统一潮流控制器（UPFC）故障渡越及接入线路自适应重合闸关键技术研究

统一潮流控制器（UPFC）故障渡越及接入线路自适应重合闸关键技术研究一、引言1.1研究背景与意义随着社会经济的迅猛发展，电力需求持续攀升，电网规模不断扩大，结构愈发复杂。尤其是大规模交直流混合输电网络的建设，使得发电和用电区域分布不均衡、区域间潮流分布不均等问题日益凸显。统一潮流控制器（UnifiedPowerFlowController，UPFC）作为灵活交流输电系统（FlexibleACTransmissionSystem，FACTS）中的关键装置，在现代电网中发挥着举足轻重的作用。UPFC具有强大的功能，它能够同时对输电线路的有功功率、无功功率以及电压进行灵活控制。通过精确调节线路潮流，UPFC可有效解决区域发输变电之间的不平衡问题，充分挖掘电网的供电潜力，提升电网的输电能力和稳定性。以苏南500kVUPFC工程为例，该工程的投运犹如为苏州南部电网安装了一个“智能导航系统”，实现了电能的“无人驾驶”。它将电网电能由自由分布状态转变为精确受控状态，智能匹配三条交流通道输电功率，使电能实现最优分布，极大地提升了苏南地区的供电能力，累计新增供电量和售电额相当可观。同时，UPFC还能为交流母线提供动态无功支撑，对风电、光伏等波动性清洁能源的送出进行潮流调控和电压动态支撑，保障了大量清洁能源安全稳定地传输至负荷中心，有力地推动了能源互联的高效可控发展。然而，UPFC作为应用了模块化多电平换流器（ModularMultilevelConverter，MMC）的新型电力电子装置，其结构独特，故障特性复杂。当电网发生故障时，UPFC需要具备良好的故障渡越能力，以确保自身安全，并维持对电网的支撑作用。若UPFC在故障期间无法有效应对，可能导致自身设备损坏，甚至引发电网的连锁反应，威胁电网的安全稳定运行。例如，在某些故障情况下，UPFC可能会出现过流、过压等异常情况，如果不能及时采取有效的故障渡越策略，就可能使故障进一步扩大，影响电力系统的正常供电。另一方面，输电线路作为电力传输的关键通道，其故障后的重合闸操作对于恢复供电至关重要。传统的自动重合闸技术缺乏对故障性质的准确判断，存在盲目重合的问题，若重合于永久性故障，会对电力系统造成二次冲击，严重威胁系统的安全稳定运行。据统计，在一些电力系统故障中，由于重合闸误动作于永久性故障，导致系统电压大幅波动，甚至引发系统振荡，造成大面积停电事故。因此，研究适用于UPFC接入线路的自适应重合闸技术，实现对故障性质的准确判别，避免盲目重合，对于提高电力系统的供电可靠性和稳定性具有重要意义。综上所述，对UPFC故障渡越及接入线路自适应重合闸的研究，不仅有助于深入理解UPFC在故障情况下的行为特性，为其保护和控制策略的优化提供理论依据，还能有效提升输电线路重合闸的成功率，减少非全相运行时间，降低故障对电力系统的影响，对于保障电网的安全稳定运行、提高供电质量和促进能源的高效利用具有不可忽视的价值，是当前电力系统领域亟待解决的重要课题。1.2国内外研究现状在UPFC故障渡越方面，国内外学者已开展了诸多研究。国外一些研究团队如美国电力研究院（EPRI），对UPFC在不同故障类型下的暂态特性进行了深入分析，通过大量的仿真和实验，揭示了故障期间UPFC内部各元件的电气量变化规律，为故障渡越策略的制定提供了理论基础。在故障穿越策略研究中，提出了基于虚拟阻抗和限流电抗器的故障渡越策略，定义了UPFC的故障渡越，并研究了UPFC外部故障情况下导致串、并联侧MMC过流闭锁的关键因素，在此基础上提出利用虚拟阻抗控制环节和直流母线限流电抗器的故障渡越策略及其取值方法，仿真实验结果验证了该策略的有效性。国内学者也针对UPFC故障渡越进行了广泛研究。华北电力大学的相关研究团队，依托苏南500kVUPFC实际工程，搭建了适用于高电压多电平的UPFC快速仿真模型，对UPFC本体各个区域的保护配置和故障特性进行了详细分析，为故障渡越策略的优化提供了实践依据。通过对UPFC所接入线路发生故障时UPFC串、并联侧故障特性的深入分析，研究了UPFC外部故障情况下导致串、并联侧MMC过流闭锁的关键因素，提出了利用虚拟阻抗控制环节和直流母线限流电抗器的故障渡越策略及其取值方法，有效提高了UPFC在故障期间的稳定性。在UPFC接入线路自适应重合闸研究领域，国外研究侧重于利用先进的信号处理技术和智能算法来实现故障性质的判别。例如，采用小波变换对故障后的电气量信号进行分析，提取故障特征，从而判断故障是瞬时性还是永久性。然而，这些方法在实际应用中，由于受到电网复杂运行环境和干扰因素的影响，其准确性和可靠性有待进一步提高。国内学者则从多个角度展开研究。一些学者基于故障后线路电压、电流的变化特征，提出了多种自适应重合闸判据。文献通过对带并联电抗器的超高压输电线路在单相瞬时性故障熄弧后的恢复电压组成进行分析，揭示了基于电压拍频的单相自适应重合闸方案存在的不足，进而利用UPFC灵活控制的优点，通过对故障相注入特征电压的方式，合理利用串联谐振实现了在故障相端电压拍频特性不明显的情况下对故障性质的识别和自适应重合闸，有效提高了重合闸的成功率。还有学者提出了基于高频通道及其信号传输的自适应三相重合闸方法，通过比较收讯机接收信号与“标准电平”的比例关系来判别故障性质，但该方法在实际应用中可能受到高频信号传输衰减和干扰的影响。尽管国内外在UPFC故障渡越及接入线路自适应重合闸方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之处。现有研究在考虑UPFC与电网的交互影响时，多集中于特定的故障类型和运行工况，对于复杂多变的电网实际运行情况，如不同电网结构、多种故障组合以及新能源接入带来的不确定性等因素考虑不够全面，导致研究成果的普适性和实用性受到一定限制。在自适应重合闸技术中，现有的故障判别方法在面对过渡电阻、系统振荡等复杂情况时，准确性和可靠性仍有待进一步提升，难以满足电网对供电可靠性日益增长的需求。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本文聚焦于UPFC故障渡越及接入线路自适应重合闸展开研究，具体内容如下：UPFC故障特性分析：深入剖析UPFC的基本结构与工作原理，详细分析其在不同故障类型下的故障特性，包括故障时的电气量变化规律、故障传播路径等。通过理论推导和仿真分析，明确UPFC内部各元件在故障期间的响应特性，为后续故障渡越策略的制定提供坚实的理论基础。UPFC故障渡越策略研究：基于对UPFC故障特性的研究，提出有效的故障渡越策略。结合虚拟阻抗控制环节和直流母线限流电抗器，深入研究其在限制故障电流、维持系统稳定性方面的作用机制。通过大量的仿真实验，优化故障渡越策略的参数设置，确保UPFC在故障期间能够快速、稳定地恢复正常运行，减少对电力系统的影响。UPFC接入对线路保护的影响分析：研究UPFC接入后对输电线路距离保护、方向保护等传统保护原理的影响。通过理论分析和实际案例研究，揭示UPFC对保护测量阻抗、方向元件动作特性的影响规律，找出可能导致保护误动作或拒动的原因，为制定相应的改进措施提供依据。UPFC接入线路自适应重合闸方案研究：针对UPFC接入线路的特点，研究适用于该线路的自适应重合闸方案。利用UPFC灵活控制的优点，通过对故障相注入特征电压的方式，深入分析注入特征电压后线路电气量的变化规律，建立基于电气量变化的故障性质判别模型，实现对故障性质的准确识别，进而提出可靠的自适应重合闸方案。仿真验证与分析：利用电力系统仿真软件，搭建包含UPFC的输电系统仿真模型，对上述研究内容进行全面的仿真验证。模拟不同故障类型、不同运行工况下UPFC的故障特性、故障渡越策略的有效性、接入对线路保护的影响以及自适应重合闸方案的性能。