林艺哲 潘 磊 邹 强 董云龙

分布式静止串联补偿器相间协调控制方法

林艺哲 潘 磊 邹 强 董云龙

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

分布式静止串联补偿器（DSSC）是一种串联型分布式柔性交流输电装置，功率模组串联接入交流线路。为快速、平稳地处理DSSC的各相模组故障，本文提出相间协调控制策略，通过引入热备用控制机制，在三相DSSC的某一相出现模组故障后，将非故障相指定模组转为热备用状态并输出零电压，同时提升各相正常模组的输出电压，从而保持DSSC输出总电压不变，在避免对交流电网造成不平衡扰动的同时，保证模组故障不影响线路稳态潮流。在湖州分布式潮流控制器（DPFC）示范工程中，通过开展模组故障模拟试验，验证了相间协调控制方法的可行性和有效性。

分布式静止串联补偿器（DSSC）；模组故障；相间协调控制；热备用控制

0 引言

随着国民经济发展对于电力需求的不断增加，电力系统规模不断扩大。同时，由于电网潮流根据系统阻抗自然分布，电网中往往会出现潮流分布不均，从而在局部电网内产生输电瓶颈。为充分利用现有输电通道，改善电网潮流分布，可采用柔性交流输电系统（flexible AC transmission systems, FACTS）达到优化电网潮流分布、提升电网传输能力的目的[1-2]。其中，统一潮流控制器（unified power flow controller, UPFC）是目前功能最强大的FACTS设备，具备并联补偿、串联补偿、移相和端电压调节等多种功能[3-4]。此外，常见的串联型FACTS设备还有串联电容补偿装置、静止同步串联补偿器（static synchronous series compensator, SSSC）和晶闸管控制串联补偿器（thyristor controlled series compensator, TCSC）等，均具备潮流控制能力[5-11]。

分布式柔性交流输电系统（distributed FACTS, D-FACTS）采用小容量分布式串联结构，具有结构简单、成本低、占地小、灵活性高等优势[12-15]。其中，分布式静止串联补偿器（distributed static series compensator, DSSC）将多个相同的模组依次串联接入交流线路中，每个DSSC模组均为一个独立的电压源型换流器，通过向交流线路注入可控的串联电压，改变线路等效阻抗，从而实现对线路潮流的控制[16-18]。

由于DSSC直接串联接入三相交流线路，为减小DSSC的接入对交流系统不平衡度的影响，DSSC三相输出电压需要保持均衡。在正常情况下，三相投入运行的串联模组数相等，可保证三相输出电压平衡，当DSSC的某一相出现模组故障时，由于可用模组数下降，故障相输出电压会发生变化，若不加以控制，三相注入电压会存在不同，从而引入不对称分量。此时，需要通过合理的控制策略保证相间协调与均衡，同时不影响线路潮流。

目前，针对DSSC的研究主要关注其基本结构、运行特性及潮流控制策略等[16-20]。针对模组故障的情况，目前基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）的UPFC、SSSC和柔性直流输电系统，多采用在故障相中投入冗余模组来代替被旁路的故障模组，当故障模组数超过设定的冗余模组数时，即会触发换流器闭锁[21-22]。DSSC无特定的冗余设计，换流器具备单模组运行能力，为了充分发挥DSSC的特点，需要针对模组故障的问题，采用合理的相间协调控制方法。

1 DSSC的基本原理

1.1 基本结构与工作原理

DSSC基本结构如图1所示，其各级模组布置于交流线路中，串入三相交流线路，线路首末两端之间，存在电磁环网。

图1中，DSSC的每一相均为一个由级模组依次串联构成的电压源型换流器，每级串联模组包括一个绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）全桥单元、一个直流电容及一个模组旁路开关KM。

DSSC正常运行时，各级模组KM均为分位，模组电容电压为稳定的直流电压。各级模组采用单极倍频载波移相正弦脉宽调制（sinusoide pulse width modulation, SPWM）方式[23-24]，根据电压指令值，输出交流电压，级模组输出电压叠加后得到所需的交流电压串入交流线路。通过可控的输出电压，DSSC可改变线路等效阻抗，进而实现对线路潮流的控制。需注意的是，由于DSSC不包含外部辅助电源供能，因此其必须通过控制来保证从线路吸收一部分有功功率补偿自身功率损耗，维持电容电压稳定。

