基于SSSC的DCIPC潮流控制及過電壓改善

宋彬彬 趙延青 張建楠

摘 要：在研究了相間功率控制器（IPC）的基本原理的基礎上，提出了一種新型的動態(tài)可控相間功率控制器（DCIPC）。此種DCIPC用靜止同步串聯(lián)補償器（SSSC）來支路的移相功能，應用PI控制，可以快速、連續(xù)地改變電容和電感支路的移相角;由晶閘管控制電抗器（TCR）來完成IPC電感支路的電感器功能，通過控制晶閘管的觸發(fā)延遲角，可以連續(xù)改變DCIPC電感支路的參數(shù);由晶閘管控制串聯(lián)電容器（TCSC）的容性微調(diào)模式來實現(xiàn)IPC電容支路的參數(shù)調(diào)節(jié)。DCIPC四個環(huán)節(jié)均能夠快速、連續(xù)和靈活地進行控制。在聯(lián)絡線兩側電網(wǎng)相位滑移的情況下，調(diào)節(jié)DCIPC的參數(shù)可以協(xié)調(diào)聯(lián)絡線潮流，使得聯(lián)絡線有功保持基本恒定，并能夠較好地改善傳統(tǒng)IPC的過電壓問題，使得端口電壓滿足要求。采用Matlab/Smulink仿真，驗證了在兩側電網(wǎng)相位滑移時，基于SSSC的DCIPC可以完成聯(lián)絡線潮流控制，并改善過電壓問題。

關鍵詞：相間功率控制器;動態(tài)可控相間功率控制器;相位滑移;潮流控制;過電壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.112

0 引言

電網(wǎng)互聯(lián)使電力系統(tǒng)的復雜程度增加，會出現(xiàn)諸如輸電線路過負荷運行、潮流分布不合理、網(wǎng)絡損耗增大，聯(lián)絡線功率波動等問題[1]。相間功率控制器IPC（Interphase Power Controller）是一種可對有功功率和無功功率進行控制的組合型柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）控制器[2]。IPC具有潮流控制的魯棒性和限制事故電流、消除事故波及的優(yōu)良特性，應用前景受到國內(nèi)外學者的關注。在IPC中應用具有RLC無緣濾波器的PST，大大降低了諧波失真，同時又不影響IPC特性[3]。利用SSSC代替了IPC中的PST，可以提高功率控制的精度、響應速度和靈活性在IPC兩側電壓相位差較大時，能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)絡線潮流控制、改善過電壓問題[4]，還可以對短路電流起到限制作用[5]。

IPC具有高阻效應，在電網(wǎng)事故隔離和限制短路電流方面優(yōu)點突出，但事物總是優(yōu)點與缺點并存的，由于IPC的高阻效應，當兩互聯(lián)電網(wǎng)負荷頻率變化不一致時，兩互聯(lián)電網(wǎng)相位角差可能發(fā)生較大的變化，嚴重情況將會進入異步運行狀態(tài)?；ヂ?lián)電網(wǎng)中相對搖擺及相位滑移的現(xiàn)象是普遍存在的，帶相間功率控制器的聯(lián)絡線連接的互聯(lián)電網(wǎng)，由于高阻效應的存在，情況比較嚴峻，如果單方向相位滑移過大，帶IPC聯(lián)絡線的兩側電網(wǎng)就有可能進入異步運行[6]。

本文針對IPC通過調(diào)節(jié)電感、電容支路阻抗及移相環(huán)節(jié)可以控制聯(lián)絡線潮流的特點，提出一種基于SSSC的DCIPC，并進行仿真分析。

1 IPC基本結構及工作原理

IPC的單相原理結構如圖1，包括并聯(lián)的容性和感性支路，每個支路分別由容性和感性阻抗與獨立的移相單元串聯(lián)組成，共四個可控單元。

IPC入口和出口的電壓的大小分別用、表征，兩電壓之間的相位角差為，、分別為IPC電感、電容支路的感抗和容抗，、分別代表兩個支路的移相角。

根據(jù)IPC原理結構圖，可得出口的輸送功率為：

? ? ?（1）

（2）

由（1）、（2）可知調(diào)節(jié)IPC支路的阻抗和移相角大小，可以調(diào)節(jié)帶IPC的聯(lián)絡線的功率。

由IPC原理結構圖，可知電感和電容兩端的電壓為[7]：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

由上式可以畫出電壓關系相量圖如圖2：

由公式（3）、（4）和圖2可知在IPC兩端電壓一定的情況下，移相角越大，電容器和電感器兩端的電壓越大。

2 基于SSSC的DCIPC原理和控制環(huán)節(jié)

