分布式靜止串聯補償器相間協調控制方法

林藝哲 潘 磊 鄒 強 董云龍

分布式靜止串聯補償器相間協調控制方法

林藝哲 潘 磊 鄒 強 董云龍

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

分布式靜止串聯補償器（DSSC）是一種串聯型分布式柔性交流輸電裝置，功率模組串聯接入交流線路。為快速、平穩地處理DSSC的各相模組故障，本文提出相間協調控制策略，通過引入熱備用控制機制，在三相DSSC的某一相出現模組故障后，將非故障相指定模組轉為熱備用狀態并輸出零電壓，同時提升各相正常模組的輸出電壓，從而保持DSSC輸出總電壓不變，在避免對交流電網造成不平衡擾動的同時，保證模組故障不影響線路穩態潮流。在湖州分布式潮流控制器（DPFC）示范工程中，通過開展模組故障模擬試驗，驗證了相間協調控制方法的可行性和有效性。

分布式靜止串聯補償器（DSSC）；模組故障；相間協調控制；熱備用控制

0 引言

隨著國民經濟發展對于電力需求的不斷增加，電力系統規模不斷擴大。同時，由于電網潮流根據系統阻抗自然分布，電網中往往會出現潮流分布不均，從而在局部電網內產生輸電瓶頸。為充分利用現有輸電通道，改善電網潮流分布，可采用柔性交流輸電系統（flexible AC transmission systems, FACTS）達到優化電網潮流分布、提升電網傳輸能力的目的[1-2]。其中，統一潮流控制器（unified power flow controller, UPFC）是目前功能最強大的FACTS設備，具備并聯補償、串聯補償、移相和端電壓調節等多種功能[3-4]。此外，常見的串聯型FACTS設備還有串聯電容補償裝置、靜止同步串聯補償器（static synchronous series compensator, SSSC）和晶閘管控制串聯補償器（thyristor controlled series compensator, TCSC）等，均具備潮流控制能力[5-11]。

分布式柔性交流輸電系統（distributed FACTS, D-FACTS）采用小容量分布式串聯結構，具有結構簡單、成本低、占地小、靈活性高等優勢[12-15]。其中，分布式靜止串聯補償器（distributed static series compensator, DSSC）將多個相同的模組依次串聯接入交流線路中，每個DSSC模組均為一個獨立的電壓源型換流器，通過向交流線路注入可控的串聯電壓，改變線路等效阻抗，從而實現對線路潮流的控制[16-18]。

由于DSSC直接串聯接入三相交流線路，為減小DSSC的接入對交流系統不平衡度的影響，DSSC三相輸出電壓需要保持均衡。在正常情況下，三相投入運行的串聯模組數相等，可保證三相輸出電壓平衡，當DSSC的某一相出現模組故障時，由于可用模組數下降，故障相輸出電壓會發生變化，若不加以控制，三相注入電壓會存在不同，從而引入不對稱分量。此時，需要通過合理的控制策略保證相間協調與均衡，同時不影響線路潮流。

目前，針對DSSC的研究主要關注其基本結構、運行特性及潮流控制策略等[16-20]。針對模組故障的情況，目前基于模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）的UPFC、SSSC和柔性直流輸電系統，多采用在故障相中投入冗余模組來代替被旁路的故障模組，當故障模組數超過設定的冗余模組數時，即會觸發換流器閉鎖[21-22]。DSSC無特定的冗余設計，換流器具備單模組運行能力，為了充分發揮DSSC的特點，需要針對模組故障的問題，采用合理的相間協調控制方法。

1 DSSC的基本原理

1.1 基本結構與工作原理

DSSC基本結構如圖1所示，其各級模組布置于交流線路中，串入三相交流線路，線路首末兩端之間，存在電磁環網。

圖1中，DSSC的每一相均為一個由級模組依次串聯構成的電壓源型換流器，每級串聯模組包括一個絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）全橋單元、一個直流電容及一個模組旁路開關KM。

DSSC正常運行時，各級模組KM均為分位，模組電容電壓為穩定的直流電壓。各級模組采用單極倍頻載波移相正弦脈寬調制（sinusoide pulse width modulation, SPWM）方式[23-24]，根據電壓指令值，輸出交流電壓，級模組輸出電壓疊加后得到所需的交流電壓串入交流線路。通過可控的輸出電壓，DSSC可改變線路等效阻抗，進而實現對線路潮流的控制。需注意的是，由于DSSC不包含外部輔助電源供能，因此其必須通過控制來保證從線路吸收一部分有功功率補償自身功率損耗，維持電容電壓穩定。

