静止同步串联补偿器在电力系统中的应用

李浩,方鑫，肖洒

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

静止同步串联补偿器在电力系统中的应用

李浩,方鑫，肖洒

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

近些年来，随着电力负荷的不断增加，电网规模的不断扩大，超高压、长距离输电线路的不断增多，对电网的输送能力和系统的稳定性和灵活性提出了更高的要求。本文详细分析了静止同步串联补偿器SSSC的基本结构和工作原理，在此基础上分析了串联补偿装置SSSC对功率的调节作用及其在线路中的应用。

电力负荷；静止同步串联补偿器；功率调节

1 引言

近年来电力电子技术的不断发展和出现越来越多的大功率半导体器件，FACTS(灵活交流输电)技术和设备。FACTS这一概念最早是由美国著名电力专家N.G.Hingorani于1986年提出来的，它是结合了电力电子器件、微电子技术、通信技术和控制技术而形成的新技术，该技术主要用于控制交流输电。FACTS技术已经被国内外科研人员预测为“新时代输电系统三项支撑技术”之一”。这项技术主要作用是把功率比较大的电力电子器件来取代传统意义上控制元件上的高压开关，从而可以实现为交流输电网提供快速不间断和准确的控制方式以及能提高潮流功率的优化，对系统稳定性有很大提升。

静止同步串联补偿器(Static Synchronous Series Compensator，简称SSSC)是近年来电力系统出现的FACTS控制器的一种。它以串联方式与输电系统结合起来，是同步电压源的控制器，基本原理是向线路输入一个相差电流相位90°的可控电压，这样它就能够视为瞬速控制线路的有效阻抗，从而能够对系统进行有效的控制，它具有以下几方面的优点：(1)在线路内不需要用电容器或电抗器就可以产生以及吸收无功功率；(2)可以保持在静止同步串联补偿器相同容性以及感性范围内，产生一个于线路电路无关的可控补偿电压；(3)在电路引入储能器后，能够对线路进行有功和无功补偿；(4)在电路接入直流电源后，能对线路电抗进行补偿，从而让线路X/R的比值达到一个比较高的值;(5)能够非常快速地响应控制指令。根据以上分析，分析以及研究静止同步串联补偿器是很有必要的，同时也是我国电力系统输电行业能够快速发展的需要。

2 静止同步串联补偿器的基本原理

2.1 静止同步串联补偿器的工作原理

静止同步串联补偿器(SSSC)的工作原理是将一个电压的输电线路，其幅度、相位可调。这样可以对补偿电压的大小或相位进行调节，从而整个系统的潮流分布就会随电压的改变而改变。SSSC 的电路包括为控制电路、驱动电路等几个普通电路。并且他们与耦合变压器一起串联在电网线路中，如图1所示。如果直流侧电容器组，这样SSSC相当于无功功率可以控制，通过状态变换的GTO、IGBT等电子设备来调整系统的输出电压和输出电流的波形，所以它可以吸收或提供无功功率。

图1 SSSC基本电路

SSSC与线路中串联电容都是应用线路阻抗与串联电容的频率特性之间的关系来提高线路中感性阻抗两端的电压，从而增加线路电流和线路传输功率。输电线路中串联电容的原理图及向量图如图2所示。

图2 线路串联电容补偿情况及其对应的向量图

在图2中，传输系统起始端电压为U1,客户端电压为U2，传输线路上的损耗电压为UL,串联电容补偿器端电压为UC,此系统中U1和U2有相同的幅值，但是两者角度差为θ12,线路电抗为XL。从图中，我们可以看到在线路电流的情况下，串联电容器的电压会导致电压幅值的增加，从而导致电容电压的增加。串联电容，以消除电压和线路上的电流通过电压，以提供一个滞后的配电线路电流，它实际上是减少线路电感的提前。因此，电容串联补偿实际上是通过增加电压分布线阻抗来实现相应的补偿，从而提高线路的电流和功率的效果。电容串联补偿可以有效地减小配电线路阻抗，这是通过增加配电线路阻抗的电压来实现补偿效应的。可以得出以下结论：如果用等效的同步交流电压源代替串联补偿电容器，当电压源的输出电压与串联电容器的输出电压相等时，可以达到相同的效果。静止同步串联补偿器可以等效为同步的交流电压源从而达到这个效果。如图3所示。

图3 SSSC 等效电压源结构图

在图3中，SSSC等效电压源结构类似于串联补偿电容的结构，这样的功能是一样的，它们之间关系如下式：

US=UC=-jXCI=-jKXI

(1)

