交流系統故障時統一潮流控制器處理策略

潘 磊, 李 斌, 楊 光，董云龍, 黃如海, 邱德鋒， 孔祥平

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國網江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京 210019；3. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

交流系統故障時統一潮流控制器處理策略

潘 磊1, 李 斌2, 楊 光2，董云龍1, 黃如海1, 邱德鋒1， 孔祥平3

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國網江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京 210019；3. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

統一潮流控制器(UPFC)作為功能全面的電力電子設備，需具備較高的故障穿越能力。在交流線路發生故障時，UPFC的串、并聯換流器均會承受故障的沖擊，且對于線路的瞬時性故障，需要UPFC在線路故障清除后繼續運行。從UPFC的結構和故障特性著手進行分析，提出了UPFC在交流系統故障時的處理策略，使其具備系統故障時的故障穿越能力；UPFC并聯側通過控制策略的優化能在故障期間持續運行，串聯側通過控制保護策略與線路保護和重合閘邏輯的配合，能快速退出及重新啟動。該策略經過了人工短路試驗的驗證，并在南京UPFC示范工程運行過程中通過了系統實際故障的考驗，該策略的合理性得到了驗證。

統一潮流控制器; 交流系統故障; 故障穿越; 故障重啟

0 引言

統一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)為迄今最全面的柔性交流輸電系統(flexible AC transmission system,FACTS)設備，可以通過快速無功吞吐，動態支撐接入點的電壓，提高系統電壓穩定性；可以獨立地控制線路的有功功率和無功功率，提高線路的輸送能力，實現系統潮流的優化調節;還可以通過對線路功率的快速調節，改善系統阻尼，提高功角穩定性[1，2]。在系統發生故障時，UPFC必須具備良好的故障穿越能力。

UPFC的并聯側和串聯側以不同的方式接入交流系統，在交流系統發生故障時，UPFC兩側的設備均會受到故障影響，且表現出不同的故障特性，需要結合UPFC的結構及故障特性對UPFC的串、并聯側做不同的處理。UPFC的并聯側接入交流系統的方式與柔性直流輸電系統相同，其故障處理策略可以參考柔性直流輸電系統，如文獻[3]所述。但由于UPFC的并聯側與串聯側為背靠背連接，且串聯側同時也受到系統故障的沖擊，因此并聯側故障特性與柔性直流輸電系統不同，需要進一步評估目前柔性直流輸電系統的交流系統故障處理策略在UPFC系統的適用性。UPFC串聯側接入系統的方式較為特殊，目前國內外對UPFC串聯側的穩態和暫態控制研究較多，國內關于UPFC串聯側在交流系統故障時的應對策略研究主要是在UPFC作為故障限流器的應用方面。

文獻[4—7]提出了利用UPFC串聯側的阻抗控制功能，在交流系統發生故障時，緊急增加注入線路的電壓及等效阻抗，抑制交流系統短路電流的方案。該方法存在直流電壓失穩的問題，由于故障電流較大，在串聯側持續注入電壓時，UPFC串聯側與線路交換的有功功率會超過UPFC的額定直流功率，造成UPFC并聯側換流器的直流電壓控制失控，從而導致UPFC直流電壓失穩而跳閘。

文獻[8]提出了線路故障時UPFC串聯側換流器零電壓輸出的策略。僅通過串聯變壓器的漏抗限制故障電流，由于故障時串聯側換流器輸出電壓為零，與交流線路沒有有功功率的交換，因此不存在直流電壓失穩問題。但由于串聯變壓器的漏抗相對于系統阻抗較小(串聯變壓器的額定電壓小，額定電流和額定容量較大)，因此對系統短路電流的抑制作用有限，在安裝UPFC的線路或者附近交流線路發生故障時短路電流依然會很大。

文獻[9—11]對UPFC的結構進行優化，將UPFC與固態限流器結合。在線路故障時，迅速控制使UPFC的串聯側換流器與串聯變壓器斷開連接，串聯變壓器二次側開路，串聯變壓器勵磁繞組直接串入線路，串聯變壓器迅速飽和，并最終以飽和空心電抗抑制系統故障電流。這種結構和處理策略的主要作用是抑制系統故障電流，但UPFC設備在故障時已退出運行，沒有實現故障穿越。

