劉家軍，王小康

（西安理工大學水利水電學院，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)制等技術為基礎的新一代直流輸電技術。自1997年ABB 在瑞典Hellsion 建立的第一個工業(yè)試驗工程開始，VSC-HVDC 相關技術發(fā)展迅速，傳輸容量和電壓等級也逐步提升。近些年，并網(wǎng)技術和柔性交流輸電技術FACTS（flexible AC transmission systems）得到了大量的研究和應用。靜止同步串聯(lián)補償器SSSC（static synchronous series compensator）作為FACTS 的重要裝置之一，具有響應速度快、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、具有廣泛應用前景的一種可控串聯(lián)補償技術，可以對線路進行阻抗補償，調(diào)節(jié)線路傳輸功率，提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

目前國內(nèi)外對于SSSC 的研究熱點主要是其模型搭建及控制策略。文獻[2]采用內(nèi)外環(huán)相結合的方法，利用神經(jīng)控制策略實現(xiàn)SSSC 的控制，使得潮流調(diào)節(jié)更加迅速可靠，同時具有很強的自適應性；文獻[3]對SSSC 的輸出電壓和電流在dq 軸上進行解耦，從而使所搭建的模型有更好的動態(tài)特性；文獻[4]提出了采用SPWM 技術的SSSC 控制方法，控制回路設計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。大量的文獻將研究重點放在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)結束后閑置的VSC 裝置可以通過倒閘轉換實現(xiàn)SSSC 功能，同時在SSSC 運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)結束后將閑置的背靠背換流器通過相應的倒閘操作與相應控制策略實現(xiàn)靜止同步串聯(lián)補償器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)結束后通過倒閘實現(xiàn)閑置的VSC 裝置向SSSC 功能的轉化，如果在并網(wǎng)完成之后線路上出現(xiàn)故障，通過一系列開關動作實現(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在一起的一種特殊形式。文獻[5]以背靠背電壓源型換流器為基礎，設計了一種可用于電網(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行功率傳遞使得兩側電網(wǎng)滿足并列條件，來進行電網(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，當頻率差和電壓差滿足條件后，捕捉滑差過零點尋找滿足相角的條件，即可實現(xiàn)并列操作。其結構如圖1 所示。

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

圖中，VSC1、VSC2為換流器，都采用具有相同結構的電壓源型換流器；QF、QF1、QF2為斷路器，M、N 為兩側的母線；L 為聯(lián)絡線；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，當兩側滿足并網(wǎng)條件時，斷開QF1與QF2，同時閉合QF，即實現(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)裝置將不再運行，這將是一種極大的資源浪費。而且從長時間運行來看，并網(wǎng)的時間短暫，可以認為并網(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)轉化為SSSC，來進行線路阻抗補償、潮流控制等，優(yōu)化電網(wǎng)運行，增大電力系統(tǒng)可控性，同時，極大地提高裝置的利用率，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置。并網(wǎng)系統(tǒng)轉化為SSSC 的結構如圖2 所示，與圖1 相比，在直流電容與左側換流器VSC1之間增加了QF3和QF4；在VSC2一側的變壓器T2兩端增加了斷路器QF5；QF6則保證了并網(wǎng)結束后兩端系統(tǒng)的正常運行；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)轉化為SSSC 的結構Fig.2 Structure of synchronization paralleling system converted into SSSC

兩側電網(wǎng)沒有聯(lián)網(wǎng)時，所有的斷路器均處于斷開狀態(tài)。當裝置用來進行電網(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)，此時進行功率傳遞，待兩側系統(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化為SSSC。具體操作為：并網(wǎng)結束后，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側變壓器T1以及VSC2側的變壓器T2處于斷開狀態(tài)，即實現(xiàn)了并網(wǎng)裝置向SSSC 模式的轉化。

2 SSSC 的原理及數(shù)學模型

SSSC 相當于一個串聯(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)補償器的控制方式與模型建立方面，文獻[10-12]給出了詳細的方法，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：交流側和直流側，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 中交流側應用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，必須對其進行dq 解耦，即

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

將式（1）與式（3）代入式（2），得

SSSC 的直流側由電阻、電容和電壓源組成，這兩側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 坐標下的值；U1d、U1q、Us，d和U2d、U2q、Us，q分別為U1、U2、Us在dq 坐標下的值。由此得到了dq 坐標下的SSSC 數(shù)學模型。

3 仿真實驗

3.1 由并網(wǎng)裝置轉為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HG1與HG2模擬兩側的待并列電力系統(tǒng)、背靠背換流器以及兩側的變壓器與兩系統(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)進行功率傳遞，待達到并網(wǎng)條件時即可并網(wǎng)，并網(wǎng)成功后退出運行。先通過增加直流電容左側的斷路器以及圖4 中右側的串聯(lián)變壓器，再通過附加斷路器的操作，即相當于將右側的逆變器通過串聯(lián)變壓器接入系統(tǒng)之中，就成為一個靜止串聯(lián)無功補償器。

兩側的系統(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，只有一個開關管動作，大大減少了開關次數(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，兩側系統(tǒng)從40 s 開始進行并網(wǎng)操作，并網(wǎng)成功后，進行開關操作轉化為SSSC。圖5（a）、（b）顯示的是兩側待并列系統(tǒng)進行功率傳遞并網(wǎng)的過程以及并網(wǎng)后轉化為SSSC 的過程中兩側的有功功率和無功功率的變化，可以看出功率傳遞時兩側系統(tǒng)的變化情況以及最后系統(tǒng)穩(wěn)定運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系統(tǒng)頻率的變化，圖5（d）則顯示的是兩側系統(tǒng)的頻率差變化情況，可以看出兩側的頻率差逐漸減小，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系統(tǒng)相角差的變化，在并網(wǎng)后，兩側的相角差基本為0。