圖1 DSSC的基本結構

1.2 潮流控制原理

圖2 線路各點電壓相量及線路電流相量的關系

線路首末兩端電壓分別為

進而根據線路兩端電壓相量和線路電流相量，可得線路中傳輸的有功功率為

式中，SE為注入電壓幅值。

由式（5）和式（6）可見，DSSC注入電壓可統一表示為

進而可推導出線路中傳輸的有功功率為

因此，可得到DSSC轉移線路潮流為

可見，當DSSC注入感性電壓時，線路電流減小，線路傳輸的有功功率同樣減??；當DSSC注入容性電壓時，線路電流增大，有功功率增大。

2 DSSC相間協調控制策略

當DSSC三相中某一相出現模組故障后，模組閉鎖旁路，模組旁路開關KM合閘。此時，該相可用模組數減少，若非故障相仍保持原狀態運行，三相DSSC的電壓輸出將不對稱，造成三相交流線路等效阻抗不對稱，從而影響交流線路正常的均衡運行。為避免這種情況，提出DSSC三相相間協調控制方法。

2.1 控制原理

在三相DSSC正常運行過程中，實時檢測各相所有模組的運行狀態，判斷模組是否有故障，獲取各相換流器的可用模組個數，即具備正常運行條件且無故障的模組數量，將其記為_VALID，其中可為A、B、C相。

根據獲取的各相可用模組個數，實時計算本線路DSSC的有效投入模組個數，即可有效輸出指定電壓值的模組數，將其記為LINE_VALID。

LINE_VALID與_VALID的關系為

式中：A_VALID、B_VALID、C_VALID分別為A、B、C三相可用模組個數；min{ }為取最小值。

當某一相換流器出現某個模組故障時，該相將故障模組閉鎖旁路，_VALID減1，非故障相_VALID保持不變。各相將_VALID與實時計算的LINE_VALID進行對比，若本相_VALID大于LINE_VALID，則將該相內一定數量的模組轉為熱備用狀態，即模組解鎖運行、具備電壓輸出能力，但保持端口輸出電壓為0的狀態。將各相熱備用的模組數記為_STANDBY，則

2.2 熱備用模組選擇

熱備用模組的選擇需按照一定的規則，為實現各級串聯模組的最大化利用，同時避免額外的模組狀態切換，熱備用模組的選擇需滿足以下原則：

1）當某相_STANDBY減小時，已處于熱備用狀態的模組，具備切換回正常輸出指定電壓的能力。

2）當某相_STANDBY增大時，該相已處于熱備用狀態的模組不變，僅新增相應數量的模組轉入熱備用狀態。

3）已處于熱備用狀態的某個模組發生故障，則該相_VALID減少一個，_STANDBY同樣減少一個，此時無需新增熱備用模組。

針對上述要求，提出如下熱備用模組選擇方法：將某相所有個模組按照一定順序進行編號，同時將該相實時熱備用模組數記為RED且初始值為0。當該相_VALID大于DSSC的有效投入模組個數LINE_VALID時，先判斷第級模組是否故障，若無故障則將其轉為熱備用狀態，RED加1；若有故障則繼續判斷第-1級模組。如此依次判斷各級模組狀態，直至實時熱備用模組數RED達到_STANDBY。相單元熱備用控制流程如圖3所示。

在這種控制策略下，在每相個模組中，熱備用模組優先選擇編號較大的正常模組。相似地，熱備用模組也可優先選擇編號較小的正常模組，或根據實際工程需求按照其他順序進行選擇。

圖3 相單元熱備用控制流程

2.3 模組熱備用控制

熱備用模組選擇完成后，需要對其進行熱備用控制，即實現熱備用模組解鎖運行，但保持端口輸出電壓為0的狀態。模組熱備用控制主要包括兩方面：零電壓輸出控制和載波移相角更新。

1）零電壓輸出控制

2）載波移相角更新

將熱備用模組的載波移相角更新為0，且不再參與該相所有模組的載波移相控制。

2.4 載波重構與模組出力提升

故障模組旁路，以及熱備用模組選擇完成后，由于每一相的有效輸出模組數減少，此時該相其他運行模組需調整控制過程，以保證DSSC輸出總電壓保持穩定，主要包括以下兩個方面。

1）載波重構

每相有效運行模組的載波移相角根據該相有效投入模組個數LINE_VALID，重新按照載波周期的1/LINE_VALID進行分配和更新，完成載波重構，保證DSSC輸出電壓的精確性。

2）出力提升

每相提高有效運行模組的輸出電壓，根據DSSC輸出的總電壓指令RMS，再結合該相有效投入模組個數LINE_VALID，重新按照RMS/LINE_VALID分配各模組輸出電壓指令，各級模組更新調制波大小，從而保證DSSC總輸出電壓保持不變。

3 工程應用與驗證

本文提出的DSSC相間協調控制策略已應用于湖州分布式潮流控制器（distributed power flow controller, DPFC）示范工程，該工程采用DSSC拓撲，一期工程主要參數見表1。