通过对仿真结果的深入分析，评估各种策略和方案的优缺点，进一步优化和完善相关技术。1.3.2研究方法理论分析：运用电力系统分析、电力电子技术、电磁暂态理论等相关知识，对UPFC的工作原理、故障特性、故障渡越策略以及自适应重合闸原理进行深入的理论推导和分析。通过建立数学模型，揭示各物理量之间的内在联系，为研究提供理论支撑。仿真研究：借助MATLAB/Simulink、PSCAD/EMTDC等专业电力系统仿真软件，搭建详细的UPFC及输电系统仿真模型。在仿真模型中，精确模拟各种故障场景和运行工况，对UPFC的故障特性、故障渡越策略、接入对线路保护的影响以及自适应重合闸方案进行全面的仿真分析。通过仿真结果，直观地观察系统的动态响应，验证理论分析的正确性，为实际工程应用提供参考。对比分析：对不同的UPFC故障渡越策略、自适应重合闸方案以及传统保护原理在UPFC接入前后的性能进行对比分析。从故障电流限制效果、系统稳定性恢复能力、重合闸成功率、保护动作准确性等多个方面进行评估，找出各种方法的优缺点，从而筛选出最优的技术方案。二、UPFC基本原理与结构2.1UPFC工作原理UPFC作为灵活交流输电系统（FACTS）中的核心装置，其工作原理基于电力电子技术，通过对输电线路电压和电流的精确控制，实现对潮流的灵活调节。UPFC主要由两个电压源换流器（VoltageSourceConverter，VSC）构成，分别为并联换流器和串联换流器，二者通过直流电容进行耦合，其基本结构原理如图1所示。图1UPFC基本结构原理图并联换流器的功能类似于静止同步补偿器（STATCOM），它通过并联耦合变压器与输电系统相连。在稳态运行时，不考虑自身损耗，并联换流器在公用直流联结处提供或吸收串联换流器所需要的有功能量，经换流后到交流端送入与输电线路并联的变压器。同时，并联换流器能够可控地产生或吸收无功功率，当系统需要时，可为线路提供动态无功补偿，以维持并联侧接入系统母线电压的稳定。例如，当系统电压偏低时，并联换流器可向系统注入无功功率，提高母线电压；反之，当系统电压偏高时，并联换流器可吸收系统中的无功功率，降低母线电压。串联换流器的作用类似于静止同步串联补偿器（SSSC），它通过串联耦合变压器将一个幅值和相位均可变化、且与系统同频率的串联电压V_{se}\angle\theta_{se}叠加到输电线路电压上。通过精确控制串联注入电压V_{se}的幅值和相角\theta_{se}，UPFC能够实现传统电力传输中的串联补偿和移相等功能。当串联注入电压与线路电流的相位垂直时，可实现串联补偿功能，改变线路的等效阻抗，从而调节线路的有功功率传输；当串联注入电压的幅值不变，仅改变其相角时，可实现相角调节功能，类似于移相器，调节线路两端的电压相角差，进而控制线路的有功和无功潮流。从功率角度分析，UPFC的有功功率可以在两个换流器的交流端向任一方向自由流动，并且可以在其交流输出端独立地发出或吸收无功功率。设输电线路首端电压为V_{s}\angle\theta_{s}，末端电压为V_{r}\angle\theta_{r}，线路电流为I\angle\theta_{i}，UPFC串联注入电压为V_{se}\angle\theta_{se}，则线路传输的有功功率P和无功功率Q可表示为：\begin{align*}P&=\frac{|V_{s}||V_{r}|}{X}\sin(\theta_{s}-\theta_{r})+\frac{|V_{s}||V_{se}|}{X}\sin(\theta_{s}-\theta_{se})+\frac{|V_{r}||V_{se}|}{X}\sin(\theta_{r}-\theta_{se})\\Q&=\frac{|V_{s}|^{2}}{X}-\frac{|V_{s}||V_{r}|}{X}\cos(\theta_{s}-\theta_{r})+\frac{|V_{s}||V_{se}|}{X}\cos(\theta_{s}-\theta_{se})+\frac{|V_{r}||V_{se}|}{X}\cos(\theta_{r}-\theta_{se})\end{align*}其中，X为线路电抗。通过调节V_{se}和\theta_{se}，可以灵活改变线路传输的有功功率和无功功率，实现对输电线路潮流的精确控制。以某实际输电线路为例，在未安装UPFC时，线路潮流分布受电网结构和负荷变化的影响较大，难以实现灵活调节。当安装UPFC后，通过控制并联换流器提供无功支撑，稳定母线电压；同时，利用串联换流器注入合适的电压，改变线路的等效阻抗和相角差，成功实现了对线路潮流的优化控制，提高了输电效率和电网的稳定性。2.2UPFC结构组成UPFC主要由串联侧换流器、并联侧换流器以及直流链路三大部分构成，各部分紧密协作，共同实现对输电线路潮流的精确控制，其结构组成如图2所示。图2UPFC结构组成图串联侧换流器通过串联耦合变压器与输电线路串联，其核心功能是向输电线路注入一个幅值和相位均可灵活调节的交流电压。该换流器通常采用基于绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）的电压源换流器（VSC）技术，能够实现对注入电压的精确控制。以某实际UPFC工程为例，在串联侧换流器的控制下，可根据电网运行需求，向线路注入合适的电压，有效改变线路的等效阻抗和电压相角，从而实现对线路有功功率和无功功率的精准调节。在电网负荷高峰期，通过调节串联侧换流器注入电压的幅值和相位，增大线路传输的有功功率，满足负荷增长的需求；在电网负荷低谷期，调整注入电压，减少线路传输的功率，降低线路损耗。并联侧换流器通过并联耦合变压器与输电系统并联，其作用类似于静止同步补偿器（STATCOM）。一方面，它能够在公用直流联结处提供或吸收串联换流器所需要的有功能量，经换流后到交流端送入与输电线路并联的变压器，确保在稳态时，不考虑自身损耗，UPFC的两侧有功功率相等，直流电容器既不发出也不吸收有功功率，电压保持恒定。另一方面，并联侧换流器能够可控地产生或吸收无功功率，当系统需要时，可为线路提供动态无功补偿，维持并联侧接入系统母线电压的稳定。在某地区电网中，当出现电压波动时，并联侧换流器迅速响应，根据电压波动情况，及时向系统注入或吸收无功功率，有效稳定了母线电压，保障了电网的可靠运行。直流链路作为串联侧换流器和并联侧换流器之间的连接纽带，主要由直流电容组成。其主要功能是存储能量，为两个换流器之间的有功功率交换提供支撑。在UPFC运行过程中，当串联侧换流器需要有功功率时，直流链路中的电容将存储的能量释放出来，供给串联侧换流器；反之，当并联侧换流器有多余的有功功率时，可将其存储在直流链路的电容中。直流链路电容的大小对UPFC的性能有着重要影响，电容容量越大，能够存储的能量就越多，UPFC在应对功率波动时的缓冲能力就越强，从而保证系统的稳定性和可靠性。但电容容量过大也会增加设备成本和占地面积，因此需要在设计时综合考虑系统需求和成本等因素，合理选择电容容量。2.3UPFC在电力系统中的应用案例2.3.1美国INEZ地区UPFC工程美国INEZ地区UPFC工程具有开创性意义，它是世界上第一套投入运行的UPFC装置。该工程由美国电力公司（AEP）与美国电力研究院（EPRI）、西屋公司合作研制，于1998年6月在东肯塔基州的Inez变电站成功投运，其电压等级为138kV，容量达320MVA。Inez变电站所在地区负荷高达2000MW，由几条长距离重负荷的138kV线路供电，周边有发电厂和138kV变电站。尽管该地区在20世纪80年代早期就安装了静止无功补偿器（SVC）及多个并联电容器组来支撑系统电压，但138kV线路两端压降仍可高达7%-8%。在系统正常运行时，许多138kV线路输送的功率高达300MVA，远超线路自然功率，这使得电网在面对紧急事故时的稳定裕度极小，一旦发生故障，极易引发大面积停电事故。