一種提高系統穩定性的靜止同步串聯補償器控制策略

朱鑫要， 趙靜波， 周 前， 劉建坤， 金 夢

(1． 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103；2． 國網江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

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一種提高系統穩定性的靜止同步串聯補償器控制策略

朱鑫要1， 趙靜波1， 周 前1， 劉建坤1， 金 夢2

(1． 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103；2． 國網江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

風力發電及特高壓直流輸電在我國得到了長足發展，大容量的風電出力波動或特高壓直流閉鎖后，不受控的大規模潮流轉移嚴重威脅著電網的安全穩定運行，因此高效的潮流控制手段對提高我國電網的穩定運行水平具有十分重大的意義。文中針對電力系統潮流控制的問題，推導建立了實現線路潮流控制的靜止同步串聯補償器(static synchronous series compensator，SSSC)控制策略，并搭建了其電磁暫態仿真模型；仿真結果表明，所設計的控制策略在有效控制SSSC直流電容電壓的基礎上，還可實現對線路潮流的精確、快速控制。文中研究成果可指導SSSC控制器設計，為大規模新能源和特高壓直流輸電接入后電力系統的潮流控制和穩定運行提供參考。

靜止同步串聯補償器；潮流控制；直流電壓控制；電磁暫態

0 引言

為應對日益加劇的環境問題、能源危機，以及我國能源與負荷地理分布不均等問題，大規模風力發電等清潔能源、大容量特高壓直流輸電在我國電網得到了長足的發展和應用[1-3]。然而，大容量的風電場群出力波動或直流閉鎖可能引起電網潮流的大范圍轉移，造成部分線路過載而誘發連鎖跳閘，進而危及電力系統的安全穩定運行[4，5]。為快速、有效地控制系統潮流，防止線路過載，江蘇電網已建成并投運了我國首套220 kV統一潮流控制器；為應對錦蘇特高壓直流近區電網的潮流轉移問題，世界電壓等級最高的首套500 kV統一潮流控制器也已全面開工建設[6]。作為串聯型柔性交流輸電裝置，靜止同步串聯補償器(staticsynchronous series compensator，SSSC)可向系統注入可控的交流電壓，從而達到控制系統潮流、提高系統穩定性的效果[7-9]。較之于統一潮流控制器，SSSC無并聯側換流器，裝置結構及控制系統邏輯相對簡單；同時，SSSC裝置具備小容量、分布式安裝的潛力，從而可大大提高裝置的可靠性[10]。

在利用SSSC進行電網潮流控制的研究領域，已有文獻建立了SSSC的潮流計算模型，并研究了SSSC對改善系統潮流分布的作用[11，12]。在SSSC裝置控制策略方面，文獻[13] 和文獻[14] 分別基于模糊自整定PI控制、人工神經網絡控制設計了SSSC的潮流控制器；但上述研究中，SSSC裝置直流側均由獨立的直流電源供電，以保障SSSC正常工作。文獻[15] 設計了SSSC的恒阻抗控制器，文獻[16] 和文獻[17] 以調節線路阻抗為控制目標設計了SSSC的控制器；上述研究中，通過控制線路阻抗可間接的達到控制系統潮流的效果。文獻[18] 給出了SSSC的串聯補償控制、串聯電壓控制策略，亦可間接達到控制系統潮流的效果。然而，上述研究中SSSC控制策略均未以系統潮流為直接控制目標，無法實現對線路潮流的精確、快速控制，難以滿足特高壓直流閉鎖等故障后，系統潮流快速、精準控制的要求。文獻[19] 基于SSSC的機電等效模型建立了用以進行線路潮流控制的SSSC控制策略，研究中選取不易獲取的遠方信號(系統接收端電壓)作為同步和鎖相信號，且未給出SSSC控制策略的詳細控制框圖，也未驗證SSSC及其控制器在電磁暫態過程中的響應性能。

本文首先介紹了SSSC裝置的數據模型，然后以實現線路潮流控制為目標設計了SSSC的控制策略；最后采用基于PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真驗證了所設計控制策略的有效性。分析表明，本文所設計的SSSC控制策略可實現對線路潮流的精確、快速控制，從而提高大規模新能源和特高壓直流輸電接入后我國電網的安全穩定運行水平。

