靜止同步串聯(lián)補償器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

李浩,方鑫，肖灑

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

靜止同步串聯(lián)補償器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

李浩,方鑫，肖灑

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

近些年來，隨著電力負荷的不斷增加，電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，超高壓、長距離輸電線路的不斷增多，對電網(wǎng)的輸送能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性提出了更高的要求。本文詳細分析了靜止同步串聯(lián)補償器SSSC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，在此基礎(chǔ)上分析了串聯(lián)補償裝置SSSC對功率的調(diào)節(jié)作用及其在線路中的應(yīng)用。

電力負荷；靜止同步串聯(lián)補償器；功率調(diào)節(jié)

1 引言

近年來電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和出現(xiàn)越來越多的大功率半導體器件，F(xiàn)ACTS(靈活交流輸電)技術(shù)和設(shè)備。FACTS這一概念最早是由美國著名電力專家N.G.Hingorani于1986年提出來的，它是結(jié)合了電力電子器件、微電子技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)而形成的新技術(shù)，該技術(shù)主要用于控制交流輸電。FACTS技術(shù)已經(jīng)被國內(nèi)外科研人員預(yù)測為“新時代輸電系統(tǒng)三項支撐技術(shù)”之一”。這項技術(shù)主要作用是把功率比較大的電力電子器件來取代傳統(tǒng)意義上控制元件上的高壓開關(guān)，從而可以實現(xiàn)為交流輸電網(wǎng)提供快速不間斷和準確的控制方式以及能提高潮流功率的優(yōu)化，對系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大提升。

靜止同步串聯(lián)補償器(Static Synchronous Series Compensator，簡稱SSSC)是近年來電力系統(tǒng)出現(xiàn)的FACTS控制器的一種。它以串聯(lián)方式與輸電系統(tǒng)結(jié)合起來，是同步電壓源的控制器，基本原理是向線路輸入一個相差電流相位90°的可控電壓，這樣它就能夠視為瞬速控制線路的有效阻抗，從而能夠?qū)ο到y(tǒng)進行有效的控制，它具有以下幾方面的優(yōu)點：(1)在線路內(nèi)不需要用電容器或電抗器就可以產(chǎn)生以及吸收無功功率；(2)可以保持在靜止同步串聯(lián)補償器相同容性以及感性范圍內(nèi)，產(chǎn)生一個于線路電路無關(guān)的可控補償電壓；(3)在電路引入儲能器后，能夠?qū)€路進行有功和無功補償；(4)在電路接入直流電源后，能對線路電抗進行補償，從而讓線路X/R的比值達到一個比較高的值;(5)能夠非常快速地響應(yīng)控制指令。根據(jù)以上分析，分析以及研究靜止同步串聯(lián)補償器是很有必要的，同時也是我國電力系統(tǒng)輸電行業(yè)能夠快速發(fā)展的需要。

2 靜止同步串聯(lián)補償器的基本原理

2.1 靜止同步串聯(lián)補償器的工作原理

靜止同步串聯(lián)補償器(SSSC)的工作原理是將一個電壓的輸電線路，其幅度、相位可調(diào)。這樣可以對補償電壓的大小或相位進行調(diào)節(jié)，從而整個系統(tǒng)的潮流分布就會隨電壓的改變而改變。SSSC 的電路包括為控制電路、驅(qū)動電路等幾個普通電路。并且他們與耦合變壓器一起串聯(lián)在電網(wǎng)線路中，如圖1所示。如果直流側(cè)電容器組，這樣SSSC相當于無功功率可以控制，通過狀態(tài)變換的GTO、IGBT等電子設(shè)備來調(diào)整系統(tǒng)的輸出電壓和輸出電流的波形，所以它可以吸收或提供無功功率。

