基于VSC-HVDC 并網(wǎng)裝置轉(zhuǎn)為SSSC 的仿真

劉家軍，王小康

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安710048）

電壓源換流器型直流輸電VSC-HVDC（voltage source converter based HVDC）是一種以電壓源換流器和脈寬調(diào)制等技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代直流輸電技術(shù)。自1997年ABB 在瑞典Hellsion 建立的第一個工業(yè)試驗(yàn)工程開始，VSC-HVDC 相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，傳輸容量和電壓等級也逐步提升。近些年，并網(wǎng)技術(shù)和柔性交流輸電技術(shù)FACTS（flexible AC transmission systems）得到了大量的研究和應(yīng)用。靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器SSSC（static synchronous series compensator）作為FACTS 的重要裝置之一，具有響應(yīng)速度快、控制精度高、動態(tài)性能好等優(yōu)越性[1]。SSSC 是最近發(fā)展的、具有廣泛應(yīng)用前景的一種可控串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)，可以對線路進(jìn)行阻抗補(bǔ)償，調(diào)節(jié)線路傳輸功率，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

目前國內(nèi)外對于SSSC 的研究熱點(diǎn)主要是其模型搭建及控制策略。文獻(xiàn)[2]采用內(nèi)外環(huán)相結(jié)合的方法，利用神經(jīng)控制策略實(shí)現(xiàn)SSSC 的控制，使得潮流調(diào)節(jié)更加迅速可靠，同時具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性；文獻(xiàn)[3]對SSSC 的輸出電壓和電流在dq 軸上進(jìn)行解耦，從而使所搭建的模型有更好的動態(tài)特性；文獻(xiàn)[4]提出了采用SPWM 技術(shù)的SSSC 控制方法，控制回路設(shè)計(jì)中通過對正弦參考波相角偏移量的控制使直流電容電壓保持恒定。大量的文獻(xiàn)將研究重點(diǎn)放在SSSC 的建模及提高其控制器的精確度上，而忽略了并網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)結(jié)束后閑置的VSC 裝置可以通過倒閘轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)SSSC 功能，同時在SSSC 運(yùn)用于故障場合的研究也比較少。

本文依據(jù)VSC-HVDC 用于電網(wǎng)同期并列的原理及方法，研究了在并網(wǎng)結(jié)束后將閑置的背靠背換流器通過相應(yīng)的倒閘操作與相應(yīng)控制策略實(shí)現(xiàn)靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器SSSC 功能。在PSCAD/EMTDC 仿真軟件中搭建了并網(wǎng)系統(tǒng)模型，在并網(wǎng)結(jié)束后通過倒閘實(shí)現(xiàn)閑置的VSC 裝置向SSSC 功能的轉(zhuǎn)化，如果在并網(wǎng)完成之后線路上出現(xiàn)故障，通過一系列開關(guān)動作實(shí)現(xiàn)在不同的時間將SSSC從系統(tǒng)移除，并比較了在不同時間移除SSSC，系統(tǒng)發(fā)生波動的情況。

1 并網(wǎng)模型及其向SSSC 的轉(zhuǎn)化

基于VSC-HVDC 的并網(wǎng)裝置采用的是背靠背電壓源型換流器，即在直流換流方式中不含直流輸電線路，將整流站和逆變站建設(shè)在一起的一種特殊形式。文獻(xiàn)[5]以背靠背電壓源型換流器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種可用于電網(wǎng)間同期并列的基于功率傳遞的并網(wǎng)系統(tǒng)，即用背靠背電壓源型換流器進(jìn)行功率傳遞使得兩側(cè)電網(wǎng)滿足并列條件，來進(jìn)行電網(wǎng)間同期并列的操作。其中，通過背靠背換流器傳遞有功功率和無功功率來減小頻率差和電壓差，當(dāng)頻率差和電壓差滿足條件后，捕捉滑差過零點(diǎn)尋找滿足相角的條件，即可實(shí)現(xiàn)并列操作。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于電壓源換流器的同期并網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of synchronization paralleling system based on VSC