图1 DSSC的基本结构

1.2 潮流控制原理

图2 线路各点电压相量及线路电流相量的关系

线路首末两端电压分别为

进而根据线路两端电压相量和线路电流相量，可得线路中传输的有功功率为

式中，SE为注入电压幅值。

由式（5）和式（6）可见，DSSC注入电压可统一表示为

进而可推导出线路中传输的有功功率为

因此，可得到DSSC转移线路潮流为

可见，当DSSC注入感性电压时，线路电流减小，线路传输的有功功率同样减小；当DSSC注入容性电压时，线路电流增大，有功功率增大。

2 DSSC相间协调控制策略

当DSSC三相中某一相出现模组故障后，模组闭锁旁路，模组旁路开关KM合闸。此时，该相可用模组数减少，若非故障相仍保持原状态运行，三相DSSC的电压输出将不对称，造成三相交流线路等效阻抗不对称，从而影响交流线路正常的均衡运行。为避免这种情况，提出DSSC三相相间协调控制方法。

2.1 控制原理

在三相DSSC正常运行过程中，实时检测各相所有模组的运行状态，判断模组是否有故障，获取各相换流器的可用模组个数，即具备正常运行条件且无故障的模组数量，将其记为_VALID，其中可为A、B、C相。

根据获取的各相可用模组个数，实时计算本线路DSSC的有效投入模组个数，即可有效输出指定电压值的模组数，将其记为LINE_VALID。

LINE_VALID与_VALID的关系为

式中：A_VALID、B_VALID、C_VALID分别为A、B、C三相可用模组个数；min{ }为取最小值。

当某一相换流器出现某个模组故障时，该相将故障模组闭锁旁路，_VALID减1，非故障相_VALID保持不变。各相将_VALID与实时计算的LINE_VALID进行对比，若本相_VALID大于LINE_VALID，则将该相内一定数量的模组转为热备用状态，即模组解锁运行、具备电压输出能力，但保持端口输出电压为0的状态。将各相热备用的模组数记为_STANDBY，则

2.2 热备用模组选择

热备用模组的选择需按照一定的规则，为实现各级串联模组的最大化利用，同时避免额外的模组状态切换，热备用模组的选择需满足以下原则：

1）当某相_STANDBY减小时，已处于热备用状态的模组，具备切换回正常输出指定电压的能力。

2）当某相_STANDBY增大时，该相已处于热备用状态的模组不变，仅新增相应数量的模组转入热备用状态。

3）已处于热备用状态的某个模组发生故障，则该相_VALID减少一个，_STANDBY同样减少一个，此时无需新增热备用模组。

针对上述要求，提出如下热备用模组选择方法：将某相所有个模组按照一定顺序进行编号，同时将该相实时热备用模组数记为RED且初始值为0。当该相_VALID大于DSSC的有效投入模组个数LINE_VALID时，先判断第级模组是否故障，若无故障则将其转为热备用状态，RED加1；若有故障则继续判断第-1级模组。如此依次判断各级模组状态，直至实时热备用模组数RED达到_STANDBY。相单元热备用控制流程如图3所示。

在这种控制策略下，在每相个模组中，热备用模组优先选择编号较大的正常模组。相似地，热备用模组也可优先选择编号较小的正常模组，或根据实际工程需求按照其他顺序进行选择。

图3 相单元热备用控制流程

2.3 模组热备用控制

热备用模组选择完成后，需要对其进行热备用控制，即实现热备用模组解锁运行，但保持端口输出电压为0的状态。模组热备用控制主要包括两方面：零电压输出控制和载波移相角更新。

1）零电压输出控制

2）载波移相角更新

将热备用模组的载波移相角更新为0，且不再参与该相所有模组的载波移相控制。

2.4 载波重构与模组出力提升

故障模组旁路，以及热备用模组选择完成后，由于每一相的有效输出模组数减少，此时该相其他运行模组需调整控制过程，以保证DSSC输出总电压保持稳定，主要包括以下两个方面。

1）载波重构

每相有效运行模组的载波移相角根据该相有效投入模组个数LINE_VALID，重新按照载波周期的1/LINE_VALID进行分配和更新，完成载波重构，保证DSSC输出电压的精确性。

