統一潮流控制器（UPFC）故障渡越及接入線路自適應重合閘關鍵技術研究一、引言1.1研究背景與意義隨著社會經濟的迅猛發展，電力需求持續攀升，電網規模不斷擴大，結構愈發復雜。尤其是大規模交直流混合輸電網絡的建設，使得發電和用電區域分布不均衡、區域間潮流分布不均等問題日益凸顯。統一潮流控制器（UnifiedPowerFlowController，UPFC）作為靈活交流輸電系統（FlexibleACTransmissionSystem，FACTS）中的關鍵裝置，在現代電網中發揮著舉足輕重的作用。UPFC具有強大的功能，它能夠同時對輸電線路的有功功率、無功功率以及電壓進行靈活控制。通過精確調節線路潮流，UPFC可有效解決區域發輸變電之間的不平衡問題，充分挖掘電網的供電潛力，提升電網的輸電能力和穩定性。以蘇南500kVUPFC工程為例，該工程的投運猶如為蘇州南部電網安裝了一個“智能導航系統”，實現了電能的“無人駕駛”。它將電網電能由自由分布狀態轉變為精確受控狀態，智能匹配三條交流通道輸電功率，使電能實現最優分布，極大地提升了蘇南地區的供電能力，累計新增供電量和售電額相當可觀。同時，UPFC還能為交流母線提供動態無功支撐，對風電、光伏等波動性清潔能源的送出進行潮流調控和電壓動態支撐，保障了大量清潔能源安全穩定地傳輸至負荷中心，有力地推動了能源互聯的高效可控發展。然而，UPFC作為應用了模塊化多電平換流器（ModularMultilevelConverter，MMC）的新型電力電子裝置，其結構獨特，故障特性復雜。當電網發生故障時，UPFC需要具備良好的故障渡越能力，以確保自身安全，并維持對電網的支撐作用。若UPFC在故障期間無法有效應對，可能導致自身設備損壞，甚至引發電網的連鎖反應，威脅電網的安全穩定運行。例如，在某些故障情況下，UPFC可能會出現過流、過壓等異常情況，如果不能及時采取有效的故障渡越策略，就可能使故障進一步擴大，影響電力系統的正常供電。另一方面，輸電線路作為電力傳輸的關鍵通道，其故障后的重合閘操作對于恢復供電至關重要。傳統的自動重合閘技術缺乏對故障性質的準確判斷，存在盲目重合的問題，若重合于永久性故障，會對電力系統造成二次沖擊，嚴重威脅系統的安全穩定運行。據統計，在一些電力系統故障中，由于重合閘誤動作于永久性故障，導致系統電壓大幅波動，甚至引發系統振蕩，造成大面積停電事故。因此，研究適用于UPFC接入線路的自適應重合閘技術，實現對故障性質的準確判別，避免盲目重合，對于提高電力系統的供電可靠性和穩定性具有重要意義。綜上所述，對UPFC故障渡越及接入線路自適應重合閘的研究，不僅有助于深入理解UPFC在故障情況下的行為特性，為其保護和控制策略的優化提供理論依據，還能有效提升輸電線路重合閘的成功率，減少非全相運行時間，降低故障對電力系統的影響，對于保障電網的安全穩定運行、提高供電質量和促進能源的高效利用具有不可忽視的價值，是當前電力系統領域亟待解決的重要課題。1.2國內外研究現狀在UPFC故障渡越方面，國內外學者已開展了諸多研究。國外一些研究團隊如美國電力研究院（EPRI），對UPFC在不同故障類型下的暫態特性進行了深入分析，通過大量的仿真和實驗，揭示了故障期間UPFC內部各元件的電氣量變化規律，為故障渡越策略的制定提供了理論基礎。在故障穿越策略研究中，提出了基于虛擬阻抗和限流電抗器的故障渡越策略，定義了UPFC的故障渡越，并研究了UPFC外部故障情況下導致串、并聯側MMC過流閉鎖的關鍵因素，在此基礎上提出利用虛擬阻抗控制環節和直流母線限流電抗器的故障渡越策略及其取值方法，仿真實驗結果驗證了該策略的有效性。國內學者也針對UPFC故障渡越進行了廣泛研究。華北電力大學的相關研究團隊，依托蘇南500kVUPFC實際工程，搭建了適用于高電壓多電平的UPFC快速仿真模型，對UPFC本體各個區域的保護配置和故障特性進行了詳細分析，為故障渡越策略的優化提供了實踐依據。通過對UPFC所接入線路發生故障時UPFC串、并聯側故障特性的深入分析，研究了UPFC外部故障情況下導致串、并聯側MMC過流閉鎖的關鍵因素，提出了利用虛擬阻抗控制環節和直流母線限流電抗器的故障渡越策略及其取值方法，有效提高了UPFC在故障期間的穩定性。在UPFC接入線路自適應重合閘研究領域，國外研究側重于利用先進的信號處理技術和智能算法來實現故障性質的判別。例如，采用小波變換對故障后的電氣量信號進行分析，提取故障特征，從而判斷故障是瞬時性還是永久性。然而，這些方法在實際應用中，由于受到電網復雜運行環境和干擾因素的影響，其準確性和可靠性有待進一步提高。國內學者則從多個角度展開研究。一些學者基于故障后線路電壓、電流的變化特征，提出了多種自適應重合閘判據。文獻通過對帶并聯電抗器的超高壓輸電線路在單相瞬時性故障熄弧后的恢復電壓組成進行分析，揭示了基于電壓拍頻的單相自適應重合閘方案存在的不足，進而利用UPFC靈活控制的優點，通過對故障相注入特征電壓的方式，合理利用串聯諧振實現了在故障相端電壓拍頻特性不明顯的情況下對故障性質的識別和自適應重合閘，有效提高了重合閘的成功率。還有學者提出了基于高頻通道及其信號傳輸的自適應三相重合閘方法，通過比較收訊機接收信號與“標準電平”的比例關系來判別故障性質，但該方法在實際應用中可能受到高頻信號傳輸衰減和干擾的影響。盡管國內外在UPFC故障渡越及接入線路自適應重合閘方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處。現有研究在考慮UPFC與電網的交互影響時，多集中于特定的故障類型和運行工況，對于復雜多變的電網實際運行情況，如不同電網結構、多種故障組合以及新能源接入帶來的不確定性等因素考慮不夠全面，導致研究成果的普適性和實用性受到一定限制。在自適應重合閘技術中，現有的故障判別方法在面對過渡電阻、系統振蕩等復雜情況時，準確性和可靠性仍有待進一步提升，難以滿足電網對供電可靠性日益增長的需求。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本文聚焦于UPFC故障渡越及接入線路自適應重合閘展開研究，具體內容如下：UPFC故障特性分析：深入剖析UPFC的基本結構與工作原理，詳細分析其在不同故障類型下的故障特性，包括故障時的電氣量變化規律、故障傳播路徑等。通過理論推導和仿真分析，明確UPFC內部各元件在故障期間的響應特性，為后續故障渡越策略的制定提供堅實的理論基礎。UPFC故障渡越策略研究：基于對UPFC故障特性的研究，提出有效的故障渡越策略。結合虛擬阻抗控制環節和直流母線限流電抗器，深入研究其在限制故障電流、維持系統穩定性方面的作用機制。通過大量的仿真實驗，優化故障渡越策略的參數設置，確保UPFC在故障期間能夠快速、穩定地恢復正常運行，減少對電力系統的影響。UPFC接入對線路保護的影響分析：研究UPFC接入后對輸電線路距離保護、方向保護等傳統保護原理的影響。通過理論分析和實際案例研究，揭示UPFC對保護測量阻抗、方向元件動作特性的影響規律，找出可能導致保護誤動作或拒動的原因，為制定相應的改進措施提供依據。UPFC接入線路自適應重合閘方案研究：針對UPFC接入線路的特點，研究適用于該線路的自適應重合閘方案。利用UPFC靈活控制的優點，通過對故障相注入特征電壓的方式，深入分析注入特征電壓后線路電氣量的變化規律，建立基于電氣量變化的故障性質判別模型，實現對故障性質的準確識別，進而提出可靠的自適應重合閘方案。仿真驗證與分析：利用電力系統仿真軟件，搭建包含UPFC的輸電系統仿真模型，對上述研究內容進行全面的仿真驗證。模擬不同故障類型、不同運行工況下UPFC的故障特性、故障渡越策略的有效性、接入對線路保護的影響以及自適應重合閘方案的性能。