多級分布式潮流控制器的平滑啟停策略

謝浩鎧，黃曉明，王 松，陸承宇，裘 鵬，陳 騫

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

電網運行過程中潮流波動大、分布不均衡導致關鍵供電斷面限額偏低，嚴重制約了電網的供電能力[1-3]。過去解決供電瓶頸及斷面超限問題的主要方式是新建輸電線路，部分區域探索應用了SSSC（靜止同步串聯補償器），UPFC（統一潮流控制器）等大型FACTS（柔性交流輸電系統）裝置[4-7]。但這些措施均存在建設周期長、占地面積大、一次性投資成本高、靈活性低等問題[8]，無法兼顧電網運行與投資效益。

針對這些不足，美國Divian Deepak 教授等首先提出了DPFC（分布式潮流控制器）的概念，其核心是將小容量DSSC（分布式串聯補償器）作為DPFC 的子模塊，串聯懸掛在電力線上，多級協同實現和SSSC 相近的潮流控制效果[9]。相比于集中式FACTS，DPFC 可按需求分期分批地建設，各級子模塊相互獨立，任一級子模塊故障后也不影響其他子模塊運行，可擴展性強，可靠性高。

目前國內外針對DPFC 的大部分研究還處于理論階段，研究方向主要集中在裝置布點分析[10-13]、穩態運行特性研究[14-15]、子模塊的控制邏輯設計[16-18]等方面，對啟動和停運策略研究鮮有提及。工程方面，美國Smart Wires 公司曾開展過兩項小容量DPFC 工程試驗項目，高電壓等級、大容量DPFC 工程經驗匱乏[19]。2020 年，國網浙江省電力有限公司為解決特定運行工況下潮流分布嚴重不均的問題，在湖州和杭州部署了世界首個220 kV DPFC 示范工程，設計總容量分別達58 MVA 和26 MVA。在工程應用中，串入系統的DPFC 容量越大、級數越多，啟動和停運過程中可能造成的沖擊影響就越大。適當的啟停控制策略可以減少這種影響，提升DPFC 控制響應速度。

由此，本文在DPFC 結構和運行原理基礎上，依據湖州220 kV DPFC 示范工程實際，建立了多級DPFC 控制系統架構，提出了“分級啟動”和“零壓停運”的平滑啟停策略。“分級啟動”策略通過集控系統協調各子模塊逐級啟動、低直流電壓解鎖，減少啟動時的系統功率波動。通過集控與多級閥控系統的信息交互減少整體啟動時間。“零壓停運”策略控制各級子模塊先下降輸出電壓為零后再閉鎖停運，降低停運沖擊至最小。所提策略的有效性在工程現場試驗中得到了驗證。

1 DPFC 技術方案

1.1 DPFC 工程結構

DPFC 子模塊的拓撲結構如圖1 所示，由復合開關CS、電壓源變流器VSC、取能電源及控制與通信單元等部分組成[18-19]。取能電源由線路電流取能、電容電壓取能及電源變換電路組成，為VSC 的正常工作提供電源。復合開關CS 由機械旁路開關KM 和雙向晶閘管TBS 組成，用以實現DPFC 子模塊的投退操作及保護。

圖1 DPFC 子模塊拓撲結構

為便于設備運行維護和檢修，工程中在DPFC 子模塊外并聯增設機械旁路斷路器BPS 和旁路隔離刀閘，以實現DPFC 設備的帶電檢修功能。由此，在需要多級子模塊串入系統的大容量示范工程中，采用多級DPFC 集中布置的工程方案，可以減少斷路器和隔離刀閘投資，且不影響DPFC 各項功能。湖州DPFC 示范工程的一次接線圖如圖2 所示。

圖2 湖州DPFC 示范工程一次接線

1.2 DPFC 運行原理

子模塊控制與通信單元接收控制指令，執行控保策略算法并生成PWM 指令，控制單相全橋VSC 的IGBT 通斷，向輸電線路注入一個幅值和相角可控的電壓，其垂直分量的相位超前或滯后線路電流90°，呈現感性或容性特性，等效改變線路阻抗，實現有功功率調節。注入電壓的平行分量用于維持直流電容電壓穩定。

