SSSC限流性能仿真研究

汪剑侠，刘轶强

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064； 2. 海军驻湖南地区代表室，湘潭411101 ）

0 引言

随着电力系统的发展，系统短路水平的提高，关于故障限流器的研究成为一个热点方向。各种各样的限流器方案相继被提出，如超导限流器、固态限流器、液态金属限流器等。各国学者从材料、拓扑、器件、控制策略等角度不断地对现有的限流器方案进行了改进，并取得了一定的效果。除了向系统中添加额外的限流设备，还有一个思路是开发现有设备的限流功能。近些年来快速发展的 FACTS(Flexible AC Transmission System)技术中，有多种设备值得考虑，如晶闸管控制串联电容器（TCSC），静止同步串联补偿器（SSSC）、统一潮流控制器（UPFC）等。类似TCSC技术的具有串联补偿作用的限流器[1]、谐振限流器[2]等已经得到了应用,浙江大学提出的限流式UPFC拓扑综合了固态限流器以及UPFC的优点，并进行了实验验证[3]。由于 SSSC装置能够改变线路阻抗，其限流能力同样值得研究。

本文首先介绍了 SSSC工作原理，并在Matlab/Simulink软件中搭建了一个小型的 SSSC装置，并对其限流性能进行了仿真分析。

1 SSSC工作原理

如图1所示，SSSC主要包括电压源变换器、耦合变压器、滤波器等环节组成。

SSSC装置本质上可以看做一个同步电压源，通过耦合变压器向线路注入一个与线路电流相差90°的可控电压。从系统层面来说，SSSC装置可以等效为一个可控的电抗。通过改变注入电压的幅值，就可以改变等效电抗的大小[4]。

图1 SSSC装置原理图

以含有SSSC装置的双机电力系统为例说明SSSC潮流控制的原理[5]。

图2 含SSSC装置的双机系统图

假设功率流向为图中箭头所示方向，XL为线路电抗，线路中传输的有功功率、无功功率可以由式(1)、(2)表示。

由式（1）—（2）可以看出，通过改变线路阻抗就可以控制系统有功功率以及无功功率。按照图2定义的电流方向，当补偿电压超前线路电流90°时，SSSC装置等效为一个电感；当滞后90°时，SSSC装置等效为一个电容。在容性补偿条件下的系统向量图如图3所示。

图3 含SSSC双机系统向量图

从前面的叙述可以看出，SSSC装置的关键在于产生一个与线路电流相差90°的电压。这里采用矢量控制策略，并在380 V电压等级下应用IGBT型的电压源变换器进行验证。

2.1 锁相角计算[6]

测量电网线路三相电流IA、IB、IC，在 ABC静止坐标系下定义电流空间矢量IA、IB、IC，经过3s/2s变换得到两相静止坐标系下的Iα、Iβ。

图4 坐标变换示意图

从图 4可以看出，合成空间电流矢量在空间旋转的角度可以由式（3）、（4）计算。

这样，利用上面所获得的角度去控制 SSSC装置输出电压时，就将输出电压的d轴分量Ud、定向在合成电流矢量方向上，q轴分量Uq则与合成电流矢量垂直。不考虑SSSC装置与电网间有功功率交换，将Ud设定为0就实现了SSSC输出电压与线路电流相差90°。

2.2 控制框图

对系统正常工作时功率传输来说，希望将线路电抗降低以提高有功功率的输送能力；而系统发生短路故障时则希望快速增大线路电抗以限制系统短路电流，这可以通过系统控制算法来实现。以上分析表明，SSSC装置主要的功能在于实现线路阻抗的快速变换。这一特点同样可以应用于短路电流限制。下面通过仿真进行具体分析。

2 SSSC限流性能仿真分析

系统总体的框图如图5所示，对线路电流进行采样用于相角计算，得到的角度用于变换器输出电压的坐标变换。Ud-ref用于控制直流侧电容电压，这里设定为0，Uq-ref用于控制补偿电压。Uq-ref>0时，等效串入电感；Uq-ref<0时，等效串入电容。短路故障发生时，迅速调整Uq-ref的给定，就可以实现对短路电流的限制。

