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.pdf

第 42 卷 第 1 期2023 年1 月Zhejiang Electric PowerVol.42，No.01Jan.25.2023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1，周路遥2，宋金根1，孟祥瑞3，邵先军2，卢铁兵3（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）摘要：DPFC（分布式潮流控制器）可以改善电网潮流分布，解决输电断面超限问题。根据DPFC的拓扑结构和运行原理，依托世界首个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，仿真计算了输电线路发生短路故障时DPFC关键节点的过电压和过电流水平，并分析了故障发生位置对DPFC过电压和过电流水平的影响。计算结果可为实际工程中DPFC的绝缘配合提供参考。关键词：分布式潮流控制器；柔性交流输电系统；短路故障；过电压DOI:10.19585/j.zjdl.202301010 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Overvoltage level analysis of a distributed power flow controller under different installation schemesXU Hua1，ZHOU Luyao2，SONG Jingen1，MENG Xiangrui3，SHAO Xianjun2，LU Tiebing3（1.State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd.，Hangzhou 310007，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd.Research Institute，Hangzhou 310014，China；3.North China Electric Power University，Beijing 102206，China）Abstract:Distributed power flow controller（DPFC）can improve power flow distribution in the power grid and solve the problem of power flow section excess.Based on the topology structure and operation principle of DPFC and with the backing of the world s first 220 kV DPFC demonstration project，a distributed power flow control simulation model is established.The cases of distributed power flow controllers centrally installed in substations and dispersedly installed in transmission lines are considered，respectively.The overvoltage and overcurrent levels of DPFC key nodes in the case of short-circuit faults on the transmission lines are simulated.Moreover，it is analyzed how fault location influences the DPFCs overvoltage and overcurrent.The calculation results in this paper can provide a reference for DPFC insulation coordination in engineering practice.Keywords:DPFC；flexible AC transmission system；short-circuit fault；overvoltage0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年合作完成了世界基金项目：国网浙江省电力有限公司科技项目（5211DS20008F）第 42 卷上第一个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 MVA9。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。1DPFC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。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。2DPFC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。输电线路采用型等效电路，参数按照实际线路参数进行选取。图1 DPFC子模块主电路拓扑Fig.1 Main circuit topology of DPFC sub-modules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 substation80 第 1 期徐华，等：不同安装方式下分布式潮流控制器的过电压水平分析根 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 s。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。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57所示。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。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 operation81第 42 卷图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 module