SSSC在电力系统中的应用

SSSC在电力系统中的应用SSSCInThePowerSystemABSTRACT：StaticsynchronousserialcompensatorSSSCisanewtypeofFACTSfamilyofseriescompensationequipment.Thispaperintroducesthesystemstructureandworkingmechanism.ofSSSCBasedontheaboveanalysistheSSSCperformancecharacteristics.ThentheSSSCmodelandcontrolsystemisasummaryofthepaper.ExplainedtherangeandfieldofSSSCatlast,andafterotherseriesdevicearecomparedwithSSSC,withthecurrentresearchstatusofbothathomeandabroadanalyzestheSSSCapplicationprospect.KEYWORDS:SSSC(Staticsynchronousserialcompensator);workingmechanism;performancecharacteristics;application;currentresearchstatus;prospect.摘要：静止同步串联补偿器SSSC（staticsynchronousseriescompensator）是FACTS家族的一种新型的串联补偿设备。本文详细介绍了SSSC的系统结构和工作机理。基于以上分析了SSSC的性能特点。随后对SSSC的模型和控制系统进行了概括性的阐述。最后说明了SSSC的应用范围和领域，并与其它串联装置进行了比较后结合SSSC在国内外的研究现状分析了SSSC的应用前景。关键词：SSSC；工作机理；性能；研究现状；应用；前景展望1引言自柔性交流输电技术（FACTS）被提出以来，已陆续出现了多种FACTS控制器。20世纪90年代初，人们提出了同步电压源的概念。同步电压源相当于同步机，它可以产生与交流电网同相的三相可控电压来与电网交换有功功率和无功功率，而且它没有惯性，可以实时、快速地控制潮流。基于此，人们首先提出了与线路并联的静止同步补偿器（STATCOM），并实现了产品化，获得了满意的效果。在此基础上人们又提出了与线路串联、可控制线路有效阻抗的静止同步串联补偿器（SSSC）。SSSC是一种串联型的FACTS元件，是一种基于电压源逆变器的静止型串联同步补偿装置，它由Gyugyi在1989年首次提出。是应用电力电子技术的最新发展成就以及现代控制技术实现对交流输电系统的参数以至网络结构的灵活快速控制，以实现输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高输电线路的输送能力和电力系统的稳定性、可靠性。它是实现电力系统安全、经济、综合控制的重要手段，被认为是21世纪初可以实施的技术改革措施。对于充分利用现有电网资源和实现电能的高效利用，将会发挥重要作用，已成为当今先进国家电力界研究的热点。SSSC用作输电线路的串联补偿，与常规的控制器不同，它不需要用电容器或电抗器来产生或吸收无功功率，就可以实现无功补偿。同步电压源可以自行产生幅值和相角可控的同步正弦电压，与交流系统交换无功功率，同时还可以交换有功功率，从而增加系统传输功率的能力，提高可控性，其灵活、强大的控制能力，可以满足电网对潮流控制、稳定控制等多方面的要求。补偿的电压与其串联的线路电流相差090。