基于VSC-HVDC 并網裝置轉為SSSC 的仿真

劉家軍，王小康

（西安理工大學水利水電學院，西安710048）

電壓源換流器型直流輸電VSC-HVDC（voltage source converter based HVDC）是一種以電壓源換流器和脈寬調制等技術為基礎的新一代直流輸電技術。自1997年ABB 在瑞典Hellsion 建立的第一個工業試驗工程開始，VSC-HVDC 相關技術發展迅速，傳輸容量和電壓等級也逐步提升。近些年，并網技術和柔性交流輸電技術FACTS（flexible AC transmission systems）得到了大量的研究和應用。靜止同步串聯補償器SSSC（static synchronous series compensator）作為FACTS 的重要裝置之一，具有響應速度快、控制精度高、動態性能好等優越性[1]。SSSC 是最近發展的、具有廣泛應用前景的一種可控串聯補償技術，可以對線路進行阻抗補償，調節線路傳輸功率，提高電力系統運行的穩定性。

目前國內外對于SSSC 的研究熱點主要是其模型搭建及控制策略。文獻[2]采用內外環相結合的方法，利用神經控制策略實現SSSC 的控制，使得潮流調節更加迅速可靠，同時具有很強的自適應性；文獻[3]對SSSC 的輸出電壓和電流在dq 軸上進行解耦，從而使所搭建的模型有更好的動態特性；文獻[4]提出了采用SPWM 技術的SSSC 控制方法，控制回路設計中通過對正弦參考波相角偏移量的控制使直流電容電壓保持恒定。大量的文獻將研究重點放在SSSC 的建模及提高其控制器的精確度上，而忽略了并網系統在并網結束后閑置的VSC 裝置可以通過倒閘轉換實現SSSC 功能，同時在SSSC 運用于故障場合的研究也比較少。

本文依據VSC-HVDC 用于電網同期并列的原理及方法，研究了在并網結束后將閑置的背靠背換流器通過相應的倒閘操作與相應控制策略實現靜止同步串聯補償器SSSC 功能。在PSCAD/EMTDC 仿真軟件中搭建了并網系統模型，在并網結束后通過倒閘實現閑置的VSC 裝置向SSSC 功能的轉化，如果在并網完成之后線路上出現故障，通過一系列開關動作實現在不同的時間將SSSC從系統移除，并比較了在不同時間移除SSSC，系統發生波動的情況。

1 并網模型及其向SSSC 的轉化

基于VSC-HVDC 的并網裝置采用的是背靠背電壓源型換流器，即在直流換流方式中不含直流輸電線路，將整流站和逆變站建設在一起的一種特殊形式。文獻[5]以背靠背電壓源型換流器為基礎，設計了一種可用于電網間同期并列的基于功率傳遞的并網系統，即用背靠背電壓源型換流器進行功率傳遞使得兩側電網滿足并列條件，來進行電網間同期并列的操作。其中，通過背靠背換流器傳遞有功功率和無功功率來減小頻率差和電壓差，當頻率差和電壓差滿足條件后，捕捉滑差過零點尋找滿足相角的條件，即可實現并列操作。其結構如圖1 所示。

圖1 基于電壓源換流器的同期并網結構Fig.1 Structure of synchronization paralleling system based on VSC

圖中，VSC1、VSC2為換流器，都采用具有相同結構的電壓源型換流器；QF、QF1、QF2為斷路器，M、N 為兩側的母線；L 為聯絡線；C 為直流電容，T1、T2為換流變壓器。并網過程中，QF 斷開，QF1與QF2閉合，當兩側滿足并網條件時，斷開QF1與QF2，同時閉合QF，即實現了并網操作。

并網系統在并網成功后，從電網中退出，整個并網裝置將不再運行，這將是一種極大的資源浪費。而且從長時間運行來看，并網的時間短暫，可以認為并網裝置大部分時間處于閑置狀態，因此本文提出了并網成功后，將并網系統轉化為SSSC，來進行線路阻抗補償、潮流控制等，優化電網運行，增大電力系統可控性，同時，極大地提高裝置的利用率，實現資源優化配置。并網系統轉化為SSSC 的結構如圖2 所示，與圖1 相比，在直流電容與左側換流器VSC1之間增加了QF3和QF4；在VSC2一側的變壓器T2兩端增加了斷路器QF5；QF6則保證了并網結束后兩端系統的正常運行；增加了一個串聯變壓器T3；以及斷路器QF7、QF8、QF9以控制串聯變壓器的接入與退出。