文中針對UPFC近端故障時故障電流難以抑制的特點，在故障時通過快速保護功能和快速旁路開關迅速將UPFC串聯側換流器與系統隔離，而并聯側通過控制策略抑制故障電流，從而在故障期保持運行；同時配合線路保護和線路重合閘邏輯，在線路故障清除后將UPFC串聯側重新啟動投入運行，實現UPFC在近端故障時的故障穿越和重啟。

1 統一潮流控制器的基本原理及運行特性

UPFC的基本結構包括兩個背靠背的換流器、并聯變壓器、串聯變壓器、并聯側部分接入和退出交流系統的交流斷路器以及串聯側接入和退出交流系統的機械旁路開關。并聯側換流器經過并聯變壓器接入交流母線，控制換流器與交流系統交換的無功功率或交流線路電壓，同時控制直流系統電壓保持穩定；串聯側換流器輸出可控電壓，經串聯變壓器串入交流線路，改變線路端電壓，從而控制系統潮流。

UPFC的穩態模型可用一個串聯在線路中的可控電壓源和一個并聯在置入節點的可控電流源等效。其中，并聯的可控電流源與靜止同步補償器(STATCOM)類似，控制換流器與并聯系統交換的功率；串聯側換流器注入角度可在0～360°旋轉的同步電壓，改變線路首端電壓的幅值和相角，從而實現對線路的端電壓控制、阻抗控制、移相控制和線路功率控制等多種控制方式[12-15]。

2 UPFC故障時的保護措施

電壓源換流器是UPFC的核心設備，屬于電力電子設備，其故障電壓和電流的耐受能力相比傳統的電力設備較差。在串聯換流器接入的交流系統發生故障時，線路短路電流會經過串聯變壓器耦合至換流器，如引言所述，通過UPFC的控制來抑制短路電流的作用不大，因此必須迅速采取措施保護串聯側換流器，同時將UPFC串聯側與交流線路隔離，減小對交流系統保護的影響。由于常規機械開關的合閘速度較慢，因此目前最可靠的方式是在串聯變壓器高壓側或者低壓側繞組兩端配置一組快速的電力電子開關——晶閘管旁路開關(TBS)，同時在串聯變壓器兩側各配置一組快速機械旁路開關。

由于TBS在正常運行時為斷開狀態，只在故障時導通旁路，因此為了減小UPFC系統的損耗、節約占地和投資，TBS設備一般不配備冷卻裝置。TBS在故障期間導通旁路時只能依靠自冷方式進行冷卻，導通時間短(幾十到幾百毫秒)，在機械旁路開關合閘后必須及時將TBS支路關斷，以保護TBS設備的安全。為了保證UPFC設備在區內故障或者區外交流系統故障時均能可靠地與交流系統隔離，避免因高壓側的旁路開關(HVB)合閘失靈后跳開線路開關而影響系統的安全可靠性，在串聯串聯變壓器的低壓側也配置一組快速機械旁路開關(LVB)，保護動作后兩個機械開關同時動作，互為冗余。UPFC的基本配置如圖1所示。

圖1 單回線路UPFC結構及基本配置Fig.1 The basic structure and configuration of UPFC

通過TBS、HVB和LVB 3個開關的配合，在UPFC區內故障或者區外交流系統故障時，均可以使UPFC串聯側快速、可靠地與交流系統隔離。 故障發生時，保護迅速動作觸發TBS導通，同時發送HVB和LVB合閘命令。TBS快速導通串聯側換流器旁路，隔離換流器和交流線路，避免交流系統故障和閥區故障相互影響。在LVB或HVB任意一個合閘后，閉鎖TBS的觸發脈沖使其退出運行。

文獻[16]以南京UPFC工程為例，介紹了UPFC典型的保護功能配置，并設計了故障仿真試驗，進行了保護功能的驗證。文中對該保護功能配置進行補充說明，當UPFC線路或者相鄰線路發生接地等嚴重故障時，為了保證換流器能快速隔離，UPFC工程還配備了快速過流保護功能/裝置。以南京UPFC工程為例，快速過流保護功能的動作定值為1.5 p.u.，動作時間為150 μs。