而且该补偿电压与线路电流无关，能在容性到感性的范围内进行，等效为能快速控制线路的有效电阻，从而进行有效的系统控制，有着优良的运行和动态性能：1）可不需用任何交流电容器或电抗器在线路内产生或吸收无功功率；2）可以在同一容性或感性范围内，产生与线路电流大小无关的可控补偿电压；3）对次同步谐振（SSR）及其它振荡现象具有固有的抗干扰能力；4）接入储能器后，可对线路进行有功和无功补偿；5）接入直流电源后，可补偿线路电抗，维持线路X/R的高比值；6）能快速或几乎瞬时地响应控制指令；7）具有适应单相重合闸时非全相运行状态的能力。综上所述，对静止同步串联补偿器的研究是很有必要、很有价值的。2SSSC的系统结构与基本原理2.1SSSC的系统结构静止同步串联补偿器是应用可关断晶闸管(GTO)或其它全控器件构成的同步电压源控制器，其核心部分是一个带有直流储能电容的电压源逆变器（VSI）。SSSC原理接线图如图2.1-1耦合变压器控制器电源逆变器PPQrefPrefQ图2.1-1SSSC原理接线图它主要由逆变器、直流环节（储能电容器或直流电源）、控制器和耦合变压器组成，可经耦合变压串联于输电线路上，也可以不经过耦合变压器直接串联于线路中。refP和refQ是给定功率，P和Q是实际功率，是补偿电压，I是线电流。SSSC的基本原理是向线路注入一个与其电流相位相差90°的正弦可控电压，并且可以灵活改变幅值及相位。注入电压大小不受线路电流或系统阻抗影响，且与线路电抗压降相位相反（容性补偿）或相同（感性补偿），可以起到类似串联电容或串联电感的作用，从而进行有效的系统控制，有着优良的运行和动态性能。容性补偿时，注入电压滞后线路电流090，使线路输送功率能力提高；感性补偿时，注入电压超前线路电流090，减小线路输送功率。2.2SSSC的工作机理SSSC作为一种串联补偿器，具有两种控制方式：电压补偿模式和电抗补偿模式。在定电压模式下，注入电压幅值是个常数（维持额定的容性或感性补偿电压），不随线路电流变化，相位与线路电流相差090。电压补偿模式的运行方式见图2.2-1（a）所示，在电压补偿模式运行方式下，SSSC（固态逆变器和耦合变压器）的额定无功补偿容量为maxpqmaxc=QUI，pqmaxU是线路最大补偿电压，maxI是线路补偿最大电流；在电抗补偿模式下，SSSC的注入电压与补偿线路电流成比例，能够维持最大容性或感性电抗为常数，其运行方式见图2.2-1（b所示。pqmaxLUUpqmaxCUUmaxIpqmaxLUUmaxIpqmaxCUUmaxLXmaxCXII图2.2-1SSSC的控制模式3SSSC的性能研究3.1改变线路传输功率图3.1-1是SSSC接入系统的等效电路图，图3.1-1中X和R分别是SSSC控制器的等效电抗和电阻,pqU和是SSSC注入电压的幅值和相位角。设线路电流为I∠θ,则有-θ=±90°。为简单分析,忽略线路电阻和SSSC的等效阻抗,设线路电压降为LU∠(θ+90°)。下面推导线路补偿前后传输功率的变化。pqUXLXRLRrrUssUSSSC图3.1-1SSSC的等效电路图a)补偿前线路传输功率sinsrsrLUUPX(3-1)式中:P———补偿前线路的传输功率；sU———线路送电端的电压幅值；rU———线路受电端的电压幅值；LX———线路阻抗；δ———送电端、受电端的电压相角差,srsr；b)补偿后的线路传输功率补偿后的线路传输功率有两种情况:当pqU超前线路电流90°时,-θ=90°,则pqU与LU同相,如图3.1-2(a)所示；当pqU滞后线路电流90°时,-θ=90°,则pqU与LU反相,如图3.1-2(b)所示。sUsUpqUrULUrULUpqU（a）补偿电压超前线路电流（b）补偿电压滞后线路电流图3.1-2电压向量图由图(a),(b)可知:22222cos,(902cos+,(-90LrssrrspqLrssrrspqUUUUUUUUUUUU时）；时）；(3-2)补偿后线路传输功率可以表示为'sinsin,(90;'sinsin,(90;srsrsrsrpqpqLLLLsrsrsrsrpqpqLLLLUUUUPUUXXXIUUUUUPUUXXXIU时）时）(3-3)将公式(2)代入公式(3)得到'(1)sinpqsrsrLUUUPX(3-4)公式（4）中，222cosrsrssrUUUU当补偿电压超前线路,电流取负号,补偿电压滞后线路,电流取正号。