圖5 并網(wǎng)系統(tǒng)轉換為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，兩側系統(tǒng)的電氣量基本趨于一致，相當于在此時接入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 軟件進行仿真。并網(wǎng)結束后，系統(tǒng)在155 s 時系統(tǒng)發(fā)生一個長達0.5 s 的單相接地短路，通過一系列開關動作，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)結束后，系統(tǒng)正常運行，在155 s 時發(fā)生一個長達0.5 s 的單相接地短路，在故障發(fā)生之后，通過控制開關的通斷，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)后兩側的有功功率、無功功率和頻差都處于穩(wěn)定值，S1側：Q = 53.83 Mvar，P = 53.52 MV；S2側：Q = 51.79 Mvar，P =72.57 MV，頻差為0。當系統(tǒng)發(fā)生一個長達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側的無功功率升到111.93 Mvar，有功功率升至81.54 MV，S2側無功功率升至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側的無功功率增至59.87 Mvar，有功功率升至71.73 MV，S2側無功功率升至57.92 Mvar，有功功率升至91.60 MV；若SSSC 不從系統(tǒng)移除，S1側的無功功率增至55.90 Mvar，有功功率升至62.17 MV，S2側無功功率升至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，驗證了將閑置的電壓源換流器通過相應的倒閘操作與控制策略實現(xiàn)SSSC 功能的方法可行性；轉化成功后在系統(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，因此在故障時應盡量保證其在系統(tǒng)中運行。

[1]劉青，鄭振華，王增平，等（Liu Qing，Zheng Zhenhua，Wang Zengping，et al）.靜止同步串聯(lián)補償器的機電暫態(tài)特性研究與仿真（Investigation and simulation of the transient characteristic of static synchronous series compensator）[J].電力系統(tǒng)保護與控制（Power System Protection and Control），2008，36（18）：10-14，36.

[2]張愛國（Zhang Aiguo）.靜止同步串聯(lián)補償器的數(shù)學模型及控制策略研究（Research on Mathematic Model and Control Strategy of Static Synchronous Series Compensator）[D].北京：華北電力大學電氣與電子工程學院（Beijing：School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University），2011.

[3]劉黎明，康勇，陳堅，等（Liu Liming，Kang Yong，Chen Jian，et al）. SSSC 建模、控制策略及性能（Static synchronous series compensator：modeling，control scheme and performance）[J].電工技術學報（Transactions of China Electrotechnical Society），2006，21（9）：37-43.

[4]趙建軍，郭劍波，周孝信（Zhao Jianjun，Guo Jianbo，Zhou Xiaoxin）.基于EMTDC 的靜態(tài)同步串聯(lián)補償器穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性分析（Analysis on steady state and transient characteristics of static synchronous series compensator based on EMTDC）[J]. 電網(wǎng)技術（Power System Technology），2006，30（14）：13-18，29.

[5]吳添森（Wu Tiansen）. 基于功率傳遞的電網(wǎng)間同期并列仿真研究（Simulation of Power Grids Synchronism Parallel Based on the Principle of Power Exchange）[D].西安：西安理工大學水利水電學院（Xi′an：Institute of Water Resources and Hydro-Electric Engineering，Xi′an University of Technology），2010.

[6]Sen K K.SSSC-static synchronous series compensator：theory，modeling and applications[J].IEEE Trans on Power Delivery，1998，13（1）：241-246.

[7]Han B M，Park J K，Moon S I，et al.Switching-level simulation model for SSSC with EMTP[C]//IEEE Engineering Society Winter Meeting.New York，USA：1999.

[8]Faridi M，Maeiiat H，Karimi M，et al.Power system stability enhancement using static synchronous series compensator（SSSC）[C]//International Conference on Computer Research and Development，2011 3rd. Shanghai，China：2011.

[9]吳政球，鄒賢求，陳波，等（Wu Zhengqiu，Zou Xianqiu，Chen Bo，et al）.SSSC 在互聯(lián)電力系統(tǒng)負荷頻率控制中的應用（Application of SSSC in the load frequency control of interconnected power system）[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（5）：75-79，118.

[10]錢碧甫，王奔，黃崇鑫，等（Qian Bifu，Wang Ben，Huang Chongxin，et al）.靜止同步串聯(lián)補償器的變結構控制器設計（Design of variable structure controller used in the static synchronous series compensator）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（6）：124-129.

[11]趙建軍，郭劍波，周孝信（Zhao Jianjun，Guo Jianbo，Zhou Xiaoxin）.靜態(tài)同步串聯(lián)補償器穩(wěn)態(tài)特性分析與詳細數(shù)學模型的建立（The steady state performance analysis and mathematical model of static synchronous series compensator）[J]. 中國電力（Electric Power），2005，38（10）：11-14.

[12]張帆，徐政（Zhang Fan，Xu Zheng）.靜止同步串聯(lián)補償器控制方式及特性研究（Study on control and characteristics of static synchronous series compensator）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2008，28（19）：75-80.

[13]劉家軍，姚李孝，吳添森，等（Liu Jiajun，Yao Lixiao，Wu Tiansen，et al）.PSCAD/EMTDC 中SVPWM 算法的實現(xiàn)（Implementation of SVPWM algorithm in PSCAD/EMTDC）[J].電力系統(tǒng)保護與控制（Power System Protection and Control），2010，38（18）：120-125.