SSSC限流性能仿真研究

汪劍俠，劉軼強(qiáng)

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064； 2. 海軍駐湖南地區(qū)代表室，湘潭411101 ）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)短路水平的提高，關(guān)于故障限流器的研究成為一個(gè)熱點(diǎn)方向。各種各樣的限流器方案相繼被提出，如超導(dǎo)限流器、固態(tài)限流器、液態(tài)金屬限流器等。各國學(xué)者從材料、拓?fù)?、器件、控制策略等角度不斷地?duì)現(xiàn)有的限流器方案進(jìn)行了改進(jìn)，并取得了一定的效果。除了向系統(tǒng)中添加額外的限流設(shè)備，還有一個(gè)思路是開發(fā)現(xiàn)有設(shè)備的限流功能。近些年來快速發(fā)展的 FACTS(Flexible AC Transmission System)技術(shù)中，有多種設(shè)備值得考慮，如晶閘管控制串聯(lián)電容器（TCSC），靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）等。類似TCSC技術(shù)的具有串聯(lián)補(bǔ)償作用的限流器[1]、諧振限流器[2]等已經(jīng)得到了應(yīng)用,浙江大學(xué)提出的限流式UPFC拓?fù)渚C合了固態(tài)限流器以及UPFC的優(yōu)點(diǎn)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[3]。由于 SSSC裝置能夠改變線路阻抗，其限流能力同樣值得研究。

本文首先介紹了 SSSC工作原理，并在Matlab/Simulink軟件中搭建了一個(gè)小型的 SSSC裝置，并對(duì)其限流性能進(jìn)行了仿真分析。

1 SSSC工作原理

如圖1所示，SSSC主要包括電壓源變換器、耦合變壓器、濾波器等環(huán)節(jié)組成。

SSSC裝置本質(zhì)上可以看做一個(gè)同步電壓源，通過耦合變壓器向線路注入一個(gè)與線路電流相差90°的可控電壓。從系統(tǒng)層面來說，SSSC裝置可以等效為一個(gè)可控的電抗。通過改變注入電壓的幅值，就可以改變等效電抗的大小[4]。

圖1 SSSC裝置原理圖

以含有SSSC裝置的雙機(jī)電力系統(tǒng)為例說明SSSC潮流控制的原理[5]。

圖2 含SSSC裝置的雙機(jī)系統(tǒng)圖

假設(shè)功率流向?yàn)閳D中箭頭所示方向，XL為線路電抗，線路中傳輸?shù)挠泄β?、無功功率可以由式(1)、(2)表示。

由式（1）—（2）可以看出，通過改變線路阻抗就可以控制系統(tǒng)有功功率以及無功功率。按照?qǐng)D2定義的電流方向，當(dāng)補(bǔ)償電壓超前線路電流90°時(shí)，SSSC裝置等效為一個(gè)電感；當(dāng)滯后90°時(shí)，SSSC裝置等效為一個(gè)電容。在容性補(bǔ)償條件下的系統(tǒng)向量圖如圖3所示。

圖3 含SSSC雙機(jī)系統(tǒng)向量圖

從前面的敘述可以看出，SSSC裝置的關(guān)鍵在于產(chǎn)生一個(gè)與線路電流相差90°的電壓。這里采用矢量控制策略，并在380 V電壓等級(jí)下應(yīng)用IGBT型的電壓源變換器進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 鎖相角計(jì)算[6]

測(cè)量電網(wǎng)線路三相電流IA、IB、IC，在 ABC靜止坐標(biāo)系下定義電流空間矢量IA、IB、IC，經(jīng)過3s/2s變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的Iα、Iβ。

圖4 坐標(biāo)變換示意圖

從圖 4可以看出，合成空間電流矢量在空間旋轉(zhuǎn)的角度可以由式（3）、（4）計(jì)算。

這樣，利用上面所獲得的角度去控制 SSSC裝置輸出電壓時(shí)，就將輸出電壓的d軸分量Ud、定向在合成電流矢量方向上，q軸分量Uq則與合成電流矢量垂直。不考慮SSSC裝置與電網(wǎng)間有功功率交換，將Ud設(shè)定為0就實(shí)現(xiàn)了SSSC輸出電壓與線路電流相差90°。

2.2 控制框圖

對(duì)系統(tǒng)正常工作時(shí)功率傳輸來說，希望將線路電抗降低以提高有功功率的輸送能力；而系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)則希望快速增大線路電抗以限制系統(tǒng)短路電流，這可以通過系統(tǒng)控制算法來實(shí)現(xiàn)。以上分析表明，SSSC裝置主要的功能在于實(shí)現(xiàn)線路阻抗的快速變換。這一特點(diǎn)同樣可以應(yīng)用于短路電流限制。下面通過仿真進(jìn)行具體分析。

2 SSSC限流性能仿真分析

系統(tǒng)總體的框圖如圖5所示，對(duì)線路電流進(jìn)行采樣用于相角計(jì)算，得到的角度用于變換器輸出電壓的坐標(biāo)變換。Ud-ref用于控制直流側(cè)電容電壓，這里設(shè)定為0，Uq-ref用于控制補(bǔ)償電壓。Uq-ref>0時(shí)，等效串入電感；Uq-ref<0時(shí)，等效串入電容。短路故障發(fā)生時(shí)，迅速調(diào)整Uq-ref的給定，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)短路電流的限制。