基于SSSC的DCIPC是將傳統(tǒng)IPC電感支路改造為TCR結構，將電容支路改造為TCSC結構，兩條支路中的移相環(huán)節(jié)由SSSC來實現(xiàn)。單相原理電路圖如圖3。

2.1 電感支路

TCR是由固定的電抗器串聯(lián)雙向?qū)ňчl管構成。通過改變TCR晶閘管觸發(fā)角，電感支路的阻抗參數(shù)變化。電感支路可以由隨觸發(fā)延遲角變化的無功導納來表示，表達式如下：

（）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

由式（5）可知當時，TCR等效電納值最小;當時，TCR等效電納值取得最大值。隨著晶閘管觸發(fā)延遲角改變，電感支路的等效阻抗大小將在和之間變化。

根據(jù)晶閘管觸發(fā)原理，晶閘管觸發(fā)延遲角可以用參考電平表示如下：

（6）

為晶閘管觸發(fā)延遲角，表征參考電平，T是同步正弦電壓的周期（0.02），K為鋸齒波斜率（0.01）。

根據(jù)式（6）可以設計晶閘管觸發(fā)脈沖仿真電路。首先利用一個同步正弦電壓波形，將其轉換為平頂波;然后把平頂波積分轉換為鋸齒波，將鋸齒波與參考電平進行比較，當鋸齒波大于參考電平時，觸發(fā)脈沖輸出為1，反之觸發(fā)脈沖輸出為0，從而來控制晶閘管的導通。改變參考電平的大小來等效的改變晶閘管觸發(fā)角，當參考電平增大時，觸發(fā)延遲角增大;當參考電平減小時，晶閘管的導通角增大。

2.2 電容支路

電容支路由TCSC容性微調(diào)模式來替代傳統(tǒng)IPC中的電容器。TCSC由電容器與晶閘管控制電抗器并聯(lián)構成，TCSC的基本思路用是TCR來部分抵消并聯(lián)電容，以提供一個連續(xù)的可控電抗，TCSC的穩(wěn)態(tài)阻抗就相當于一個LC并聯(lián)電路，其等效電抗就是固定容抗和一個可變電抗的并聯(lián)值，等效電抗可以是容性，亦可以為感性。TCSC穩(wěn)態(tài)基波阻抗值可以用關于的函數(shù)表示為：

? （7）

TCSC隨著變化有四種運行狀態(tài)，分別為：晶閘管旁通模式、感性微調(diào)模式、容性微調(diào)模式和晶閘管閉鎖模式。其中容性微調(diào)模式時，，等值容性電抗能夠在與之間連續(xù)取值。

2.2.1 電容支路控制環(huán)節(jié)

電容支路TCSC采用阻抗閉環(huán)控制，把電容支路三相電流、TCSC兩側電壓和參考阻抗作為控制的輸入量，原理框圖如圖4。

根據(jù)輸入變量線路電流和電容兩端電壓，能夠計算出TCSC的實際基波阻抗Z，將TCSC實際阻抗與參考阻抗進行比較，比較之后的差值經(jīng)過一個典型的放大增益PI控制環(huán)節(jié)矯正后，產(chǎn)生TCSC的控制角，控制角再經(jīng)由脈沖生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。脈沖生成部分以經(jīng)過鎖相環(huán)PLL的流經(jīng)TCSC的三相電流的標幺值作為同步的基準信號，以由線路電流和電容兩端電壓計算得到的TCSC電流的算數(shù)平均值為基準值計算得出，脈沖生成環(huán)節(jié)根據(jù)這個同步基準信號來產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)脈沖。

2.3 移相環(huán)節(jié)

移相環(huán)節(jié)SSSC原理示意圖如圖5，包括由直流儲能元件提供電壓的三相電壓源變換器VSC（voltage source converter）和串聯(lián)耦合變壓器等主要部分。