通過對仿真結果的深入分析，評估各種策略和方案的優缺點，進一步優化和完善相關技術。1.3.2研究方法理論分析：運用電力系統分析、電力電子技術、電磁暫態理論等相關知識，對UPFC的工作原理、故障特性、故障渡越策略以及自適應重合閘原理進行深入的理論推導和分析。通過建立數學模型，揭示各物理量之間的內在聯系，為研究提供理論支撐。仿真研究：借助MATLAB/Simulink、PSCAD/EMTDC等專業電力系統仿真軟件，搭建詳細的UPFC及輸電系統仿真模型。在仿真模型中，精確模擬各種故障場景和運行工況，對UPFC的故障特性、故障渡越策略、接入對線路保護的影響以及自適應重合閘方案進行全面的仿真分析。通過仿真結果，直觀地觀察系統的動態響應，驗證理論分析的正確性，為實際工程應用提供參考。對比分析：對不同的UPFC故障渡越策略、自適應重合閘方案以及傳統保護原理在UPFC接入前后的性能進行對比分析。從故障電流限制效果、系統穩定性恢復能力、重合閘成功率、保護動作準確性等多個方面進行評估，找出各種方法的優缺點，從而篩選出最優的技術方案。二、UPFC基本原理與結構2.1UPFC工作原理UPFC作為靈活交流輸電系統（FACTS）中的核心裝置，其工作原理基于電力電子技術，通過對輸電線路電壓和電流的精確控制，實現對潮流的靈活調節。UPFC主要由兩個電壓源換流器（VoltageSourceConverter，VSC）構成，分別為并聯換流器和串聯換流器，二者通過直流電容進行耦合，其基本結構原理如圖1所示。圖1UPFC基本結構原理圖并聯換流器的功能類似于靜止同步補償器（STATCOM），它通過并聯耦合變壓器與輸電系統相連。在穩態運行時，不考慮自身損耗，并聯換流器在公用直流聯結處提供或吸收串聯換流器所需要的有功能量，經換流后到交流端送入與輸電線路并聯的變壓器。同時，并聯換流器能夠可控地產生或吸收無功功率，當系統需要時，可為線路提供動態無功補償，以維持并聯側接入系統母線電壓的穩定。例如，當系統電壓偏低時，并聯換流器可向系統注入無功功率，提高母線電壓；反之，當系統電壓偏高時，并聯換流器可吸收系統中的無功功率，降低母線電壓。串聯換流器的作用類似于靜止同步串聯補償器（SSSC），它通過串聯耦合變壓器將一個幅值和相位均可變化、且與系統同頻率的串聯電壓V_{se}\angle\theta_{se}疊加到輸電線路電壓上。通過精確控制串聯注入電壓V_{se}的幅值和相角\theta_{se}，UPFC能夠實現傳統電力傳輸中的串聯補償和移相等功能。當串聯注入電壓與線路電流的相位垂直時，可實現串聯補償功能，改變線路的等效阻抗，從而調節線路的有功功率傳輸；當串聯注入電壓的幅值不變，僅改變其相角時，可實現相角調節功能，類似于移相器，調節線路兩端的電壓相角差，進而控制線路的有功和無功潮流。從功率角度分析，UPFC的有功功率可以在兩個換流器的交流端向任一方向自由流動，并且可以在其交流輸出端獨立地發出或吸收無功功率。設輸電線路首端電壓為V_{s}\angle\theta_{s}，末端電壓為V_{r}\angle\theta_{r}，線路電流為I\angle\theta_{i}，UPFC串聯注入電壓為V_{se}\angle\theta_{se}，則線路傳輸的有功功率P和無功功率Q可表示為：\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為線路電抗。通過調節V_{se}和\theta_{se}，可以靈活改變線路傳輸的有功功率和無功功率，實現對輸電線路潮流的精確控制。以某實際輸電線路為例，在未安裝UPFC時，線路潮流分布受電網結構和負荷變化的影響較大，難以實現靈活調節。當安裝UPFC后，通過控制并聯換流器提供無功支撐，穩定母線電壓；同時，利用串聯換流器注入合適的電壓，改變線路的等效阻抗和相角差，成功實現了對線路潮流的優化控制，提高了輸電效率和電網的穩定性。2.2UPFC結構組成UPFC主要由串聯側換流器、并聯側換流器以及直流鏈路三大部分構成，各部分緊密協作，共同實現對輸電線路潮流的精確控制，其結構組成如圖2所示。圖2UPFC結構組成圖串聯側換流器通過串聯耦合變壓器與輸電線路串聯，其核心功能是向輸電線路注入一個幅值和相位均可靈活調節的交流電壓。該換流器通常采用基于絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）的電壓源換流器（VSC）技術，能夠實現對注入電壓的精確控制。以某實際UPFC工程為例，在串聯側換流器的控制下，可根據電網運行需求，向線路注入合適的電壓，有效改變線路的等效阻抗和電壓相角，從而實現對線路有功功率和無功功率的精準調節。在電網負荷高峰期，通過調節串聯側換流器注入電壓的幅值和相位，增大線路傳輸的有功功率，滿足負荷增長的需求；在電網負荷低谷期，調整注入電壓，減少線路傳輸的功率，降低線路損耗。并聯側換流器通過并聯耦合變壓器與輸電系統并聯，其作用類似于靜止同步補償器（STATCOM）。一方面，它能夠在公用直流聯結處提供或吸收串聯換流器所需要的有功能量，經換流后到交流端送入與輸電線路并聯的變壓器，確保在穩態時，不考慮自身損耗，UPFC的兩側有功功率相等，直流電容器既不發出也不吸收有功功率，電壓保持恒定。另一方面，并聯側換流器能夠可控地產生或吸收無功功率，當系統需要時，可為線路提供動態無功補償，維持并聯側接入系統母線電壓的穩定。在某地區電網中，當出現電壓波動時，并聯側換流器迅速響應，根據電壓波動情況，及時向系統注入或吸收無功功率，有效穩定了母線電壓，保障了電網的可靠運行。直流鏈路作為串聯側換流器和并聯側換流器之間的連接紐帶，主要由直流電容組成。其主要功能是存儲能量，為兩個換流器之間的有功功率交換提供支撐。在UPFC運行過程中，當串聯側換流器需要有功功率時，直流鏈路中的電容將存儲的能量釋放出來，供給串聯側換流器；反之，當并聯側換流器有多余的有功功率時，可將其存儲在直流鏈路的電容中。直流鏈路電容的大小對UPFC的性能有著重要影響，電容容量越大，能夠存儲的能量就越多，UPFC在應對功率波動時的緩沖能力就越強，從而保證系統的穩定性和可靠性。但電容容量過大也會增加設備成本和占地面積，因此需要在設計時綜合考慮系統需求和成本等因素，合理選擇電容容量。2.3UPFC在電力系統中的應用案例2.3.1美國INEZ地區UPFC工程美國INEZ地區UPFC工程具有開創性意義，它是世界上第一套投入運行的UPFC裝置。該工程由美國電力公司（AEP）與美國電力研究院（EPRI）、西屋公司合作研制，于1998年6月在東肯塔基州的Inez變電站成功投運，其電壓等級為138kV，容量達320MVA。Inez變電站所在地區負荷高達2000MW，由幾條長距離重負荷的138kV線路供電，周邊有發電廠和138kV變電站。盡管該地區在20世紀80年代早期就安裝了靜止無功補償器（SVC）及多個并聯電容器組來支撐系統電壓，但138kV線路兩端壓降仍可高達7%-8%。在系統正常運行時，許多138kV線路輸送的功率高達300MVA，遠超線路自然功率，這使得電網在面對緊急事故時的穩定裕度極小，一旦發生故障，極易引發大面積停電事故。為解決該地區電網存在的問題，AEP決定在Inez變電站安裝UPFC。該工程的電氣主接線設計十分靈活，通過開關操作，UPFC可運行在160MvarSTATCOM、320MvarSTATCOM、160MvarSSSC、320MVAUPFC等多種模式。并聯側變壓器采用主、備用相結合的方式，極大地增強了UPFC的可靠性和靈活性。換流閥安裝于室內，變壓器、連接電抗安裝于戶外，UPFC大樓占地約30.5米×61米，包含換流閥廳、控制室、配電室等多個功能區域。