周路遙，邵先軍，郭 鋒，徐 華，裘 鵬，王少華

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

為應(yīng)對日益復(fù)雜的經(jīng)濟形勢和能源局勢，國網(wǎng)浙江省電力有限公司提出建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)下的多元融合高彈性電網(wǎng)，以節(jié)約能源、節(jié)省投資和喚醒資源為理念，充分挖掘在運設(shè)備潛力，增強安全承載評估能力，提升電網(wǎng)資源配置能力，在推動電網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展上實現(xiàn)率先引領(lǐng)[1-2]。

電網(wǎng)潮流主要根據(jù)系統(tǒng)阻抗自然分布，易在輸電斷面中形成局部輸送瓶頸，進(jìn)而限制了整個電力系統(tǒng)的承載能力[3-4]。為改善系統(tǒng)潮流分布，電力系統(tǒng)長期以來采取新建電廠和輸電線路的應(yīng)對措施，需占用大量土地資源，且投資成本較高、建設(shè)周期較長。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)ACTS（柔性交流輸電系統(tǒng)）逐漸成為提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、可靠性及系統(tǒng)承載能力的重要手段之一[5-6]。以DPFC（分布式潮流控制器）為代表的D-FACTS（分布式柔性交流輸電系統(tǒng)），采用小容量DSSC（分布式靜止串聯(lián)補償器）懸掛于輸電線路上，通過向線路注入串聯(lián)補償電壓來調(diào)節(jié)線路阻抗，實現(xiàn)對線路潮流的柔性控制，可提升線路的輸送能力及系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定水平[7-8]。相較于UPFC（統(tǒng)一潮流控制器），DPFC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為簡單，省去了UPFC 中的直流母線及串并聯(lián)變換器間的耦合電容，無變壓器型DPFC 進(jìn)一步省去了串并聯(lián)變壓器，在體積及成本方面優(yōu)勢明顯[9-11]。

本文通過探索DPFC 柔性調(diào)控電網(wǎng)潮流分布的特點，梳理了DPFC 的應(yīng)用現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及控制保護(hù)要求，旨在為后續(xù)工程示范應(yīng)用、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂等提供參考，以期實現(xiàn)多元融合高彈性電網(wǎng)的安全、效能雙提升。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國外工程應(yīng)用

2004 年，美國佐治亞理工學(xué)院的Divan Deepak 教授等人將集中式FACTS 的功能分散化，提出了D-FACTS 的概念[12]。2017 年，世界上第一個DPFC 工程示范項目由美國Smart Wires 公司（以下簡稱SW 公司）和愛爾蘭國有電力供應(yīng)商EirGrid 合作完成，工程位于愛爾蘭西部的卡什拉—埃尼斯110 kV 線路的兩側(cè)變電站附近。其中，DPFC 采用帶串聯(lián)變壓器的電壓源變換技術(shù)，子單元容量約為120 kvar，單臺質(zhì)量約為600 kg，可向線路注入容性/感性電壓約80 V，為EirGrid優(yōu)化現(xiàn)有電網(wǎng)、減少基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供了較好的解決方案[13]。

愛爾蘭DPFC 示范項目采用帶串聯(lián)變壓器的電壓源變換技術(shù)方案，存在串聯(lián)變壓器體積大、損耗高、制造安裝工藝要求高等缺點。針對以上問題，SW 公司改進(jìn)研發(fā)了無串聯(lián)變壓器型DPFC，支持鐵塔、變電站柱式和可移動集裝箱等多種安裝方式。2019 年，為解決可再生能源的高滲透率導(dǎo)致系統(tǒng)擁塞問題，希臘輸電公司IPTO在伯羅奔尼撒地區(qū)安裝了SW 公司的移動式DPFC，位于IPTO 變電站出線的150 kV 輸電線路上，總?cè)萘窟_(dá)到2.3 Mvar，旨在展示其動態(tài)調(diào)節(jié)線路阻抗并實現(xiàn)潮流柔性控制能力[14]。

