李浩,方鑫，肖灑

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

李浩,方鑫，肖灑

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

近些年來，隨著電力負(fù)荷的不斷增加，電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，超高壓、長(zhǎng)距離輸電線路的不斷增多，對(duì)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(xì)分析了靜止同步串聯(lián)補(bǔ)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(bǔ)償裝置SSSC對(duì)功率的調(diào)節(jié)作用及其在線路中的應(yīng)用。

電力負(fù)荷；靜止同步串聯(lián)補(bǔ)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(dǎo)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(guó)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(guó)內(nèi)外科研人員預(yù)測(cè)為“新時(shí)代輸電系統(tǒng)三項(xiàng)支撐技術(shù)”之一”。這項(xiàng)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(shí)現(xiàn)為交流輸電網(wǎng)提供快速不間斷和準(zhǔn)確的控制方式以及能提高潮流功率的優(yōu)化，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大提升。

靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(Static Synchronous Series Compensator，簡(jiǎn)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(gè)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(jìn)行有效的控制，它具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：(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(bǔ)償器相同容性以及感性范圍內(nèi)，產(chǎn)生一個(gè)于線路電路無關(guān)的可控補(bǔ)償電壓；(3)在電路引入儲(chǔ)能器后，能夠?qū)€路進(jìn)行有功和無功補(bǔ)償；(4)在電路接入直流電源后，能對(duì)線路電抗進(jìn)行補(bǔ)償，從而讓線路X/R的比值達(dá)到一個(gè)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(bǔ)償器是很有必要的，同時(shí)也是我國(guó)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(bǔ)償器的基本原理

2.1 靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器的工作原理

靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)的工作原理是將一個(gè)電壓的輸電線路，其幅度、相位可調(diào)。這樣可以對(duì)補(bǔ)償電壓的大小或相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而整個(gè)系統(tǒng)的潮流分布就會(huì)隨電壓的改變而改變。SSSC 的電路包括為控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等幾個(gè)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(dāng)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(bǔ)償情況及其對(duì)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(bǔ)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(huì)導(dǎo)致電壓幅值的增加，從而導(dǎo)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(gè)滯后的配電線路電流，它實(shí)際上是減少線路電感的提前。因此，電容串聯(lián)補(bǔ)償實(shí)際上是通過增加電壓分布線阻抗來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的補(bǔ)償，從而提高線路的電流和功率的效果。電容串聯(lián)補(bǔ)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(shí)現(xiàn)補(bǔ)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(bǔ)償電容器，當(dāng)電壓源的輸出電壓與串聯(lián)電容器的輸出電壓相等時(shí)，可以達(dá)到相同的效果。靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器可以等效為同步的交流電壓源從而達(dá)到這個(gè)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(bǔ)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?cè)趬航瞪系呐潆娋€路電抗，從而降低整個(gè)線路壓降，達(dá)到電壓補(bǔ)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(dǎo)通改變其等效電抗特性。改變由線電壓上升導(dǎo)致的有效阻抗值線的SSSC系列，傳輸功率變大，這樣可以實(shí)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(jì)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(dǎo)補(bǔ)償前后線路傳輸功率的變化。

圖4 SSSC的等效電路圖

(1)補(bǔ)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(bǔ)償后線路傳輸功率

向量圖，兩種情況：

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

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

由圖5知

圖5

補(bǔ)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(bǔ)償前后線路傳輸有功功率變化量為

由式(6)還可知：當(dāng)補(bǔ)償電壓超前線路電流時(shí)，如果Upq>|a|，那么P′<0。這樣就實(shí)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(jí)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(dǎo)致線路最大傳輸功率會(huì)降低。在較小值的X/R網(wǎng)絡(luò)中，串聯(lián)電容補(bǔ)償電路的無功功率的需求可能會(huì)進(jìn)一步增加。SSSC接入儲(chǔ)能裝置后可以通過控制補(bǔ)償電壓與電流的角度來實(shí)現(xiàn)有功和無功的補(bǔ)償目的，從而可以實(shí)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性角度來分析，對(duì)無功功率的補(bǔ)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。例如，隨著系統(tǒng)功角的增加，帶有儲(chǔ)能的SSSC能夠供給最大容性補(bǔ)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(shí)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(huì)隨著發(fā)生改變，這時(shí)候SSSC會(huì)給線路進(jìn)行感性補(bǔ)償，使得線路傳輸有功功率變小，此時(shí)的SSSC相當(dāng)于發(fā)電機(jī)，向系統(tǒng)提供負(fù)阻尼。

3.4 避免諧振

串聯(lián)電容補(bǔ)償因?yàn)樗且粋€(gè)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(gè)特定諧振頻率下，電力系統(tǒng)可以提高機(jī)械諧振，引起次同步諧振(SSR)。這種次同步諧振可以對(duì)發(fā)電機(jī)照成破壞。SSSC本質(zhì)上是一個(gè)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(gè)相對(duì)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(shí)，能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)撵o止同步串聯(lián)補(bǔ)償器具有補(bǔ)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(gè)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(shí)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(bǔ)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(huì)全面采用這種新技術(shù)的輸電系統(tǒng),加上現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)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(duì)我國(guó)未來大電網(wǎng)、遠(yuǎn)距離、超高壓輸電具有重大的研究意義。

[1] 張樹周,馬紅霞.淺析電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2011,21:67-68.

[2] 謝小榮,姜齊容.柔性交流輸電系統(tǒng)的原理及應(yīng)用[M]北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[3] E.Rosolowski，B.Kasztenny，J.Izykowski，and M.M.Saha.Comparative analysis of impedance algorithms for series compensated lines.Proceedings of the Power System Protection Conference,Bled，Slovenia，1996:21-26.

[4] Z.Chen，Z.Q.Bo，F(xiàn).Jiang，G.Weller.A Fault Generated High Frequency Current Transient Based Protection Scheme for Series Compensated Lines.IEEE Meeting,2000.

[5] 劉黎明，康勇，陳堅(jiān)，等.SSSC建模、控制策略及性能[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21(9):37-43.

[6] A.M.Kulkarni，K.R.Padiyar,“Damping of power swings using series FACTS controllers”，Electrical Power and Energy Systems，21(1999)475-49

[7] 王輝，王耀南.基于模糊自整定PI控制的SSSCC潮流控制器研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19.

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(yùn)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(yùn)行與控制方向研究。