圖1 SSSC基本電路

SSSC與線路中串聯(lián)電容都是應(yīng)用線路阻抗與串聯(lián)電容的頻率特性之間的關(guān)系來提高線路中感性阻抗兩端的電壓，從而增加線路電流和線路傳輸功率。輸電線路中串聯(lián)電容的原理圖及向量圖如圖2所示。

圖2 線路串聯(lián)電容補償情況及其對應(yīng)的向量圖

在圖2中，傳輸系統(tǒng)起始端電壓為U1,客戶端電壓為U2，傳輸線路上的損耗電壓為UL,串聯(lián)電容補償器端電壓為UC,此系統(tǒng)中U1和U2有相同的幅值，但是兩者角度差為θ12,線路電抗為XL。從圖中，我們可以看到在線路電流的情況下，串聯(lián)電容器的電壓會導致電壓幅值的增加，從而導致電容電壓的增加。串聯(lián)電容，以消除電壓和線路上的電流通過電壓，以提供一個滯后的配電線路電流，它實際上是減少線路電感的提前。因此，電容串聯(lián)補償實際上是通過增加電壓分布線阻抗來實現(xiàn)相應(yīng)的補償，從而提高線路的電流和功率的效果。電容串聯(lián)補償可以有效地減小配電線路阻抗，這是通過增加配電線路阻抗的電壓來實現(xiàn)補償效應(yīng)的?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：如果用等效的同步交流電壓源代替串聯(lián)補償電容器，當電壓源的輸出電壓與串聯(lián)電容器的輸出電壓相等時，可以達到相同的效果。靜止同步串聯(lián)補償器可以等效為同步的交流電壓源從而達到這個效果。如圖3所示。

圖3 SSSC 等效電壓源結(jié)構(gòu)圖

在圖3中，SSSC等效電壓源結(jié)構(gòu)類似于串聯(lián)補償電容的結(jié)構(gòu)，這樣的功能是一樣的，它們之間關(guān)系如下式：

US=UC=-jXCI=-jKXI

(1)

從等效電壓源關(guān)系圖中還可以得到：

(2)

而

(3)

(4)

綜合以上各式可得，改變等效電壓源US的幅值，控制U1和U2之間的向量夾角θ12的變化。通過改變在壓降上的配電線路電抗，從而降低整個線路壓降，達到電壓補償?shù)哪康?。因此基于FACTS技術(shù)的SSSC控制器是通過控制主電路中的電力電子開關(guān)器件的導通改變其等效電抗特性。改變由線電壓上升導致的有效阻抗值線的SSSC系列，傳輸功率變大，這樣可以實行潮流控制。

3 SSSC在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 改變線路傳輸功率

SSSC接入系統(tǒng)電路如圖4所示，其中X和R是SSSC控制器的等效電抗和電阻，Upq和α是SSSC注入電壓的幅值和相位角，XL和RL是線路電抗和電阻。設(shè)線路電流為I∠θ(θ為電流相角)，則有α-θ=±90°。為便于計算分析現(xiàn)忽略電路電阻和SSSC等效阻抗，假設(shè)線路電壓降落為：UL∠(θ+90°)。下面推導補償前后線路傳輸功率的變化。

圖4 SSSC的等效電路圖

(1)補償前線路傳輸功率P

(5)

式中，US和Ur分別是送端和受端電壓幅值；δs和δr分別是送端和受端電壓相角，δsr=δs-δr。

(2)補償后線路傳輸功率

向量圖，兩種情況：

①當Upq超前線路電流90°時，即α-θ=90°，則Upq與UL同相，如圖5(a)所示。

②當Upq滯后線路電流90°時，即α-θ=-90°，則Upq與UL反相，如圖5(b)所示。

由圖5知

圖5

補償后線路傳輸功率P′可以表示為

綜合以上各式可得

(6)