从等效电压源关系图中还可以得到：

(2)

而

(3)

(4)

综合以上各式可得，改变等效电压源US的幅值，控制U1和U2之间的向量夹角θ12的变化。通过改变在压降上的配电线路电抗，从而降低整个线路压降，达到电压补偿的目的。因此基于FACTS技术的SSSC控制器是通过控制主电路中的电力电子开关器件的导通改变其等效电抗特性。改变由线电压上升导致的有效阻抗值线的SSSC系列，传输功率变大，这样可以实行潮流控制。

3 SSSC在电力系统中的应用

3.1 改变线路传输功率

SSSC接入系统电路如图4所示，其中X和R是SSSC控制器的等效电抗和电阻，Upq和α是SSSC注入电压的幅值和相位角，XL和RL是线路电抗和电阻。设线路电流为I∠θ(θ为电流相角)，则有α-θ=±90°。为便于计算分析现忽略电路电阻和SSSC等效阻抗，假设线路电压降落为：UL∠(θ+90°)。下面推导补偿前后线路传输功率的变化。

图4 SSSC的等效电路图

(1)补偿前线路传输功率P

(5)

式中，US和Ur分别是送端和受端电压幅值；δs和δr分别是送端和受端电压相角，δsr=δs-δr。

(2)补偿后线路传输功率

向量图，两种情况：

①当Upq超前线路电流90°时，即α-θ=90°，则Upq与UL同相，如图5(a)所示。

②当Upq滞后线路电流90°时，即α-θ=-90°，则Upq与UL反相，如图5(b)所示。

由图5知

图5

补偿后线路传输功率P′可以表示为

综合以上各式可得

(6)

由式(5)和式(6)可知SSSC补偿前后线路传输有功功率变化量为

由式(6)还可知：当补偿电压超前线路电流时，如果Upq>|a|，那么P′<0。这样就实现了线路功率的反送。

3.2 提高线路X/R的值

在较低电压等级的网络中，X/R比值一般偏小，如果X/R比值变小，那么导致线路最大传输功率会降低。在较小值的X/R网络中，串联电容补偿电路的无功功率的需求可能会进一步增加。SSSC接入储能装置后可以通过控制补偿电压与电流的角度来实现有功和无功的补偿目的，从而可以实现提高线路X/R比值目的。

3.3 改善系统稳定性

从动态系统稳定性角度来分析，对无功功率的补偿和有功功率的交换可以有效地提高系统的振荡阻尼，从而能大大提高系统的动态稳定性。例如，随着系统功角的增加，带有储能的SSSC能够供给最大容性补偿，这样就可以增加传输有功功率，这样系统可以吸收有功使其成为串联线路的阻尼器，那么此时的 SSSC可视为电阻元件，能够抵消系统中有功功率。如果系统功率角变小，SSSC的控制策略也会随着发生改变，这时候SSSC会给线路进行感性补偿，使得线路传输有功功率变小，此时的SSSC相当于发电机，向系统提供负阻尼。

3.4 避免谐振

串联电容补偿因为它是一个关于频率的函数，所以它可以在特定频率下与其他感性电抗网络一起引起谐振。在这个特定谐振频率下，电力系统可以提高机械谐振，引起次同步谐振(SSR)。这种次同步谐振可以对发电机照成破坏。SSSC本质上是一个交流电压源，控制输入是固定的，只有在基本输出频率的操作，在其他频率的输出阻抗为零。SSSC系列提供了一个相对较小的电感耦合变压器的输出阻抗，并在基频阻抗的电压降时，能自动补偿的静止同步串联补偿器具有补偿电容。除了基本的工作频率，有效输出阻抗频率特性的SSSC仍然保持一个小的电感特性。因此，SSSC不能形成感应传输线阻抗典型的串联谐振电路激发谐振同步系统。另一方面，SSSC可以实现响应，它可以有效地消除次同步谐振。

5 结论

静止同步串联补偿器(SSSC)技术的出现已向世人展示了其十分优秀的前景。可以预见在未来会全面采用这种新技术的输电系统,加上现代化的计算机控制和通信手段的辅助,输电能力将有很大提升，系统的多样性及可控性将有明显改善。尤其对我国未来大电网、远距离、超高压输电具有重大的研究意义。

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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，湖北武汉人。在读研究生，从事电力系统运行与控制方向研究； 方鑫(1990-),男，湖北黄冈人。在读研究生，从事电力系统运行与控制方向研究。