为解决该地区电网存在的问题，AEP决定在Inez变电站安装UPFC。该工程的电气主接线设计十分灵活，通过开关操作，UPFC可运行在160MvarSTATCOM、320MvarSTATCOM、160MvarSSSC、320MVAUPFC等多种模式。并联侧变压器采用主、备用相结合的方式，极大地增强了UPFC的可靠性和灵活性。换流阀安装于室内，变压器、连接电抗安装于户外，UPFC大楼占地约30.5米×61米，包含换流阀厅、控制室、配电室等多个功能区域。该UPFC工程投运后，带来了显著的效益。在输电能力方面，有效提升了电网的输送能力，满足了该地区日益增长的电力需求。据相关数据统计，每年减少了24MW的有功损耗，这不仅降低了能源浪费，还提高了能源利用效率。同时，该工程减少了过热负荷及低电压情况的发生，增加了现有系统的传输容量，使电网能够更加稳定地运行。在改善系统动态特性方面，UPFC能够快速响应电网的变化，对系统的有功功率和无功功率进行精确调节，有效阻尼了系统振荡，提高了系统的动态稳定性，增强了电网应对突发故障的能力。2.3.2韩国KangjinUPFC工程韩国KangjinUPFC工程是世界上第二套投入运行的UPFC装置，于2003年在朝鲜半岛南半部的Kangjin变电站成功投运。该工程由韩国电力公司（KEPCO）和韩国电科院（KEPRI）、Hyosung公司、西门子公司合作研制，电压等级为154kV，容量为80MVA。Kangjin地区主要由345kV长线路供电，当线路Shinkwangju-Shinkangjin或Kwangyang-Yeosu发生故障时，会导致Kangjin地区电压严重偏低，154kV线路过负荷。由于路权问题，该地区新建线路计划被迫推迟，因此急需灵活交流输电系统（FACTS）技术来提供电压支撑和潮流转移手段。KangjinUPFC工程的电气主接线形式较为独特，UPFC能运行在40MvarSTATCOM、40MvarSSSC和80MVAUPFC模式。其变压器主要参数经过精心设计，并联变压器变比为(154/1.732)/14.845，容量40MVA，连接形式为Y-Δ；串联变压器变比为6.061/14.845，容量40MVA，连接形式为OpenY-Δ；耦合变压器变比为4.857/8.239，容量22.2MVA，连接形式为OpenY-Δ。串、并联侧换流器结构相同，均采用三相三电平换流器二重化方式，构成容量为40MVA的24脉动换流器。该工程投运后，有效解决了当地电网存在的问题。在电压支撑方面，UPFC向系统提供了强大的无功支撑，改善了系统的电压分布，使Kangjin地区的电压稳定性得到了显著提升。当电网出现电压波动时，UPFC能够迅速响应，通过调节自身的无功输出，稳定母线电压，保障了电力设备的正常运行。在潮流转移方面，UPFC能够根据电网的运行状态，灵活调整线路潮流，避免了154kV线路的过负荷情况，提高了电网的运行效率和可靠性。例如，在某些线路出现故障时，UPFC能够快速将潮流转移到其他线路，确保电力的正常输送，减少了停电事故的发生概率。2.3.3中国苏南500kVUPFC工程中国苏南500kVUPFC工程是我国电力领域的一项重大成果，它的投运对苏南地区的电网发展产生了深远影响。该工程于2019年12月26日在苏州南部电网正式投运，是世界上电压等级最高、容量最大的UPFC工程，其电压等级为500kV，容量达到了750MVA。苏南地区经济发达，电力需求旺盛，电网负荷增长迅速。随着电力需求的不断增加，该地区电网面临着诸多挑战，如区域发输变电之间的不平衡、电网潮流分布不均等问题日益突出。为了解决这些问题，提升苏南地区的供电能力和电网稳定性，苏南500kVUPFC工程应运而生。该工程的技术特点十分显著。它采用了先进的模块化多电平换流器（MMC）技术，有效提高了换流器的性能和可靠性。同时，通过对系统的优化设计，实现了对输电线路潮流的精确控制和快速调节。在实际运行中，苏南500kVUPFC工程展现出了强大的功能。它能够智能匹配三条交流通道的输电功率，使电能实现最优分布，将电网电能由自由分布状态转变为精确受控状态。自投运以来，该工程累计新增供电量达11.76亿千瓦时，新增售电额5.73亿元，为苏南地区的经济发展提供了坚实的电力保障。在提升电网稳定性方面，苏南500kVUPFC工程也发挥了重要作用。它能够为交流母线提供动态无功支撑，有效改善了电网的电压质量。当电网出现故障或负荷突变时，UPFC能够迅速响应，通过调节自身的无功输出，稳定母线电压，抑制电压波动，保障了电网的安全稳定运行。同时，该工程还对风电、光伏等波动性清洁能源的送出进行了有效的潮流调控和电压动态支撑，促进了清洁能源在苏南地区的大规模接入和消纳，推动了能源结构的优化和可持续发展。三、UPFC故障特性分析3.1UPFC常见故障类型UPFC作为电力系统中的关键设备，其故障类型多样且复杂，对电网的安全稳定运行有着重要影响。深入了解UPFC的常见故障类型，是研究其故障特性、制定有效故障渡越策略以及保障电网可靠运行的基础。从设备组成角度来看，UPFC主要由换流器、变压器、直流链路等部分构成，各部分都可能出现不同类型的故障。换流器是UPFC的核心部件，其故障类型较为复杂。其中，IGBT器件故障是换流器故障的常见形式之一。IGBT作为电力电子器件，在长期运行过程中，由于受到电压、电流应力以及温度变化等因素的影响，可能会出现开路、短路等故障。当IGBT发生开路故障时，会导致换流器输出电压和电流波形发生畸变，影响UPFC对潮流的控制能力；若IGBT发生短路故障，会产生过大的短路电流，可能损坏换流器及其他相关设备，严重威胁电网的安全运行。以某实际工程为例，在一次换流器故障中，由于IGBT的短路故障，导致换流器直流侧电压瞬间下降，交流侧电流急剧增大，引发了电网的电压波动和功率振荡，对电力系统的稳定性造成了严重影响。桥臂故障也是换流器常见的故障类型。桥臂故障包括桥臂过流、桥臂短路等情况。桥臂过流可能是由于系统故障、控制策略不当或负载突变等原因引起的，当桥臂过流时，会使桥臂元件承受过高的电流应力，若不及时处理，可能导致元件损坏。桥臂短路则更为严重，会直接导致换流器直流侧和交流侧之间的电气连接异常，产生巨大的短路电流，对换流器和整个UPFC系统造成毁灭性的破坏。在某模拟实验中，当桥臂发生短路故障时，换流器内部的能量迅速释放，造成多个元件烧毁，整个UPFC系统无法正常工作。变压器在UPFC中起着电压变换和电气隔离的重要作用，其故障同样不容忽视。绕组故障是变压器常见的故障之一，包括绕组短路、绕组断路、绕组变形等。绕组短路可能是由于绝缘老化、受潮、过电压等原因导致的，短路会使绕组中的电流急剧增大，产生大量的热量，进而损坏绕组绝缘，引发更严重的故障。绕组断路则会导致变压器无法正常传输电能，影响UPFC的正常运行。绕组变形通常是由于受到短路电流的冲击或长期过载运行引起的，绕组变形会改变变压器的电磁特性，降低其性能和可靠性。例如，在一次电力系统故障中，由于短路电流的冲击，导致UPFC中的变压器绕组发生变形，虽然当时变压器仍能勉强运行，但后续运行过程中，出现了油温异常升高、噪声增大等问题，最终不得不进行停电检修和更换绕组。铁芯故障也是变压器常见的故障类型之一。铁芯故障包括铁芯多点接地、铁芯局部过热等。铁芯多点接地会导致铁芯中产生环流，增加铁芯的损耗和发热，严重时会使铁芯烧毁。铁芯局部过热可能是由于铁芯制造工艺不良、硅钢片之间绝缘损坏或磁路不均匀等原因引起的，局部过热会影响变压器的正常运行，降低其使用寿命。在某实际变压器故障中，由于铁芯多点接地，导致铁芯温度持续升高，变压器油分解产生大量气体，使瓦斯保护动作，最终导致变压器退出运行。直流链路作为连接串联侧换流器和并联侧换流器的纽带，其故障也会对UPFC的运行产生重要影响。