SSSC在电力系统中的应用.doc

如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流SSSC在电力系统中的应用【精品文档】第 7 页SSSC在电力系统中的应用SSSC In The Power SystemABSTRACT：Static synchronous serial compensator SSSC is a new type of FACTS family of series compensation equipment. This paper introduces the system structure and working mechanism.of SSSC Based on the above analysis the SSSC performance characteristics. Then the SSSC model and control system is a summary of the paper. Explained the range and field of SSSC at last, and after other series device are compared with SSSC,with the current research status of both at home and abroad analyzes the SSSC application prospect.KEY WORDS: SSSC (Static synchronous serial compensator);working mechanism;performance characteristics;application;current research status; prospect.摘要：静止同步串联补偿器SSSC（static synchronous series compensator）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。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。2 SSSC的系统结构与基本原理2.1 SSSC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。和是给定功率，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，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，减小线路输送功率。2.2 SSSC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。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，是线路最大补偿电压，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。 图2.2-1SSSC的控制模式3 SSSC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, 和是SSSC注入电压的幅值和相位角。设线路电流为I, 则有-= ±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 (+ 90°) 。下面推导线路补偿前后传输功率的变化。 图3.1-1SSSC的等效电路图a) 补偿前线路传输功率 (3-1)式中:P 补偿前线路的传输功率； 线路送电端的电压幅值；线路受电端的电压幅值；线路阻抗；送电端、受电端的电压相角差, ；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:当超前线路电流90°时,-= 90°,则与同相, 如图3.1-2(a)所示；当滞后线路电流90°时, -= 90°, 则与反相, 如图3.1-2(b)所示。（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: (3-2)补偿后线路传输功率可以表示为(3-3)将公式(2)代入公式(3)得到 (3-4)公式（4）中，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 (3-5)从公式(3.1-5) 可知: 通过调整的大小和相位(决定的符号),就可以控制线路的传输有功功率。