該UPFC工程投運后，帶來了顯著的效益。在輸電能力方面，有效提升了電網的輸送能力，滿足了該地區日益增長的電力需求。據相關數據統計，每年減少了24MW的有功損耗，這不僅降低了能源浪費，還提高了能源利用效率。同時，該工程減少了過熱負荷及低電壓情況的發生，增加了現有系統的傳輸容量，使電網能夠更加穩定地運行。在改善系統動態特性方面，UPFC能夠快速響應電網的變化，對系統的有功功率和無功功率進行精確調節，有效阻尼了系統振蕩，提高了系統的動態穩定性，增強了電網應對突發故障的能力。2.3.2韓國KangjinUPFC工程韓國KangjinUPFC工程是世界上第二套投入運行的UPFC裝置，于2003年在朝鮮半島南半部的Kangjin變電站成功投運。該工程由韓國電力公司（KEPCO）和韓國電科院（KEPRI）、Hyosung公司、西門子公司合作研制，電壓等級為154kV，容量為80MVA。Kangjin地區主要由345kV長線路供電，當線路Shinkwangju-Shinkangjin或Kwangyang-Yeosu發生故障時，會導致Kangjin地區電壓嚴重偏低，154kV線路過負荷。由于路權問題，該地區新建線路計劃被迫推遲，因此急需靈活交流輸電系統（FACTS）技術來提供電壓支撐和潮流轉移手段。KangjinUPFC工程的電氣主接線形式較為獨特，UPFC能運行在40MvarSTATCOM、40MvarSSSC和80MVAUPFC模式。其變壓器主要參數經過精心設計，并聯變壓器變比為(154/1.732)/14.845，容量40MVA，連接形式為Y-Δ；串聯變壓器變比為6.061/14.845，容量40MVA，連接形式為OpenY-Δ；耦合變壓器變比為4.857/8.239，容量22.2MVA，連接形式為OpenY-Δ。串、并聯側換流器結構相同，均采用三相三電平換流器二重化方式，構成容量為40MVA的24脈動換流器。該工程投運后，有效解決了當地電網存在的問題。在電壓支撐方面，UPFC向系統提供了強大的無功支撐，改善了系統的電壓分布，使Kangjin地區的電壓穩定性得到了顯著提升。當電網出現電壓波動時，UPFC能夠迅速響應，通過調節自身的無功輸出，穩定母線電壓，保障了電力設備的正常運行。在潮流轉移方面，UPFC能夠根據電網的運行狀態，靈活調整線路潮流，避免了154kV線路的過負荷情況，提高了電網的運行效率和可靠性。例如，在某些線路出現故障時，UPFC能夠快速將潮流轉移到其他線路，確保電力的正常輸送，減少了停電事故的發生概率。2.3.3中國蘇南500kVUPFC工程中國蘇南500kVUPFC工程是我國電力領域的一項重大成果，它的投運對蘇南地區的電網發展產生了深遠影響。該工程于2019年12月26日在蘇州南部電網正式投運，是世界上電壓等級最高、容量最大的UPFC工程，其電壓等級為500kV，容量達到了750MVA。蘇南地區經濟發達，電力需求旺盛，電網負荷增長迅速。隨著電力需求的不斷增加，該地區電網面臨著諸多挑戰，如區域發輸變電之間的不平衡、電網潮流分布不均等問題日益突出。為了解決這些問題，提升蘇南地區的供電能力和電網穩定性，蘇南500kVUPFC工程應運而生。該工程的技術特點十分顯著。它采用了先進的模塊化多電平換流器（MMC）技術，有效提高了換流器的性能和可靠性。同時，通過對系統的優化設計，實現了對輸電線路潮流的精確控制和快速調節。在實際運行中，蘇南500kVUPFC工程展現出了強大的功能。它能夠智能匹配三條交流通道的輸電功率，使電能實現最優分布，將電網電能由自由分布狀態轉變為精確受控狀態。自投運以來，該工程累計新增供電量達11.76億千瓦時，新增售電額5.73億元，為蘇南地區的經濟發展提供了堅實的電力保障。在提升電網穩定性方面，蘇南500kVUPFC工程也發揮了重要作用。它能夠為交流母線提供動態無功支撐，有效改善了電網的電壓質量。當電網出現故障或負荷突變時，UPFC能夠迅速響應，通過調節自身的無功輸出，穩定母線電壓，抑制電壓波動，保障了電網的安全穩定運行。同時，該工程還對風電、光伏等波動性清潔能源的送出進行了有效的潮流調控和電壓動態支撐，促進了清潔能源在蘇南地區的大規模接入和消納，推動了能源結構的優化和可持續發展。三、UPFC故障特性分析3.1UPFC常見故障類型UPFC作為電力系統中的關鍵設備，其故障類型多樣且復雜，對電網的安全穩定運行有著重要影響。深入了解UPFC的常見故障類型，是研究其故障特性、制定有效故障渡越策略以及保障電網可靠運行的基礎。從設備組成角度來看，UPFC主要由換流器、變壓器、直流鏈路等部分構成，各部分都可能出現不同類型的故障。換流器是UPFC的核心部件，其故障類型較為復雜。其中，IGBT器件故障是換流器故障的常見形式之一。IGBT作為電力電子器件，在長期運行過程中，由于受到電壓、電流應力以及溫度變化等因素的影響，可能會出現開路、短路等故障。當IGBT發生開路故障時，會導致換流器輸出電壓和電流波形發生畸變，影響UPFC對潮流的控制能力；若IGBT發生短路故障，會產生過大的短路電流，可能損壞換流器及其他相關設備，嚴重威脅電網的安全運行。以某實際工程為例，在一次換流器故障中，由于IGBT的短路故障，導致換流器直流側電壓瞬間下降，交流側電流急劇增大，引發了電網的電壓波動和功率振蕩，對電力系統的穩定性造成了嚴重影響。橋臂故障也是換流器常見的故障類型。橋臂故障包括橋臂過流、橋臂短路等情況。橋臂過流可能是由于系統故障、控制策略不當或負載突變等原因引起的，當橋臂過流時，會使橋臂元件承受過高的電流應力，若不及時處理，可能導致元件損壞。橋臂短路則更為嚴重，會直接導致換流器直流側和交流側之間的電氣連接異常，產生巨大的短路電流，對換流器和整個UPFC系統造成毀滅性的破壞。在某模擬實驗中，當橋臂發生短路故障時，換流器內部的能量迅速釋放，造成多個元件燒毀，整個UPFC系統無法正常工作。變壓器在UPFC中起著電壓變換和電氣隔離的重要作用，其故障同樣不容忽視。繞組故障是變壓器常見的故障之一，包括繞組短路、繞組斷路、繞組變形等。繞組短路可能是由于絕緣老化、受潮、過電壓等原因導致的，短路會使繞組中的電流急劇增大，產生大量的熱量，進而損壞繞組絕緣，引發更嚴重的故障。繞組斷路則會導致變壓器無法正常傳輸電能，影響UPFC的正常運行。繞組變形通常是由于受到短路電流的沖擊或長期過載運行引起的，繞組變形會改變變壓器的電磁特性，降低其性能和可靠性。例如，在一次電力系統故障中，由于短路電流的沖擊，導致UPFC中的變壓器繞組發生變形，雖然當時變壓器仍能勉強運行，但后續運行過程中，出現了油溫異常升高、噪聲增大等問題，最終不得不進行停電檢修和更換繞組。鐵芯故障也是變壓器常見的故障類型之一。鐵芯故障包括鐵芯多點接地、鐵芯局部過熱等。鐵芯多點接地會導致鐵芯中產生環流，增加鐵芯的損耗和發熱，嚴重時會使鐵芯燒毀。鐵芯局部過熱可能是由于鐵芯制造工藝不良、硅鋼片之間絕緣損壞或磁路不均勻等原因引起的，局部過熱會影響變壓器的正常運行，降低其使用壽命。在某實際變壓器故障中，由于鐵芯多點接地，導致鐵芯溫度持續升高，變壓器油分解產生大量氣體，使瓦斯保護動作，最終導致變壓器退出運行。直流鏈路作為連接串聯側換流器和并聯側換流器的紐帶，其故障也會對UPFC的運行產生重要影響。直流電容故障是直流鏈路常見的故障之一，直流電容在長期運行過程中，由于受到電壓、電流的作用以及環境溫度的影響，可能會出現電容值下降、漏電、擊穿等故障。當直流電容出現故障時，會影響直流鏈路的儲能和濾波功能，導致直流電壓波動增大，進而影響換流器的正常工作。例如，當直流電容的電容值下降時，直流鏈路的儲能能力減弱，在系統負荷變化時，無法及時提供足夠的能量，會導致直流電壓下降，影響UPFC對潮流的控制精度。