對于圖3 所示的簡化電力傳輸系統，設DPFC 子模塊向線路注入電壓的垂直分量為，等效于一個可控無功電壓源，其注入電壓幅值不受線路電流影響[9，16]。在DPFC 串入線路后，線路電流為：

圖3 輸電系統簡化

其幅值為：

容性補償時，線路電流的幅值增加；感性補償時，線路電流的幅值減小。幅值變化幅度與注入垂直分量的大小呈正比。圖4 中（a），（b），（c）分別為無補償、容性補償和感性補償時的向量圖。

圖4 DPFC 子模塊串聯注入電壓補償相量

對于多級DPFC 工程而言，各級子模塊注入系統的電壓幅值和相位均可調節。整體調節量是各級子模塊注入電壓的垂直分量之和。

2 平滑啟停策略

為更好地協調多級DPFC 子模塊運行，實現調節的連續性和分級性，建立了包括調度控制層、集中控制層、子模塊控制層在內的系統控制架構，如圖5 所示。

圖5 多級DPFC 控制系統架構

調度控制層根據交流電網的實時狀態，計算出DPFC 實現電網潮流調節的最優電壓指令、或最優功率指令、或最優阻抗指令，再傳輸給站內集中控制保護系統。集中控制層將調度層指令轉換為各級子模塊的電壓參考值，將注入電壓指令或等效阻抗指令下發給各個子模塊，實現各回線路上多級子模塊的協調控制和DPFC 設備的集中保護功能。為保證系統可靠性，集中控制層采用雙重化配置，AB 兩套系統均接受調度控制層指令，執行控制邏輯并下發指令。

子模塊控制層為子模塊內閥控板卡，可執行注入電壓控制、等效串入阻抗控制，實現模組電容電壓控制功能及模組本身的保護功能。不同控制單元之間通過光纖或電力通信網進行信息交換。

基于三層控制系統架構，多級DPFC 能按調度需求設定整體控制目標，各級子模塊也能按接入點狀態獨立調節運行。DPFC 系統通過不同控制層間的信息交互，實現啟停策略并以多種工作模式對線路潮流進行控制，豐富了DPFC 方案的應用場景，增強了靈活性。

2.1 分級啟動策略

DPFC 啟動是指設備從停運狀態到正常運行的過程，啟動結束后DPFC 為0 電壓輸出狀態，并可進一步根據指令調整線路潮流。針對多級DPFC 工程，提出的啟動步驟如下：

步驟1：判斷DPFC 進入準備運行狀態，即線路正常運行、BPS 閉合、旁路用隔離刀閘分閘、與線路并聯的隔離刀閘合閘及相應的地刀分閘、線路電流大于DPFC 最小運行電流。

步驟2：調度控制層或運行人員下發運行命令。

步驟3：經一段時間延時后，集控系統控制BPS 開關分閘，各子模塊進入旁路充電狀態，取能CT 對子模塊控制系統供電。

步驟4：集控系統檢測到與各子模塊控制系統的通信正常后，經一段時間的延遲，下發啟動命令給正常狀態的子模塊。

步驟5：子模塊控制系統接收到集控系統的啟動命令后，判斷線路電流大于最小運行電流、單元狀態無異常后，控制KM 開關分閘。

步驟6：KM 開關分閘后，子模塊進行不控充電，電容電壓快速上升。

步驟7：電容直流電壓上升至解鎖閾值后，子模塊解鎖，經PI（比例-積分）環節控制直流電壓平穩，再平滑上升至額定值。

步驟8：在上一級子模塊解鎖后，集控系統給下一級子模塊下發啟動命令，并重復步驟5 至步驟7。

步驟9：待各級子模塊均完成解鎖后，集控系統顯示DPFC 解鎖，待系統穩定運行后，完成DPFC 分級啟動。DPFC 維持0 電壓輸出狀態。

上述多級DPFC 啟動流程如圖6 所示，其基本思想是通過集控系統控制子模塊依次進行充電解鎖，并在可控充電階段引入PI 控制，減少DPFC 啟動過程中子模塊電容充電引起的系統有功功率波動。

