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靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器的機(jī)電暫態(tài)特性研究與仿真
摘要：靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)是FACTS家族中新興的串聯(lián)補(bǔ)償元件，對(duì)其暫態(tài)特性的研究有助于使其更好地與繼電保護(hù)裝置及重合閘的協(xié)調(diào)配合．在介紹SSSC基本原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)加入$SSC后單機(jī)無窮大系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程，利用中的電力系統(tǒng)仿真庫(kù)搭建了含SSSC的單機(jī)無窮大系統(tǒng)，并對(duì)其機(jī)電暫態(tài)特．1生進(jìn)行了仿真．仿真結(jié)果表明系統(tǒng)發(fā)生故障后能有效地抑制功率振蕩，并且SSSC不同的投入方式所產(chǎn)生的抑制效果不同．在此基礎(chǔ)上還總結(jié)了區(qū)內(nèi)區(qū)外故障時(shí)SSSC的投入運(yùn)行方式，且線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)SSSC若以旁路運(yùn)行方式投入則能達(dá)到最佳效果．
關(guān)鍵詞：靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器： 機(jī)電暫態(tài)特性； 功率振蕩；投入方式
0 引言
靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器是串聯(lián)型的FACTS元件，是基于可關(guān)斷器件構(gòu)成的靜止型補(bǔ)償器件。它通過在線路中串聯(lián)幅值可調(diào)，并與線路電流相角差為90。的電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)線路縱向電壓的控制。SSSC具有其它元件無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：①可不需任何交流電容器或電抗器在線路內(nèi)產(chǎn)生或吸收無功功率：
�、谠谕浑娙菪院碗姼行苑秶鷥�(nèi)，能產(chǎn)生與線路電流大小無關(guān)的可控補(bǔ)償電壓；③對(duì)次同步諧振及其它振蕩現(xiàn)象具有一定的抑制能力；④接入儲(chǔ)能器后，可對(duì)線路進(jìn)行有功功率和無功功率補(bǔ)償(增大或減少線路功率，甚至可使其反向流動(dòng))；⑤接入直流電源后，可補(bǔ)償線路電阻(或電抗)，與線路串補(bǔ)度無關(guān)地維持X／R的高比值；⑥能快速或幾乎瞬時(shí)地響應(yīng)控制指令；⑦適應(yīng)單相重合閘時(shí)的非全相運(yùn)行狀態(tài)。綜上所述，SSSC具有良好的應(yīng)用前景，不論是我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展需要還是電力技術(shù)研究的要求，對(duì)靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器進(jìn)行研究與分析都是很有必要的。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)SSSC的研究主要集中在的控制器和器件模型的搭建上。利用仿真建立了SSSC的模型，利用瞬時(shí)有功無功功率理論設(shè)計(jì)了裝置的控制回路，并用無功功率參考值的階躍變化來評(píng)估SSSC的動(dòng)態(tài)特性。提出了阻尼功率振蕩的串聯(lián)FACTS裝置(如TCSC、的最優(yōu)控制規(guī)律和安裝位置的選擇原則。建立了SSSC的三階動(dòng)態(tài)模型，其注入電壓幅值為脈沖寬度角的函數(shù)，用一階慣性環(huán)節(jié)表示注入電壓相角和脈沖寬度角的關(guān)系，利用直接反饋線性化方法提高了系統(tǒng)的魯棒性。與分別利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略和模糊自整定PI控制方法設(shè)計(jì)了SSSC潮流控制器，提高了控制器的自適應(yīng)能力和魯棒性，加快了潮流調(diào)節(jié)速度。現(xiàn)有文獻(xiàn)嘗試?yán)酶鞣N算法和模型來使得SSSC控制器更加精確有效，而在SSSC故障時(shí)的運(yùn)行方式和故障后投入方式方面卻缺乏深入研究。