圖2 并網系統轉化為SSSC 的結構Fig.2 Structure of synchronization paralleling system converted into SSSC

兩側電網沒有聯網時，所有的斷路器均處于斷開狀態。當裝置用來進行電網間同期并列時，斷路器QF1、QF3、QF4、QF5、QF2、QF6處于閉合狀態，其余的斷路器處于斷開狀態，此時進行功率傳遞，待兩側系統的電壓、頻率、電壓初相角均滿足并網條件時，即可將QF1、QF3、QF4、QF5、QF2斷開，同時閉合QF，實現并網。此時只有QF、QF6處于閉合狀態。

在并網成功后，可操作斷路器的開合使其轉化為SSSC。具體操作為：并網結束后，即只有QF、QF6合閘，此時斷開QF6，同時合并QF7、QF8、QF9，也就是說此時QF、QF7、QF8、QF9處于閉合狀態，其余斷路器全部斷開。即可使直流電容、VSC2、串聯變壓器T3接入電網，而VSC1、VSC1側變壓器T1以及VSC2側的變壓器T2處于斷開狀態，即實現了并網裝置向SSSC 模式的轉化。

2 SSSC 的原理及數學模型

SSSC 相當于一個串聯連接的同步電壓源，通過對電子器件的控制，使其輸電線路注入一個超前或滯后線電流90°的電壓，也就是在線路上增加了一個額外的電壓，而且這個電壓的幅值和相位是可調的，通過改變這個電壓的幅值和相角就可以改變系統的潮流分布[6-9]，而在靜止同步串聯補償器的控制方式與模型建立方面，文獻[10-12]給出了詳細的方法，在此就不作贅述。

由于SSSC 是串聯型FACTS 原件，通過一個耦合變壓器接入系統，其等值電路如圖3 所示。

圖3 SSSC 的等值電路Fig.3 Equivalent circuit of SSSC

圖3中：U1和U2為兩端電壓，L、R 分別為線路的等效電感和電阻，Cdc直流側電容，Us為SSSC輸出電壓。若只考慮基波分量，則可將SSSC 等值電路等效分為兩部分：交流側和直流側，如圖3（a）和圖3（b）所示。圖中I 為線路電流，i 為線路電流的瞬時值，idc和iR分別為電容電流和電阻電流的瞬時值，Rdc為逆變器損耗。對圖3 中交流側應用KVL 和電路原理可得

即：

式中：ia、ib、ic分別為I 的三相電流值；U1a、U1b、U1c，U2a、U2b、U2c，Usa、Usb、Usc分別為U1、U2、Us的三相電壓值。為了使SSSC 具有最佳動態特性，必須對其進行dq 解耦，即

其中T（θ）是將abc 三相靜止坐標系轉換為dq 兩相同步旋轉坐標系的變換矩陣，具體形式為

將式（1）與式（3）代入式（2），得

SSSC 的直流側由電阻、電容和電壓源組成，這兩側的瞬時功率可表示為

由Pac=Pdc得

由式（4）和式（7）可得

式中：id和iq為電流在dq 坐標下的值；U1d、U1q、Us，d和U2d、U2q、Us，q分別為U1、U2、Us在dq 坐標下的值。由此得到了dq 坐標下的SSSC 數學模型。

3 仿真實驗

3.1 由并網裝置轉為SSSC 的仿真

加入SSSC 的并網模型如圖4 所示。

圖4 含SSSC 的并網模型Fig.4 Grid Model with SSSC

水輪機HG1與HG2模擬兩側的待并列電力系統、背靠背換流器以及兩側的變壓器與兩系統之間的連接線路并聯，兩系統之間通過并網系統進行功率傳遞，待達到并網條件時即可并網，并網成功后退出運行。先通過增加直流電容左側的斷路器以及圖4 中右側的串聯變壓器，再通過附加斷路器的操作，即相當于將右側的逆變器通過串聯變壓器接入系統之中，就成為一個靜止串聯無功補償器。

兩側的系統容量為120 Mvar，電壓為121 kV，傳輸電阻為1 Ω，電感為19.1 mH，傳輸線路等效電阻為0.001 Ω，傳輸線路等效電感為0.5 mH，直流側濾波電容為10 000 μF，耦合變壓器變比為6∶8，采用Y/△接線方式。