圖中，VSC1、VSC2為換流器，都采用具有相同結(jié)構(gòu)的電壓源型換流器；QF、QF1、QF2為斷路器，M、N 為兩側(cè)的母線；L 為聯(lián)絡(luò)線；C 為直流電容，T1、T2為換流變壓器。并網(wǎng)過程中，QF 斷開，QF1與QF2閉合，當(dāng)兩側(cè)滿足并網(wǎng)條件時，斷開QF1與QF2，同時閉合QF，即實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)操作。

并網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)成功后，從電網(wǎng)中退出，整個并網(wǎng)裝置將不再運(yùn)行，這將是一種極大的資源浪費(fèi)。而且從長時間運(yùn)行來看，并網(wǎng)的時間短暫，可以認(rèn)為并網(wǎng)裝置大部分時間處于閑置狀態(tài)，因此本文提出了并網(wǎng)成功后，將并網(wǎng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為SSSC，來進(jìn)行線路阻抗補(bǔ)償、潮流控制等，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行，增大電力系統(tǒng)可控性，同時，極大地提高裝置的利用率，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。并網(wǎng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為SSSC 的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，與圖1 相比，在直流電容與左側(cè)換流器VSC1之間增加了QF3和QF4；在VSC2一側(cè)的變壓器T2兩端增加了斷路器QF5；QF6則保證了并網(wǎng)結(jié)束后兩端系統(tǒng)的正常運(yùn)行；增加了一個串聯(lián)變壓器T3；以及斷路器QF7、QF8、QF9以控制串聯(lián)變壓器的接入與退出。

圖2 并網(wǎng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為SSSC 的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of synchronization paralleling system converted into SSSC

兩側(cè)電網(wǎng)沒有聯(lián)網(wǎng)時，所有的斷路器均處于斷開狀態(tài)。當(dāng)裝置用來進(jìn)行電網(wǎng)間同期并列時，斷路器QF1、QF3、QF4、QF5、QF2、QF6處于閉合狀態(tài)，其余的斷路器處于斷開狀態(tài)，此時進(jìn)行功率傳遞，待兩側(cè)系統(tǒng)的電壓、頻率、電壓初相角均滿足并網(wǎng)條件時，即可將QF1、QF3、QF4、QF5、QF2斷開，同時閉合QF，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。此時只有QF、QF6處于閉合狀態(tài)。

在并網(wǎng)成功后，可操作斷路器的開合使其轉(zhuǎn)化為SSSC。具體操作為：并網(wǎng)結(jié)束后，即只有QF、QF6合閘，此時斷開QF6，同時合并QF7、QF8、QF9，也就是說此時QF、QF7、QF8、QF9處于閉合狀態(tài)，其余斷路器全部斷開。即可使直流電容、VSC2、串聯(lián)變壓器T3接入電網(wǎng)，而VSC1、VSC1側(cè)變壓器T1以及VSC2側(cè)的變壓器T2處于斷開狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)裝置向SSSC 模式的轉(zhuǎn)化。

2 SSSC 的原理及數(shù)學(xué)模型

SSSC 相當(dāng)于一個串聯(lián)連接的同步電壓源，通過對電子器件的控制，使其輸電線路注入一個超前或滯后線電流90°的電壓，也就是在線路上增加了一個額外的電壓，而且這個電壓的幅值和相位是可調(diào)的，通過改變這個電壓的幅值和相角就可以改變系統(tǒng)的潮流分布[6-9]，而在靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器的控制方式與模型建立方面，文獻(xiàn)[10-12]給出了詳細(xì)的方法，在此就不作贅述。

由于SSSC 是串聯(lián)型FACTS 原件，通過一個耦合變壓器接入系統(tǒng)，其等值電路如圖3 所示。

圖3 SSSC 的等值電路Fig.3 Equivalent circuit of SSSC

圖3中：U1和U2為兩端電壓，L、R 分別為線路的等效電感和電阻，Cdc直流側(cè)電容，Us為SSSC輸出電壓。若只考慮基波分量，則可將SSSC 等值電路等效分為兩部分：交流側(cè)和直流側(cè)，如圖3（a）和圖3（b）所示。圖中I 為線路電流，i 為線路電流的瞬時值，idc和iR分別為電容電流和電阻電流的瞬時值，Rdc為逆變器損耗。對圖3 中交流側(cè)應(yīng)用KVL 和電路原理可得