1.2 國內(nèi)工程應(yīng)用

當(dāng)前國內(nèi)對DPFC 的研究已有一定的進(jìn)展，其中武漢大學(xué)、武漢理工大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校對DPFC 的運行特性、控制策略、優(yōu)化配置等方面開展了大量的研究[15]。基于國家電網(wǎng)有限公司科技項目“基于分布式潮流控制的輸電網(wǎng)柔性交流潮流控制技術(shù)研究”，國內(nèi)已掌握了DPFC樣機研制能力，并通過了第三方檢測驗證，具備了一定的技術(shù)積累，但對于樣機在實際電網(wǎng)應(yīng)用時的具體效能有待進(jìn)一步驗證。除DPFC 以外，目前國內(nèi)具有代表性的采用FACTS 控制線路潮流的示范工程有南京西環(huán)網(wǎng)220 kV UPFC 工程、蘇南500 kV UPFC 工程、上海蕰藻浜—閘北220 kV UPFC 工程、天津220 kV 楊柳青變電站SSSC（靜止同步串聯(lián)補償器）工程等。

針對浙江電網(wǎng)某斷面潮流分布不均勻問題，國網(wǎng)浙江省電力有限公司開展了國內(nèi)首個DPFC工程示范應(yīng)用研究。該斷面由A，B，C 3 條線路組成，考慮“N-2”條件時（即A，B 雙線同桿發(fā)生故障），C 線潮流將達(dá)到569 MW，超過了該線路的短時輸送能力（448 MW）。經(jīng)潮流計算分析，若在C 線加裝8 級DPFC 控制裝置，共24 個子單元，總?cè)萘?3 MVA，預(yù)計可動態(tài)轉(zhuǎn)移潮流147 MW，可有效解決該潮流斷面超限問題，如圖1所示。該示范工程建成后將顯著均衡該斷面上聯(lián)絡(luò)線的潮流分布，減少新建輸電通道投資，顯著提升區(qū)域電網(wǎng)的風(fēng)險抵御能力。

2 技術(shù)原理

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DPFC 子單元的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括快速旁路開關(guān)、電壓源型變換器、控制取能單元、LC 濾波模塊等部件。圖2 中：MOV 為金屬氧化物變阻器；BPS 為快速旁路開關(guān)；K 為高速機械旁路開關(guān)；TBS 為反并聯(lián)晶閘管；VSC為電壓源型變換器。

（1）快速旁路開關(guān)。快速旁路開關(guān)由高速機械旁路開關(guān)與反并聯(lián)晶閘管并聯(lián)組成，當(dāng)線路無需開展潮流控制或模塊故障時閉合，可實現(xiàn)模塊的旁路，當(dāng)線路需開展潮流調(diào)節(jié)時將子單元串入線路中。

圖2 DPFC 子單元主電路拓?fù)?/p>

（2）電壓源型變換器。當(dāng)子單元被選通時，電壓源型變換器工作于無功輸出狀態(tài)，呈現(xiàn)電感/電容特性而改變線路阻抗，從而實現(xiàn)對線路輸送有功的調(diào)節(jié)。當(dāng)補償呈容性時可提升線路潮流，當(dāng)補償呈感性時可降低線路潮流。

（3）控制取能單元。通過線路電流取能以及模塊電容電壓自取能雙供能回路實現(xiàn)控制、通信系統(tǒng)的電源供給。

2.2 運行原理

當(dāng)線路中包含多個DPFC 子單元時，主控制器監(jiān)測線路電流，當(dāng)線路電流（功率）達(dá)到閾值后投入DPFC 子單元。同時，DPFC 可根據(jù)系統(tǒng)潮流控制目標(biāo)，向線路注入一個與線路電流相差90°、幅值可調(diào)的電壓，使其呈現(xiàn)電感/電容特性而改變線路等效阻抗，實現(xiàn)線路輸送的有功調(diào)節(jié)，如圖3 所示。

圖3 DPFC 潮流控制原理

圖3 中：U1，δ1為送端的電壓及功角；U2，δ2為受端的電壓及功角；I 為系統(tǒng)電流；P 為系統(tǒng)傳輸功率；X 為系統(tǒng)阻抗；UDPFC為DPFC 的補償電壓，當(dāng)補償呈容性時可提高線路潮流，當(dāng)補償呈感性時可降低線路潮流。