本文利用電力系統(tǒng)仿真工具搭建單機(jī)無窮大系統(tǒng)，對(duì)SSSC的機(jī)電暫態(tài)特性進(jìn)行了仿真，并且針對(duì)故障過程采用了多種投入SSSC的方式，比較了不同投入方式所帶來的抑制功率振蕩的不同效果，總結(jié)了區(qū)內(nèi)區(qū)外的旁路策略。對(duì)SSSC機(jī)電暫態(tài)特性的研究有助于使其更安全更有效地應(yīng)用于電網(wǎng)，對(duì)其投入方式、投入時(shí)間的研究有助于使其更好地與繼電保護(hù)裝置及重合閘的協(xié)調(diào)配合，具有重要的工程實(shí)踐意義。
1 SSSC基本原理
SSSC是基于可關(guān)斷晶閘管構(gòu)成的靜止型補(bǔ)償器，其核心部分是一個(gè)帶有直流儲(chǔ)能電容的電壓源逆變器(VSI)。SSSC原理接線圖。它主要由逆變器、直流環(huán)節(jié)(儲(chǔ)能電容器或直流電源)、控制器和耦合變壓器組成。Pfef和Qrek是給定功率，P和Q是實(shí)際功率，Vpq是補(bǔ)償電壓，I是線電流。SSSC由變流器產(chǎn)生一幅值和相角可控的三相正弦注入電壓(它的相位在0。-360。之間可調(diào))。注入電壓大小不受線路電流或系統(tǒng)阻抗影響，且與線路電抗壓降相位相反(容性補(bǔ)償)或相同(感性補(bǔ)償)，可以起到類似串聯(lián)電容或串聯(lián)電感的作用。容性補(bǔ)償時(shí)，注入電壓滯后線路電流90。，使線路輸送功率能力提高；感性補(bǔ)償時(shí)，注入電壓超前線路電流90，減小線路輸送功率，無補(bǔ)償、容性及感性補(bǔ)償時(shí)的向量圖。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析主要由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子搖擺曲線來判斷系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。SSSC注入電壓的靈活控制使其能有效的在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后抑制系統(tǒng)的功率振蕩及發(fā)電機(jī)功角搖擺。它能增強(qiáng)發(fā)電機(jī)的阻尼，能夠減少加速面積并增大減速面積，能在功角回?cái)[時(shí)降低功角曲線，而在功角上擺時(shí)再升高功角曲線，從而阻尼功角的上下擺動(dòng)。而若采取恰當(dāng)?shù)耐度敕绞絼t能使其發(fā)揮更大的作用。
2 系統(tǒng)模型
加入了SSSC的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型。為發(fā)電機(jī)縱軸同步電抗和暫態(tài)電抗，冠為發(fā)電機(jī)橫軸同步電抗；6為發(fā)電機(jī)功角；和b分別為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓相量和無窮大系統(tǒng)電壓相量；毛和，a分別為輸電線路電流的d、q軸分量：Vu和a分別為SSSC注入電壓的幅值和相位角以h為參考)；Rl和x1分別為SSSC控制器的等效電阻和電抗；&為發(fā)電機(jī)的電磁功率；Pu為吸收的有功功率；PL為輸電線路上傳輸?shù)挠泄β�。發(fā)電機(jī)通過升壓變壓器經(jīng)并聯(lián)的雙回線與一無窮大系統(tǒng)相連，SSSC安裝子其中的一回線上。
3 SSSC機(jī)電暫態(tài)特性的仿真
3．1區(qū)內(nèi)故障時(shí)的仿真及旁路策略