即：

式中：ia、ib、ic分別為I 的三相電流值；U1a、U1b、U1c，U2a、U2b、U2c，Usa、Usb、Usc分別為U1、U2、Us的三相電壓值。為了使SSSC 具有最佳動態(tài)特性，必須對其進(jìn)行dq 解耦，即

其中T（θ）是將abc 三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為dq 兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣，具體形式為

將式（1）與式（3）代入式（2），得

SSSC 的直流側(cè)由電阻、電容和電壓源組成，這兩側(cè)的瞬時功率可表示為

由Pac=Pdc得

由式（4）和式（7）可得

式中：id和iq為電流在dq 坐標(biāo)下的值；U1d、U1q、Us，d和U2d、U2q、Us，q分別為U1、U2、Us在dq 坐標(biāo)下的值。由此得到了dq 坐標(biāo)下的SSSC 數(shù)學(xué)模型。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 由并網(wǎng)裝置轉(zhuǎn)為SSSC 的仿真

加入SSSC 的并網(wǎng)模型如圖4 所示。

圖4 含SSSC 的并網(wǎng)模型Fig.4 Grid Model with SSSC

水輪機(jī)HG1與HG2模擬兩側(cè)的待并列電力系統(tǒng)、背靠背換流器以及兩側(cè)的變壓器與兩系統(tǒng)之間的連接線路并聯(lián)，兩系統(tǒng)之間通過并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行功率傳遞，待達(dá)到并網(wǎng)條件時即可并網(wǎng)，并網(wǎng)成功后退出運(yùn)行。先通過增加直流電容左側(cè)的斷路器以及圖4 中右側(cè)的串聯(lián)變壓器，再通過附加斷路器的操作，即相當(dāng)于將右側(cè)的逆變器通過串聯(lián)變壓器接入系統(tǒng)之中，就成為一個靜止串聯(lián)無功補(bǔ)償器。

兩側(cè)的系統(tǒng)容量為120 Mvar，電壓為121 kV，傳輸電阻為1 Ω，電感為19.1 mH，傳輸線路等效電阻為0.001 Ω，傳輸線路等效電感為0.5 mH，直流側(cè)濾波電容為10 000 μF，耦合變壓器變比為6∶8，采用Y/△接線方式。

本文的控制策略使用電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)，在這個控制方案中，電流環(huán)采用PI 調(diào)節(jié)器，其比例環(huán)節(jié)可以增加逆變器的阻尼系數(shù)，能夠使整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作，并且具有很強(qiáng)的魯棒性；PI 調(diào)節(jié)器的積分環(huán)可以使得電流環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差減小。電壓環(huán)也采用PI 調(diào)節(jié)器，其作用是使得輸出電壓的波形能夠瞬時跟蹤給定值，動態(tài)響應(yīng)速度快，靜態(tài)誤差很小。本文模型使用空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM（space vector pulse width modulation），與正弦脈寬調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）控制相比，SVPWM 算法的主要優(yōu)點(diǎn)有：能提高直流電壓利用率；在每一次PWM 波變化時，只有一個開關(guān)管動作，大大減少了開關(guān)次數(shù)；輸出波形諧波含量小[13]。

倒閘過程中的仿真波形如圖5 所示。由圖5 可以看出，在此仿真中，兩側(cè)系統(tǒng)從40 s 開始進(jìn)行并網(wǎng)操作，并網(wǎng)成功后，進(jìn)行開關(guān)操作轉(zhuǎn)化為SSSC。圖5（a）、（b）顯示的是兩側(cè)待并列系統(tǒng)進(jìn)行功率傳遞并網(wǎng)的過程以及并網(wǎng)后轉(zhuǎn)化為SSSC 的過程中兩側(cè)的有功功率和無功功率的變化，可以看出功率傳遞時兩側(cè)系統(tǒng)的變化情況以及最后系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時的有功功率和無功功率；圖5（c）顯示的是在這整個過程中兩側(cè)系統(tǒng)頻率的變化，圖5（d）則顯示的是兩側(cè)系統(tǒng)的頻率差變化情況，可以看出兩側(cè)的頻率差逐漸減小，在并網(wǎng)過程中有所波動，最后還是趨于一致，轉(zhuǎn)化為SSSC 后頻率略有波動最后趨于一致；圖5（e）顯示的是在此過程中兩側(cè)系統(tǒng)相角差的變化，在并網(wǎng)后，兩側(cè)的相角差基本為0。