1 SSSC數學模型

圖1 SSSC接線示意圖Fig.1 Diagram of SSSC

在控制器的作用下，SSSC換流器向系統輸出幅值和相位可調的交流電壓，故對電網而言SSSC等值電路如圖2所示。圖中ZT為SSSC串聯變壓器等值阻抗。

圖2 SSSC等值電路圖Fig.2 Equivalent circuit of SSSC

根據基爾霍夫電流和電壓定律(KCL，KVL)，可得到SSSC換流器出口支路的動態方程為：

(1)

(2)

對式(1)和式(2)進行坐標變換，可得到其在同步旋轉dq坐標系下的方程為：

(3)

(4)

式(3，4)中：ωs為系統工頻角頻率。

忽略換流器損耗，則SSSC直流電容存儲能量的變化等于換流器吸收的有功功率，即串聯變壓器從系統吸收的有功與電阻rse消耗的有功之差：

(5)

由式(5)可知，通過調節SSSC串聯變壓器從系統吸收的有功大小，即可實現對SSSC直流電容電壓的調節。

2 SSSC控制策略

2.1 外環功率控制

維持直流電容電壓恒定是保障SSSC裝置正常工作的基本條件。本文基于dq解耦矢量控制原理設計了SSSC裝置控制策略，以同時實現對SSSC直流電容電壓和線路潮流的有效控制。

(6)

簡化的兩端輸入電系統形成接線及電壓矢量圖如圖3所示。忽略系統電阻，在SSSC不向系統注入電壓時，線路潮流表達式為：

(7)

圖3 SSSC串聯補償電壓示意圖Fig.3 Diagram of SSSC series compensation voltage

(8)

可見，通過調節SSSC向系統注入的與電流正交的無功電壓值，即電壓U12的q軸分量U12q，便可實現線路潮流的控制。同時，將式(6)代入式(5)有：

(9)

即通過調節SSSC向系統注入電壓U12的d軸分量U12d便可控制SSSC直流電容存儲能量的大小，從而實現對SSSC直流電容電壓的控制。

因此，分別控制SSSC注入線路電壓U12的d軸和q軸分量即可實現對直流電容電壓和線路潮流的解耦控制。

2.2 內環電壓/電流控制

內環控制采用SSSC串聯變壓器輸出電壓U12和換流器輸出電流Ise的雙環控制。由SSSC換流器出口支路動態方程式(3)和式(4)可知，SSSC換流器及其出口支路電流和電壓的d軸和q軸分量之間存在耦合關系。對于SSSC串聯變壓器輸出電壓動態方程，引入前饋量：

(10)

則SSSC串聯變壓器輸出電壓動態方程式(3)可改寫為：

(11)

可見，引入前饋量后，通過對SSSC注入系統電壓U12的d軸和q軸分量偏差反饋，即可實現串聯變壓器輸出電壓的d軸和q軸分量解耦。對于SSSC換流器輸出電流動態方程，引入前饋量：

(12)

從而SSSC換流器輸出電流動態方程式(4)可改寫為：

(13)

可見，引入前饋量后，通過對SSSC換流器輸出電流Ise的d軸和q軸分量偏差反饋，即可實現換流器輸出電流的d軸和q軸分量解耦。

從而得到具備線路潮流直接控制功能的SSSC換流器dq解耦控制策略框圖如圖 4所示。圖4中P為線路潮流，變量下標“ref”為變量指令值或參考值。

圖4 SSSC控制框圖Fig.4 Control block diagram of SSSC

3 算例分析

基于PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件搭建了含SSSC的算例輸電系統仿真模型，系統結構如圖 5所示。等值系統1和等值系統2通過兩回輸電線路互聯，裝設于線路2的SSSC裝置參數如表 1所示。算例初始工況設置為SSSC裝置直流電容電壓10kV，等值系統1經線路2向等值系統2輸送有功功率500MW。

圖5 含SSSC的算例輸電系統接線圖Fig.5 Single-line diagram of the test system with SSSC

參數數值交流系統額定電壓/kV500串聯變壓器變比35/10直流電容Cdc/μF6000直流電容額定電壓Udc/kV10換流器出口濾波支路電容C/μF30換流器出口濾波支路電感Lse/H0.004換流器出口濾波支路電阻rse/Ω0.2