2）出力提升

每相提高有效运行模组的输出电压，根据DSSC输出的总电压指令RMS，再结合该相有效投入模组个数LINE_VALID，重新按照RMS/LINE_VALID分配各模组输出电压指令，各级模组更新调制波大小，从而保证DSSC总输出电压保持不变。

3 工程应用与验证

本文提出的DSSC相间协调控制策略已应用于湖州分布式潮流控制器（distributed power flow controller, DPFC）示范工程，该工程采用DSSC拓扑，一期工程主要参数见表1。

在湖州DPFC示范工程一期工程中，开展3项模组故障模拟试验，分别验证2.2节所述热备用模组选择的三点原则。相间协调控制方法验证试验项目见表2，模组故障试验前后的运行数据变化见表3。

表1 湖州DPFC示范工程一期工程主要参数

表2 相间协调控制方法验证试验项目

表3 模组故障试验前后的运行数据变化

3.1 试验1

试验初态的线路潮流为125MW，各级模组输出电压0.41p.u.，三相DSSC每相4模组稳态运行，将三相各4个模组依次编号为A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4，C1、C2、C3、C4。其中，各级模组输出电压的基准值为模组额定输出电压基波有效值615V。

模拟A1模组故障，试验结果如图4所示。其中，ABC为线路三相交流电流，注入电压为各级模组输出电压的标幺值，AC为交流线路潮流大小，SM_A、SM_B、SM_C分别为三相各模组的输出电压。

当A1模组故障后，A1模组闭锁，此时三相可用模组数A_VALID、B_VALID、C_VALID，当前线路有效投入模组数LINE_VALID，以及三相热备用模组数A_STANDBY、B_STANDBY、C_STANDBY分别见表3中“试验1”列数据。

图4 试验1结果

从试验结果可见，在故障后A1模组输出电压变为0，B4和C4模组经过一段延时后，切换到了热备用状态，输出电压降为0附近，并保持解锁运行。同时，由于有效输出模组数减少，正常运行模组的注入电压由原来的0.41p.u.升至0.54p.u.，线路潮流大小仍为125MW，三相交流电压和电流未出现较大的不对称扰动。

3.2 试验2

试验初态的线路潮流为125MW，模组输出电压0.63p.u.，A1模组旁路，B4、C4模组处于热备用状态，其他模组正常运行。模拟B2模组故障，试验结果如图5所示，三相可用模组个数、线路有效投入模组数、三相热备用模组数的变化见表3中“试验2”列数据。

从试验结果可见，在故障后B2模组输出电压变为0，B4模组经一定延时后切回了正常输出状态，其他模组状态不变。由于有效输出模组数未发生变化，正常运行模组的注入电压保持为0.63p.u.，线路潮流大小仍为125MW，三相交流电压和电流未出现较大的不对称扰动。

图5 试验2结果

3.3 试验3

试验初态的线路潮流为140MW，模组输出电压0.41p.u.，A4、B4、C4模组均处于热备用状态，其他模组正常运行。模拟A4模组故障，试验结果如图6所示，三相可用模组个数、线路有效投入模组数、三相热备用模组数的变化见表3中“试验3”列数据。

从试验结果可见，在故障后A4模组旁路，其他模组状态不变。由于有效输出模组数未发生变化，正常运行模组的注入电压与线路潮流均不变。

4 结论

本文针对DSSC单相出现串联模组故障时引起的三相不平衡问题，提出了相间协调控制方法，可避免DSSC单相模组故障对线路潮流产生影响。通过在湖州DPFC示范工程实施模组故障模拟试验，验证了所提方法的可行性和正确性，所得结论如下：

1）三相所有模组正常运行，某一相新增一个故障模组时，其他两相将各新增一个模组切换为热备用状态，所有正常模组注入电压提升，保证线路潮流保持不变。

图6 试验3结果

2）某相带热备用模组运行，该相新增一个正常模组故障时，该相热备用模组切换回正常输出状态，其他各相所有模组状态保持不变，保证线路潮流保持不变。

3）某相带热备用模组运行，该相新增一个热备用模组故障时，该热备用模组退出运行，其他各相所有模组状态保持不变，保证线路潮流保持不变。

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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

林艺哲（1993—），男，湖北省襄阳市人，硕士，工程师，主要从事柔性交直流输电技术及应用研究工作。