圖5 并網(wǎng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為SSSC 對系統(tǒng)影響的仿真Fig.5 Simulation of synchronization paralleling system converted into SSSC

通過以上的仿真，可以看出并網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)成功后，兩側(cè)系統(tǒng)的電氣量基本趨于一致，相當(dāng)于在此時接入SSSC，對系統(tǒng)的影響和沖擊并不明顯。仿真表明并網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)成功后轉(zhuǎn)化為SSSC 的方法是可行的。

3.2 故障時的仿真

基于圖4 的模型，利用PSCAD/EMTDC 軟件進(jìn)行仿真。并網(wǎng)結(jié)束后，系統(tǒng)在155 s 時系統(tǒng)發(fā)生一個長達(dá)0.5 s 的單相接地短路，通過一系列開關(guān)動作，在不同時間將SSSC 從系統(tǒng)移除，比較故障對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

在并網(wǎng)結(jié)束后，系統(tǒng)正常運(yùn)行，在155 s 時發(fā)生一個長達(dá)0.5 s 的單相接地短路，在故障發(fā)生之后，通過控制開關(guān)的通斷，分別在0 s、0.1 s、0.5 s 時從系統(tǒng)移除SSSC，仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)發(fā)生故障時SSSC 在不同時間移除系統(tǒng)的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of system at different time removing SSSC from system when a fault occurs

由圖6 可見，系統(tǒng)并網(wǎng)后兩側(cè)的有功功率、無功功率和頻差都處于穩(wěn)定值，S1側(cè)：Q = 53.83 Mvar，P = 53.52 MV；S2側(cè)：Q = 51.79 Mvar，P =72.57 MV，頻差為0。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一個長達(dá)0.5 s 的單相接地短路時，若在故障發(fā)生后立刻將SSSC 從系統(tǒng)移除，S1側(cè)的無功功率升到111.93 Mvar，有功功率升至81.54 MV，S2側(cè)無功功率升至109.86 Mvar，有功功率升至98.49 MV；若在0.1 s 將SSSC從系統(tǒng)移除，S1側(cè)的無功功率增至59.87 Mvar，有功功率升至71.73 MV，S2側(cè)無功功率升至57.92 Mvar，有功功率升至91.60 MV；若SSSC 不從系統(tǒng)移除，S1側(cè)的無功功率增至55.90 Mvar，有功功率升至62.17 MV，S2側(cè)無功功率升至54.13 Mvar，有功功率升至82.00 MV。

在系統(tǒng)發(fā)生故障時，若SSSC 能在系統(tǒng)中運(yùn)行，則能有效地抑制功率波動，使系統(tǒng)避免遭受因故障產(chǎn)生的巨大沖擊，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

4 結(jié)語

本文基于VSC-HVDC 的并網(wǎng)裝置，通過在PSCAD/EMTDC 軟件中搭建模型，驗(yàn)證了將閑置的電壓源換流器通過相應(yīng)的倒閘操作與控制策略實(shí)現(xiàn)SSSC 功能的方法可行性；轉(zhuǎn)化成功后在系統(tǒng)中加入一個持續(xù)0.5 s 的單相接地故障，通過控制開關(guān)的通斷，在不同時間將SSSC 從系統(tǒng)中移除，比較了系統(tǒng)發(fā)生波動的情況，分析了SSSC 在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時發(fā)揮的作用，表明其能有效地抑制功率震蕩，因此在故障時應(yīng)盡量保證其在系統(tǒng)中運(yùn)行。

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