2.3 Matlab仿真实现

图5 系统总体仿真示意图

图5为系统仿真总体图，采用双机电力系统模型，仿真步骤为：当断路器闭合时，SSSC被短路掉，同时控制PWM模块不发出PWM波，即可进行无补偿仿真；当断路器断开，接入补偿控制器，通过控制Uq-ref实现对补偿的控制。三相故障器 Fault用来模拟短路故障。前文提到的相角计算单元、闭环控制单元、PWM 波生成单元通过图6-图8所示的模块实现。

图8 PWM波生成单元

图6 相角计算单元

图6为仿真中用到的相角计算单元，该单元的输入是电网侧线路三相电流IA、IB、IC，输出为坐标变换用到的cosθ、sinθ值。

图7 闭环控制单元

图7为仿真中闭环控制单元原理图，因为直流侧采用直流电源，不考虑直流侧电压波动，Ud给定为0。Uq则根据补偿性质不同由阶跃信号给定，图中用到的PWM波生成单元如图8所示。

本文采用的双机系统中设置参数为：U1= 3 80∠ 0°，U2= 3 80 ∠ - 3 0°， X/R=7 两端变压器变比设为1:1，仿真步长为2e-5。

图 9为在直流侧电源电压UDC=500 V时SSSC输出侧线电压波形图。

设置在0.082 s时系统发生三相短路故障，在不投入SSSC装置时系统三相电流波形如图10所示。系统正常工作时相电流在10 A左右，在不加限制的情况下，短路故障发生时相电流超过了60 A。

2.4 仿真结果分析

图11为接入SSSC装置时系统三相电流仿真波形，正常情况下Uq给定为负，SSSC处于容性补偿状态，增大了系统输送的电流；故障发生时，迅速将Uq给定变为正值，SSSC装置对系统而言等效为一个电感。在Uq给定为300条件下，SSSC装置将系统故障电流限制在40 A以内。但是，SSSC装置对各相电流的限流效果并不相同。故障后第一个半波周期内，蓝色信号指示的线电流限流效果更为明显，但是随后又出现了超过20 A的反向电流。这可能是由于SSSC等效串入电感后引起的系统振荡。

Uq给定为400时得到的仿真波形如图12所示，此时串入系统的等效电感更大，限流效果更明显，三相电流均被限制在30 A以内。但是，此时引起的系统振荡问题也更为突出。

3 结论

本文介绍了 SSSC的工作原理，并探讨了在SSSC现有功能基础上进行故障限流的可能性。从仿真结果看，SSSC装置具有一定的短路电流限制能力。但是，也存在以下问题：

1）SSSC装置串入系统最大电压受限于直流侧电源电压值以及耦合变压器变比。最终受限于功率器件的功率等级。

2）短路故障发生时，SSSC装置中功率器件将要承受较大的电压及电流。器件本身需要更好的保护。

3）在故障检测时间内，SSSC装置若处于容性补偿状态将增加系统短路电流。

综上可知，SSSC装置目前还不具备完美的限流能力，但这是开展限流器研究另外的一个思路，即现有设备基础上拓展其限流功能，节省硬件成本、空间。随着电力电子器件的发展，SSSC限流能力也将得到提升。

[1]袁清芳, 李兴源.具有可控串联补偿的新型故障限流器的研究[J].电工技术学报, 2004, 19(1): 40-43.

[2]严朝阳. 串联谐振型故障限流器的研究及应用[D].华北电力大学, 2012.

[3]田中山. 10kV 限流式 UPFC 试验样机研制[D]. 浙江大学, 2013.

[4]谢小荣, 姜齐荣. 柔性交流输电系统的原理与应用[M]. 北京:清华大学出版社, 2006.

[5]Hingorani N G, Gyugyi L. Understanding FACTS:concepts and technology of flexible AC transmission systems[M]. New York: IEEE press, 2000.

[6]陈伯时, 电力拖动自动控制系统[M]. 机械工业出版社, 2010.