SSSC通過耦合變壓器串聯(lián)在輸電線路中，可以等效視為向輸電線路注入的一個接近正弦的串聯(lián)電壓[8]。直流儲能元件一般采用電容器組，所以SSSC裝置除本身損耗外，一般與系統(tǒng)間不存在有功功率的交換，因此SSSC裝置產(chǎn)生的補償電壓與線路電流正交。SSSC裝置串聯(lián)與輸電線路后，將向輸電線路注入一個與輸電線路電流正交的補償電壓，補償電壓與線路電壓、電流的向量關系如圖6。由圖6可知，經(jīng)SSSC補償后，電壓的模值和相位都發(fā)生了改變，能夠?qū)崿F(xiàn)類似于傳統(tǒng)移相器的功能。

SSSC注入輸電線路的補償電壓可表示為：

補償電壓的大小由SSSC本身的補償能量決定，通過公式的控制系數(shù)K表征，K可以是正實數(shù)，亦可以是負實數(shù);式中為線路電流。K值可以在允許的范圍內(nèi)連續(xù)變化，SSSC可以在感性和容性范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)可控的串聯(lián)補償電壓。通過控制補償電壓的大小和性質(zhì)，可以在允許范圍內(nèi)連續(xù)、快速、靈活的改變DCIPC感性和容性支路的移相角[6]。

3 仿真分析

系統(tǒng)仿真參數(shù)設置如參考文獻[9]，將兩個系統(tǒng)互聯(lián)系統(tǒng)簡化如圖7。在S側有250MW的負荷;在R側有50MW的負荷;SSSC的容量為40MW，直流側電容的額定電壓為400V。

由于擾動互聯(lián)電網(wǎng)兩側相位角發(fā)生滑移，本文選取相位滑移范圍在（-45°，45°）之間進行算例分析。當兩側相位滑移時，不通過DCIPC來調(diào)節(jié)時，聯(lián)絡線功率將發(fā)生振蕩。表1列出了兩側電勢相位差從45°每隔5°直到-45°之間變化時，聯(lián)絡線功率的變化情況。

由表1數(shù)據(jù)分析可知，當兩側電網(wǎng)相位滑移時，聯(lián)絡線傳輸?shù)墓β孰S之發(fā)生變化，這種聯(lián)絡線功率波動情況是電網(wǎng)安全運行所不希望發(fā)生的。設初始運行狀態(tài)兩側電壓相位差δ=-30°（以出口電壓相位為參考值）時：P=1.5699，Q=2.4214，保持有功功率不變進行參數(shù)調(diào)節(jié)。DCIPC參數(shù)的約束條件我們設置如下：

DCIPC入口、出口端電壓約束：

電感、電容兩端電壓約束：

通過調(diào)節(jié)DCIPC參數(shù)，對聯(lián)絡線功率進行調(diào)節(jié)。兩側電壓相位差每隔5°將調(diào)節(jié)后的各個參數(shù)的變化情況列于表2中。

由表2中實驗結果，能夠明顯的看出：通過協(xié)調(diào)DCIPC的感性、容性支路等效阻抗值和移相環(huán)節(jié)的參數(shù)，可以對聯(lián)絡線的潮流進行有效的控制。當聯(lián)絡線兩側電網(wǎng)相位滑移時，能夠根據(jù)要求將聯(lián)絡線有功保持在一個基本不變的數(shù)值運行。

注： Vr為SSSC的參考電壓;VL為電感元件上的電壓;VC為電容元件上的電壓;XL為電感元件阻抗值，單位為Ω;XC為電容元件阻抗值，單位為Ω;其他單位均為標幺值。

4 結論

本文將SSSC、TCR和TCSC運用到傳統(tǒng)的IPC中，在兩側電網(wǎng)相位滑移時，通過協(xié)調(diào)DCIPC電感支路阻抗值、電容支路阻抗值和移相環(huán)節(jié)移相角，來調(diào)節(jié)聯(lián)絡線潮流。經(jīng)過理論分析和仿真分析，證明改進是合理可行的，并且改進后的IPC具有以下的優(yōu)點：

（1）與傳統(tǒng)IPC相比，基于SSSC的DCIPC可以快速、靈活、連續(xù)的改變電感、電容支路的移相角及其等效阻抗，且損耗較小。

（2）此種DCIPC運行和維護的成本更小。

（3）在兩側電網(wǎng)相位滑移時，DCIPC可以控制聯(lián)絡線潮流基本不變，并能夠很好的改善過電壓問題。

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