直流电容故障是直流链路常见的故障之一，直流电容在长期运行过程中，由于受到电压、电流的作用以及环境温度的影响，可能会出现电容值下降、漏电、击穿等故障。当直流电容出现故障时，会影响直流链路的储能和滤波功能，导致直流电压波动增大，进而影响换流器的正常工作。例如，当直流电容的电容值下降时，直流链路的储能能力减弱，在系统负荷变化时，无法及时提供足够的能量，会导致直流电压下降，影响UPFC对潮流的控制精度。直流线路故障也是直流链路可能出现的故障类型，包括直流线路短路、断路等。直流线路短路会产生巨大的短路电流，对直流链路和换流器造成严重损坏；直流线路断路则会导致直流链路无法正常传输电能，使UPFC无法正常工作。在某模拟实验中，当直流线路发生短路故障时，直流侧电流瞬间增大数倍，直流链路中的保护装置迅速动作，但仍对部分设备造成了一定程度的损坏。3.2故障时的电气量变化当UPFC发生故障时，其内部和外部的电气量会发生显著变化，这些变化对于深入理解故障特性、制定有效的保护策略以及实现可靠的故障渡越具有至关重要的意义。下面将分别从不同故障类型出发，详细分析UPFC故障时的电流、电压等电气量的变化规律。3.2.1换流器故障时的电气量变化在换流器故障中，以IGBT开路故障为例，当某相桥臂中的IGBT发生开路故障时，会导致该相桥臂输出电流出现畸变。在正常运行时，换流器输出电流为正弦波，且三相电流幅值相等、相位互差120°。而当IGBT开路故障发生后，故障相桥臂电流会出现明显的缺口，其波形不再是完整的正弦波，幅值也会发生变化。这是因为IGBT开路使得该相桥臂的部分开关状态无法正常切换，导致电流流通路径改变。同时，由于换流器输出电流的畸变，会引起直流侧电压的波动。正常运行时，直流侧电压保持相对稳定，以提供稳定的直流电源。但在IGBT开路故障情况下，由于交流侧电流的不平衡，使得换流器从直流侧吸收的功率发生变化，从而导致直流侧电压出现波动。当故障相桥臂电流缺口较大时，直流侧电压会迅速下降，若不及时采取措施，可能会影响整个UPFC系统的正常运行。对于桥臂短路故障，其电气量变化更为剧烈。一旦桥臂发生短路，短路电流会瞬间急剧增大。这是因为短路使得桥臂间的阻抗大幅减小，电流通路变得畅通，导致大量电流涌入短路桥臂。短路电流的幅值往往远超过正常运行电流的数倍甚至数十倍，对桥臂元件和整个换流器造成极大的冲击。在某实际案例中，桥臂短路故障发生后，短路电流在极短时间内上升至正常电流的10倍以上，瞬间烧毁了多个桥臂元件。短路电流的增大还会导致交流侧电压严重畸变。由于短路电流的影响，交流侧电压的波形会发生严重扭曲，不再是标准的正弦波，幅值也会大幅下降。这不仅会影响UPFC对电网潮流的控制能力，还可能导致电网中其他设备的运行异常，如引起电机的振动和发热、影响继电保护装置的正常动作等。同时，直流侧电压也会急剧下降，因为短路故障使得换流器的能量转换出现异常，无法正常从直流侧吸收和传输能量。3.2.2变压器故障时的电气量变化变压器绕组短路故障是较为常见的故障类型之一。当绕组发生短路时，短路绕组中的电流会急剧增大。这是因为短路点的存在使得绕组的等效阻抗减小，根据欧姆定律，电流会相应增大。短路电流的大小与短路匝数、短路位置以及系统参数等因素密切相关。在靠近电源端的绕组发生短路时，短路电流会更大，因为此时电源提供的短路容量更大。绕组短路还会导致变压器油温升高。由于短路电流产生的热量无法及时散发，使得变压器内部的温度迅速上升。油温升高会加速变压器绝缘材料的老化，进一步降低变压器的绝缘性能，形成恶性循环，可能导致更严重的故障发生。同时，变压器的漏磁通也会发生变化，因为绕组短路改变了变压器内部的磁场分布。漏磁通的变化会在变压器的外壳、铁芯等部件中产生额外的损耗，进一步加剧变压器的发热情况。铁芯多点接地故障也会对电气量产生影响。当铁芯出现多点接地时，会在铁芯中形成环流。环流的大小与接地点之间的电位差以及铁芯的电阻等因素有关。环流会导致铁芯损耗增加，使铁芯温度升高。正常运行时，铁芯损耗较小，温度相对稳定。但在多点接地故障情况下，铁芯损耗会显著增大，温度明显上升。若不及时处理，铁芯温度过高可能会导致铁芯烧毁，使变压器彻底损坏。同时，铁芯多点接地还会影响变压器的励磁电流，使其波形发生畸变，进而影响变压器的正常运行。3.2.3直流链路故障时的电气量变化直流电容故障对UPFC的电气量有着重要影响。当直流电容出现电容值下降故障时，会导致直流链路的储能能力减弱。在正常运行时，直流电容能够存储一定的能量，以维持直流电压的稳定。但当电容值下降后，其储能能力降低，在系统负荷变化或发生故障时，无法及时提供足够的能量，从而导致直流电压波动增大。当系统负荷突然增加时，由于直流电容储能不足，直流电压会迅速下降，影响换流器的正常工作。若直流电容发生漏电故障，会导致直流电流出现异常。漏电电流会在直流链路中形成额外的电流通路，使得直流电流的大小和波形发生变化。漏电还会导致直流电容的能量损耗增加，进一步降低其储能能力。严重的漏电故障可能会使直流电容过热，甚至引发爆炸等危险情况。对于直流线路短路故障，短路电流会瞬间急剧增大。直流线路短路使得直流侧的阻抗大幅减小，电流迅速上升。短路电流的大小取决于系统的电源容量、线路电阻以及短路点的位置等因素。在某模拟实验中，直流线路短路故障发生后，短路电流在几毫秒内就上升至正常电流的数倍，对直流链路中的设备造成了极大的冲击。直流线路短路还会导致直流电压急剧下降。由于短路电流的大量分流，使得直流链路中的电压无法维持稳定，迅速降低。直流电压的下降会影响换流器的正常工作，使其无法正常控制电网潮流。同时，直流线路短路还可能引发换流器的过流保护动作，导致UPFC系统退出运行，对电网的稳定运行造成严重影响。3.3故障对电力系统的影响UPFC故障对所在输电线路及整个电力系统的稳定性和可靠性有着多方面的深远影响，这些影响可能导致电力系统运行异常，甚至引发大面积停电事故，严重威胁电力系统的安全稳定运行。从输电线路的角度来看，当UPFC发生故障时，首先会对线路潮流产生显著影响。UPFC的主要功能之一是精确控制输电线路的潮流分布，确保电力能够高效、稳定地传输。然而，一旦UPFC出现故障，其对潮流的控制能力将受到严重削弱或完全丧失。以某实际输电线路为例，在正常运行情况下，UPFC能够根据电网负荷需求，灵活调节线路的有功功率和无功功率，使线路潮流保持在合理范围内。但当UPFC发生换流器故障时，如IGBT开路或桥臂短路，会导致换流器输出电流和电压出现畸变，进而使线路潮流发生剧烈波动。这种潮流波动可能会使输电线路出现过载现象，导致线路发热增加，加速线路绝缘老化，降低线路的使用寿命。若线路长期处于过载运行状态，还可能引发线路跳闸，造成停电事故，严重影响电力系统的供电可靠性。UPFC故障还会对输电线路的电压稳定性产生不利影响。在电力系统中，电压稳定是保障电力设备正常运行的关键因素之一。UPFC通过并联换流器能够为输电线路提供动态无功支撑，维持线路电压的稳定。当UPFC发生故障时，其无功补偿能力下降或消失，会导致线路电压出现波动甚至大幅下降。在某地区电网中，当UPFC的并联换流器出现故障时，无法及时为线路提供无功补偿，使得该线路末端电压迅速下降，超出了正常允许范围。电压过低会导致电力设备无法正常工作，如电动机转速下降、照明灯具亮度变暗等，严重影响用户的用电体验。同时，电压过低还可能引发电压崩溃事故，导致整个电力系统的电压失去稳定，造成大面积停电。从整个电力系统的稳定性角度分析，UPFC故障可能引发系统振荡。电力系统振荡是指系统中各发电机之间的功角发生周期性变化，导致系统功率、电流和电压出现大幅度波动的现象。UPFC在电力系统中起着调节潮流、阻尼振荡的重要作用。当UPFC发生故障时，其对系统振荡的阻尼作用减弱，可能会激发系统振荡。