一種提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器控制策略

朱鑫要， 趙靜波， 周 前， 劉建坤， 金 夢(mèng)

(1． 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2． 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

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一種提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器控制策略

朱鑫要1， 趙靜波1， 周 前1， 劉建坤1， 金 夢(mèng)2

(1． 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2． 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

風(fēng)力發(fā)電及特高壓直流輸電在我國(guó)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，大容量的風(fēng)電出力波動(dòng)或特高壓直流閉鎖后，不受控的大規(guī)模潮流轉(zhuǎn)移嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此高效的潮流控制手段對(duì)提高我國(guó)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行水平具有十分重大的意義。文中針對(duì)電力系統(tǒng)潮流控制的問(wèn)題，推導(dǎo)建立了實(shí)現(xiàn)線路潮流控制的靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(static synchronous series compensator，SSSC)控制策略，并搭建了其電磁暫態(tài)仿真模型；仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制策略在有效控制SSSC直流電容電壓的基礎(chǔ)上，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)線路潮流的精確、快速控制。文中研究成果可指導(dǎo)SSSC控制器設(shè)計(jì)，為大規(guī)模新能源和特高壓直流輸電接入后電力系統(tǒng)的潮流控制和穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器；潮流控制；直流電壓控制；電磁暫態(tài)

0 引言

為應(yīng)對(duì)日益加劇的環(huán)境問(wèn)題、能源危機(jī)，以及我國(guó)能源與負(fù)荷地理分布不均等問(wèn)題，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電等清潔能源、大容量特高壓直流輸電在我國(guó)電網(wǎng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用[1-3]。然而，大容量的風(fēng)電場(chǎng)群出力波動(dòng)或直流閉鎖可能引起電網(wǎng)潮流的大范圍轉(zhuǎn)移，造成部分線路過(guò)載而誘發(fā)連鎖跳閘，進(jìn)而危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4，5]。為快速、有效地控制系統(tǒng)潮流，防止線路過(guò)載，江蘇電網(wǎng)已建成并投運(yùn)了我國(guó)首套220 kV統(tǒng)一潮流控制器；為應(yīng)對(duì)錦蘇特高壓直流近區(qū)電網(wǎng)的潮流轉(zhuǎn)移問(wèn)題，世界電壓等級(jí)最高的首套500 kV統(tǒng)一潮流控制器也已全面開(kāi)工建設(shè)[6]。作為串聯(lián)型柔性交流輸電裝置，靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(staticsynchronous series compensator，SSSC)可向系統(tǒng)注入可控的交流電壓，從而達(dá)到控制系統(tǒng)潮流、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的效果[7-9]。較之于統(tǒng)一潮流控制器，SSSC無(wú)并聯(lián)側(cè)換流器，裝置結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單；同時(shí)，SSSC裝置具備小容量、分布式安裝的潛力，從而可大大提高裝置的可靠性[10]。

在利用SSSC進(jìn)行電網(wǎng)潮流控制的研究領(lǐng)域，已有文獻(xiàn)建立了SSSC的潮流計(jì)算模型，并研究了SSSC對(duì)改善系統(tǒng)潮流分布的作用[11，12]。在SSSC裝置控制策略方面，文獻(xiàn)[13] 和文獻(xiàn)[14] 分別基于模糊自整定PI控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)了SSSC的潮流控制器；但上述研究中，SSSC裝置直流側(cè)均由獨(dú)立的直流電源供電，以保障SSSC正常工作。文獻(xiàn)[15] 設(shè)計(jì)了SSSC的恒阻抗控制器，文獻(xiàn)[16] 和文獻(xiàn)[17] 以調(diào)節(jié)線路阻抗為控制目標(biāo)設(shè)計(jì)了SSSC的控制器；上述研究中，通過(guò)控制線路阻抗可間接的達(dá)到控制系統(tǒng)潮流的效果。文獻(xiàn)[18] 給出了SSSC的串聯(lián)補(bǔ)償控制、串聯(lián)電壓控制策略，亦可間接達(dá)到控制系統(tǒng)潮流的效果。然而，上述研究中SSSC控制策略均未以系統(tǒng)潮流為直接控制目標(biāo)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)線路潮流的精確、快速控制，難以滿足特高壓直流閉鎖等故障后，系統(tǒng)潮流快速、精準(zhǔn)控制的要求。文獻(xiàn)[19] 基于SSSC的機(jī)電等效模型建立了用以進(jìn)行線路潮流控制的SSSC控制策略，研究中選取不易獲取的遠(yuǎn)方信號(hào)(系統(tǒng)接收端電壓)作為同步和鎖相信號(hào)，且未給出SSSC控制策略的詳細(xì)控制框圖，也未驗(yàn)證SSSC及其控制器在電磁暫態(tài)過(guò)程中的響應(yīng)性能。

本文首先介紹了SSSC裝置的數(shù)據(jù)模型，然后以實(shí)現(xiàn)線路潮流控制為目標(biāo)設(shè)計(jì)了SSSC的控制策略；最后采用基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制策略的有效性。分析表明，本文所設(shè)計(jì)的SSSC控制策略可實(shí)現(xiàn)對(duì)線路潮流的精確、快速控制，從而提高大規(guī)模新能源和特高壓直流輸電接入后我國(guó)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