區(qū)內(nèi)故障時(shí)，即SSSC安裝于線路Ll上，4．0s時(shí)線路Ll首端發(fā)生三相短路故障，4．1 s時(shí)故障消除。在故障過程中，SSSC控制回路按三種方式投入：(a)SSSC在故障過程中一直投入運(yùn)行；按旁路運(yùn)行方式投入運(yùn)行(1ip故障后0．1 s投入運(yùn)行)；(c)SSSC延遲投入運(yùn)行(即在故障后0．投入運(yùn)行)。線路L1功率及發(fā)電機(jī)功角仿真結(jié)果。仿真結(jié)果對(duì)比可知，SSSC在線路故障后快速有效地抑制了功率振蕩，明顯地縮短了振蕩時(shí)問和幅度，提高了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。而由圖中三種投入方式的對(duì)比可知：一直投入方式在故障消除后出現(xiàn)了尖頂脈沖，功率飆升到1800 MW左右，遠(yuǎn)大于b、c兩種方式：延遲投入方式在功率下擺時(shí)過大，而旁路方式很好地控制了功率的上下擺，經(jīng)過幾個(gè)波動(dòng)后便趨于平穩(wěn)，恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。因此對(duì)比可知旁路方式(故障后0．1 S投入)所達(dá)到的效果最佳。由于SSSC投入后的迅速補(bǔ)償作用，使得發(fā)電機(jī)的功角搖擺明顯減弱，波動(dòng)時(shí)間明顯變短，幅度明顯變小。這得益于SSSC的固有特性，即SSSC輸出電壓的相對(duì)獨(dú)立性，它不依賴于線路電流以及其它系統(tǒng)變量。從圖7中可以更明顯的看出SSSC不同投入方式之間的差別。SSSC旁路運(yùn)行方式使得發(fā)電機(jī)功角第一擺減弱許多，上擺和下擺的幅度都要小于其它兩種方式。而故障期間一直投入方式使得SSSC在故障期間所受沖擊很大，若通過故障期間旁路SSSC可以有效地減小這個(gè)沖擊。另外，通過圖8比較的注入電壓也可以得到這個(gè)結(jié)論。綜上所述，區(qū)內(nèi)故障時(shí)，SSSC所受的沖擊比較大，SSSC不旁路會(huì)使電力電子器件的端電壓達(dá)到旁路時(shí)的2倍多，超過了器件的耐壓極限。因此，區(qū)內(nèi)故障時(shí)應(yīng)該采取故障時(shí)旁路，一定延遲時(shí)間后再投入SSSC的策略來抑制功率振蕩。延遲時(shí)間對(duì)抑制作用是很敏感的，時(shí)間過長(zhǎng)則起不到抑制功率振蕩作用，時(shí)間過短則又會(huì)使SSSC處于擊穿的危險(xiǎn)區(qū)，所以應(yīng)在器件過電壓、過電流耐受許可范圍內(nèi)盡量減少延遲時(shí)間。不同的延遲時(shí)間對(duì)抑制效果的影響。
從圖中可以看出，延遲0 S會(huì)使功率發(fā)生尖頂脈沖，延遲0．2 S使得功率下擺嚴(yán)重，延遲0．3 S不僅下擺嚴(yán)重還伴有諧波產(chǎn)生。而采用故障后延遲0．1 S取得了較好的效果，既能保證比較滿意的抑制功率振蕩的作用，又使得器件處于安全狀態(tài)，避開了沖擊電壓和沖擊電流。
3．2區(qū)外故障時(shí)的旁路策略
區(qū)外故障時(shí)，即SSSC所在線路L2首端發(fā)生三相短路故障。區(qū)外故障時(shí)不同投入方式對(duì)結(jié)果的影響較之區(qū)內(nèi)故障會(huì)小一些，其原因在于SSSC的輸入控制變量變化變小了，使SSSC的出力變小。特別是對(duì)于大區(qū)域多節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)，區(qū)外故障對(duì)SSSC所在線路的影響可能更小。且SSSC在線路發(fā)生故障后能快速進(jìn)入感性運(yùn)行方式，限制線路電流。但是這種限制電流能力受到SSSC輸出額定電壓以及電力電子器件最大截止電流的限制，若SSSC容量較小，其作用是有限的。因此，此時(shí)SSSC采用一直投入方式還是旁路方式需視實(shí)際線路應(yīng)用情況而定。
4 結(jié)論
本文通過Matlab搭建含SSSC的單機(jī)無窮大系統(tǒng)，仿真分析了SSSC的機(jī)電暫態(tài)特性，同時(shí)總結(jié)了區(qū)內(nèi)區(qū)外的旁路策略。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)加入能有效抑制功率振蕩，不同的投入方式使得所到達(dá)的效果不盡相同，且區(qū)內(nèi)故障時(shí)表現(xiàn)的更加明顯；區(qū)內(nèi)故障時(shí)三種投入方式中采用故障時(shí)旁路方式所取得的效果最好，也能很好的避開沖擊電壓和沖擊電流，仿真表明延遲時(shí)間為0．1 S取得的效果令人滿意。
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