由式(5)和式(6)可知SSSC補償前后線路傳輸有功功率變化量為

由式(6)還可知：當補償電壓超前線路電流時，如果Upq>|a|，那么P′<0。這樣就實現(xiàn)了線路功率的反送。

3.2 提高線路X/R的值

在較低電壓等級的網(wǎng)絡(luò)中，X/R比值一般偏小，如果X/R比值變小，那么導致線路最大傳輸功率會降低。在較小值的X/R網(wǎng)絡(luò)中，串聯(lián)電容補償電路的無功功率的需求可能會進一步增加。SSSC接入儲能裝置后可以通過控制補償電壓與電流的角度來實現(xiàn)有功和無功的補償目的，從而可以實現(xiàn)提高線路X/R比值目的。

3.3 改善系統(tǒng)穩(wěn)定性

從動態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性角度來分析，對無功功率的補償和有功功率的交換可以有效地提高系統(tǒng)的振蕩阻尼，從而能大大提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。例如，隨著系統(tǒng)功角的增加，帶有儲能的SSSC能夠供給最大容性補償，這樣就可以增加傳輸有功功率，這樣系統(tǒng)可以吸收有功使其成為串聯(lián)線路的阻尼器，那么此時的 SSSC可視為電阻元件，能夠抵消系統(tǒng)中有功功率。如果系統(tǒng)功率角變小，SSSC的控制策略也會隨著發(fā)生改變，這時候SSSC會給線路進行感性補償，使得線路傳輸有功功率變小，此時的SSSC相當于發(fā)電機，向系統(tǒng)提供負阻尼。

3.4 避免諧振

串聯(lián)電容補償因為它是一個關(guān)于頻率的函數(shù)，所以它可以在特定頻率下與其他感性電抗網(wǎng)絡(luò)一起引起諧振。在這個特定諧振頻率下，電力系統(tǒng)可以提高機械諧振，引起次同步諧振(SSR)。這種次同步諧振可以對發(fā)電機照成破壞。SSSC本質(zhì)上是一個交流電壓源，控制輸入是固定的，只有在基本輸出頻率的操作，在其他頻率的輸出阻抗為零。SSSC系列提供了一個相對較小的電感耦合變壓器的輸出阻抗，并在基頻阻抗的電壓降時，能自動補償?shù)撵o止同步串聯(lián)補償器具有補償電容。除了基本的工作頻率，有效輸出阻抗頻率特性的SSSC仍然保持一個小的電感特性。因此，SSSC不能形成感應(yīng)傳輸線阻抗典型的串聯(lián)諧振電路激發(fā)諧振同步系統(tǒng)。另一方面，SSSC可以實現(xiàn)響應(yīng)，它可以有效地消除次同步諧振。

5 結(jié)論

靜止同步串聯(lián)補償器(SSSC)技術(shù)的出現(xiàn)已向世人展示了其十分優(yōu)秀的前景?？梢灶A(yù)見在未來會全面采用這種新技術(shù)的輸電系統(tǒng),加上現(xiàn)代化的計算機控制和通信手段的輔助,輸電能力將有很大提升，系統(tǒng)的多樣性及可控性將有明顯改善。尤其對我國未來大電網(wǎng)、遠距離、超高壓輸電具有重大的研究意義。

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Application of Static Synchronous Series Compensation in Power Systems

LI Hao,FANG Xin,XIAO Sa

(College of Electrical Engineering & New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443002,China)

In recent years,with the increase of power load,the continuous expansion of power grid,the increasing of ultra-high voltage,long-distance transmission line,the power grid transmission capacity and system stability and flexibility of the higher requirements are put forward.This paper expounds the basic structure and working principle of SSSC,analysis the SSSC series compensation device to adjust the power function and its application in line.

power load;static synchronous series compensator;power regulation

1004-289X(2017)01-0066-04

TM614

A

2016-03-20

李浩(1988-)，男，湖北武漢人。在讀研究生，從事電力系統(tǒng)運行與控制方向研究； 方鑫(1990-),男，湖北黃岡人。在讀研究生，從事電力系統(tǒng)運行與控制方向研究。