在湖州DPFC示范工程一期工程中，開展3項模組故障模擬試驗，分別驗證2.2節所述熱備用模組選擇的三點原則。相間協調控制方法驗證試驗項目見表2，模組故障試驗前后的運行數據變化見表3。

表1 湖州DPFC示范工程一期工程主要參數

表2 相間協調控制方法驗證試驗項目

表3 模組故障試驗前后的運行數據變化

3.1 試驗1

試驗初態的線路潮流為125MW，各級模組輸出電壓0.41p.u.，三相DSSC每相4模組穩態運行，將三相各4個模組依次編號為A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4，C1、C2、C3、C4。其中，各級模組輸出電壓的基準值為模組額定輸出電壓基波有效值615V。

模擬A1模組故障，試驗結果如圖4所示。其中，ABC為線路三相交流電流，注入電壓為各級模組輸出電壓的標幺值，AC為交流線路潮流大小，SM_A、SM_B、SM_C分別為三相各模組的輸出電壓。

當A1模組故障后，A1模組閉鎖，此時三相可用模組數A_VALID、B_VALID、C_VALID，當前線路有效投入模組數LINE_VALID，以及三相熱備用模組數A_STANDBY、B_STANDBY、C_STANDBY分別見表3中“試驗1”列數據。

圖4 試驗1結果

從試驗結果可見，在故障后A1模組輸出電壓變為0，B4和C4模組經過一段延時后，切換到了熱備用狀態，輸出電壓降為0附近，并保持解鎖運行。同時，由于有效輸出模組數減少，正常運行模組的注入電壓由原來的0.41p.u.升至0.54p.u.，線路潮流大小仍為125MW，三相交流電壓和電流未出現較大的不對稱擾動。

3.2 試驗2

試驗初態的線路潮流為125MW，模組輸出電壓0.63p.u.，A1模組旁路，B4、C4模組處于熱備用狀態，其他模組正常運行。模擬B2模組故障，試驗結果如圖5所示，三相可用模組個數、線路有效投入模組數、三相熱備用模組數的變化見表3中“試驗2”列數據。

從試驗結果可見，在故障后B2模組輸出電壓變為0，B4模組經一定延時后切回了正常輸出狀態，其他模組狀態不變。由于有效輸出模組數未發生變化，正常運行模組的注入電壓保持為0.63p.u.，線路潮流大小仍為125MW，三相交流電壓和電流未出現較大的不對稱擾動。

圖5 試驗2結果

3.3 試驗3

試驗初態的線路潮流為140MW，模組輸出電壓0.41p.u.，A4、B4、C4模組均處于熱備用狀態，其他模組正常運行。模擬A4模組故障，試驗結果如圖6所示，三相可用模組個數、線路有效投入模組數、三相熱備用模組數的變化見表3中“試驗3”列數據。

從試驗結果可見，在故障后A4模組旁路，其他模組狀態不變。由于有效輸出模組數未發生變化，正常運行模組的注入電壓與線路潮流均不變。

4 結論

本文針對DSSC單相出現串聯模組故障時引起的三相不平衡問題，提出了相間協調控制方法，可避免DSSC單相模組故障對線路潮流產生影響。通過在湖州DPFC示范工程實施模組故障模擬試驗，驗證了所提方法的可行性和正確性，所得結論如下：

1）三相所有模組正常運行，某一相新增一個故障模組時，其他兩相將各新增一個模組切換為熱備用狀態，所有正常模組注入電壓提升，保證線路潮流保持不變。

圖6 試驗3結果

2）某相帶熱備用模組運行，該相新增一個正常模組故障時，該相熱備用模組切換回正常輸出狀態，其他各相所有模組狀態保持不變，保證線路潮流保持不變。

3）某相帶熱備用模組運行，該相新增一個熱備用模組故障時，該熱備用模組退出運行，其他各相所有模組狀態保持不變，保證線路潮流保持不變。

[1] HINGORANI N G, GYUGYI L. Understanding FACTS: concepts and technology of flexible AC transmission systems[M]. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2000.

[2] 張文亮, 湯廣福, 查鯤鵬, 等. 先進電力電子技術在智能電網中的應用[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(4): 1-7.

[3] 朱鵬程, 劉黎明, 劉小元, 等. 統一潮流控制器的分析與控制策略[J]. 電力系統自動化, 2006, 30(1): 45-51.

[4] 潘磊, 李繼紅, 田杰, 等. 統一潮流控制器的平滑啟動和停運策略[J]. 電力系統自動化, 2015, 39(12): 159-164.

[5] 徐茂達, 王也, 郝文波, 等. 含多電壓源型變換器型電力電子設備的互聯電網廣域阻尼控制[J]. 電氣技術, 2019, 20(9): 39-46, 68.