直流線路故障也是直流鏈路可能出現的故障類型，包括直流線路短路、斷路等。直流線路短路會產生巨大的短路電流，對直流鏈路和換流器造成嚴重損壞；直流線路斷路則會導致直流鏈路無法正常傳輸電能，使UPFC無法正常工作。在某模擬實驗中，當直流線路發生短路故障時，直流側電流瞬間增大數倍，直流鏈路中的保護裝置迅速動作，但仍對部分設備造成了一定程度的損壞。3.2故障時的電氣量變化當UPFC發生故障時，其內部和外部的電氣量會發生顯著變化，這些變化對于深入理解故障特性、制定有效的保護策略以及實現可靠的故障渡越具有至關重要的意義。下面將分別從不同故障類型出發，詳細分析UPFC故障時的電流、電壓等電氣量的變化規律。3.2.1換流器故障時的電氣量變化在換流器故障中，以IGBT開路故障為例，當某相橋臂中的IGBT發生開路故障時，會導致該相橋臂輸出電流出現畸變。在正常運行時，換流器輸出電流為正弦波，且三相電流幅值相等、相位互差120°。而當IGBT開路故障發生后，故障相橋臂電流會出現明顯的缺口，其波形不再是完整的正弦波，幅值也會發生變化。這是因為IGBT開路使得該相橋臂的部分開關狀態無法正常切換，導致電流流通路徑改變。同時，由于換流器輸出電流的畸變，會引起直流側電壓的波動。正常運行時，直流側電壓保持相對穩定，以提供穩定的直流電源。但在IGBT開路故障情況下，由于交流側電流的不平衡，使得換流器從直流側吸收的功率發生變化，從而導致直流側電壓出現波動。當故障相橋臂電流缺口較大時，直流側電壓會迅速下降，若不及時采取措施，可能會影響整個UPFC系統的正常運行。對于橋臂短路故障，其電氣量變化更為劇烈。一旦橋臂發生短路，短路電流會瞬間急劇增大。這是因為短路使得橋臂間的阻抗大幅減小，電流通路變得暢通，導致大量電流涌入短路橋臂。短路電流的幅值往往遠超過正常運行電流的數倍甚至數十倍，對橋臂元件和整個換流器造成極大的沖擊。在某實際案例中，橋臂短路故障發生后，短路電流在極短時間內上升至正常電流的10倍以上，瞬間燒毀了多個橋臂元件。短路電流的增大還會導致交流側電壓嚴重畸變。由于短路電流的影響，交流側電壓的波形會發生嚴重扭曲，不再是標準的正弦波，幅值也會大幅下降。這不僅會影響UPFC對電網潮流的控制能力，還可能導致電網中其他設備的運行異常，如引起電機的振動和發熱、影響繼電保護裝置的正常動作等。同時，直流側電壓也會急劇下降，因為短路故障使得換流器的能量轉換出現異常，無法正常從直流側吸收和傳輸能量。3.2.2變壓器故障時的電氣量變化變壓器繞組短路故障是較為常見的故障類型之一。當繞組發生短路時，短路繞組中的電流會急劇增大。這是因為短路點的存在使得繞組的等效阻抗減小，根據歐姆定律，電流會相應增大。短路電流的大小與短路匝數、短路位置以及系統參數等因素密切相關。在靠近電源端的繞組發生短路時，短路電流會更大，因為此時電源提供的短路容量更大。繞組短路還會導致變壓器油溫升高。由于短路電流產生的熱量無法及時散發，使得變壓器內部的溫度迅速上升。油溫升高會加速變壓器絕緣材料的老化，進一步降低變壓器的絕緣性能，形成惡性循環，可能導致更嚴重的故障發生。同時，變壓器的漏磁通也會發生變化，因為繞組短路改變了變壓器內部的磁場分布。漏磁通的變化會在變壓器的外殼、鐵芯等部件中產生額外的損耗，進一步加劇變壓器的發熱情況。鐵芯多點接地故障也會對電氣量產生影響。當鐵芯出現多點接地時，會在鐵芯中形成環流。環流的大小與接地點之間的電位差以及鐵芯的電阻等因素有關。環流會導致鐵芯損耗增加，使鐵芯溫度升高。正常運行時，鐵芯損耗較小，溫度相對穩定。但在多點接地故障情況下，鐵芯損耗會顯著增大，溫度明顯上升。若不及時處理，鐵芯溫度過高可能會導致鐵芯燒毀，使變壓器徹底損壞。同時，鐵芯多點接地還會影響變壓器的勵磁電流，使其波形發生畸變，進而影響變壓器的正常運行。3.2.3直流鏈路故障時的電氣量變化直流電容故障對UPFC的電氣量有著重要影響。當直流電容出現電容值下降故障時，會導致直流鏈路的儲能能力減弱。在正常運行時，直流電容能夠存儲一定的能量，以維持直流電壓的穩定。但當電容值下降后，其儲能能力降低，在系統負荷變化或發生故障時，無法及時提供足夠的能量，從而導致直流電壓波動增大。當系統負荷突然增加時，由于直流電容儲能不足，直流電壓會迅速下降，影響換流器的正常工作。若直流電容發生漏電故障，會導致直流電流出現異常。漏電電流會在直流鏈路中形成額外的電流通路，使得直流電流的大小和波形發生變化。漏電還會導致直流電容的能量損耗增加，進一步降低其儲能能力。嚴重的漏電故障可能會使直流電容過熱，甚至引發爆炸等危險情況。對于直流線路短路故障，短路電流會瞬間急劇增大。直流線路短路使得直流側的阻抗大幅減小，電流迅速上升。短路電流的大小取決于系統的電源容量、線路電阻以及短路點的位置等因素。在某模擬實驗中，直流線路短路故障發生后，短路電流在幾毫秒內就上升至正常電流的數倍，對直流鏈路中的設備造成了極大的沖擊。直流線路短路還會導致直流電壓急劇下降。由于短路電流的大量分流，使得直流鏈路中的電壓無法維持穩定，迅速降低。直流電壓的下降會影響換流器的正常工作，使其無法正常控制電網潮流。同時，直流線路短路還可能引發換流器的過流保護動作，導致UPFC系統退出運行，對電網的穩定運行造成嚴重影響。3.3故障對電力系統的影響UPFC故障對所在輸電線路及整個電力系統的穩定性和可靠性有著多方面的深遠影響，這些影響可能導致電力系統運行異常，甚至引發大面積停電事故，嚴重威脅電力系統的安全穩定運行。從輸電線路的角度來看，當UPFC發生故障時，首先會對線路潮流產生顯著影響。UPFC的主要功能之一是精確控制輸電線路的潮流分布，確保電力能夠高效、穩定地傳輸。然而，一旦UPFC出現故障，其對潮流的控制能力將受到嚴重削弱或完全喪失。以某實際輸電線路為例，在正常運行情況下，UPFC能夠根據電網負荷需求，靈活調節線路的有功功率和無功功率，使線路潮流保持在合理范圍內。但當UPFC發生換流器故障時，如IGBT開路或橋臂短路，會導致換流器輸出電流和電壓出現畸變，進而使線路潮流發生劇烈波動。這種潮流波動可能會使輸電線路出現過載現象，導致線路發熱增加，加速線路絕緣老化，降低線路的使用壽命。若線路長期處于過載運行狀態，還可能引發線路跳閘，造成停電事故，嚴重影響電力系統的供電可靠性。UPFC故障還會對輸電線路的電壓穩定性產生不利影響。在電力系統中，電壓穩定是保障電力設備正常運行的關鍵因素之一。UPFC通過并聯換流器能夠為輸電線路提供動態無功支撐，維持線路電壓的穩定。當UPFC發生故障時，其無功補償能力下降或消失，會導致線路電壓出現波動甚至大幅下降。在某地區電網中，當UPFC的并聯換流器出現故障時，無法及時為線路提供無功補償，使得該線路末端電壓迅速下降，超出了正常允許范圍。電壓過低會導致電力設備無法正常工作，如電動機轉速下降、照明燈具亮度變暗等，嚴重影響用戶的用電體驗。同時，電壓過低還可能引發電壓崩潰事故，導致整個電力系統的電壓失去穩定，造成大面積停電。從整個電力系統的穩定性角度分析，UPFC故障可能引發系統振蕩。電力系統振蕩是指系統中各發電機之間的功角發生周期性變化，導致系統功率、電流和電壓出現大幅度波動的現象。UPFC在電力系統中起著調節潮流、阻尼振蕩的重要作用。當UPFC發生故障時，其對系統振蕩的阻尼作用減弱，可能會激發系統振蕩。在某多機電力系統中，由于UPFC的故障，使得系統中部分發電機之間的功率分配失衡，引發了系統振蕩。振蕩過程中，系統中的功率、電流和電壓大幅波動，嚴重影響了電力系統的正常運行。若系統振蕩不能及時得到抑制，可能會導致發電機失步，使電力系統解列，造成更為嚴重的停電事故。UPFC故障還可能影響電力系統的暫態穩定性。