静态串联同步补偿器(SSSC)的优化应用

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：静态串联同步补偿器是基于变流器型的串联补偿装置，通过在线路中串联注入电压来控制线路两端的功角差和电压降落，从而起到调节线路的输送功率，提高系统稳定性、阻尼功率振荡及抑制次同步谐振等作用。为了实现串联补偿，一般采用耦合变压器。分相补偿结构的SSSC具有不对称补偿功能。锁相环PLL得到SSSC线路电流的相角基准，该相角基准经移相90°后送往脉冲形成环节。图4-36所示为SSSC典型控制原理图。

多年来，以TCSC、SVC和STATCOM等为代表的FACTS技术已在我国得到应用，但基于可关断电力电子器件的串联型补偿装置我国研究还较少。静态串联同步补偿器（SSSC）是基于变流器型的串联补偿装置，通过在线路中串联注入电压来控制线路两端的功角差和电压降落，从而起到调节线路的输送功率，提高系统稳定性、阻尼功率振荡及抑制次同步谐振等作用。SSSC具有如下特性：

1）在输电线路内，通过产生与线路电流正交的可控电压来实现无功功率的发出和吸收。

2）补偿电压和线路电流的大小无关。稳态交换的无功电流相当于串联的电容或电抗器。本质上，SSSC是变流器实现的受控电压源，运行于容性区，且不会与系统电抗发生谐振。

3）对次同步谐振及其他振荡现象具有较强的抑制能力。

4）接入储能或发电设备后，可以产生与线路电流非正交的补偿电压，实现有功调节，并维持电抗与电阻的高比值，且该比值与线路串联度无关。

5）动态响应速度快。

SSSC可看成是并联STATCOM的串联应用，与STATCOM一样，以同步电压源变流器为组成核心，采用类似的电力电子器件、电路和装置层次的结构和控制。但在系统连接方式、运行原理上有所不同。下面将对其工作原理、主电路结构以及控制方式分别进行详细介绍。

1.SSSC运行原理

SSSC主要由电压型变流器、耦合变压器、直流储能电容器及控制系统组成，其系统接入方式如图4-32所示。其中，耦合变压器实现装置在输电线路中的串入，在一定设计条件下可以取消。一般调节为无功功率的SSSC，在忽略装置和线路损耗的条件下能够维持电容器电压稳定。储能器或发电环环节仅在需要较大的有功调节时才投入使用，且一般与直流环节相并联。

SSSC在系统插入一个滞后于线路电流I相位90°的补偿电压U_c，其作用是抵消输电线路电感上的超前于电流90°的电压，相当于减少了线路的有效长度。此时，补偿传输电线所传输的功率为

式中，U_s和U_R为输电线路的输送端和接收端电压，其相位差为δ；X为线路电抗；U_c是SSSC产生的串联补偿电压。上式的第二项表明，线路传输功率因U_c的串入而得到了改变。

同样，通过触发控制SSSC变流器可以产生一个超前于线路电流90°的电压，增加线路感抗。这一特性可以用来阻尼系统功率谐振。如果变流器容量允许，还可以用来限制短路电流。

图4-32 SSSC系统接入方式示意图

与STATCOM中的变流器一样，SSSC实际运行需要消耗一定的有功功率。因此，实际运行的SSSC输出电压与线路电流会偏离正交相位角一个较小的角度。在带储能或发电单元的应用中，变流器输出电压与线路电流可实现四象限运行，实现对系统有功和无功的调节。带储能环节的SSSC功率交换模式如图4-33所示，对于没有储能环节的系统，SSSC实际上只能在一和四象限且紧靠纵轴的很小区间内运行。

图4-33 带储能环节的SSSC功率交换模式

由于SSSC的输出电压不受线路电流的影响，即在最大或很小线路电流时仍可以保持额定容性或感性输出电压，其伏安特性仅是装置受额定容量限制的连续区域，如图4-34所示，这与STATCOM等效变换型FACTS控制器类似，而与TCSC等无源元件相控或投切型FACTS控制器却有所不同。

2.SSSC主电路结构

SSSC在所用VSC全控器件、电路结构及其装置和电路控制上，与STATCOM与VSC相类似。为了实现串联补偿，一般采用耦合变压器。由于变压器具有隔离作用，因而主电路中除三相半桥外，还可以采用三个单相H桥结构，如图4-35b所示。从而实现补偿容量的扩充和分相补偿能力。分相补偿结构的SSSC具有不对称补偿功能。

SSSC常用电力电子开关器件主要有IGCT、GTO和高压IGBT等。由于目前器件电压、电流容量等的限制，在实际应用中主电路通常采用多电平、多重化、链式结构等来实现。

图4-34 考虑耦合变压器漏感的SSSC伏安特性

图4-35 三相SSSC结构示意图

3.SSSC的控制方式

基本SSSC装置对输电系统进行控制的原理是向线路注入一个与线路电流相差90°的可控电压，从而实现对系统潮流控制、阻尼功率振荡、缓解SSR等目的。基本控制参数包括串联补偿电压、线路串联电抗、线路电流和线路功率等。其中，电压控制是最基本的。

与STATCOM类似，SSSC系统控制也分系统、装置和线路三个层次，各个层次控制的内容和方法也十分类似。图4-36所示为SSSC典型控制原理图。图中所需SSSC装置输出的电压由系统层次给出，作为参考电压和SSSC装置输出的实际电压与参考电压比较，其误差经放大环节得到控制角α和输出电压幅度参数。锁相环PLL得到SSSC线路电流的相角基准，该相角基准经移相90°后送往脉冲形成环节。

图4-36 SSSC典型控制原理

直流侧电容电压，理论上可以不加控制随运行状态的不同而变化，而不影响SSSC功能的应用。然而，过大波动的直流电压，会影响电力电子器件容量的利用率，甚至会损坏器件。因而，一般实际需要对直流电压加以控制。这可通过在电压环外加一个慢环来调整SSSC输出的有功功率（即SSSC输出的有功功率分量）而获得。不仅如此，通过将一个直流电压误差适当地加到无功分量上，也能起到稳定直流电压的作用，但这会使得SSSC输出电压和直流电压互相耦合。

图中就采用通过控制无功电压分量控制其输出电压，从而通过控制其有功分量控制其直流侧电容电压的方法。这可以使SSSC装置输出电压与直流侧电容电压控制实现静态解耦，从而适当提高控制的响应速度并缩短过渡过程的时间。

此外，在带储能或发电环节的SSSC应用中，系统有功功率的调节指令U_P∗可以通过图中所示虚线加入。由于直流电压有独立的误差放大器，因而有功调节性能可以得到相对独立的优化。

静态串联同步补偿器(SSSC)的优化应用

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