DPFC 的典型阻抗調(diào)節(jié)區(qū)間主要由子單元的額定交流電壓、額定交流電流、最小運行電流等因素決定，如圖4 所示。由于DPFC 為自取能供電設(shè)備，圖4 中I0為滿足DPFC 裝置可進(jìn)入運行模式的線路最小電流，I1為DPFC 裝置接入線路的額定運行電流。

圖4 DPFC 典型阻抗調(diào)節(jié)區(qū)間

2.3 工作模式

DPFC 子單元的主要工作模式包括：

（1）運行模式。當(dāng)線路電流達(dá)到一定值后，機械旁路開關(guān)打開，子單元串聯(lián)接入線路，向電網(wǎng)注入一個與線路電流相位垂直的電壓，從而調(diào)節(jié)線路等效阻抗，調(diào)節(jié)線路有功功率，亦可注入“零電壓”，進(jìn)入熱備用運行模式。

（2）冷備用模式。當(dāng)線路無電流或者流過很小的電流時，所有子單元機械旁路開關(guān)閉合，子單元處于冷備用狀態(tài)。

（3）檢修模式。所有子單元被旁路，且DPFC裝置的總旁路開關(guān)閉合，相應(yīng)的檢修用隔離刀閘斷開，詳見4.2 節(jié)。

（4）故障旁路模式。當(dāng)子單元存在故障時，子單元機械旁路開關(guān)閉合，單元處于退出狀態(tài)。各個子單元工作相互獨立，出現(xiàn)單個故障后其他單元仍可繼續(xù)正常運行。

3 控制保護(hù)系統(tǒng)

DPFC 的控制保護(hù)系統(tǒng)采用分級布置、分層控制結(jié)構(gòu)，包括遠(yuǎn)端調(diào)度控制層、站內(nèi)集中控制保護(hù)層、子單元控制保護(hù)層。

3.1 遠(yuǎn)端調(diào)度控制層

遠(yuǎn)端調(diào)度控制層根據(jù)交流電網(wǎng)的實時狀態(tài)，計算DPFC 裝置進(jìn)行電網(wǎng)潮流調(diào)節(jié)的最優(yōu)指令并傳輸給站內(nèi)集中控制保護(hù)層，包括線路功率指令、阻抗指令、注入電壓指令等。

調(diào)度控制層以DPFC 為等效電壓源、發(fā)電機有功和無功出力作為控制變量，設(shè)置DPFC 容量、發(fā)電機出力上下限、線路傳輸容量、節(jié)點電壓上下限等約束條件，根據(jù)電網(wǎng)運行狀態(tài)選擇網(wǎng)損最小、電壓合格或線路負(fù)載均衡作為目標(biāo)條件，采用優(yōu)化算法進(jìn)行DPFC 最佳運行策略求解。

3.2 站內(nèi)集中控制保護(hù)層

站內(nèi)集中控制保護(hù)層通過執(zhí)行遠(yuǎn)端調(diào)度層的運行指令，將線路功率指令和注入電壓指令分配給各子單元模塊，實現(xiàn)各個模組的協(xié)調(diào)控制及集中保護(hù)。

站內(nèi)集中控制策略主要包括線路功率控制、定注入電壓控制、線路過載緊急控制、故障穿越控制、設(shè)備啟動和停運等功能。此外，站內(nèi)集中保護(hù)包括過電流保護(hù)、電壓異常保護(hù)等。

3.3 子單元控制保護(hù)層

子單元控制保護(hù)層根據(jù)集中控制層發(fā)送的電壓參考指令以及等效注入線路阻抗指令，產(chǎn)生子單元內(nèi)電力電子器件的開關(guān)指令，并將子單元的運行狀態(tài)信息上傳集中控制保護(hù)層。

子單元控制策略包括等效串入阻抗控制、子單元電容電壓控制等功能。此外，子單元中配置了超快速過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)及慢速段過電流保護(hù)等綜合保護(hù)。當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，子單元中配置的微秒級超快速過電流保護(hù)可快速地將晶閘管及旁路開關(guān)合閘，從而實現(xiàn)對單元本體的保護(hù)。