由公式(1)和公式(4)可知:SSSC补偿后线路传输有功功率变化为'()sinpqsrsrLUUUPX(3-5)从公式(3.1-5)可知:通过调整pqU的大小和相位(决定的符号),就可以控制线路的传输有功功率。pqU由SSSC控制器决定,与线路电流无关,其表达式可写成sin2pqdcUKC(3-6)式中:K———恒定参数；dcC———直流电容；β———脉冲宽度角。由公式(4)还可见：当补偿电压超前线路电流时,如果pqU||,那么P′0,即实现了线路功率反送。3.2提高线路X/R比值在电压等级较低的网络中,X/R比值较小，减小该比值，线路最大传输功率一般会下降。在X/R值较小的网络中,串联电容补偿可能进一步增加线路的无功需求。SSSC接入储能装置后,可以通过控制补偿电压与线路电流的相角来实现有功功率和无功功率的补偿,无功功率补偿线路中的阻抗X，有功功率补偿线路中的电阻R，这样就可以实现提高线路X/R比值的目的。3.3改善系统稳定性从动态系统稳定性的角度看,无功功率线路的补偿和同步有功功率的交换能够提高系统的振荡阻尼,从而有利于提高系统的动态稳定性。比如,在系统功角增加时,带有储能的SSSC提供最大容性补偿来增加传输有功功率,同时吸收有功功率作为串联线路的一个阻尼器,这时的SSSC相当于一个电阻,消耗系统多于有功,向系统提供正阻尼。当系统功角减小时,SSSC的控制策略刚好相反,也即提供感性补偿减小线路传输有功功率,同时向线路提供有功功率,此时的SSSC相当于发电机,向系统提供负阻尼。串联电容器是容性补偿，只能增加线路的传输功率，而SSSC既可是容性补偿又可是感性补偿，即既能增加线路的传输功率又能减少线路的传输功率。而且当它处于感性补偿时，如果满足...12qvvv，还可以实现功率的反向传输。SSSC与串联电容器比较这种特性的体现如3.3-1所示：1.51.00.5009001801/3S1/5S0Sqpqp09001800.51.01.500.50.707qv0.353qv0qv0.707qv0.353qv(a)串联电容器的功角特性(b)SSSC的功角特性图3.3-1SSSC与串联电容器功角特性的比较1x1x1Bus2Bus11r22rCrjx1G2GCrxrx1Bus2Bus11V12Vrjx1G2GC1GqV(a)串联电容器的双机系统(b)SSSC的双机系统图3.3-2SSSC与串联电容器双机系统的比较由以上两图可知若用电容器补偿无功功率，只能在低压状态下提高线路电压，而采用qv不但能提高电压，还可以在轻载或空载状态下降低电压。当SSSC与附加电源或储能设备相连时，还可以与系统交换有功功率。SSSC通过控制补偿电压的相角就能与系统交换有功功率。3.4避免谐振串联电容补偿由于其补偿电抗是频率的函数，因此它可以在某种频率下与网络中存在的其它感性电抗一起引起谐振。在此谐振频率下,电力系统可以加强某一发电机汽轮机的机械谐振,引起次同步谐振(SSR)，这种次同步谐振可以导致发电机的损坏。SSSC实质上是一个交流电压源,有固定的控制输入，仅仅在被选定的基本输出频率下操作，在其它频率下,其输出阻抗为零。SSSC的串联耦合变压器提供了一个相对小的电感性输出阻抗，当SSSC提供容性补偿时，在基波频率下，这个阻抗的电压降可被自动补偿。除了基本操作频率，SSSC有效输出阻抗，频率特性仍保持一个小电感的特性。因此，SSSC不能形成一个有电感性输电线路阻抗的典型串联谐振电路来激发次同步的系统谐振。另一方面,SSSC有非常快的响应,它能够有效消除次同步谐振。4SSSC模型及控制研究进展4.1数学