在某多机电力系统中，由于UPFC的故障，使得系统中部分发电机之间的功率分配失衡，引发了系统振荡。振荡过程中，系统中的功率、电流和电压大幅波动，严重影响了电力系统的正常运行。若系统振荡不能及时得到抑制，可能会导致发电机失步，使电力系统解列，造成更为严重的停电事故。UPFC故障还可能影响电力系统的暂态稳定性。暂态稳定性是指电力系统在遭受大扰动（如短路故障、突然甩负荷等）后，各同步发电机能够保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定运行状态的能力。当UPFC所在输电线路发生故障时，UPFC的故障特性会改变系统的暂态过程。在发生短路故障时，UPFC的故障电流和电压变化会影响系统的暂态能量分布，可能导致系统的暂态稳定性降低。若系统在故障后的暂态过程中不能保持稳定，可能会引发连锁反应，导致更多的设备故障和停电事故，严重威胁电力系统的安全稳定运行。四、UPFC故障渡越策略4.1基于虚拟阻抗的故障渡越在UPFC故障渡越过程中，虚拟阻抗发挥着至关重要的作用，它通过独特的作用机制，有效限制故障电流，维持系统稳定性，保障UPFC在故障期间的安全运行。虚拟阻抗在UPFC故障渡越中的作用机制基于其对电路中电流和电压的调节特性。当UPFC接入线路发生故障时，会产生异常的电流和电压波动，严重威胁系统的安全稳定运行。虚拟阻抗通过在并联侧模块化多电平换流器（MMC）的控制流程中加入虚拟阻抗环节，对故障电流和电压进行有效的干预。具体而言，当故障发生时，虚拟阻抗环节会根据检测到的直流母线正极的电流和无功功率反馈值，计算虚拟阻抗产生的直流电压反馈值。通过将直流母线正极的电流乘以虚拟阻抗，得到虚拟阻抗产生的电压增量，再与直流电压测量值求和，从而得到直流电压反馈值。这个反馈值会参与后续的控制计算，通过一系列的对比和解耦操作，最终影响三相调制波的输出，进而实现对交流输出的调节，达到限制故障电流和稳定电压的目的。从故障电流的角度来看，虚拟阻抗对故障电流有着显著的限制作用。在电力系统中，当发生短路等故障时，故障电流会瞬间急剧增大，可能对设备造成严重损坏。虚拟阻抗的引入，相当于在电路中增加了一个额外的阻抗元件。根据欧姆定律I=\frac{U}{Z}（其中I为电流，U为电压，Z为阻抗），在电压一定的情况下，阻抗增大，电流就会减小。虚拟阻抗通过增加电路的等效阻抗，有效地限制了故障电流的大小。在某实际故障仿真中，当未加入虚拟阻抗时，故障电流峰值高达正常电流的数倍，可能导致设备烧毁；而加入虚拟阻抗后，故障电流峰值得到了明显抑制，降低到设备可承受的范围内，有效保护了UPFC及相关设备。虚拟阻抗还能改变故障电流的相位。在交流电路中，电流和电压的相位关系对系统的运行有着重要影响。虚拟阻抗的存在会使故障电流的相位发生变化，从而改变故障电流的流通路径和分布情况。通过合理调整虚拟阻抗的参数，可以使故障电流的相位与正常运行时的电流相位有较大差异，便于保护装置准确识别故障电流，提高保护的可靠性和灵敏度。在某模拟实验中，通过设置合适的虚拟阻抗参数，使故障电流的相位改变了一定角度，保护装置能够快速准确地检测到故障，并及时采取相应的保护措施。在故障电压方面，虚拟阻抗对故障电压的稳定也起到了关键作用。当故障发生时，系统电压会出现大幅波动，甚至可能导致电压崩溃。虚拟阻抗通过参与控制流程，调节换流器的输出，从而维持故障电压的稳定。具体来说，虚拟阻抗环节通过对直流电压反馈值的调整，影响换流器的调制电压，进而改变换流器输出的交流电压。当系统电压下降时，虚拟阻抗环节会调整控制参数，使换流器输出适当的电压，补偿系统电压的下降，维持电压稳定；当系统电压过高时，虚拟阻抗环节则会采取相反的措施，降低换流器输出电压，避免电压过高对设备造成损害。在某实际电网故障中，由于虚拟阻抗的作用，成功维持了故障期间的电压稳定，保障了电网中其他设备的正常运行，避免了因电压不稳定引发的连锁故障。4.2限流电抗器的应用限流电抗器在UPFC故障渡越中发挥着关键作用，其合理配置和有效运行对于保障UPFC及电力系统的安全稳定至关重要。在UPFC系统中，限流电抗器通常串联在直流母线的正极母线上，与并联侧模块化多电平换流器（MMC）的直流侧相连。这种配置方式能够在故障发生时，迅速对故障电流进行限制，从而保护UPFC内部的设备免受过大电流的冲击。限流电抗器的工作原理基于电感对电流变化的阻碍特性。当电力系统发生故障时，电流会瞬间急剧增大，而限流电抗器中的电感会产生感应电动势，根据楞次定律，该感应电动势的方向与电流变化的方向相反，从而阻碍电流的快速增长。具体来说，当故障电流通过限流电抗器时，电抗器的电感会使电流的变化率减小，使得故障电流的上升速度得到抑制。这就如同在电路中增加了一个“阻尼器”，减缓了电流的突变，为保护装置的动作和系统的稳定运行争取了时间。从实际应用效果来看，限流电抗器的限流效果十分显著。在某模拟三相短路故障的实验中，当未安装限流电抗器时，故障电流在短时间内迅速上升至额定电流的数倍，对UPFC设备造成了极大的威胁。而在安装了限流电抗器后，故障电流的峰值得到了明显抑制，被限制在设备能够承受的范围内。通过对实验数据的分析，安装限流电抗器后，故障电流峰值降低了约[X]%，有效保护了UPFC的换流器、变压器等关键设备，避免了因过流而导致的设备损坏。限流电抗器还能改善系统的暂态稳定性。在故障发生后的暂态过程中，限流电抗器能够减少故障电流对系统的冲击，使系统的电压和功率波动得到缓解。当系统发生短路故障时，限流电抗器限制了故障电流的大小，从而减少了系统中能量的快速释放，使得系统的电压能够更快地恢复稳定，为发电机等设备的正常运行提供了保障，增强了系统在故障后的恢复能力。4.3混合型Chopper电路方案基于混合型Chopper电路的故障渡越方案是一种针对UPFC在交流系统短路故障时的有效应对策略，它通过独特的电路设计和控制方式，实现对故障电流的有效抑制和系统运行模式的切换。该方案主要由反向并联双晶闸管和并联Chopper电路组成。反向并联双晶闸管与并联Chopper电路串联连接，其中并联Chopper电路又包括转移电阻模块和耗散电阻模块，转移电阻模块和耗散电阻模块串联连接。转移电阻模块由第一IGBT和转移电阻串联而成，耗散电阻模块则由多个并联模组组成，每个并联模组包含并联连接的第二IGBT和耗散电阻，多个并联模组串联连接。在实际应用中，该方案的工作原理基于对UPFC不同运行方式下故障特性的深入分析。当交流系统发生短路故障时，根据UPFC正常运行时换流站间有功功率的传输方向，采取不同的控制策略。若正常运行时有功功率传输方向为并联侧MMC流向串联侧MMC，当交流线路发生短路故障时，串联侧MMC闭锁，此时通过改进型Chopper电路的反向并联双晶闸管将并联侧MMC与串联侧MMC隔离。具体来说，反向并联双晶闸管的第一晶闸管导通、第二晶闸管截止，实现两侧MMC的电气隔离，从而抑制串联侧馈入并联侧MMC的故障电流。若正常运行时有功功率传输方向为串联侧MMC流向并联侧MMC，当交流线路发生短路故障时，串联侧MMC闭锁，此时通过投入改进型Chopper电路的并联Chopper电路将并联侧MMC与串联侧MMC隔离。具体操作是向并联Chopper电路的转移电阻模块的第一IGBT和耗散电阻模块的第二IGBT发送导通信号，投入并联Chopper电路的转移电阻；然后撤销反向并联双晶闸管的触发信号，使反向并联双晶闸管受反向电压作用而截止，实现两侧MMC的隔离。当并联Chopper电路的电流上升到IGBT过流闭锁阈值时，向并联Chopper电路的耗散电阻模块的第二IGBT发送截止信号，投入并联Chopper电路的耗散电阻，以进一步限制故障电流。与基于虚拟阻抗和限流电抗器的故障渡越策略相比，混合型Chopper电路方案在故障电流抑制方面具有独特的优势。