圖6 DPFC 啟動策略流程圖

若DPFC 安裝在雙回線路上，且雙回線路都帶電運行時，步驟2 將同時向雙回線DPFC 下發啟動命令，且此時通常不允許單回線DPFC 啟動，避免雙回線間產生環流。

啟動過程中在步驟3 設置延時，主要是為了判斷線路電流在一定時間內能穩定大于DPFC 最小運行電流，避免旁路開關BPS 分閘后又因線路電流不滿足DPFC 啟動條件而退出啟動，重新合閘。而在步驟4 設置延時，主要是為了滿足KM開關合閘、分閘線圈的儲能需求。KM 開關的可靠合閘對保護變流器免受故障大電流沖擊至關重要。在故障發生后，KM 開關須能迅速合閘，退出DPFC 運行。同時為配合保護重合閘，在線路重新運行后盡快實現原有的潮流調節功能，KM 開關應能在較短時間內重新分閘，并具備再次合閘的保護能力。由此經延時充能后，KM 開關應在一次充能后具備連續“分-合-分-合”的能力，或至少能經短時充電完成“分-合”動作，以保證DPFC 子模塊安全。此外當子模塊有更換，集控系統因從未采集過KM 位置信號，應在啟動前下發KM 合閘指令，以保證KM 能處于合閘位置。這段充放能時間也應計入步驟4 的延時中。

步驟8 中，當集控系統經通信發現本級子模塊的某一相或多相故障時，將直接給下一級子模塊的對應相發啟動命令。如2 級子模塊的A 相已故障旁路，B，C 相可正常運行，在2 級子模塊啟動時，3 級子模塊的A 相會先充電解鎖；3 級子模塊的B，C 相則順延與4 級子模塊的A 相一同充電解鎖。這種策略有利于減少DPFC 整體啟動時間，并有利于三相平衡運行。

2.2 零壓停運策略

多級DPFC 停運的基本思想同樣是減少對交流系統的沖擊影響。本文所提策略是由集控系統先調節各子模塊注入線路的電壓為零，再下發子模塊閉鎖停運命令，策略流程如圖7 所示，具體步驟如下。

圖7 DPFC 停運策略流程

步驟1：調度控制層或運行人員下發停運命令。

步驟2：集控系統在收到停運命令后，切換系統控制模式為“電壓控制”。

步驟3：集控系統以固定斜率調節子模塊電壓指令至0，子模塊實際注入電壓隨電壓指令，經PI 環節下降。

步驟4：待所有子模塊零出力后，集控系統同時下發停運命令至所有子模塊。

步驟5：所有子模塊收到停運命令后，同時下發換流閥閉鎖、IGBT 的1，3 管導通、TBS 導通，KM 開關合閘信號。

步驟6：集控系統檢測到所有模組的KM 開關合閘后合上BPS 開關，DPFC 從線路中旁路，完成停運。

上述停運過程中，步驟5 在換流閥閉鎖的同時觸發IGBT 的1，3 管導通和TBS 導通，是為了在機械開關KM 閉合行程中先形成電流旁路，這兩者反應速度快，但均不能長時間導通。待KM開關完成合閘后，IGBT 的1，3 管和TBS 將不再導通。

當DPFC 系統需要緊急停運，則由運行人員拍下停運按鈕，DPFC 應被快速旁路停運。此時將直接閉鎖換流閥，合BPS 開關，并觸發TBS 導通、KM 合閘，相應的系統沖擊影響將大于正常停運。

3 試驗驗證

為了驗證多級DPFC 分級啟動和平滑停運策略的正確性，在湖州DPFC 示范工程一期的系統試驗階段進行了相關測試。湖州DPFC 示范工程的主要參數如表1 所示。

表1 湖州DPFC 示范工程一期的主要參數

線路Ⅰ的1 號子模塊瞬時解鎖運行1 s 的波形如圖8 所示。圖中所有子模塊KM 合閘位置信號以十進制表達，45 代表各級子模塊KM 均合閘，44 代表1 級子模塊的KM 分閘，其余子模塊合閘。啟動解鎖過程中，DPFC 先經24 ms 的不控充電使電容電壓快速上升至解鎖直流電壓閾值，解鎖后控制直流電壓平滑上升，約250 ms 后直流電壓達到600 V，再經約500 ms 后達到額定電壓。由圖8 可知，子模塊解鎖后有功功率的波動遠小于KM 開關分閘后不控充電引起的有功波動。解鎖后DPFC 注入線路的電壓為零，線路潮流受到的擾動很小。

