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靜止同步串聯(lián)補償器的機電暫態(tài)特性研究與仿真
摘要：靜止同步串聯(lián)補償器(SSSC)是FACTS家族中新興的串聯(lián)補償元件，對其暫態(tài)特性的研究有助于使其更好地與繼電保護裝置及重合閘的協(xié)調配合．在介紹SSSC基本原理的基礎上，根據加入$SSC后單機無(wú)窮大系統的動(dòng)態(tài)方程，利用中的電力系統仿真庫搭建了含SSSC的單機無(wú)窮大系統，并對其機電暫態(tài)特．1生進(jìn)行了仿真．仿真結果表明系統發(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．在此基礎上還總結了區內區外故障時(shí)SSSC的投入運行方式，且線(xiàn)路區內故障時(shí)SSSC若以旁路運行方式投入則能達到最佳效果．
關(guān)鍵詞：靜止同步串聯(lián)補償器： 機電暫態(tài)特性； 功率振蕩；投入方式
0 引言
靜止同步串聯(lián)補償器是串聯(lián)型的FACTS元件，是基于可關(guān)斷器件構成的靜止型補償器件。它通過(guò)在線(xiàn)路中串聯(lián)幅值可調，并與線(xiàn)路電流相角差為90。的電壓來(lái)實(shí)現對線(xiàn)路縱向電壓的控制。SSSC具有其它元件無(wú)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(xiàn)路內產(chǎn)生或吸收無(wú)功功率：
�、谠谕浑娙菪院碗姼行苑秶鷥�，能產(chǎn)生與線(xiàn)路電流大小無(wú)關(guān)的可控補償電壓；③對次同步諧振及其它振蕩現象具有一定的抑制能力；④接入儲能器后，可對線(xiàn)路進(jìn)行有功功率和無(wú)功功率補償(增大或減少線(xiàn)路功率，甚至可使其反向流動(dòng))；⑤接入直流電源后，可補償線(xiàn)路電阻(或電抗)，與線(xiàn)路串補度無(wú)關(guān)地維持X／R的高比值；⑥能快速或幾乎瞬時(shí)地響應控制指令；⑦適應單相重合閘時(shí)的非全相運行狀態(tài)。綜上所述，SSSC具有良好的應用前景，不論是我國電網(wǎng)的發(fā)展需要還是電力技術(shù)研究的要求，對靜止同步串聯(lián)補償器進(jìn)行研究與分析都是很有必要的。
目前國內外對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(wú)功功率理論設計了裝置的控制回路，并用無(wú)功功率參考值的階躍變化來(lái)評估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，用一階慣性環(huán)節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(xiàn)性化方法提高了系統的魯棒性。與分別利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制策略和模糊自整定PI控制方法設計了SSSC潮流控制器，提高了控制器的自適應能力和魯棒性，加快了潮流調節速度�，F有文獻嘗試利用各種算法和模型來(lái)使得SSSC控制器更加精確有效，而在SSSC故障時(shí)的運行方式和故障后投入方式方面卻缺乏深入研究。
本文利用電力系統仿真工具搭建單機無(wú)窮大系統，對SSSC的機電暫態(tài)特性進(jìn)行了仿真，并且針對故障過(guò)程采用了多種投入SSSC的方式，比較了不同投入方式所帶來(lái)的抑制功率振蕩的不同效果，總結了區內區外的旁路策略。對SSSC機電暫態(tài)特性的研究有助于使其更安全更有效地應用于電網(wǎng)，對其投入方式、投入時(shí)間的研究有助于使其更好地與繼電保護裝置及重合閘的協(xié)調配合，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)斷晶閘管構成的靜止型補償器，其核心部分是一個(gè)帶有直流儲能電容的電壓源逆變器(VSI)。SSSC原理接線(xiàn)圖。它主要由逆變器、直流環(huán)節(儲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是補償電壓，I是線(xiàn)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)。注入電壓大小不受線(xiàn)路電流或系統阻抗影響，且與線(xiàn)路電抗壓降相位相反(容性補償)或相同(感性補償)，可以起到類(lèi)似串聯(lián)電容或串聯(lián)電感的作用。容性補償時(shí)，注入電壓滯后線(xiàn)路電流90。，使線(xiàn)路輸送功率能力提高；感性補償時(shí)，注入電壓超前線(xiàn)路電流90，減小線(xiàn)路輸送功率，無(wú)補償、容性及感性補償時(shí)的向量圖。電力系統暫態(tài)穩定分析主要由發(fā)電機轉子搖擺曲線(xiàn)來(lái)判斷系統的暫態(tài)穩定性。SSSC注入電壓的靈活控制使其能有效的在系統發(fā)生擾動(dòng)后抑制系統的功率振蕩及發(fā)電機功角搖擺。它能增強發(fā)電機的阻尼，能夠減少加速面積并增大減速面積，能在功角回擺時(shí)降低功角曲線(xiàn)，而在功角上擺時(shí)再升高功角曲線(xiàn)，從而阻尼功角的上下擺動(dòng)。而若采取恰當的投入方式則能使其發(fā)揮更大的作用。