綜上所述，UPFC工程采用三重旁路開關和完善的保護配置，可以保證UPFC串聯側換流器在故障時安全可靠地退出，提高整個系統的可靠性。

3 UPFC在線路故障時的處理策略

對于UPFC設備而言，安裝UPFC的線路故障或者其鄰近線路發生故障都稱為區外故障，但由于UPFC的串、并聯換流器均與線路的耦合關系較強，因此均會受到線路故障的影響。如上節所述，當線路發生嚴重故障，耦合至UPFC換流閥的故障電流達到了保護定值時，與故障線路相對應的串聯側換流器必需迅速閉鎖和隔離。對于線路的瞬時性故障，線路保護可能會重合閘成功，線路恢復正常運行，而這種情況下如果故障線路對應的串聯側換流器或者所有的換流器永久性退出，會降低UPFC的利用率，影響系統的可靠性。因此要針對線路瞬時故障以及鄰近線路的故障，對UPFC的故障處理策略進行優化，從而提高系統整體的可靠性。最簡單有效的方法為：UPFC系統在線路故障清除，線路恢復正常運行后，快速重新啟動。

文中給出了UPFC線路故障重啟的詳細處理策略，該策略已在南京工程中應用并得到了驗證，故障發生后的具體流程如下。

(1) 正常運行時，實時檢測系統各電氣量及開關量狀態，判斷是否發生故障；

(2) 若發生故障，則UPFC保護迅速動作，通過三重旁路開關的保護配合退出相關換流器；

(3) 進一步判斷故障類型，若判斷為UPFC區內本體設備故障，則永久性停運已閉鎖的換流器；若為UPFC區外交流線路故障，則允許重新啟動已閉鎖的換流器，執行下一步；

(4) 經過一定時間的延遲(延遲時間大于線路重合閘時間)，判斷線路故障是否清除以及線路是否恢復運行。若線路未恢復正常運行，則永久性停運已閉鎖的換流器；若線路運行狀態正常，則將退出的換流器重新投入運行，進入下一步；

(5) 首先分開需要重啟的換流器對應的LVB，之后依次解鎖換流器和分開HVB，完成對應換流器的重新啟動，啟動過程參照文獻[1]。UPFC故障重啟邏輯流程如圖2所示。

圖2 UPFC故障重啟邏輯流程Fig.2 The restart logic flowchart of UPFC

上述故障重啟的兩個重要難點在于：(1) 并聯側換流器不停運；(2) 準確區分區外交流線路故障和區內設備故障。

對于第一個難點，在故障發生后，可優化UPFC控制保護策略，保持并聯側換流器持續運行。通過負序電壓疊加的控制方法，消除交流線路發生不平衡故障時流過換流器電流的負序成分；采用換流器輸出電流參考值限制的方法，控制流過換流器對稱分量的電流，使其不超過額定值，從而降低并聯側換流器流過的故障電流，保證其能持續運行不停運，提高UPFC并聯側換流器的故障穿越能力。

對于第二個難點，根據UPFC的故障運行和保護動作特點作如下分析。

(1) 發生交流系統遠端故障或者高阻故障且故障電流在UPFC設備承受范圍之內時，UPFC可持續運行。

(2) 交流系統發生嚴重故障且故障電流超過UPFC設備承受能力時，UPFC的快速過流保護動作，其動作時間加上TBS導通時間小于2 ms。在TBS導通，UPFC串聯側換流器與線路隔離后，UPFC其他保護將不再動作。而對于UPFC本體設備的故障，配置了多種保護功能[16]，UPFC設備的每個區域都配置有差動保護且保護范圍相互交叉，同時UPFC本體設備配置有直流電壓異常、換流器電壓異常等保護功能。UPFC本體故障時會導致直流電壓或者輸出電壓異常，因此故障時往往多個保護同時動作，而不會只有過流保護動作。

(3) 串聯變壓器故障后，UPFC對應的換流器不能再重新投入運行，因此將該故障作為區內故障。

(4) UPFC接入線路的保護動作信號也可作為UPFC區外故障的判據，發生線路故障時，線路保護裝置發送動作信號給UPFC保護裝置，后者執行“跟跳”。

經上述分析，可以將“僅過流保護動作或接收到線路保護動作信號”且“相應串聯變壓器保護不動作”作為UPFC區外故障的判據，滿足條件則允許UPFC串聯側換流器在臨時退出運行后重新啟動。