4 安裝方式

DPFC 具備裝置分布式、控制集中式的特點，能根據(jù)電網(wǎng)運行方式實現(xiàn)安裝位置及控制方式的有效調(diào)整，其中站內(nèi)集中控制保護(hù)系統(tǒng)與子單元之間可通過光纖或無線方式進(jìn)行通信。

4.1 分布式安裝

DPFC 可直接分布式安裝于已投運的輸電線路上，對于采用單導(dǎo)體的中低壓等級線路可直接懸掛于桿塔兩側(cè)，而對于采用分裂導(dǎo)線架設(shè)的高電壓等級線路，可通過耐張塔的跳線接入線路中。耐張塔安裝時DPFC 裝置可由懸式絕緣子和水平支柱絕緣子聯(lián)接，如圖5 所示。其中，懸式絕緣子主要承受子單元的重量，水平支柱絕緣子主要用來穩(wěn)定子單元的位置并限制風(fēng)偏，耐張絕緣子則承受線路導(dǎo)線的重量及張力。

圖5 線路耐張塔懸掛安裝DPFC

4.2 集中式安裝

采用變電站內(nèi)集中安裝時，可選擇絕緣支撐件部署或移動集裝箱的形式，如圖6 所示。DPFC各子單元串聯(lián)后，通過總快速旁路開關(guān)CB1、檢修隔離刀閘DS1 和DS2、旁路隔離刀閘DS3、接地刀閘ES1 和ES2 等隔離裝置接入線路，以滿足線路正常送電時DPFC 裝置的檢修需求，如圖7所示。

圖6 變電站內(nèi)集中安裝方式

圖7 帶隔離裝置的集中式安裝接線形式

5 發(fā)展趨勢

將大容量FACTS 裝置的小型化、模塊化、可移動化、低成本化是未來技術(shù)發(fā)展的主要趨勢，以DPFC 為代表的D-FACTS 是實現(xiàn)該目標(biāo)的理想選擇?？傮w而言，DPFC 在工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)要點包括：

（1）輕型化：DPFC 可直接串入（或耦合接入）線路中，無需考慮相間絕緣設(shè)計，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化裝置的體積與重量，以滿足桿塔荷載及電氣安全距離要求。

（2）靈活性：相較于大型集中式FACTS 裝置，DPFC 分布式安裝時可靈活調(diào)整布點位置，根據(jù)潮流控制需求實現(xiàn)“即插即用”功能，亦可分階段進(jìn)行規(guī)劃擴展，減少初期建設(shè)投資。

（3）可靠性：諸多分布式單元可作冗余備份，當(dāng)單個模塊發(fā)生故障后即被旁路，不影響系統(tǒng)的整體功能，進(jìn)而提升了裝置的可靠性。

（4）低成本：模塊化構(gòu)造適合標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和規(guī)?；圃欤曳植际浇Y(jié)構(gòu)使得單個元件容量大幅減小，可采用市場上供應(yīng)充足的電力電子器件，造價明顯降低，對于容量為集中式FACTS 裝置1/N 的D-FACTS 子單元，其成本往往遠(yuǎn)小于前者的1/N。

（5）自冷式：由于DPFC 為串聯(lián)型接入系統(tǒng)的D-FACTS 設(shè)備，其本體需承載線路電流，但分布式裝置難以采用集中水冷卻方式，因此采用相變熱管自冷散熱方式的大容量變換器研制已成為影響DPFC 推廣應(yīng)用的關(guān)鍵要素。

6 結(jié)語

DPFC 可實現(xiàn)分布式安裝，能夠改善電網(wǎng)潮流分布，充分利用線路走廊資源，解決輸電斷面超限問題，提升電力系統(tǒng)承載能力，賦予電網(wǎng)更大的可控性和靈活性。在DPFC 工程應(yīng)用階段，仍需進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，突出DPFC 裝置分布式、控制集中式的特點，圍繞體積小型化、裝置輕量化、模塊可靈活組合等關(guān)鍵技術(shù)要點，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計及成套系統(tǒng)型式試驗，以期實現(xiàn)多元融合高彈性電網(wǎng)下分布式潮流控制技術(shù)的進(jìn)一步推廣。