b 侧DPFC，变电站a 侧DPFC端口的过电压也要高于变电站b侧DPFC。表4 统计了输电线路首端发生各种短路故障时，短路点两侧DPFC 的过电压和过电流水平，其中，Usa、Ia和Usma分别代表变电站a侧DPFC的端口对地电压、端口电流和端口电压，Usb、Ib和Usmb分别代表变电站b 侧DPFC 的端口对地电压、端口电流和端口电压。可以看到，在线路首端发生短路故障的情况下，变电站a侧DPFC的过电压和过电流水平要高于变电站b侧DPFC。在两相短路故障下DPFC 端口对地过电压达到最大值，为301.57 kV；在单相短路接地故障下DPFC 端口电流和端口电压达到最大值，分别为39.51 kA 和1.69 kV。

表4 线路首端故障时DPFC过电压和过电流水平Table 4 Overvoltage and overcurrent levels of DPFC in case of a terminal fault

3.3 短路故障位置对DPFC过电压水平的影响

3.2 节中仿真计算了输电线路首端发生各种短路故障时故障点两侧DPFC 的过电压和过电流水平。作为比较，本节计算了线路中点和线路末端发生短路故障时故障点两侧DPFC 的过电压和过电流水平，分别统计于表5和表6中。

表5 线路中点故障时DPFC过电压和过电流水平Table 5 Overvoltage and overcurrent levels of DPFC in case of a line midpoint fault

表6 线路末端故障时DPFC过电压和过电流水平Table 6 Overvoltage and overcurrent levels of DPFC in case of a terminal fault

图13 三相短路接地故障时DPFC子模块的过电压波形Fig.13 Overvoltage waveforms of DPFC sub-modules in case of a three-phase short-circuit ground fault

不同于在线路首端发生短路故障时变电站a侧DPFC 的过电压和过电流水平要高于变电站b 侧DPFC，在线路中点和末端发生短路故障时，变电站b侧DPFC的短路电流和端口过电压要高于变电站a侧DPFC。短路故障位置从线路首端变化到末端时，变电站a侧DPFC的短路电流和端口过电压逐渐降低，而变电站b侧DPFC的短路电流和端口过电压逐渐升高。发生短路故障时，变电站a 侧DPFC 端口对地过电压要高于变电站b 侧DPFC，并且在线路末端发生两相短路故障时DPFC 端口对地过电压水平最高，变电站a侧DPFC端口对地电压为302.76 kV，变电站b 侧DPFC 端口对地电压为274.92 kV。由于变电站a 和变电站b 的电压幅值、相角以及等效阻抗都不相同，因此输电线路首段和末端发生故障时DPFC 的过电压和过电流水平也不相同，在确定DPFC 过电压水平的情况下这两种故障位置都应该进行仿真计算。

综合以上仿真结果可以看到，当DPFC 分散安装于输电线路时，DPFC 的过电压水平与短路点的位置、DPFC 距离变电站的距离以及变电站的电气参数都是相关的。总体而言，对于安装位置最靠近变电站的DPFC，在其相邻输电线路（远离变电站侧）发生短路故障时，DPFC 承受的过电压和过电流水平最严重，可以按照这种情况确定DPFC的过电压水平，并校验DPFC的绝缘配合是否满足要求。

4 结语

DPFC 能够改善电网潮流分布，解决输电断面超限问题，赋予电网更高的灵活性和可控性。本文根据DPFC 拓扑结构和运行原理，依托220 kV DPFC 示范工程，搭建了DPFC 的仿真模型，分别考虑DPFC 集中安装于变电站内和分散安装于输电线路两种情况，计算了在输电线路不同位置发生短路故障时DPFC 关键节点的过电压和过电流水平。根据研究结果可得，当DPFC 集中安装于变电站内，可按照在变电站出口处发生短路故障来确定DPFC 的过电压水平；当DPFC 分散安装于输电线路上，可以按照安装位置最靠近变电站的DPFC 在其相邻线路（远离变电站侧）发生短路故障确定DPFC 的过电压水平。本文计算得到的DPFC 关键节点的过电压和过电流水平，可为实际工程中DPFC的绝缘配合提供参考。