[6] 錢凱, 郭高鵬, 張韓旦, 等. 串聯補償調壓技術調壓特性的分析和研究[J]. 電氣技術, 2019, 20(7): 13-17.

[7] 黃如海, 曹冬明, 董云龍, 等. 靜止同步串聯補償器的啟停策略[J]. 電力自動化設備, 2019, 39(7): 114- 118.

[8] 潘磊, 林藝哲, 馬秀達, 等. 靜止同步串聯補償器的運行死區特性研究[J]. 電氣技術, 2023, 24(10): 31-38, 43.

[9] 朱長銀, 常遠, 趙玉燦, 等. 750kV串聯電容補償系統集中電子式互感器測量系統設計[J]. 電氣技術, 2022, 23(5): 90-94.

[10] 高本鋒, 王飛躍, 于弘洋, 等. 應用靜止同步串聯補償器抑制風電次同步振蕩的方法[J]. 電工技術學報, 2020, 35(6): 1346-1356.

[11] PREETHA P, ARUN K A. Comparison of voltage stability using SSSC and TCSC controller[C]//2015 2nd Intrenational Conference on Electronics and Communication Systems (ICECS), Coimbatore, India, 2015.

[12] DIVAN D, JOHAL H. Distributed FACTS-a new concept for realizing grid power flow control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(6): 2253- 2260.

[13] YUAN Zhihui, DE HANN S W H, FERREIRA J B, et al. A FACTS device: distributed power-flow controller (DPFC)[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(10): 2564-2572.

[14] 唐愛紅, 翟曉輝, 盧智鍵, 等. 一種適用于配電網的新分布式潮流控制器拓撲[J]. 電工技術學報, 2021, 36(16): 3400-3409.

[15] 戴朝波, 王宇紅, 彭傊, 等. 分布式靈活交流輸電技術[J]. 智能電網, 2014, 2(11): 1-8.

[16] DIVAN D M, BRUMSICKLE W E, SCHNEIDER R S, et al. A distributed static series compensator system for realizing active power flow control on existing power lines[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(1): 642-649.

[17] 詹雄, 王宇紅, 趙剛, 等. 分布式靜止同步串聯補償器研究與設計[J]. 電力電子技術, 2019, 53(3): 95- 98.

[18] 周路遙, 邵先軍, 郭鋒, 等. 分布式潮流控制器的工程應用綜述[J]. 浙江電力, 2020, 39(9): 8-13.

[19] 鐘亮民, 陳洶, 趙靜波, 等. 基于集中控制的分布式潮流控制器策略研究[J]. 電力工程技術, 2020, 39(1): 38-43.

[20] 李順, 唐飛, 劉滌塵, 等. 分布式潮流控制器提升最大輸電能力期望和供電可靠性的效能研究[J]. 電網技術, 2018, 42(5): 1573-1580.

[21] 連霄壤, 江道灼. 基于模塊化多電平的靜止無功補償器故障容錯控制[J]. 電力系統保護與控制, 2012, 40(16): 83-89.

[22] 管敏淵, 徐政. 模塊化多電平換流器子模塊故障特性和冗余保護[J]. 電力系統自動化, 2011, 35(16): 94-98, 104.

[23] 張國榮, 顏麗花. 單極倍頻CPS-SPWM傳輸帶寬的研究[J]. 電力系統保護與控制, 2018, 46(12): 1-8.

[24] 戴喜良. 基于虛擬電容補償的級聯型有源電力濾波器控制策略[J]. 電氣技術, 2021, 22(6): 49-53.

Interphase coordinated control method for distributed static series compensator

LIN Yizhe PAN Lei ZOU Qiang DONG Yunlong

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

Distributed static series compensator (DSSC) is a kind of serial flexible AC transmission systems (FACTS) device and power modules are connected in series to AC line. To deal with power module fault in DSSC quickly and smoothly, this paper proposes an interphase coordinated control method for DSSC by introducing hot-standby control. When power module fault occurs in one phase, selected power modules in healthy phases will be switched to hot-standby mode and the output voltage is controlled to be zero. Moreover, the output voltage of other normal operated power modules will be enhanced to keep the DSSC outputting constant voltage. The proposed method can make sure that three-phase DSSC can be controlled in balance after power module fault without affecting the power flow in steady state. Furthermore, the proposed method is applied on Huzhou distributed power flow controller (DPFC) project, and power module fault simulative experiment is conducted to verify the feasibility and validity.

distributed static series compensator (DSSC); power module fault; interphase coordinated control; hot-standby control

2023-10-30

2023-11-27

林藝哲（1993—），男，湖北省襄陽市人，碩士，工程師，主要從事柔性交直流輸電技術及應用研究工作。