由SSSC控制器决定,与线路电流无关,其表达式可写成 (3-6)式中: K 恒定参数；直流电容；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> | , 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，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：(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(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。4 SSSC模型及控制研究进展4.1数学模型与建模方法SSSC的模型可分为动态模型与稳态模型。动态模型分析系统动态特性与行为，便于电磁暂态过程的数值仿真；而稳态模型只考虑SSSC系统的输入输出特性，用于描述电力系统的行为以及潮流计算。目前SSSC的建模方法主要有两种：拓补建模法和输出建模法。输出建模法较简单，通常将装置等效为一个电压源外接阻抗，再考虑装置本身的一些约束条件，得到联立方程。拓扑建模法是先建立逆变器的等值电路，从而列出了它的状态方程。拓扑建模法要考虑装置的不同拓扑结构，比较复杂，且不易形成模型统一的表达式。4.2 控制策略目前，SSSC的控制方法除了传统的PID方法外，还有其它一些控制方法。不同的控制方法侧重点不同，控制效果也不同。a）PID控制:PID控制仍是FACTS控制器常用的控制方法，其生命力在于：理论完善，概念消晰，调整方便，易于工程实用化。日前投入的FACTS装置大都采用PID控制。虽然PID控制易于实现，但对改善系统的动态特性并不显著。b）多变量控制设计：将SSSC的多控制功能(包括潮流，电压，稳定性等)，按多变量控制器的设计方法，统一设计成一个控制器，有效地解决多目标控制的协调问题。c）综合智能控制：综合智能控制由于具有处理各种非线性的能力，并行计算能力，自适应、自学习、自组织能力，有希望成为综合解次多机电力系统控制所而临问题的一种有效手段。4.3主电路拓补结构SSSC可采用的主电路拓扑多种多样，包括传统的三相桥结构、多重化结构、多电平结构等，实际应用中多采用多重化和多电平两种结构。同多重化结构相比较，多电平结构更适合类似SSSC这类高压大容量FACTS设备的应用。从目前的研究来看，多电平结构主要分为箝位型和级联型两类，箝位型又包括二极管箝位式及飞跨电容式两种，级联型包括相同模块级联式和混合级联式。5 SSSC的应用SSSC的特点决定了它在电力系统中具有广泛的应用前景，学者们对其进行了广泛的研究，主要集中在以下方面：潮流分析与控制、提高输送容量、提高系统阻尼抑制振荡、改善系统稳定性等。1）潮流分析与控制潮流分析研究的内容主要是SSSC在潮流计算中的数学模型。SSSC具有多种控制功能，包括线路有功控制、线路无功控制，母线电压控制和线路阻抗控制等。潮流控制主要研究SSSC的控制策略来实现线路潮流的灵活调整。2）稳定分析主要包括暂态稳定和电压稳定两部分。3） 抑制振荡固定电容器可以提高系统的输送容量，也能够增加系统振荡的阻尼，但是一旦固定电容器补偿水平过高，有可能引发次同步谐振（SSR）。运用SSSC和固定电容器的混合系统提高了系统整步功率系数。SSSC是用于输电线上的FACTS控制器。一台SSSC装置，每一单位的VA值可产生正负2个单位的无功补偿值，具有较高的性价比。SSSC性能上优于串联电容器和STATCOM，造价明显低于UPFC，但功能可与之相比。SSSC既可用于长距离传输线的潮流控制，也适用于短距离传输线或轻载线路。另外，SSSC安装地点也比较灵活。UPFC由2个同步电压源组成，一个与线路串联，另一个与线路并联，它既可控制线路电压和线路阻抗，又可控制功率角，实现对潮流的控制；IPCF利用每条线上的SSSC串补（这些SSSC的直流侧是连在一起的），在独立控制无功的同时，可实现在补偿线路之间传输有功功率，达到柔性控制电网潮流的目的。它可为有多路输电线的变电站或电网提供高效功率传输管理，从而标志着FACTS的控制对象从交流输电线扩展到交流电网。可以说，SSSC既是UPFC的一个组成部分，又是IPFC的基本组件，但它不像UPFC和IPFC那么复杂，又有着与STATCOM不同的特点。SSSC目前还处于开发阶段，国外对于SSSC的研究较多，而国内则较少，在成功地设计和运行STATCOM基础上，增加对SSSC的研究，有利于对UPFC和IPFC的研制和开发。6 与其它串联装置的比较SSSC是一种电压源型的串联补偿装置，TSSC，TCSC和GCSC是可变电抗型串联补偿装置，两类补偿装置都能提供有效的潮流控制, 从外特性上看有些相似之处，但是它们的运行方式和控制特性有很大不同。归纳如下：a) SSSC能产生一可控的不依赖与线路电流的感性或容性电压，而GCSC和TSSC在给定的控制范围内补偿电压与线路电流成比例。b) SSSC能够与储能装置接口，既可以向系统提供无功补偿又可以提供有功补偿, 能够维持线路的X/ R高比值，而其它串联补偿只能与线路交换无功，不能交换有功。