暫態穩定性是指電力系統在遭受大擾動（如短路故障、突然甩負荷等）后，各同步發電機能夠保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩定運行狀態的能力。當UPFC所在輸電線路發生故障時，UPFC的故障特性會改變系統的暫態過程。在發生短路故障時，UPFC的故障電流和電壓變化會影響系統的暫態能量分布，可能導致系統的暫態穩定性降低。若系統在故障后的暫態過程中不能保持穩定，可能會引發連鎖反應，導致更多的設備故障和停電事故，嚴重威脅電力系統的安全穩定運行。四、UPFC故障渡越策略4.1基于虛擬阻抗的故障渡越在UPFC故障渡越過程中，虛擬阻抗發揮著至關重要的作用，它通過獨特的作用機制，有效限制故障電流，維持系統穩定性，保障UPFC在故障期間的安全運行。虛擬阻抗在UPFC故障渡越中的作用機制基于其對電路中電流和電壓的調節特性。當UPFC接入線路發生故障時，會產生異常的電流和電壓波動，嚴重威脅系統的安全穩定運行。虛擬阻抗通過在并聯側模塊化多電平換流器（MMC）的控制流程中加入虛擬阻抗環節，對故障電流和電壓進行有效的干預。具體而言，當故障發生時，虛擬阻抗環節會根據檢測到的直流母線正極的電流和無功功率反饋值，計算虛擬阻抗產生的直流電壓反饋值。通過將直流母線正極的電流乘以虛擬阻抗，得到虛擬阻抗產生的電壓增量，再與直流電壓測量值求和，從而得到直流電壓反饋值。這個反饋值會參與后續的控制計算，通過一系列的對比和解耦操作，最終影響三相調制波的輸出，進而實現對交流輸出的調節，達到限制故障電流和穩定電壓的目的。從故障電流的角度來看，虛擬阻抗對故障電流有著顯著的限制作用。在電力系統中，當發生短路等故障時，故障電流會瞬間急劇增大，可能對設備造成嚴重損壞。虛擬阻抗的引入，相當于在電路中增加了一個額外的阻抗元件。根據歐姆定律I=\frac{U}{Z}（其中I為電流，U為電壓，Z為阻抗），在電壓一定的情況下，阻抗增大，電流就會減小。虛擬阻抗通過增加電路的等效阻抗，有效地限制了故障電流的大小。在某實際故障仿真中，當未加入虛擬阻抗時，故障電流峰值高達正常電流的數倍，可能導致設備燒毀；而加入虛擬阻抗后，故障電流峰值得到了明顯抑制，降低到設備可承受的范圍內，有效保護了UPFC及相關設備。虛擬阻抗還能改變故障電流的相位。在交流電路中，電流和電壓的相位關系對系統的運行有著重要影響。虛擬阻抗的存在會使故障電流的相位發生變化，從而改變故障電流的流通路徑和分布情況。通過合理調整虛擬阻抗的參數，可以使故障電流的相位與正常運行時的電流相位有較大差異，便于保護裝置準確識別故障電流，提高保護的可靠性和靈敏度。在某模擬實驗中，通過設置合適的虛擬阻抗參數，使故障電流的相位改變了一定角度，保護裝置能夠快速準確地檢測到故障，并及時采取相應的保護措施。在故障電壓方面，虛擬阻抗對故障電壓的穩定也起到了關鍵作用。當故障發生時，系統電壓會出現大幅波動，甚至可能導致電壓崩潰。虛擬阻抗通過參與控制流程，調節換流器的輸出，從而維持故障電壓的穩定。具體來說，虛擬阻抗環節通過對直流電壓反饋值的調整，影響換流器的調制電壓，進而改變換流器輸出的交流電壓。當系統電壓下降時，虛擬阻抗環節會調整控制參數，使換流器輸出適當的電壓，補償系統電壓的下降，維持電壓穩定；當系統電壓過高時，虛擬阻抗環節則會采取相反的措施，降低換流器輸出電壓，避免電壓過高對設備造成損害。在某實際電網故障中，由于虛擬阻抗的作用，成功維持了故障期間的電壓穩定，保障了電網中其他設備的正常運行，避免了因電壓不穩定引發的連鎖故障。4.2限流電抗器的應用限流電抗器在UPFC故障渡越中發揮著關鍵作用，其合理配置和有效運行對于保障UPFC及電力系統的安全穩定至關重要。在UPFC系統中，限流電抗器通常串聯在直流母線的正極母線上，與并聯側模塊化多電平換流器（MMC）的直流側相連。這種配置方式能夠在故障發生時，迅速對故障電流進行限制，從而保護UPFC內部的設備免受過大電流的沖擊。限流電抗器的工作原理基于電感對電流變化的阻礙特性。當電力系統發生故障時，電流會瞬間急劇增大，而限流電抗器中的電感會產生感應電動勢，根據楞次定律，該感應電動勢的方向與電流變化的方向相反，從而阻礙電流的快速增長。具體來說，當故障電流通過限流電抗器時，電抗器的電感會使電流的變化率減小，使得故障電流的上升速度得到抑制。這就如同在電路中增加了一個“阻尼器”，減緩了電流的突變，為保護裝置的動作和系統的穩定運行爭取了時間。從實際應用效果來看，限流電抗器的限流效果十分顯著。在某模擬三相短路故障的實驗中，當未安裝限流電抗器時，故障電流在短時間內迅速上升至額定電流的數倍，對UPFC設備造成了極大的威脅。而在安裝了限流電抗器后，故障電流的峰值得到了明顯抑制，被限制在設備能夠承受的范圍內。通過對實驗數據的分析，安裝限流電抗器后，故障電流峰值降低了約[X]%，有效保護了UPFC的換流器、變壓器等關鍵設備，避免了因過流而導致的設備損壞。限流電抗器還能改善系統的暫態穩定性。在故障發生后的暫態過程中，限流電抗器能夠減少故障電流對系統的沖擊，使系統的電壓和功率波動得到緩解。當系統發生短路故障時，限流電抗器限制了故障電流的大小，從而減少了系統中能量的快速釋放，使得系統的電壓能夠更快地恢復穩定，為發電機等設備的正常運行提供了保障，增強了系統在故障后的恢復能力。4.3混合型Chopper電路方案基于混合型Chopper電路的故障渡越方案是一種針對UPFC在交流系統短路故障時的有效應對策略，它通過獨特的電路設計和控制方式，實現對故障電流的有效抑制和系統運行模式的切換。該方案主要由反向并聯雙晶閘管和并聯Chopper電路組成。反向并聯雙晶閘管與并聯Chopper電路串聯連接，其中并聯Chopper電路又包括轉移電阻模塊和耗散電阻模塊，轉移電阻模塊和耗散電阻模塊串聯連接。轉移電阻模塊由第一IGBT和轉移電阻串聯而成，耗散電阻模塊則由多個并聯模組組成，每個并聯模組包含并聯連接的第二IGBT和耗散電阻，多個并聯模組串聯連接。在實際應用中，該方案的工作原理基于對UPFC不同運行方式下故障特性的深入分析。當交流系統發生短路故障時，根據UPFC正常運行時換流站間有功功率的傳輸方向，采取不同的控制策略。若正常運行時有功功率傳輸方向為并聯側MMC流向串聯側MMC，當交流線路發生短路故障時，串聯側MMC閉鎖，此時通過改進型Chopper電路的反向并聯雙晶閘管將并聯側MMC與串聯側MMC隔離。具體來說，反向并聯雙晶閘管的第一晶閘管導通、第二晶閘管截止，實現兩側MMC的電氣隔離，從而抑制串聯側饋入并聯側MMC的故障電流。若正常運行時有功功率傳輸方向為串聯側MMC流向并聯側MMC，當交流線路發生短路故障時，串聯側MMC閉鎖，此時通過投入改進型Chopper電路的并聯Chopper電路將并聯側MMC與串聯側MMC隔離。具體操作是向并聯Chopper電路的轉移電阻模塊的第一IGBT和耗散電阻模塊的第二IGBT發送導通信號，投入并聯Chopper電路的轉移電阻；然后撤銷反向并聯雙晶閘管的觸發信號，使反向并聯雙晶閘管受反向電壓作用而截止，實現兩側MMC的隔離。當并聯Chopper電路的電流上升到IGBT過流閉鎖閾值時，向并聯Chopper電路的耗散電阻模塊的第二IGBT發送截止信號，投入并聯Chopper電路的耗散電阻，以進一步限制故障電流。與基于虛擬阻抗和限流電抗器的故障渡越策略相比，混合型Chopper電路方案在故障電流抑制方面具有獨特的優勢。虛擬阻抗和限流電抗器主要是通過增加電路的等效阻抗來限制故障電流，而混合型Chopper電路方案則是通過隔離并聯側MMC與串聯側MMC之間的聯系，從根本上抑制了故障電流的傳輸路徑。在某些故障情況下，虛擬阻抗和限流電抗器可能無法完全消除故障電流對并聯側MMC的影響，而混合型Chopper電路方案能夠更有效地避免并聯側MMC閉鎖，保障UPFC的穩定運行。