3.1 線路潮流控制仿真

為驗證所設計的SSSC控制策略對線路潮流的快速、精確控制能力，在2 s時將線路2的潮流指令由500 MW階躍為600 MW，4 s時將線路2潮流指令階躍至400 MW，6 s時將線路2潮流指令重新階躍至500 MW，SSSC直流電容電壓和線路2潮流的仿真結果如圖 6所示。

圖6 SSSC潮流控制目標變化時直流電壓及線路2功率仿真曲線Fig.6 Curves of the DC voltage and line 2 power flow during the changes of the SSSC power flow order

由圖 6可知，所設計的SSSC控制策略可實現對線路2潮流的精確、快速控制；且在進行線路潮流調節的暫態過程中，SSSC直流電容電壓波動較小(圖 6中Udc瞬時值最大為10.132 kV、最小值為9.922 kV)、瞬時值與額定值10 kV的最大偏差不超過1.5%，即該控制策略在調節線路潮流的同時還可有效的維持SSSC直流電容電壓恒定。

3.2 直流電壓控制仿真

進一步仿真驗證所設計的SSSC控制策略對SSSC直流電容電壓的控制能力。在2 s時將SSSC直流電容電壓指令由10 kV階躍為9 kV，SSSC直流電容電壓和線路2潮流的仿真結果如圖 7所示。

圖7 SSSC直流電壓控制目標變化時直流電壓及線路2功率仿真曲線Fig.7 Curves of the DC voltage and line 2 power flow during the changes of the SSSC DC voltage order

由圖 7可知，本文所設計的SSSC控制策略可快速跟蹤直流電容電壓指令；同時，在SSSC直流電容電壓改變時，該控制策略仍可有效地控制線路潮流。

4 結語

為應對風電場群出力波動或直流閉鎖可能誘發的線路過載和連鎖跳閘問題，本文推導和建立了實現線路潮流控制的SSSC控制策略，并通過電磁暫態仿真驗證了該控制策略的有效性；所設計的SSSC控制策略可精準、快速地跟蹤線路潮流調節指令，極大地提高系統潮流調節的靈活性，促進大規模新能源發電和超/特高壓直流輸電在我國電網的開發和應用。

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朱鑫要

朱鑫要(1987 —)，男，河南尉氏人，工程師，從事FACTS建模、電力系統穩定分析與控制等研究工作；

趙靜波(1982 —)，男，重慶人，高級工程師，從事電力系統分析研究工作；

周 前(1978 —)，男，江蘇宜興人，高級工程師，從事電力系統穩定分析與控制研究工作；

劉建坤(1980 —)，男，山東濰坊人，高級工程師，從事電力系統仿真分析、電力系統規劃和運行等研究工作；

金 夢(1988 —)，女，湖北仙桃人，助理工程師，從事特高壓直流輸電運維檢修工作。

(編輯 徐林菊)

Control Strategy of Static Synchronous SeriesCompensatorto Improve Power System Stability

ZHU Xinyao1, ZHAO Jingbo1, ZHOU Qian1, LIU Jiankun1, JIN Meng2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 211103 China; 2. State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company, Nanjing 211102, China)

Wind power and UHVDC (Ultra-High Voltage Direct Current Transmission) have been widely used in China. Safety and stability of the power system are threatened by uncontrollable power flow transferring, which is caused by the fluctuation of bulk wind power or UHVDC blocking. Hence, it is of great significance for improving the stable of the power system by developing efficient power flow control devices. To solve the uncontrollable power flow transferring problem, control strategy of SSSC (Static Synchronous Series Compensator) is deduced, and electromagnetic transient model of SSSC is constructed as well. Results of the simulations show that the designed control strategy regulates the DC voltage effectively, and can control the power flow accurately and rapidly. This study is supposed to be helpful for the controller design of SSSC, and to be useful for the operating and power flow control of the power system with bulk new energy or UHVDC integrated.

static synchronous series compensator (SSSC); power flow control; DC voltage control; electromagnetic transient

2017-01-13；

2017-03-03

國家自然科學基金(51607092)；國家電網公司科技項目(基于分布式潮流控制的輸電網柔性交流潮流控制技術研究)

TM721

A

2096-3203(2017)03-0028-06