c) 通过调节无功补偿来增加或减少传输功率以及同时向线路注入一个虚拟的正电阻(或负电阻)来吸收(或发出) 有功功率, SSSC可以有效抑制系统的功率振荡，而其它变阻抗型的串联补偿智能通过调节无功补偿来阻尼系统的功率振荡。d) TSSC和TCSC采用传统的晶闸管控制，晶闸管多是一些功率半导体，额定电压和电流很高, 而且向系统注入低阶谐波分量，线路暂态过程缓慢, 闭环控制方式复杂，容易产生并联谐振。而SSSC采用基于GTO的电压源逆变器，可关断晶闸管有更低的额定电压和电流，理想的SSSC在基波频率下产生纯正弦的交流电压, 在其它频率下其输出阻抗为零，而且SSSC不会与感性线路共振激发次同步振荡。e) TSSC , TCSC , GCSC直接和输电线路耦合, 安装电压等级更高, 对其冷却系统和控制接口的绝缘要求很高。而SSSC 通过耦合变压器与线路串联, 对绝缘要求相对要低。f )通过调整可以提高电压,也可以在轻载或空载状态下降低电压, 而固定电容器补偿无功功率只能在低压状态下提高线路电压, 且补偿效果受线路电流的影响。固定电容器补偿电抗是频率的函数, 串入线路容易导致系统发生次同步谐振SSR , 而SSSC提供的阻抗与频率没有关系。7 SSSC国内外的研究现状和前景目前，同步电压源主要是通过电压源逆变器来实现的，交流元器件主要采用GTO和IGBT。GTO能适应高电压、大电流、通断频率较高的要求、且快速性能好。基于GTO的SSSC主要由变流器、并联电容器、耦合变压器和控制器组成。其中，变流器和控制器是SSSC的核心部分。目前，重点是采用方波逆变器和多重化的连接技术实现变流器，即将多个六脉冲波电压源逆变器的输出经过磁路的耦合和叠加，形成三相正弦波，最后经耦合变压器串联到交流系统中。为了获得更高的额定容量，可扩展变流器为更多个相同的六脉冲波逆变器并联。基于IGBT的电压源逆变器，是采用PWM调制技术，而且IGBT已实现模块化，控制相对简单，整个装置没有那么复杂。目前，SSSC的控制方法除了传统的PID方法外，还有滑模控制方法、综合智能方法等。这些控制方法有效地验证了SSSC的性能，但无论是它的动态特性还是静态特性都有待于进一步的研究。1998年在美国电力公司的Inez变电站投运的统一潮流控制器(UPFC)，以及2002年在纽约电管局(NYPA)的Marcy变电站投入运行的可变静态补偿器CSC (Convertible Static Compensator)都集成了几种FACTS装置的功能，其体现对潮流和稳定控制的关键组成部分就是SSSC。虽然目前世界上还没有单独的SSSC装置，但实际上已经投运的两个UPFC工程以及一个CSC工程都有单独作为SSSC运行的方式，因此可以说已经有SSSC的实际工程投入电网运行了。国外对SSSC的技术研究比较多，起始时间也比较早，对SSSC建模、控制策略、稳态暂态分析以及含SSSC的潮流计算方面都有论述，不过大部分集中于阻尼低频振荡、抑制SSR及基于器件级仿真模型的电磁暂态分析。国内SSSC起步较晚，还处在理论分析和研制阶段，大多都只是在SSSC的控制器上进行建模和仿真。目前，我国正在对电力系统进行改造和扩建，FACTS控制器的优点在于它可以灵活、可靠、快速的对电网进行控制，随着电力电子技术和微机控制技术的发展。它必将在未来的电力系统中得到广泛的应用，作为FACTS装置的一员，SSSC也将以独特的优点占有一席之地。总体来说目前SSSC的研究还处在理论分析和研制阶段，其数学模型、控制策略和逆变器拓扑等还有待进一步研究。SSSC是新一代的串补设备，因此对它的研究处于起步阶段，今后将会有更多更深入的研究。综上所述，SSSC将会有广阔的应用前景。8 结论 SSSC作为一种新兴的FACTS控制器，能够提供独立于线路电流的补偿电压，等效为能快速控制线路的有效阻抗，从而进行有效的系统控制，可提高线路输送功率，并能够抑制系统振荡。本文主要基于以下几个方面对SSSC进行了综述。一、介绍了静止同步串联补偿器（SSSC）的系统结构及其工作机理。二、结合各种方法和公式分析对SSSC的性能进行了讨论。三、介绍了SSSC的模型及控制方法研究。四、针对SSSC的特性分析了SSSC的应用范围。五、比较SSSC与固定电容器补偿和可控串联补偿之间的区别。六、对国内外的SSSC研究现状和前景进行了综述。参考文献1 周俊宇静止同步串联补偿器在电力系统中的应用综述J广东电网，2006，25(4) ：51-54 Zhou Junyu.Static Synchronous Serial Compensators applied in Power System JGuang Dong Power Grid Corp，2006，25(4)：51-54(in Chinese)2 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