本文的控制策略使用電流內環電壓外環，在這個控制方案中，電流環采用PI 調節器，其比例環節可以增加逆變器的阻尼系數，能夠使整個系統穩定工作，并且具有很強的魯棒性；PI 調節器的積分環可以使得電流環穩態誤差減小。電壓環也采用PI 調節器，其作用是使得輸出電壓的波形能夠瞬時跟蹤給定值，動態響應速度快，靜態誤差很小。本文模型使用空間矢量脈寬調制SVPWM（space vector pulse width modulation），與正弦脈寬調制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）控制相比，SVPWM 算法的主要優點有：能提高直流電壓利用率；在每一次PWM 波變化時，只有一個開關管動作，大大減少了開關次數；輸出波形諧波含量小[13]。

倒閘過程中的仿真波形如圖5 所示。由圖5 可以看出，在此仿真中，兩側系統從40 s 開始進行并網操作，并網成功后，進行開關操作轉化為SSSC。圖5（a）、（b）顯示的是兩側待并列系統進行功率傳遞并網的過程以及并網后轉化為SSSC 的過程中兩側的有功功率和無功功率的變化，可以看出功率傳遞時兩側系統的變化情況以及最后系統穩定運行時的有功功率和無功功率；圖5（c）顯示的是在這整個過程中兩側系統頻率的變化，圖5（d）則顯示的是兩側系統的頻率差變化情況，可以看出兩側的頻率差逐漸減小，在并網過程中有所波動，最后還是趨于一致，轉化為SSSC 后頻率略有波動最后趨于一致；圖5（e）顯示的是在此過程中兩側系統相角差的變化，在并網后，兩側的相角差基本為0。

圖5 并網系統轉換為SSSC 對系統影響的仿真Fig.5 Simulation of synchronization paralleling system converted into SSSC

通過以上的仿真，可以看出并網系統在并網成功后，兩側系統的電氣量基本趨于一致，相當于在此時接入SSSC，對系統的影響和沖擊并不明顯。仿真表明并網系統在并網成功后轉化為SSSC 的方法是可行的。

3.2 故障時的仿真

基于圖4 的模型，利用PSCAD/EMTDC 軟件進行仿真。并網結束后，系統在155 s 時系統發生一個長達0.5 s 的單相接地短路，通過一系列開關動作，在不同時間將SSSC 從系統移除，比較故障對系統穩定性的影響。

在并網結束后，系統正常運行，在155 s 時發生一個長達0.5 s 的單相接地短路，在故障發生之后，通過控制開關的通斷，分別在0 s、0.1 s、0.5 s 時從系統移除SSSC，仿真結果如圖6 所示。

圖6 系統發生故障時SSSC 在不同時間移除系統的仿真結果Fig.6 Simulation results of system at different time removing SSSC from system when a fault occurs

由圖6 可見，系統并網后兩側的有功功率、無功功率和頻差都處于穩定值，S1側：Q = 53.83 Mvar，P = 53.52 MV；S2側：Q = 51.79 Mvar，P =72.57 MV，頻差為0。當系統發生一個長達0.5 s 的單相接地短路時，若在故障發生后立刻將SSSC 從系統移除，S1側的無功功率升到111.93 Mvar，有功功率升至81.54 MV，S2側無功功率升至109.86 Mvar，有功功率升至98.49 MV；若在0.1 s 將SSSC從系統移除，S1側的無功功率增至59.87 Mvar，有功功率升至71.73 MV，S2側無功功率升至57.92 Mvar，有功功率升至91.60 MV；若SSSC 不從系統移除，S1側的無功功率增至55.90 Mvar，有功功率升至62.17 MV，S2側無功功率升至54.13 Mvar，有功功率升至82.00 MV。

在系統發生故障時，若SSSC 能在系統中運行，則能有效地抑制功率波動，使系統避免遭受因故障產生的巨大沖擊，從而保證系統的穩定性和安全性。

4 結語

本文基于VSC-HVDC 的并網裝置，通過在PSCAD/EMTDC 軟件中搭建模型，驗證了將閑置的電壓源換流器通過相應的倒閘操作與控制策略實現SSSC 功能的方法可行性；轉化成功后在系統中加入一個持續0.5 s 的單相接地故障，通過控制開關的通斷，在不同時間將SSSC 從系統中移除，比較了系統發生波動的情況，分析了SSSC 在系統發生單相接地故障時發揮的作用，表明其能有效地抑制功率震蕩，因此在故障時應盡量保證其在系統中運行。

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