為了提高判斷UPFC發生區外故障(即發生交流系統故障)的準確性，可以引入線路電壓狀態作為輔助判據。在交流系統發生嚴重故障導致UPFC保護動作時，UPFC接入線路的電壓會出現異常，其異常特性表現在電壓的不同序分量上(正序電壓較低，或零序電壓較大，或負序電壓較大)。

此外，UPFC串聯側換流器在退出后重新投入運行前，還必須準確判斷故障是否被切除以及線路是否恢復正常運行，此時可通過線路電壓正常(正序、零序和負序電壓均在正常范圍內)和線路的開關位置為合位進行判斷。

綜上所述，UPFC在交流線路故障后進行重啟的條件為：(1) UPFC接收到線路保護動作信號或者UPFC的保護僅有過流保護動作且其所對應線路的電壓異常(正序電壓較低、或零序電壓較大、或負序電壓較大)；(2) 相應串聯變壓器保護不動作；(3) 換流器退出一段時間后(大于線路保護重合閘時間)，該退出換流器所對應的線路電壓的正序、零序和負序分量均在正常范圍內，且線路兩側開關位置均為合位；(4) 并聯側換流器正常運行。

當上述4個條件均滿足時，UPFC的串聯側會在故障消除后重新投入運行。

4 南京UPFC示范工程線路故障分析

南京UPFC示范工程的串聯側換流器兩側均配備快速機械旁路開關、閥側配備TBS，南京UPFC工程的線路故障處理按第3節所述邏輯執行。

南京UPFC工程在投運初期進行了人工接地短路試驗，在安裝UPFC線路時發生了瞬時故障，文獻[17]對UPFC的動作特性進行了詳細分析：發生故障后，UPFC保護首先動作，觸發TBS在1.8 ms快速閉合，將換流器與故障交流系統隔離，避免換流器持續受到故障沖擊；兩個機械旁路開關隨之閉合，進一步將串聯變壓器與故障交流系統隔離，避免TBS因長期導通而損壞；線路兩側故障相的開關在線路保護動作后33 ms左右跳開，并在930 ms左右重合閘；6.6 s左右，故障線路對應的UPFC換流器重新投入運行，其動作結果與第3節的方案一致。

2016年8月2日，南京西環網華能南京電廠至曉莊站的其中一回線路(安裝UPFC的雙回線路的相鄰線路)發生故障，故障點離UPFC站較近，耦合至UPFC串聯側換流器的故障電流非常大，UPFC的快速過流保護功能使雙回線路對應的兩個串聯側換流器在故障時均快速退出運行。故障時(14：22：01)線路電壓(u)、線路電流(i)、串聯側換流器閥側電流(i串換)和串聯側換流器閥側電壓(u串換)的故障錄波波形如圖3所示?？梢钥闯觯诠收习l生后4.8 ms左右達到UPFC的過流保護定值，5.4 ms左右TBS導通，56 ms左右故障線路跳開，同時安裝UPFC線路的電壓和電流恢復正常。

圖3 故障時UPFC串聯側相關波形Fig.3 The waveforms of UPFC series part during line-fault

并聯側換流器采用第3節所述的優化控制策略，在故障時限制流過并聯側換流器的電流，保證其能持續運行，從而實現故障穿越。故障時線路電壓(u)、并聯變壓器網側電流(i并變)、并聯側換流器閥側電流(i并換)和并聯側換流器閥側電壓(u并換)的故障錄波波形如圖4所示。從上述波形可以看出，并聯側換流器在故障期間的電流得到了抑制，換流器持續運行，實現了故障穿越。

圖4 故障時UPFC并聯側相關波形Fig.4 The waveforms of UPFC parallel part during line-fault

由于是相鄰線路故障，安裝UPFC的線路及相應的串聯變壓器均沒有動作，僅UPFC串聯側換流器的過流保護動作，從圖3可以看出故障時線路電壓異常較明顯，因此，允許UPFC的串聯側換流器在退出運行后重新啟動運行。

圖5 故障5 s后UPFC串聯側重啟時相關波形Fig.5 The waveforms of UPFC series part during restart

在串聯側換流器退出運行后，經過設定的時間5 s，UPFC控保系統判斷出線路電壓和電流正常，重新將串聯側換流器投入運行。故障后5 s(14：22：06)的故障錄波波形如圖5所示，從波形可以看出串聯側換流器在5 s后開始重新啟動。