2.3 Matlab仿真實(shí)現(xiàn)

圖5 系統(tǒng)總體仿真示意圖

圖5為系統(tǒng)仿真總體圖，采用雙機(jī)電力系統(tǒng)模型，仿真步驟為：當(dāng)斷路器閉合時(shí)，SSSC被短路掉，同時(shí)控制PWM模塊不發(fā)出PWM波，即可進(jìn)行無補(bǔ)償仿真；當(dāng)斷路器斷開，接入補(bǔ)償控制器，通過控制Uq-ref實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償?shù)目刂?。三相故障?Fault用來模擬短路故障。前文提到的相角計(jì)算單元、閉環(huán)控制單元、PWM 波生成單元通過圖6-圖8所示的模塊實(shí)現(xiàn)。

圖8 PWM波生成單元

圖6 相角計(jì)算單元

圖6為仿真中用到的相角計(jì)算單元，該單元的輸入是電網(wǎng)側(cè)線路三相電流IA、IB、IC，輸出為坐標(biāo)變換用到的cosθ、sinθ值。

圖7 閉環(huán)控制單元

圖7為仿真中閉環(huán)控制單元原理圖，因?yàn)橹绷鱾?cè)采用直流電源，不考慮直流側(cè)電壓波動(dòng)，Ud給定為0。Uq則根據(jù)補(bǔ)償性質(zhì)不同由階躍信號(hào)給定，圖中用到的PWM波生成單元如圖8所示。

本文采用的雙機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置參數(shù)為：U1= 3 80∠ 0°，U2= 3 80 ∠ - 3 0°， X/R=7 兩端變壓器變比設(shè)為1:1，仿真步長為2e-5。

圖 9為在直流側(cè)電源電壓UDC=500 V時(shí)SSSC輸出側(cè)線電壓波形圖。

設(shè)置在0.082 s時(shí)系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障，在不投入SSSC裝置時(shí)系統(tǒng)三相電流波形如圖10所示。系統(tǒng)正常工作時(shí)相電流在10 A左右，在不加限制的情況下，短路故障發(fā)生時(shí)相電流超過了60 A。

2.4 仿真結(jié)果分析

圖11為接入SSSC裝置時(shí)系統(tǒng)三相電流仿真波形，正常情況下Uq給定為負(fù)，SSSC處于容性補(bǔ)償狀態(tài)，增大了系統(tǒng)輸送的電流；故障發(fā)生時(shí)，迅速將Uq給定變?yōu)檎?，SSSC裝置對(duì)系統(tǒng)而言等效為一個(gè)電感。在Uq給定為300條件下，SSSC裝置將系統(tǒng)故障電流限制在40 A以內(nèi)。但是，SSSC裝置對(duì)各相電流的限流效果并不相同。故障后第一個(gè)半波周期內(nèi)，藍(lán)色信號(hào)指示的線電流限流效果更為明顯，但是隨后又出現(xiàn)了超過20 A的反向電流。這可能是由于SSSC等效串入電感后引起的系統(tǒng)振蕩。

Uq給定為400時(shí)得到的仿真波形如圖12所示，此時(shí)串入系統(tǒng)的等效電感更大，限流效果更明顯，三相電流均被限制在30 A以內(nèi)。但是，此時(shí)引起的系統(tǒng)振蕩問題也更為突出。

3 結(jié)論

本文介紹了 SSSC的工作原理，并探討了在SSSC現(xiàn)有功能基礎(chǔ)上進(jìn)行故障限流的可能性。從仿真結(jié)果看，SSSC裝置具有一定的短路電流限制能力。但是，也存在以下問題：

1）SSSC裝置串入系統(tǒng)最大電壓受限于直流側(cè)電源電壓值以及耦合變壓器變比。最終受限于功率器件的功率等級(jí)。

2）短路故障發(fā)生時(shí)，SSSC裝置中功率器件將要承受較大的電壓及電流。器件本身需要更好的保護(hù)。

3）在故障檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，SSSC裝置若處于容性補(bǔ)償狀態(tài)將增加系統(tǒng)短路電流。

綜上可知，SSSC裝置目前還不具備完美的限流能力，但這是開展限流器研究另外的一個(gè)思路，即現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上拓展其限流功能，節(jié)省硬件成本、空間。隨著電力電子器件的發(fā)展，SSSC限流能力也將得到提升。

[1]袁清芳, 李興源.具有可控串聯(lián)補(bǔ)償?shù)男滦凸收舷蘖髌鞯难芯縖J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2004, 19(1): 40-43.

[2]嚴(yán)朝陽. 串聯(lián)諧振型故障限流器的研究及應(yīng)用[D].華北電力大學(xué), 2012.

[3]田中山. 10kV 限流式 UPFC 試驗(yàn)樣機(jī)研制[D]. 浙江大學(xué), 2013.

[4]謝小榮, 姜齊榮. 柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2006.

[5]Hingorani N G, Gyugyi L. Understanding FACTS:concepts and technology of flexible AC transmission systems[M]. New York: IEEE press, 2000.

[6]陳伯時(shí), 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.