1 SSSC數(shù)學(xué)模型

圖1 SSSC接線示意圖Fig.1 Diagram of SSSC

在控制器的作用下，SSSC換流器向系統(tǒng)輸出幅值和相位可調(diào)的交流電壓，故對(duì)電網(wǎng)而言SSSC等值電路如圖2所示。圖中ZT為SSSC串聯(lián)變壓器等值阻抗。

圖2 SSSC等值電路圖Fig.2 Equivalent circuit of SSSC

根據(jù)基爾霍夫電流和電壓定律(KCL，KVL)，可得到SSSC換流器出口支路的動(dòng)態(tài)方程為：

(1)

(2)

對(duì)式(1)和式(2)進(jìn)行坐標(biāo)變換，可得到其在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的方程為：

(3)

(4)

式(3，4)中：ωs為系統(tǒng)工頻角頻率。

忽略換流器損耗，則SSSC直流電容存儲(chǔ)能量的變化等于換流器吸收的有功功率，即串聯(lián)變壓器從系統(tǒng)吸收的有功與電阻rse消耗的有功之差：

(5)

由式(5)可知，通過(guò)調(diào)節(jié)SSSC串聯(lián)變壓器從系統(tǒng)吸收的有功大小，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)SSSC直流電容電壓的調(diào)節(jié)。

2 SSSC控制策略

2.1 外環(huán)功率控制

維持直流電容電壓恒定是保障SSSC裝置正常工作的基本條件。本文基于dq解耦矢量控制原理設(shè)計(jì)了SSSC裝置控制策略，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)SSSC直流電容電壓和線路潮流的有效控制。

(6)

簡(jiǎn)化的兩端輸入電系統(tǒng)形成接線及電壓矢量圖如圖3所示。忽略系統(tǒng)電阻，在SSSC不向系統(tǒng)注入電壓時(shí)，線路潮流表達(dá)式為：

(7)

圖3 SSSC串聯(lián)補(bǔ)償電壓示意圖Fig.3 Diagram of SSSC series compensation voltage

(8)

可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)SSSC向系統(tǒng)注入的與電流正交的無(wú)功電壓值，即電壓U12的q軸分量U12q，便可實(shí)現(xiàn)線路潮流的控制。同時(shí)，將式(6)代入式(5)有：

(9)

即通過(guò)調(diào)節(jié)SSSC向系統(tǒng)注入電壓U12的d軸分量U12d便可控制SSSC直流電容存儲(chǔ)能量的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SSSC直流電容電壓的控制。

因此，分別控制SSSC注入線路電壓U12的d軸和q軸分量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電容電壓和線路潮流的解耦控制。

2.2 內(nèi)環(huán)電壓/電流控制

內(nèi)環(huán)控制采用SSSC串聯(lián)變壓器輸出電壓U12和換流器輸出電流Ise的雙環(huán)控制。由SSSC換流器出口支路動(dòng)態(tài)方程式(3)和式(4)可知，SSSC換流器及其出口支路電流和電壓的d軸和q軸分量之間存在耦合關(guān)系。對(duì)于SSSC串聯(lián)變壓器輸出電壓動(dòng)態(tài)方程，引入前饋量：

(10)

則SSSC串聯(lián)變壓器輸出電壓動(dòng)態(tài)方程式(3)可改寫(xiě)為：

(11)

可見(jiàn)，引入前饋量后，通過(guò)對(duì)SSSC注入系統(tǒng)電壓U12的d軸和q軸分量偏差反饋，即可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)變壓器輸出電壓的d軸和q軸分量解耦。對(duì)于SSSC換流器輸出電流動(dòng)態(tài)方程，引入前饋量：

(12)

從而SSSC換流器輸出電流動(dòng)態(tài)方程式(4)可改寫(xiě)為：

(13)

可見(jiàn)，引入前饋量后，通過(guò)對(duì)SSSC換流器輸出電流Ise的d軸和q軸分量偏差反饋，即可實(shí)現(xiàn)換流器輸出電流的d軸和q軸分量解耦。

從而得到具備線路潮流直接控制功能的SSSC換流器dq解耦控制策略框圖如圖 4所示。圖4中P為線路潮流，變量下標(biāo)“ref”為變量指令值或參考值。

圖4 SSSC控制框圖Fig.4 Control block diagram of SSSC

3 算例分析

基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件搭建了含SSSC的算例輸電系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5所示。等值系統(tǒng)1和等值系統(tǒng)2通過(guò)兩回輸電線路互聯(lián)，裝設(shè)于線路2的SSSC裝置參數(shù)如表 1所示。算例初始工況設(shè)置為SSSC裝置直流電容電壓10kV，等值系統(tǒng)1經(jīng)線路2向等值系統(tǒng)2輸送有功功率500MW。