圖8 線路Ⅰ的1 號子模塊瞬時解鎖運行1 s

雙回線DPFC 解鎖運行的波形如圖9 所示，（a）為線路ⅠDPFC，（b）為線路ⅡDPFC。集中控制系統發出啟動命令1 min 后雙回線DPFC 的BPS 開關分閘，DPFC 進入旁路充電狀態，再46 s后雙回線DPFC 開始第一級啟動。圖中可以看出DPFC 采取了分級啟動策略，雙回線上一級DPFC同時啟動后間隔100 ms，下一級DPFC 再同時啟動充電。從第一級DPFC 開始不控充電至雙回線DPFC 完全解鎖時間為350 ms。每回線路的有功波動幅值限制在了10 MW 以內，有效避免了多級DPFC 子模塊電容同時進行充電引起的波動疊加。此外，圖中可以看出波動主要存在于雙回線路之間，對斷面潮流幾乎沒有影響，這與系統阻抗大，線路阻抗小有關。由此亦可知，當雙回線路帶電，單回線DPFC 運行時，雙回線間容易產生環流，故通常不允許這種運行方式。

圖9 雙回線DPFC 解鎖運行

線路Ⅰ的1 號子模塊A 相故障旁路后的雙回線DPFC 解鎖運行的波形如圖10 所示。分級啟動過程與策略一致，但由于A1 子模塊故障，第二級子模塊的A 相與第一級子模塊的B，C 相同時啟動。A 相共有3 級子模塊啟動，B，C 相各有4 級子模塊啟動，從開始不控充電至雙回線DPFC完全解鎖時間同樣約為350 ms，與4 級完整啟動一致。若每相均只有3 級子模塊正常，啟動時間將對應縮短。

圖10 子模塊存在故障時線路ⅠDPFC 解鎖運行

雙回線DPFC 閉鎖停運的波形如圖11 所示，可以看出當DPFC 出力下降，線路潮流絕對值上升，恢復到自然狀態，此時DPFC 子模塊再閉鎖停運，對線路潮流幾乎無影響。

圖11 雙回線DPFC 閉鎖停運

與圖12 所示的緊急停運波形對比，可以看出即便DPFC 僅有一個很小的出力，直接緊急停運對系統仍有10 MW 左右的沖擊，并引起線路潮流突變，可知系統正常停運策略有利于減少DPFC 停運時對系統的沖擊影響。

圖12 線路ⅠDPFC 緊急停運

4 結語

本文在DPFC 結構和運行原理基礎上，依據湖州220 kV DPFC 示范工程實際，建立了多級DPFC 控制系統架構，并進一步提出了“分級啟動”和“零壓停運”的平滑啟停策略，使其對交流系統的有功功率影響盡可能減小。

多級DPFC 控制系統架構通過信息交互增強系統靈活性，能協調系統整體控制和子模塊控制，是多級子模塊根據集中控制指令實現“分級啟動”和“零壓停運”的物理基礎。

現場試驗證明，“分級啟動”策略能通過集控系統協調控制各級子模塊逐級啟動，在低直流電壓解鎖，有效避免了多級DPFC 子模塊電容同時充電引起的功率波動疊加，分散降低了啟動過程中的有功功率波動幅值。

同時在啟動過程中采用跳過本級子模塊故障相，啟動下一級子模塊對應相的方式，有利于減少整體啟動時間和三相平衡運行。

“零壓停運”策略能控制各級子模塊先下降各級DPFC 輸出電壓為零，保證了DPFC 停運后線路功率不變，對交流系統沒有潮流突變影響。現場試驗證明，通過策略與多類型旁路開關配合，停運過程對換流器本體和交流系統幾乎沒有沖擊影響。