虚拟阻抗和限流电抗器主要是通过增加电路的等效阻抗来限制故障电流，而混合型Chopper电路方案则是通过隔离并联侧MMC与串联侧MMC之间的联系，从根本上抑制了故障电流的传输路径。在某些故障情况下，虚拟阻抗和限流电抗器可能无法完全消除故障电流对并联侧MMC的影响，而混合型Chopper电路方案能够更有效地避免并联侧MMC闭锁，保障UPFC的稳定运行。从系统运行模式切换的角度来看，混合型Chopper电路方案在故障发生后，能够使MMC-UPFC迅速切换至静止同步补偿器（STATCOM）工作模式，为交流系统提供无功功率支撑。而基于虚拟阻抗和限流电抗器的策略在故障渡越过程中，对于系统运行模式的切换可能不够灵活，需要更复杂的控制逻辑来实现模式转换。在一些对无功功率需求迫切的故障场景下，混合型Chopper电路方案能够更快地响应系统需求，提供有效的无功支持，增强系统的稳定性。然而，混合型Chopper电路方案也存在一定的局限性。其电路结构相对复杂，需要更多的电力电子器件和控制环节，这增加了设备成本和维护难度。同时，由于涉及多个开关器件的动作和复杂的控制逻辑，其可靠性在一定程度上依赖于这些器件和控制算法的稳定性。相比之下，虚拟阻抗和限流电抗器的方案结构相对简单，可靠性较高，但在故障电流抑制和运行模式切换的灵活性方面稍逊一筹。4.4故障渡越策略的仿真验证为了全面、准确地验证上述故障渡越策略在不同故障场景下的有效性和可行性，本研究借助MATLAB/Simulink电力系统仿真软件，搭建了包含UPFC的详细输电系统仿真模型。该模型充分考虑了UPFC的结构特性、控制策略以及与输电线路和电力系统的交互关系，能够精确模拟各种实际运行工况和故障场景。在仿真模型中，设置了多种典型的故障类型，包括三相短路故障、单相接地故障、两相短路故障等，以全面测试故障渡越策略在不同故障情况下的性能表现。同时，还考虑了不同的故障位置，如靠近UPFC的线路近端故障、远离UPFC的线路远端故障以及UPFC内部元件故障等，以评估故障渡越策略在不同故障位置下的适应性。此外，针对不同的故障时刻，如系统负荷高峰期、低谷期等，进行了仿真分析，以研究故障渡越策略在不同系统运行状态下的效果。对于基于虚拟阻抗的故障渡越策略，在三相短路故障仿真中，当故障发生时，虚拟阻抗环节迅速响应，根据检测到的直流母线正极的电流和无功功率反馈值，准确计算出虚拟阻抗产生的直流电压反馈值。通过将直流母线正极的电流乘以虚拟阻抗，得到虚拟阻抗产生的电压增量，再与直流电压测量值求和，得到直流电压反馈值。这个反馈值参与后续的控制计算，经过一系列的对比和解耦操作，最终调整三相调制波的输出。从仿真结果来看，故障电流得到了显著抑制，其峰值降低了约[X]%，有效避免了因过流对设备造成的损坏。同时，系统电压在故障期间的波动也得到了有效控制，电压跌落幅度明显减小，在故障后的短时间内迅速恢复到稳定水平，保障了系统的稳定运行。在限流电抗器的应用仿真中，当发生单相接地故障时，限流电抗器串联在直流母线的正极母线上，迅速对故障电流起到限制作用。根据电感对电流变化的阻碍特性，限流电抗器中的电感产生感应电动势，阻碍电流的快速增长。仿真数据显示，安装限流电抗器后，故障电流的上升速度明显减缓，峰值被限制在设备能够承受的范围内，相比未安装限流电抗器时，故障电流峰值降低了约[X]%。这不仅保护了UPFC内部的设备，还为保护装置的动作争取了时间，确保了系统在故障期间的安全性。对于混合型Chopper电路方案，以交流系统发生最严重的三相短路故障为例进行仿真。当正常运行时有功功率传输方向为并联侧MMC流向串联侧MMC，故障发生时，串联侧MMC闭锁，通过改进型Chopper电路的反向并联双晶闸管将并联侧MMC与串联侧MMC隔离。反向并联双晶闸管的第一晶闸管导通、第二晶闸管截止，成功实现了两侧MMC的电气隔离，有效抑制了串联侧馈入并联侧MMC的故障电流。若正常运行时有功功率传输方向为串联侧MMC流向并联侧MMC，故障发生时，串联侧MMC闭锁，通过投入改进型Chopper电路的并联Chopper电路将并联侧MMC与串联侧MMC隔离。先向并联Chopper电路的转移电阻模块的第一IGBT和耗散电阻模块的第二IGBT发送导通信号，投入转移电阻；然后撤销反向并联双晶闸管的触发信号，使其受反向电压作用而截止，实现两侧MMC的隔离。当并联Chopper电路的电流上升到IGBT过流闭锁阈值时，向耗散电阻模块的第二IGBT发送截止信号，投入耗散电阻，进一步限制故障电流。仿真结果表明，在MMC-UPFC的不同运行方式下，该方案均能避免故障后并联侧MMC闭锁，MMC-UPFC迅速切换至静止同步补偿器（STATCOM）工作模式，为交流系统提供无功功率支撑，增强了系统的稳定性。五、UPFC接入线路自适应重合闸原理5.1自适应重合闸基本概念自适应重合闸是一种智能化的重合闸技术，它能够依据电网实时的运行状态和故障具体情况，自动且精准地调整重合闸的动作参数，以此显著提高重合闸的成功率以及电力系统运行的稳定性。其核心在于具备实时监测、智能判断和自动调整的能力，能够在重合闸操作前，明确地区分线路发生的是瞬时性故障还是永久性故障，从而避免传统自动重合闸的盲目性，有效消除重合于永久性故障时对系统造成的危害。自适应重合闸的工作原理基于对线路故障信息的全面采集与深度分析。通过安装在输电线路上的各类传感器，实时监测线路的电流、电压、功率等电气量参数。当线路发生故障时，这些电气量会发生显著变化，自适应重合闸装置会迅速捕捉这些变化信息，并利用先进的信号处理技术和智能算法进行分析处理。通过对故障后电气量的幅值、相位、变化率等特征的提取和分析，判断故障的性质是瞬时性还是永久性。若判断为瞬时性故障，如由雷电、大风等自然因素引起的绝缘子表面闪络、碰线等故障，在故障点的绝缘强度恢复后，自适应重合闸装置会自动发出重合闸命令，使断路器重新合闸，恢复线路供电；若判断为永久性故障，如线路倒杆、断线、绝缘子击穿或损坏等，重合闸装置则会闭锁重合闸，避免对系统造成二次冲击。与传统重合闸相比，自适应重合闸具有多方面的显著优势。传统重合闸在故障相断路器跳开后，不管故障是瞬时性还是永久性的，都会进行重合，缺乏对故障性质的准确判断，这使得重合于永久性故障的风险较高，可能对电力系统造成严重的二次冲击，降低系统并列运行的稳定性，同时也会恶化断路器的工作条件。在某电力系统中，传统重合闸因重合于永久性故障，导致系统电压大幅波动，部分设备因过电压而损坏，造成了较大的经济损失。而自适应重合闸则有效克服了这些缺点。它通过对故障性质的准确判别，只有在确认故障为瞬时性时才进行重合闸操作，大大提高了重合闸的成功率，减少了非全相运行时间，降低了对系统的冲击，提高了电力系统的供电可靠性和稳定性。在某地区电网中，采用自适应重合闸技术后，重合闸成功率从原来的[X]%提高到了[X]%，停电时间大幅缩短，有效保障了用户的正常用电。自适应重合闸还能根据电网的实时运行状态，自动调整重合闸的动作时间、电压、电流等参数，实现重合闸的优化控制，更好地适应复杂多变的电网运行环境。5.2UPFC对自适应重合闸的影响UPFC接入输电线路后，凭借其独特的结构和灵活的控制特性，对自适应重合闸的判据和动作特性产生了多方面的显著影响，深入探究这些影响对于制定适用于UPFC接入线路的自适应重合闸策略至关重要。从判据角度来看，UPFC的接入改变了传统自适应重合闸所依赖的电气量特征。在传统输电线路中，自适应重合闸常依据故障相恢复电压的幅值、相位等特征来判别故障性质。当线路发生瞬时性故障时，故障相恢复电压具有特定的变化规律，如幅值在一定范围内波动，相位与系统电源相位存在一定关系；而在永久性故障时，恢复电压的特征则截然不同。然而，UPFC接入后，其串联侧换流器能够向线路注入幅值和相位均可灵活调节的电压，这使得故障相恢复电压的组成和变化规律变得复杂。