圖5 含SSSC的算例輸電系統(tǒng)接線圖Fig.5 Single-line diagram of the test system with SSSC

參數(shù)數(shù)值交流系統(tǒng)額定電壓/kV500串聯(lián)變壓器變比35/10直流電容Cdc/μF6000直流電容額定電壓Udc/kV10換流器出口濾波支路電容C/μF30換流器出口濾波支路電感Lse/H0.004換流器出口濾波支路電阻rse/Ω0.2

3.1 線路潮流控制仿真

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的SSSC控制策略對(duì)線路潮流的快速、精確控制能力，在2 s時(shí)將線路2的潮流指令由500 MW階躍為600 MW，4 s時(shí)將線路2潮流指令階躍至400 MW，6 s時(shí)將線路2潮流指令重新階躍至500 MW，SSSC直流電容電壓和線路2潮流的仿真結(jié)果如圖 6所示。

圖6 SSSC潮流控制目標(biāo)變化時(shí)直流電壓及線路2功率仿真曲線Fig.6 Curves of the DC voltage and line 2 power flow during the changes of the SSSC power flow order

由圖 6可知，所設(shè)計(jì)的SSSC控制策略可實(shí)現(xiàn)對(duì)線路2潮流的精確、快速控制；且在進(jìn)行線路潮流調(diào)節(jié)的暫態(tài)過(guò)程中，SSSC直流電容電壓波動(dòng)較小(圖 6中Udc瞬時(shí)值最大為10.132 kV、最小值為9.922 kV)、瞬時(shí)值與額定值10 kV的最大偏差不超過(guò)1.5%，即該控制策略在調(diào)節(jié)線路潮流的同時(shí)還可有效的維持SSSC直流電容電壓恒定。

3.2 直流電壓控制仿真

進(jìn)一步仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的SSSC控制策略對(duì)SSSC直流電容電壓的控制能力。在2 s時(shí)將SSSC直流電容電壓指令由10 kV階躍為9 kV，SSSC直流電容電壓和線路2潮流的仿真結(jié)果如圖 7所示。

圖7 SSSC直流電壓控制目標(biāo)變化時(shí)直流電壓及線路2功率仿真曲線Fig.7 Curves of the DC voltage and line 2 power flow during the changes of the SSSC DC voltage order

由圖 7可知，本文所設(shè)計(jì)的SSSC控制策略可快速跟蹤直流電容電壓指令；同時(shí)，在SSSC直流電容電壓改變時(shí)，該控制策略仍可有效地控制線路潮流。

4 結(jié)語(yǔ)

為應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)群出力波動(dòng)或直流閉鎖可能誘發(fā)的線路過(guò)載和連鎖跳閘問(wèn)題，本文推導(dǎo)和建立了實(shí)現(xiàn)線路潮流控制的SSSC控制策略，并通過(guò)電磁暫態(tài)仿真驗(yàn)證了該控制策略的有效性；所設(shè)計(jì)的SSSC控制策略可精準(zhǔn)、快速地跟蹤線路潮流調(diào)節(jié)指令，極大地提高系統(tǒng)潮流調(diào)節(jié)的靈活性，促進(jìn)大規(guī)模新能源發(fā)電和超/特高壓直流輸電在我國(guó)電網(wǎng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

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朱鑫要

朱鑫要(1987 —)，男，河南尉氏人，工程師，從事FACTS建模、電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制等研究工作；

趙靜波(1982 —)，男，重慶人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)分析研究工作；

周 前(1978 —)，男，江蘇宜興人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制研究工作；

劉建坤(1980 —)，男，山東濰坊人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)仿真分析、電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行等研究工作；

金 夢(mèng)(1988 —)，女，湖北仙桃人，助理工程師，從事特高壓直流輸電運(yùn)維檢修工作。

(編輯 徐林菊)

Control Strategy of Static Synchronous SeriesCompensatorto Improve Power System Stability

ZHU Xinyao1, ZHAO Jingbo1, ZHOU Qian1, LIU Jiankun1, JIN Meng2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 211103 China; 2. State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company, Nanjing 211102, China)

Wind power and UHVDC (Ultra-High Voltage Direct Current Transmission) have been widely used in China. Safety and stability of the power system are threatened by uncontrollable power flow transferring, which is caused by the fluctuation of bulk wind power or UHVDC blocking. Hence, it is of great significance for improving the stable of the power system by developing efficient power flow control devices. To solve the uncontrollable power flow transferring problem, control strategy of SSSC (Static Synchronous Series Compensator) is deduced, and electromagnetic transient model of SSSC is constructed as well. Results of the simulations show that the designed control strategy regulates the DC voltage effectively, and can control the power flow accurately and rapidly. This study is supposed to be helpful for the controller design of SSSC, and to be useful for the operating and power flow control of the power system with bulk new energy or UHVDC integrated.

static synchronous series compensator (SSSC); power flow control; DC voltage control; electromagnetic transient

2017-01-13；

2017-03-03

國(guó)家自然科學(xué)基金(51607092)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(基于分布式潮流控制的輸電網(wǎng)柔性交流潮流控制技術(shù)研究)

TM721

A

2096-3203(2017)03-0028-06