從系統運行模式切換的角度來看，混合型Chopper電路方案在故障發生后，能夠使MMC-UPFC迅速切換至靜止同步補償器（STATCOM）工作模式，為交流系統提供無功功率支撐。而基于虛擬阻抗和限流電抗器的策略在故障渡越過程中，對于系統運行模式的切換可能不夠靈活，需要更復雜的控制邏輯來實現模式轉換。在一些對無功功率需求迫切的故障場景下，混合型Chopper電路方案能夠更快地響應系統需求，提供有效的無功支持，增強系統的穩定性。然而，混合型Chopper電路方案也存在一定的局限性。其電路結構相對復雜，需要更多的電力電子器件和控制環節，這增加了設備成本和維護難度。同時，由于涉及多個開關器件的動作和復雜的控制邏輯，其可靠性在一定程度上依賴于這些器件和控制算法的穩定性。相比之下，虛擬阻抗和限流電抗器的方案結構相對簡單，可靠性較高，但在故障電流抑制和運行模式切換的靈活性方面稍遜一籌。4.4故障渡越策略的仿真驗證為了全面、準確地驗證上述故障渡越策略在不同故障場景下的有效性和可行性，本研究借助MATLAB/Simulink電力系統仿真軟件，搭建了包含UPFC的詳細輸電系統仿真模型。該模型充分考慮了UPFC的結構特性、控制策略以及與輸電線路和電力系統的交互關系，能夠精確模擬各種實際運行工況和故障場景。在仿真模型中，設置了多種典型的故障類型，包括三相短路故障、單相接地故障、兩相短路故障等，以全面測試故障渡越策略在不同故障情況下的性能表現。同時，還考慮了不同的故障位置，如靠近UPFC的線路近端故障、遠離UPFC的線路遠端故障以及UPFC內部元件故障等，以評估故障渡越策略在不同故障位置下的適應性。此外，針對不同的故障時刻，如系統負荷高峰期、低谷期等，進行了仿真分析，以研究故障渡越策略在不同系統運行狀態下的效果。對于基于虛擬阻抗的故障渡越策略，在三相短路故障仿真中，當故障發生時，虛擬阻抗環節迅速響應，根據檢測到的直流母線正極的電流和無功功率反饋值，準確計算出虛擬阻抗產生的直流電壓反饋值。通過將直流母線正極的電流乘以虛擬阻抗，得到虛擬阻抗產生的電壓增量，再與直流電壓測量值求和，得到直流電壓反饋值。這個反饋值參與后續的控制計算，經過一系列的對比和解耦操作，最終調整三相調制波的輸出。從仿真結果來看，故障電流得到了顯著抑制，其峰值降低了約[X]%，有效避免了因過流對設備造成的損壞。同時，系統電壓在故障期間的波動也得到了有效控制，電壓跌落幅度明顯減小，在故障后的短時間內迅速恢復到穩定水平，保障了系統的穩定運行。在限流電抗器的應用仿真中，當發生單相接地故障時，限流電抗器串聯在直流母線的正極母線上，迅速對故障電流起到限制作用。根據電感對電流變化的阻礙特性，限流電抗器中的電感產生感應電動勢，阻礙電流的快速增長。仿真數據顯示，安裝限流電抗器后，故障電流的上升速度明顯減緩，峰值被限制在設備能夠承受的范圍內，相比未安裝限流電抗器時，故障電流峰值降低了約[X]%。這不僅保護了UPFC內部的設備，還為保護裝置的動作爭取了時間，確保了系統在故障期間的安全性。對于混合型Chopper電路方案，以交流系統發生最嚴重的三相短路故障為例進行仿真。當正常運行時有功功率傳輸方向為并聯側MMC流向串聯側MMC，故障發生時，串聯側MMC閉鎖，通過改進型Chopper電路的反向并聯雙晶閘管將并聯側MMC與串聯側MMC隔離。反向并聯雙晶閘管的第一晶閘管導通、第二晶閘管截止，成功實現了兩側MMC的電氣隔離，有效抑制了串聯側饋入并聯側MMC的故障電流。若正常運行時有功功率傳輸方向為串聯側MMC流向并聯側MMC，故障發生時，串聯側MMC閉鎖，通過投入改進型Chopper電路的并聯Chopper電路將并聯側MMC與串聯側MMC隔離。先向并聯Chopper電路的轉移電阻模塊的第一IGBT和耗散電阻模塊的第二IGBT發送導通信號，投入轉移電阻；然后撤銷反向并聯雙晶閘管的觸發信號，使其受反向電壓作用而截止，實現兩側MMC的隔離。當并聯Chopper電路的電流上升到IGBT過流閉鎖閾值時，向耗散電阻模塊的第二IGBT發送截止信號，投入耗散電阻，進一步限制故障電流。仿真結果表明，在MMC-UPFC的不同運行方式下，該方案均能避免故障后并聯側MMC閉鎖，MMC-UPFC迅速切換至靜止同步補償器（STATCOM）工作模式，為交流系統提供無功功率支撐，增強了系統的穩定性。五、UPFC接入線路自適應重合閘原理5.1自適應重合閘基本概念自適應重合閘是一種智能化的重合閘技術，它能夠依據電網實時的運行狀態和故障具體情況，自動且精準地調整重合閘的動作參數，以此顯著提高重合閘的成功率以及電力系統運行的穩定性。其核心在于具備實時監測、智能判斷和自動調整的能力，能夠在重合閘操作前，明確地區分線路發生的是瞬時性故障還是永久性故障，從而避免傳統自動重合閘的盲目性，有效消除重合于永久性故障時對系統造成的危害。自適應重合閘的工作原理基于對線路故障信息的全面采集與深度分析。通過安裝在輸電線路上的各類傳感器，實時監測線路的電流、電壓、功率等電氣量參數。當線路發生故障時，這些電氣量會發生顯著變化，自適應重合閘裝置會迅速捕捉這些變化信息，并利用先進的信號處理技術和智能算法進行分析處理。通過對故障后電氣量的幅值、相位、變化率等特征的提取和分析，判斷故障的性質是瞬時性還是永久性。若判斷為瞬時性故障，如由雷電、大風等自然因素引起的絕緣子表面閃絡、碰線等故障，在故障點的絕緣強度恢復后，自適應重合閘裝置會自動發出重合閘命令，使斷路器重新合閘，恢復線路供電；若判斷為永久性故障，如線路倒桿、斷線、絕緣子擊穿或損壞等，重合閘裝置則會閉鎖重合閘，避免對系統造成二次沖擊。與傳統重合閘相比，自適應重合閘具有多方面的顯著優勢。傳統重合閘在故障相斷路器跳開后，不管故障是瞬時性還是永久性的，都會進行重合，缺乏對故障性質的準確判斷，這使得重合于永久性故障的風險較高，可能對電力系統造成嚴重的二次沖擊，降低系統并列運行的穩定性，同時也會惡化斷路器的工作條件。在某電力系統中，傳統重合閘因重合于永久性故障，導致系統電壓大幅波動，部分設備因過電壓而損壞，造成了較大的經濟損失。而自適應重合閘則有效克服了這些缺點。它通過對故障性質的準確判別，只有在確認故障為瞬時性時才進行重合閘操作，大大提高了重合閘的成功率，減少了非全相運行時間，降低了對系統的沖擊，提高了電力系統的供電可靠性和穩定性。在某地區電網中，采用自適應重合閘技術后，重合閘成功率從原來的[X]%提高到了[X]%，停電時間大幅縮短，有效保障了用戶的正常用電。自適應重合閘還能根據電網的實時運行狀態，自動調整重合閘的動作時間、電壓、電流等參數，實現重合閘的優化控制，更好地適應復雜多變的電網運行環境。5.2UPFC對自適應重合閘的影響UPFC接入輸電線路后，憑借其獨特的結構和靈活的控制特性，對自適應重合閘的判據和動作特性產生了多方面的顯著影響，深入探究這些影響對于制定適用于UPFC接入線路的自適應重合閘策略至關重要。從判據角度來看，UPFC的接入改變了傳統自適應重合閘所依賴的電氣量特征。在傳統輸電線路中，自適應重合閘常依據故障相恢復電壓的幅值、相位等特征來判別故障性質。當線路發生瞬時性故障時，故障相恢復電壓具有特定的變化規律，如幅值在一定范圍內波動，相位與系統電源相位存在一定關系；而在永久性故障時，恢復電壓的特征則截然不同。然而，UPFC接入后，其串聯側換流器能夠向線路注入幅值和相位均可靈活調節的電壓，這使得故障相恢復電壓的組成和變化規律變得復雜。在某仿真場景中，當線路發生瞬時性故障時，UPFC注入的特征電壓與系統原有電壓相互疊加，導致故障相恢復電壓的幅值和相位不再遵循傳統的變化規律，傳統的基于恢復電壓幅值和相位的判據可能會出現誤判，將瞬時性故障誤判為永久性故障，從而導致重合閘失敗。