在某仿真场景中，当线路发生瞬时性故障时，UPFC注入的特征电压与系统原有电压相互叠加，导致故障相恢复电压的幅值和相位不再遵循传统的变化规律，传统的基于恢复电压幅值和相位的判据可能会出现误判，将瞬时性故障误判为永久性故障，从而导致重合闸失败。UPFC的控制特性也会影响故障电流的特征。在故障发生时，UPFC会根据预设的控制策略对故障电流进行调节，这使得故障电流的大小、相位以及谐波含量等特征发生改变。传统的自适应重合闸判据中，有些是基于故障电流的突变特征、谐波含量等进行故障性质判别的。但由于UPFC对故障电流的调节作用，这些判据在UPFC接入线路中可能不再适用。在某实际案例中，由于UPFC对故障电流的调节，使得故障电流的突变特征变得不明显，基于故障电流突变特征的判据无法准确判别故障性质，导致重合闸操作出现错误。在动作特性方面，UPFC接入后会改变线路的潮流分布和电气参数，进而影响自适应重合闸的动作时间和动作顺序。在传统输电线路中，重合闸的动作时间通常根据线路的固有参数和故障类型进行整定，以确保在故障点电弧熄灭、绝缘强度恢复后进行重合闸操作，提高重合闸的成功率。然而，UPFC接入后，其对线路潮流的灵活控制会改变线路的电气参数，如线路的等效阻抗、电容和电感等。这些参数的变化会影响故障点的熄弧时间和绝缘恢复速度，从而需要重新调整自适应重合闸的动作时间。在某地区电网中，UPFC接入后，由于线路等效阻抗的变化，故障点的熄弧时间延长，原有的重合闸动作时间整定无法满足要求，导致重合闸失败。若重合闸动作时间过短，可能在故障点绝缘尚未恢复时就进行重合闸，导致重合于永久性故障，对系统造成二次冲击；若动作时间过长，又会延长停电时间，影响供电可靠性。UPFC接入还会影响自适应重合闸的动作顺序。在复杂的电网结构中，当多条线路存在联络且接入UPFC时，故障发生后，各线路之间的电气联系和潮流分布会发生复杂的变化。自适应重合闸需要根据这些变化，合理调整动作顺序，以确保系统的稳定性和可靠性。但由于UPFC的影响，传统的重合闸动作顺序可能无法适应新的电网运行状态。在某多回线路互联的电网中，UPFC接入后，当一条线路发生故障时，由于UPFC对潮流的调节作用，使得其他线路的潮流发生变化，原有的重合闸动作顺序可能导致系统潮流分布不合理，甚至引发连锁故障，影响整个电网的安全稳定运行。5.3基于特征电压注入的自适应重合闸方案为有效解决UPFC接入线路的故障性质判别难题，提高自适应重合闸的可靠性和成功率，本研究提出基于UPFC特征电压注入的自适应重合闸方案。该方案充分利用UPFC灵活的可控性，通过在故障相注入特征电压，改变线路电气量特征，从而实现对故障性质的准确识别。在该方案中，特征电压的注入方式至关重要。当线路发生故障时，通过切换UPFC串联侧模块化多电平换流器（MMC）的控制方式，采用定U/f控制注入特征电压。具体而言，在正常运行时，UPFC串联侧MMC按照常规的潮流控制策略运行；当检测到线路故障后，控制系统迅速切换至定U/f控制模式，向故障相注入特定频率和幅值的特征电压。通过精确控制MMC的调制波，使得注入的特征电压能够稳定地叠加到故障相线路电压上。特征电压的产生基于MMC的工作原理。MMC由多个子模块组成，每个子模块包含电容和开关器件。通过合理控制子模块中开关器件的通断状态，可以实现对输出电压的灵活调节。在产生特征电压时，控制系统根据预设的特征电压参数，如频率、幅值和相位，计算出每个子模块的开关控制信号，从而使MMC输出符合要求的特征电压。注入特征电压后，线路的电气量会发生明显变化，这些变化为故障性质的判别提供了重要依据。对于永久性故障，当注入特征电压后，由于故障点的存在，线路中会产生与特征电压相关的特征电流。这是因为永久性故障使得线路的阻抗特性发生改变，注入的特征电压在故障点处形成了新的电流通路。通过监测线路中的电流信号，提取其中与特征电压频率相同的电流分量，即可判断是否存在永久性故障。在某仿真场景中，当线路发生永久性故障并注入特征电压后，通过对线路电流的快速傅里叶变换（FFT）分析，清晰地检测到了与特征电压频率一致的电流分量，从而准确判断出故障为永久性故障。对于瞬时性故障，在注入特征电压后，由于故障点的电弧已经熄灭，线路的阻抗恢复正常，不会产生明显的特征电流。此时，线路中的电流主要由系统电源和UPFC正常运行时的输出电流组成，与注入的特征电压之间不存在明显的相关性。通过对电流信号的分析，若未检测到与特征电压频率相同的电流分量，则可判断故障为瞬时性故障。在实际应用中，为了进一步提高故障性质判别的可靠性，针对高阻故障的特殊场景，提出阶段性注入特征电流判据。在高阻故障情况下，由于故障点的过渡电阻较大，常规的特征电压注入方法可能无法产生明显的特征电流，导致故障判别困难。此时，采用阶段性注入特征电流的方式，先注入较小幅值的特征电流，检测线路的响应；若未检测到明显的特征电流，则逐步增大特征电流的幅值，再次检测线路响应。通过这种方式，能够有效提高在高阻故障场景下对故障性质判别的准确性。在某高阻故障仿真实验中，采用阶段性注入特征电流判据，成功识别出了故障性质，避免了因误判而导致的重合闸失败。基于UPFC特征电压注入的自适应重合闸方案的工作流程如下：当线路发生故障时，保护装置迅速动作，跳开故障相断路器。同时，UPFC控制系统检测到故障信号后，切换至定U/f控制模式，向故障相注入特征电压。在线路侧，通过安装的电流互感器和电压互感器实时采集线路的电流和电压信号，并将这些信号传输至故障判别装置。故障判别装置利用信号处理算法，对采集到的电气量信号进行分析处理，提取特征电流和特征电压分量，根据预设的判别规则判断故障性质。若判断为瞬时性故障，则发出重合闸命令，使断路器重新合闸，恢复线路供电；若判断为永久性故障，则闭锁重合闸，避免对系统造成二次冲击。六、UPFC接入线路自适应重合闸实现技术6.1故障性质判别方法在UPFC接入线路的自适应重合闸技术中，准确判别故障性质是实现可靠重合闸的关键环节。本研究主要采用基于电气量变化特征的方法来判别故障是瞬时性还是永久性，该方法通过对故障后线路电气量的精确测量和深入分析，提取能够有效区分故障性质的特征量，从而实现对故障性质的准确判断。当线路发生故障时，电气量会发生显著变化，这些变化包含了丰富的故障信息。对于瞬时性故障，如雷击导致的绝缘子闪络、树枝碰线等，在故障点电弧熄灭后，线路的绝缘性能能够迅速恢复，电气量会呈现出特定的变化规律。而对于永久性故障，如线路断线、绝缘子击穿等，故障点会持续存在，电气量的变化与瞬时性故障存在明显差异。本研究重点关注故障后线路电压和电流的变化特征。在电压方面，当线路发生瞬时性故障时，故障相电压在断路器跳闸后，会由于健全相的电容耦合和电磁耦合作用，出现一定幅值的恢复电压。在某模拟瞬时性故障场景中，故障相电压在跳闸后迅速下降，但在短时间内又逐渐恢复，其恢复电压的幅值与系统参数、故障位置等因素密切相关。通过对大量仿真数据和实际案例的分析，发现瞬时性故障时恢复电压的幅值通常在一定范围内波动，且与系统正常运行时的电压存在一定的相位关系。对于永久性故障，由于故障点的存在，故障相电压会被短路，恢复电压幅值极低，甚至接近于零。在某实际永久性故障案例中，故障相电压在跳闸后几乎为零，与瞬时性故障时的电压变化形成鲜明对比。通过对故障相电压幅值和相位的实时监测与分析，可以初步判断故障性质。电流变化特征也是判别故障性质的重要依据。在瞬时性故障情况下，故障电流在断路器跳闸后会迅速减小，当故障点电弧熄灭后，电流基本恢复为零。而在永久性故障时，由于故障点持续导通，即使断路器跳闸，故障点仍会有电流通过，该电流可能是由系统的电容电流、电感电流以及其他非故障线路的感应电流等组成。在某仿真实验中，永久性故障时故障点的电流虽然比故障发生时有所减小，但仍然保持一定的幅值，且电流的波形和相位与瞬时性故障时的电流有明显区别。为了更准确地提取电气量变化特征，本研究采用了快速傅里叶变换（FFT）、小波变换等先进的信号处理技术。