2 系統模型
加入了SSSC的單機無(wú)窮大系統模型。為發(fā)電機縱軸同步電抗和暫態(tài)電抗，冠為發(fā)電機橫軸同步電抗；6為發(fā)電機功角；和b分別為發(fā)電機機端電壓相量和無(wú)窮大系統電壓相量；毛和，a分別為輸電線(xiàn)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)電機的電磁功率；Pu為吸收的有功功率；PL為輸電線(xiàn)路上傳輸的有功功率。發(fā)電機通過(guò)升壓變壓器經(jīng)并聯(lián)的雙回線(xiàn)與一無(wú)窮大系統相連，SSSC安裝子其中的一回線(xiàn)上。
3 SSSC機電暫態(tài)特性的仿真
3．1區內故障時(shí)的仿真及旁路策略
區內故障時(shí)，即SSSC安裝于線(xiàn)路Ll上，4．0s時(shí)線(xiàn)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(guò)程中，SSSC控制回路按三種方式投入：(a)SSSC在故障過(guò)程中一直投入運行；按旁路運行方式投入運行(1ip故障后0．1 s投入運行)；(c)SSSC延遲投入運行(即在故障后0．投入運行)。線(xiàn)路L1功率及發(fā)電機功角仿真結果。仿真結果對比可知，SSSC在線(xiàn)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(wèn)和幅度，提高了系統的暫態(tài)穩定性。而由圖中三種投入方式的對比可知：一直投入方式在故障消除后出現了尖頂脈沖，功率飆升到1800 MW左右，遠大于b、c兩種方式：延遲投入方式在功率下擺時(shí)過(guò)大，而旁路方式很好地控制了功率的上下擺，經(jīng)過(guò)幾個(gè)波動(dòng)后便趨于平穩，恢復穩定狀態(tài)。因此對比可知旁路方式(故障后0．1 S投入)所達到的效果最佳。由于SSSC投入后的迅速補償作用，使得發(fā)電機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輸出電壓的相對獨立性，它不依賴(lài)于線(xiàn)路電流以及其它系統變量。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旁路運行方式使得發(fā)電機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(guò)故障期間旁路SSSC可以有效地減小這個(gè)沖擊。另外，通過(guò)圖8比較的注入電壓也可以得到這個(gè)結論。綜上所述，區內故障時(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到旁路時(shí)的2倍多，超過(guò)了器件的耐壓極限。因此，區內故障時(shí)應該采取故障時(shí)旁路，一定延遲時(shí)間后再投入SSSC的策略來(lái)抑制功率振蕩。延遲時(shí)間對抑制作用是很敏感的，時(shí)間過(guò)長(cháng)則起不到抑制功率振蕩作用，時(shí)間過(guò)短則又會(huì )使SSSC處于擊穿的危險區，所以應在器件過(guò)電壓、過(guò)電流耐受許可范圍內盡量減少延遲時(shí)間。不同的延遲時(shí)間對抑制效果的影響。
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使得功率下擺嚴重，延遲0．3 S不僅下擺嚴重還伴有諧波產(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(mǎn)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(kāi)了沖擊電壓和沖擊電流。
3．2區外故障時(shí)的旁路策略
區外故障時(shí)，即SSSC所在線(xiàn)路L2首端發(fā)生三相短路故障。區外故障時(shí)不同投入方式對結果的影響較之區內故障會(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。特別是對于大區域多節點(diǎn)電網(wǎng)，區外故障對SSSC所在線(xiàn)路的影響可能更小。且SSSC在線(xiàn)路發(fā)生故障后能快速進(jìn)入感性運行方式，限制線(xiàn)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(xiàn)路應用情況而定。
4 結論
本文通過(guò)Matlab搭建含SSSC的單機無(wú)窮大系統，仿真分析了SSSC的機電暫態(tài)特性，同時(shí)總結了區內區外的旁路策略。仿真結果表明，系統加入能有效抑制功率振蕩，不同的投入方式使得所到達的效果不盡相同，且區內故障時(shí)表現的更加明顯；區內故障時(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(kāi)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(mǎn)意。
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