UPFC的控制特性也會影響故障電流的特征。在故障發生時，UPFC會根據預設的控制策略對故障電流進行調節，這使得故障電流的大小、相位以及諧波含量等特征發生改變。傳統的自適應重合閘判據中，有些是基于故障電流的突變特征、諧波含量等進行故障性質判別的。但由于UPFC對故障電流的調節作用，這些判據在UPFC接入線路中可能不再適用。在某實際案例中，由于UPFC對故障電流的調節，使得故障電流的突變特征變得不明顯，基于故障電流突變特征的判據無法準確判別故障性質，導致重合閘操作出現錯誤。在動作特性方面，UPFC接入后會改變線路的潮流分布和電氣參數，進而影響自適應重合閘的動作時間和動作順序。在傳統輸電線路中，重合閘的動作時間通常根據線路的固有參數和故障類型進行整定，以確保在故障點電弧熄滅、絕緣強度恢復后進行重合閘操作，提高重合閘的成功率。然而，UPFC接入后，其對線路潮流的靈活控制會改變線路的電氣參數，如線路的等效阻抗、電容和電感等。這些參數的變化會影響故障點的熄弧時間和絕緣恢復速度，從而需要重新調整自適應重合閘的動作時間。在某地區電網中，UPFC接入后，由于線路等效阻抗的變化，故障點的熄弧時間延長，原有的重合閘動作時間整定無法滿足要求，導致重合閘失敗。若重合閘動作時間過短，可能在故障點絕緣尚未恢復時就進行重合閘，導致重合于永久性故障，對系統造成二次沖擊；若動作時間過長，又會延長停電時間，影響供電可靠性。UPFC接入還會影響自適應重合閘的動作順序。在復雜的電網結構中，當多條線路存在聯絡且接入UPFC時，故障發生后，各線路之間的電氣聯系和潮流分布會發生復雜的變化。自適應重合閘需要根據這些變化，合理調整動作順序，以確保系統的穩定性和可靠性。但由于UPFC的影響，傳統的重合閘動作順序可能無法適應新的電網運行狀態。在某多回線路互聯的電網中，UPFC接入后，當一條線路發生故障時，由于UPFC對潮流的調節作用，使得其他線路的潮流發生變化，原有的重合閘動作順序可能導致系統潮流分布不合理，甚至引發連鎖故障，影響整個電網的安全穩定運行。5.3基于特征電壓注入的自適應重合閘方案為有效解決UPFC接入線路的故障性質判別難題，提高自適應重合閘的可靠性和成功率，本研究提出基于UPFC特征電壓注入的自適應重合閘方案。該方案充分利用UPFC靈活的可控性，通過在故障相注入特征電壓，改變線路電氣量特征，從而實現對故障性質的準確識別。在該方案中，特征電壓的注入方式至關重要。當線路發生故障時，通過切換UPFC串聯側模塊化多電平換流器（MMC）的控制方式，采用定U/f控制注入特征電壓。具體而言，在正常運行時，UPFC串聯側MMC按照常規的潮流控制策略運行；當檢測到線路故障后，控制系統迅速切換至定U/f控制模式，向故障相注入特定頻率和幅值的特征電壓。通過精確控制MMC的調制波，使得注入的特征電壓能夠穩定地疊加到故障相線路電壓上。特征電壓的產生基于MMC的工作原理。MMC由多個子模塊組成，每個子模塊包含電容和開關器件。通過合理控制子模塊中開關器件的通斷狀態，可以實現對輸出電壓的靈活調節。在產生特征電壓時，控制系統根據預設的特征電壓參數，如頻率、幅值和相位，計算出每個子模塊的開關控制信號，從而使MMC輸出符合要求的特征電壓。注入特征電壓后，線路的電氣量會發生明顯變化，這些變化為故障性質的判別提供了重要依據。對于永久性故障，當注入特征電壓后，由于故障點的存在，線路中會產生與特征電壓相關的特征電流。這是因為永久性故障使得線路的阻抗特性發生改變，注入的特征電壓在故障點處形成了新的電流通路。通過監測線路中的電流信號，提取其中與特征電壓頻率相同的電流分量，即可判斷是否存在永久性故障。在某仿真場景中，當線路發生永久性故障并注入特征電壓后，通過對線路電流的快速傅里葉變換（FFT）分析，清晰地檢測到了與特征電壓頻率一致的電流分量，從而準確判斷出故障為永久性故障。對于瞬時性故障，在注入特征電壓后，由于故障點的電弧已經熄滅，線路的阻抗恢復正常，不會產生明顯的特征電流。此時，線路中的電流主要由系統電源和UPFC正常運行時的輸出電流組成，與注入的特征電壓之間不存在明顯的相關性。通過對電流信號的分析，若未檢測到與特征電壓頻率相同的電流分量，則可判斷故障為瞬時性故障。在實際應用中，為了進一步提高故障性質判別的可靠性，針對高阻故障的特殊場景，提出階段性注入特征電流判據。在高阻故障情況下，由于故障點的過渡電阻較大，常規的特征電壓注入方法可能無法產生明顯的特征電流，導致故障判別困難。此時，采用階段性注入特征電流的方式，先注入較小幅值的特征電流，檢測線路的響應；若未檢測到明顯的特征電流，則逐步增大特征電流的幅值，再次檢測線路響應。通過這種方式，能夠有效提高在高阻故障場景下對故障性質判別的準確性。在某高阻故障仿真實驗中，采用階段性注入特征電流判據，成功識別出了故障性質，避免了因誤判而導致的重合閘失敗。基于UPFC特征電壓注入的自適應重合閘方案的工作流程如下：當線路發生故障時，保護裝置迅速動作，跳開故障相斷路器。同時，UPFC控制系統檢測到故障信號后，切換至定U/f控制模式，向故障相注入特征電壓。在線路側，通過安裝的電流互感器和電壓互感器實時采集線路的電流和電壓信號，并將這些信號傳輸至故障判別裝置。故障判別裝置利用信號處理算法，對采集到的電氣量信號進行分析處理，提取特征電流和特征電壓分量，根據預設的判別規則判斷故障性質。若判斷為瞬時性故障，則發出重合閘命令，使斷路器重新合閘，恢復線路供電；若判斷為永久性故障，則閉鎖重合閘，避免對系統造成二次沖擊。六、UPFC接入線路自適應重合閘實現技術6.1故障性質判別方法在UPFC接入線路的自適應重合閘技術中，準確判別故障性質是實現可靠重合閘的關鍵環節。本研究主要采用基于電氣量變化特征的方法來判別故障是瞬時性還是永久性，該方法通過對故障后線路電氣量的精確測量和深入分析，提取能夠有效區分故障性質的特征量，從而實現對故障性質的準確判斷。當線路發生故障時，電氣量會發生顯著變化，這些變化包含了豐富的故障信息。對于瞬時性故障，如雷擊導致的絕緣子閃絡、樹枝碰線等，在故障點電弧熄滅后，線路的絕緣性能能夠迅速恢復，電氣量會呈現出特定的變化規律。而對于永久性故障，如線路斷線、絕緣子擊穿等，故障點會持續存在，電氣量的變化與瞬時性故障存在明顯差異。本研究重點關注故障后線路電壓和電流的變化特征。在電壓方面，當線路發生瞬時性故障時，故障相電壓在斷路器跳閘后，會由于健全相的電容耦合和電磁耦合作用，出現一定幅值的恢復電壓。在某模擬瞬時性故障場景中，故障相電壓在跳閘后迅速下降，但在短時間內又逐漸恢復，其恢復電壓的幅值與系統參數、故障位置等因素密切相關。通過對大量仿真數據和實際案例的分析，發現瞬時性故障時恢復電壓的幅值通常在一定范圍內波動，且與系統正常運行時的電壓存在一定的相位關系。對于永久性故障，由于故障點的存在，故障相電壓會被短路，恢復電壓幅值極低，甚至接近于零。在某實際永久性故障案例中，故障相電壓在跳閘后幾乎為零，與瞬時性故障時的電壓變化形成鮮明對比。通過對故障相電壓幅值和相位的實時監測與分析，可以初步判斷故障性質。電流變化特征也是判別故障性質的重要依據。在瞬時性故障情況下，故障電流在斷路器跳閘后會迅速減小，當故障點電弧熄滅后，電流基本恢復為零。而在永久性故障時，由于故障點持續導通，即使斷路器跳閘，故障點仍會有電流通過，該電流可能是由系統的電容電流、電感電流以及其他非故障線路的感應電流等組成。在某仿真實驗中，永久性故障時故障點的電流雖然比故障發生時有所減小，但仍然保持一定的幅值，且電流的波形和相位與瞬時性故障時的電流有明顯區別。為了更準確地提取電氣量變化特征，本研究采用了快速傅里葉變換（FFT）、小波變換等先進的信號處理技術。快速傅里葉變換能夠將時域的電氣量信號轉換為頻域信號，清晰地展現信號的頻率成分，便于分析故障電流和電壓中的諧波分量。