圖6描述了2016年8月2日華京—曉莊線路故障前后西環網的潮流變化。可以看出，在UPFC重新啟動后迅速控制鐵北—曉莊線路(安裝UPFC)的功率恢復至故障前的功率水平。華京—曉莊線路為西環網北通道的一條線路。

圖6 故障期間南京西環網潮流變化Fig.6 The power flow wave of Nanjing west network during line-fault

圖中顯示當華京—曉莊線路跳閘后，西環網北部通道的功率迅速下降，南部通道的功率迅速上升，在UPFC重新啟動成功后，通過控制提升了一部分北部通道下送的功率，南部通道的功率同步減小，驗證了文中所提交流系統故障處理策略能夠提高UPFC可靠性和性能的設想。

5 結語

文中基于換流器設備的能力,分析了交流系統故障時UPFC的故障特性，提出了UPFC在交流系統故障時的處理策略，使得UPFC設備具備故障穿越能力，提高了UPFC系統的運行可靠性。

并聯側換流器通過控制策略優化，在交流系統故障期間保持運行；在交流系統發生嚴重故障且故障電流超過串聯側換流器的電流耐受能力時，將串聯側換流器迅速退出；在交流系統故障較輕，串聯側換流器可持續運行時，若接收到本線路保護的動作信號，串聯側換流器也退出運行；根據保護的動作信號以及線路的狀態，判斷是否允許串聯側換流器重新啟動：若允許，則在指定時間后，根據線路的電壓、電流、開關位置等判斷線路是否恢復了正常運行狀態，若是，則重啟串聯側換流器投入運行。

通過分析南京工程實際運行時的兩次安裝交流系統故障(一次為UPFC線路區內故障，另一次為UPFC線路區外故障)，驗證了文中提出的UPFC線路故障處理策略的合理性和工程適用性。

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潘 磊

潘 磊(1985—)，男，湖北荊州人, 碩士，工程師，從事柔性直流輸電及柔性交流輸電技術研發工作(E-mail：panl@nrec.com)；

李 斌(1963—)，女，四川瀘州人，研究員級高級工程師，從事電力系統調度規劃、智能電網技術前瞻應用，柔性交直流輸電技術應用工作；

楊 光(1983—)，男，湖北襄陽人，碩士，工程師，從事智能變電站、柔性交直流輸電技術應用工作(E-mail：ygsjtu@163.com)；

董云龍(1979—)，男，安徽安慶人，碩士，高級工程師，從事柔性直流輸電及柔性交流輸電技術工作；

黃如海(1987—)，男，江蘇南通人，碩士，工程師，從事柔性直流輸電及柔性交流輸電技術工作；

邱德鋒(1986—)，男，江蘇泰州人，碩士，工程師，從事柔性直流輸電及柔性交流輸電技術工作(E-mail：qudf@nrec.com)。

(編輯方 晶)

ControlandProtectionStrategiesofUnifiedPowerFlowControllerDuringACSystemFailure

PAN Lei1, LI Bin2, YANG Guang2，DONG Yunlong1, HUANG Ruhai1，QIU Defeng1, KONG Xiangping3

(1. NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China; 2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Nanjing Power Supply Company, Nanjing 210019, China；3. State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 211103, China)

As afull-featured power electronic equipment, unified power flow controller (UPFC) need fault ride-through ability. UPFC series and parallel inverter parts will withstand the impact of failure duringAC line fault.And for instantaneous fault of the line, theUPFC needstocontinue to run after theline fault is cleared.Based on the structure and fault characteristics of UPFC，the processing strategy of UPFC in the case of AC system failure is put forward, so that it has the fault ride-through ability.The UPFC parallel side can run continuously during the fault by use optimization control strategy. And the serial side can exit and restart quickly,with the coordination of UPFC control and protection strategy,line protection and reclosing logic.The rationality of the strategy is verified by manual short circuit test and the actual system fault test during the operation of Nanjing UPFC demonstration project.

UPFC; AC system fault; fault ride-through; restart

TM711

A

2096-3203(2017)06-0132-06

2017-06-25；

2017-07-28

國網江蘇省電力公司科技項目(J2017073)；國家自然科學青年基金資助項目(51707090)