快速傅里叶变换能够将时域的电气量信号转换为频域信号，清晰地展现信号的频率成分，便于分析故障电流和电压中的谐波分量。通过FFT分析，发现永久性故障时，故障电流中往往含有丰富的谐波成分，而瞬时性故障时谐波含量相对较少。小波变换则具有良好的时频局部化特性，能够在不同的时间尺度上对信号进行分析，有效提取信号的突变特征和暂态信息。在故障发生瞬间，电气量会出现突变，小波变换能够准确捕捉这些突变信息，为故障性质的判别提供更精确的依据。在某实际故障案例中，利用小波变换对故障电流进行分析，成功检测到了故障发生瞬间的电流突变，结合其他特征量，准确判断出了故障性质。在实际应用中，为了提高故障性质判别的可靠性，还综合考虑了多种因素，如故障位置、过渡电阻、系统运行方式等。不同的故障位置会导致电气量的变化有所不同，靠近电源端的故障和远离电源端的故障，其电气量变化特征存在一定差异。过渡电阻的大小也会对故障电流和电压产生影响，在高阻故障情况下，故障电流和电压的变化可能不明显，需要采用特殊的判别方法。系统运行方式的改变，如负荷的变化、发电机的投切等，也会影响电气量的特征，因此在判别故障性质时，需要实时监测系统运行方式，并根据实际情况进行分析和判断。6.2重合闸时间的优化重合闸时间的优化是提高UPFC接入线路自适应重合闸成功率和电力系统稳定性的关键环节，其优化需综合考虑线路和系统的多种参数，以确保在故障发生后，重合闸能够在最佳时机动作，实现快速恢复供电且避免对系统造成二次冲击。线路参数对重合闸时间有着重要影响。线路长度是一个关键参数，不同长度的线路在故障发生后的电弧熄灭时间和绝缘恢复时间存在差异。一般来说，线路越长，故障点的电弧熄灭和绝缘恢复所需时间越长。在长距离输电线路中，由于线路电容和电感的影响，故障点的电弧在熄灭过程中会受到电磁暂态过程的影响，导致熄弧时间延长。根据相关研究和实际运行经验，对于长度超过[X]公里的输电线路，重合闸时间应适当延长，以确保故障点的绝缘强度充分恢复，避免重合于未完全恢复绝缘的故障点，导致重合失败或对系统造成二次冲击。线路的电阻和电抗参数也会影响重合闸时间。电阻会影响故障电流的大小和衰减速度，电抗则会影响线路的电磁暂态过程。在电阻较大的线路中，故障电流的衰减速度较快，电弧熄灭相对容易，但绝缘恢复时间可能会受到影响；而在电抗较大的线路中，电磁暂态过程较为复杂，可能会导致故障点的电弧熄灭时间延长。因此，在优化重合闸时间时，需要根据线路的电阻和电抗参数进行精确计算和分析，以确定合适的重合闸时间。系统参数同样对重合闸时间的优化起着重要作用。系统的运行方式是一个重要因素，不同的运行方式下，系统的电源分布、负荷大小和潮流方向等都会发生变化，从而影响故障后的电气量变化和故障点的熄弧时间。在系统负荷高峰期，电源输出功率较大，故障电流也相对较大，这可能会导致故障点的电弧燃烧更剧烈，熄弧时间延长。因此，在系统负荷高峰期，重合闸时间应适当延长，以确保故障点的电弧完全熄灭，绝缘强度恢复正常。系统的短路容量也会影响重合闸时间。短路容量越大，故障时的短路电流越大，对系统的冲击也越大。在短路容量较大的系统中，故障点的电弧熄灭和绝缘恢复过程可能会受到更大的影响，需要更长的时间来完成。因此，在优化重合闸时间时，需要考虑系统的短路容量，对于短路容量较大的系统，应适当延长重合闸时间，以保证系统的稳定性和重合闸的成功率。为了实现重合闸时间的优化，本研究采用了基于故障暂态过程分析的方法。通过建立精确的电力系统模型，利用电磁暂态仿真软件对不同故障情况下的暂态过程进行详细模拟，分析故障点的电弧熄灭时间、绝缘恢复时间以及系统电气量的变化规律。在仿真过程中，考虑了线路参数、系统运行方式、短路容量等多种因素的影响，通过对大量仿真数据的分析和总结，确定了不同情况下的最佳重合闸时间范围。结合实际运行经验和专家知识，采用智能算法对重合闸时间进行优化。例如，利用遗传算法、粒子群优化算法等智能算法，以重合闸成功率最高、对系统冲击最小为目标函数，对重合闸时间进行优化计算。这些智能算法能够在复杂的参数空间中快速搜索到最优解，提高了重合闸时间优化的效率和准确性。在某实际案例中，通过遗传算法对重合闸时间进行优化，将重合闸成功率提高了[X]%，有效提升了电力系统的供电可靠性。6.3与其他保护装置的配合自适应重合闸与线路保护、UPFC保护等其他装置之间的紧密配合，是保障电力系统安全稳定运行的关键环节。在实际电力系统中，各保护装置犹如一个有机整体，协同工作，共同应对各种故障情况。与线路保护的配合方面，当线路发生故障时，线路保护装置会迅速动作，切除故障线路。自适应重合闸装置则需与线路保护装置相互协调，确保重合闸操作的准确性和可靠性。在故障发生后，线路保护装置会向自适应重合闸装置发送故障信息，包括故障类型、故障位置等。自适应重合闸装置根据这些信息，结合自身对故障性质的判别结果，决定是否进行重合闸操作。若线路保护装置检测到的是瞬时性故障，且自适应重合闸装置也判断为瞬时性故障，此时自适应重合闸装置会在合适的时间发出重合闸命令，使断路器重新合闸，恢复线路供电。若线路保护装置检测到的是永久性故障，或者自适应重合闸装置判断为永久性故障，重合闸装置则会闭锁重合闸，避免对系统造成二次冲击。为了实现自适应重合闸与线路保护的有效配合，需要合理整定重合闸的动作时间。重合闸的动作时间应与线路保护的动作时间相配合，确保在故障切除后，故障点的电弧能够充分熄灭，绝缘强度得以恢复，同时又要避免重合闸时间过长，影响供电可靠性。在某实际案例中，由于重合闸动作时间整定不合理，在故障切除后，重合闸过早动作，导致重合于未完全熄灭电弧的故障点，引发了二次故障，对电力系统的稳定性造成了严重影响。通过对线路保护和重合闸动作时间的重新整定，使两者相互配合，成功避免了类似问题的再次发生。自适应重合闸与UPFC保护之间的配合也至关重要。UPFC作为电力系统中的重要设备，其保护装置主要用于保护UPFC自身的安全运行。当UPFC发生故障时，UPFC保护装置会迅速动作，隔离故障部分，确保UPFC设备不受损坏。在这个过程中，自适应重合闸装置需要与UPFC保护装置协同工作，避免因UPFC故障而导致重合闸误动作。当UPFC的串联侧或并联侧发生故障时，UPFC保护装置动作，切除故障部分。此时，自适应重合闸装置应根据UPFC保护装置的动作信号，判断故障是否影响到线路的正常运行。若故障仅局限于UPFC内部，且线路本身无故障，自适应重合闸装置不应进行重合闸操作，以免对UPFC的故障处理和修复造成干扰。只有当线路发生故障，且UPFC保护装置确认UPFC无故障或故障已得到有效处理，不影响线路重合闸时，自适应重合闸装置才应根据故障性质判断结果，进行相应的重合闸操作。在某模拟实验中，当UPFC的并联侧换流器发生故障时，UPFC保护装置迅速动作，切除了故障部分。此时，自适应重合闸装置接收到UPFC保护装置的动作信号，经过分析判断，确认故障仅发生在UPFC内部，线路本身无故障，因此未进行重合闸操作。待UPFC故障修复后，系统恢复正常运行，避免了因重合闸误动作而对系统造成的不必要冲击。七、案例分析与仿真研究7.1实际电网案例分析本研究选取了苏南500kVUPFC实际工程作为案例，深入分析其故障渡越和自适应重合闸的实际运行情况。苏南500kVUPFC工程于2019年12月26日在苏州南部电网正式投运，是世界上电压等级最高、容量最大的UPFC工程，其电压等级为500kV，容量达到了750MVA。该工程在苏州南部电网中发挥着至关重要的作用，为研究UPFC在实际电网中的运行特性提供了宝贵的实践数据。在故障渡越方面，苏南500kVUPFC工程采用了基于虚拟阻抗和限流电抗器的故障渡越策略。在实际运行过程中，当输电线路发生故障时，该策略展现出了良好的效果。在一次三相短路故障中，故障发生瞬间，线路电流急剧增大，电压大幅下降。此时，UPF