通過FFT分析，發現永久性故障時，故障電流中往往含有豐富的諧波成分，而瞬時性故障時諧波含量相對較少。小波變換則具有良好的時頻局部化特性，能夠在不同的時間尺度上對信號進行分析，有效提取信號的突變特征和暫態信息。在故障發生瞬間，電氣量會出現突變，小波變換能夠準確捕捉這些突變信息，為故障性質的判別提供更精確的依據。在某實際故障案例中，利用小波變換對故障電流進行分析，成功檢測到了故障發生瞬間的電流突變，結合其他特征量，準確判斷出了故障性質。在實際應用中，為了提高故障性質判別的可靠性，還綜合考慮了多種因素，如故障位置、過渡電阻、系統運行方式等。不同的故障位置會導致電氣量的變化有所不同，靠近電源端的故障和遠離電源端的故障，其電氣量變化特征存在一定差異。過渡電阻的大小也會對故障電流和電壓產生影響，在高阻故障情況下，故障電流和電壓的變化可能不明顯，需要采用特殊的判別方法。系統運行方式的改變，如負荷的變化、發電機的投切等，也會影響電氣量的特征，因此在判別故障性質時，需要實時監測系統運行方式，并根據實際情況進行分析和判斷。6.2重合閘時間的優化重合閘時間的優化是提高UPFC接入線路自適應重合閘成功率和電力系統穩定性的關鍵環節，其優化需綜合考慮線路和系統的多種參數，以確保在故障發生后，重合閘能夠在最佳時機動作，實現快速恢復供電且避免對系統造成二次沖擊。線路參數對重合閘時間有著重要影響。線路長度是一個關鍵參數，不同長度的線路在故障發生后的電弧熄滅時間和絕緣恢復時間存在差異。一般來說，線路越長，故障點的電弧熄滅和絕緣恢復所需時間越長。在長距離輸電線路中，由于線路電容和電感的影響，故障點的電弧在熄滅過程中會受到電磁暫態過程的影響，導致熄弧時間延長。根據相關研究和實際運行經驗，對于長度超過[X]公里的輸電線路，重合閘時間應適當延長，以確保故障點的絕緣強度充分恢復，避免重合于未完全恢復絕緣的故障點，導致重合失敗或對系統造成二次沖擊。線路的電阻和電抗參數也會影響重合閘時間。電阻會影響故障電流的大小和衰減速度，電抗則會影響線路的電磁暫態過程。在電阻較大的線路中，故障電流的衰減速度較快，電弧熄滅相對容易，但絕緣恢復時間可能會受到影響；而在電抗較大的線路中，電磁暫態過程較為復雜，可能會導致故障點的電弧熄滅時間延長。因此，在優化重合閘時間時，需要根據線路的電阻和電抗參數進行精確計算和分析，以確定合適的重合閘時間。系統參數同樣對重合閘時間的優化起著重要作用。系統的運行方式是一個重要因素，不同的運行方式下，系統的電源分布、負荷大小和潮流方向等都會發生變化，從而影響故障后的電氣量變化和故障點的熄弧時間。在系統負荷高峰期，電源輸出功率較大，故障電流也相對較大，這可能會導致故障點的電弧燃燒更劇烈，熄弧時間延長。因此，在系統負荷高峰期，重合閘時間應適當延長，以確保故障點的電弧完全熄滅，絕緣強度恢復正常。系統的短路容量也會影響重合閘時間。短路容量越大，故障時的短路電流越大，對系統的沖擊也越大。在短路容量較大的系統中，故障點的電弧熄滅和絕緣恢復過程可能會受到更大的影響，需要更長的時間來完成。因此，在優化重合閘時間時，需要考慮系統的短路容量，對于短路容量較大的系統，應適當延長重合閘時間，以保證系統的穩定性和重合閘的成功率。為了實現重合閘時間的優化，本研究采用了基于故障暫態過程分析的方法。通過建立精確的電力系統模型，利用電磁暫態仿真軟件對不同故障情況下的暫態過程進行詳細模擬，分析故障點的電弧熄滅時間、絕緣恢復時間以及系統電氣量的變化規律。在仿真過程中，考慮了線路參數、系統運行方式、短路容量等多種因素的影響，通過對大量仿真數據的分析和總結，確定了不同情況下的最佳重合閘時間范圍。結合實際運行經驗和專家知識，采用智能算法對重合閘時間進行優化。例如，利用遺傳算法、粒子群優化算法等智能算法，以重合閘成功率最高、對系統沖擊最小為目標函數，對重合閘時間進行優化計算。這些智能算法能夠在復雜的參數空間中快速搜索到最優解，提高了重合閘時間優化的效率和準確性。在某實際案例中，通過遺傳算法對重合閘時間進行優化，將重合閘成功率提高了[X]%，有效提升了電力系統的供電可靠性。6.3與其他保護裝置的配合自適應重合閘與線路保護、UPFC保護等其他裝置之間的緊密配合，是保障電力系統安全穩定運行的關鍵環節。在實際電力系統中，各保護裝置猶如一個有機整體，協同工作，共同應對各種故障情況。與線路保護的配合方面，當線路發生故障時，線路保護裝置會迅速動作，切除故障線路。自適應重合閘裝置則需與線路保護裝置相互協調，確保重合閘操作的準確性和可靠性。在故障發生后，線路保護裝置會向自適應重合閘裝置發送故障信息，包括故障類型、故障位置等。自適應重合閘裝置根據這些信息，結合自身對故障性質的判別結果，決定是否進行重合閘操作。若線路保護裝置檢測到的是瞬時性故障，且自適應重合閘裝置也判斷為瞬時性故障，此時自適應重合閘裝置會在合適的時間發出重合閘命令，使斷路器重新合閘，恢復線路供電。若線路保護裝置檢測到的是永久性故障，或者自適應重合閘裝置判斷為永久性故障，重合閘裝置則會閉鎖重合閘，避免對系統造成二次沖擊。為了實現自適應重合閘與線路保護的有效配合，需要合理整定重合閘的動作時間。重合閘的動作時間應與線路保護的動作時間相配合，確保在故障切除后，故障點的電弧能夠充分熄滅，絕緣強度得以恢復，同時又要避免重合閘時間過長，影響供電可靠性。在某實際案例中，由于重合閘動作時間整定不合理，在故障切除后，重合閘過早動作，導致重合于未完全熄滅電弧的故障點，引發了二次故障，對電力系統的穩定性造成了嚴重影響。通過對線路保護和重合閘動作時間的重新整定，使兩者相互配合，成功避免了類似問題的再次發生。自適應重合閘與UPFC保護之間的配合也至關重要。UPFC作為電力系統中的重要設備，其保護裝置主要用于保護UPFC自身的安全運行。當UPFC發生故障時，UPFC保護裝置會迅速動作，隔離故障部分，確保UPFC設備不受損壞。在這個過程中，自適應重合閘裝置需要與UPFC保護裝置協同工作，避免因UPFC故障而導致重合閘誤動作。當UPFC的串聯側或并聯側發生故障時，UPFC保護裝置動作，切除故障部分。此時，自適應重合閘裝置應根據UPFC保護裝置的動作信號，判斷故障是否影響到線路的正常運行。若故障僅局限于UPFC內部，且線路本身無故障，自適應重合閘裝置不應進行重合閘操作，以免對UPFC的故障處理和修復造成干擾。只有當線路發生故障，且UPFC保護裝置確認UPFC無故障或故障已得到有效處理，不影響線路重合閘時，自適應重合閘裝置才應根據故障性質判斷結果，進行相應的重合閘操作。在某模擬實驗中，當UPFC的并聯側換流器發生故障時，UPFC保護裝置迅速動作，切除了故障部分。此時，自適應重合閘裝置接收到UPFC保護裝置的動作信號，經過分析判斷，確認故障僅發生在UPFC內部，線路本身無故障，因此未進行重合閘操作。待UPFC故障修復后，系統恢復正常運行，避免了因重合閘誤動作而對系統造成的不必要沖擊。七、案例分析與仿真研究7.1實際電網案例分析本研究選取了蘇南500kVUPFC實際工程作為案例，深入分析其故障渡越和自適應重合閘的實際運行情況。蘇南500kVUPFC工程于2019年12月26日在蘇州南部電網正式投運，是世界上電壓等級最高、容量最大的UPFC工程，其電壓等級為500kV，容量達到了750MVA。該工程在蘇州南部電網中發揮著至關重要的作用，為研究UPFC在實際電網中的運行特性提供了寶貴的實踐數據。在故障渡越方面，蘇南500kVUPFC工程采用了基于虛擬阻抗和限流電抗器的故障渡越策略。在實際運行過程中，當輸電線路發生故障時，該策略展現出了良好的效果。在一次三相短路故障中，故障發生瞬間，線路電流急劇增大，電壓大幅下降。此時，UPF