一种提高系统稳定性的静止同步串联补偿器控制策略

朱鑫要， 赵静波， 周 前， 刘建坤， 金 梦

(1． 国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103；2． 国网江苏省电力公司检修分公司，江苏 南京 211102)



一种提高系统稳定性的静止同步串联补偿器控制策略

朱鑫要1， 赵静波1， 周 前1， 刘建坤1， 金 梦2

(1． 国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103；2． 国网江苏省电力公司检修分公司，江苏 南京 211102)

风力发电及特高压直流输电在我国得到了长足发展，大容量的风电出力波动或特高压直流闭锁后，不受控的大规模潮流转移严重威胁着电网的安全稳定运行，因此高效的潮流控制手段对提高我国电网的稳定运行水平具有十分重大的意义。文中针对电力系统潮流控制的问题，推导建立了实现线路潮流控制的静止同步串联补偿器(static synchronous series compensator，SSSC)控制策略，并搭建了其电磁暂态仿真模型；仿真结果表明，所设计的控制策略在有效控制SSSC直流电容电压的基础上，还可实现对线路潮流的精确、快速控制。文中研究成果可指导SSSC控制器设计，为大规模新能源和特高压直流输电接入后电力系统的潮流控制和稳定运行提供参考。

静止同步串联补偿器；潮流控制；直流电压控制；电磁暂态

0 引言

为应对日益加剧的环境问题、能源危机，以及我国能源与负荷地理分布不均等问题，大规模风力发电等清洁能源、大容量特高压直流输电在我国电网得到了长足的发展和应用[1-3]。然而，大容量的风电场群出力波动或直流闭锁可能引起电网潮流的大范围转移，造成部分线路过载而诱发连锁跳闸，进而危及电力系统的安全稳定运行[4，5]。为快速、有效地控制系统潮流，防止线路过载，江苏电网已建成并投运了我国首套220 kV统一潮流控制器；为应对锦苏特高压直流近区电网的潮流转移问题，世界电压等级最高的首套500 kV统一潮流控制器也已全面开工建设[6]。作为串联型柔性交流输电装置，静止同步串联补偿器(staticsynchronous series compensator，SSSC)可向系统注入可控的交流电压，从而达到控制系统潮流、提高系统稳定性的效果[7-9]。较之于统一潮流控制器，SSSC无并联侧换流器，装置结构及控制系统逻辑相对简单；同时，SSSC装置具备小容量、分布式安装的潜力，从而可大大提高装置的可靠性[10]。

在利用SSSC进行电网潮流控制的研究领域，已有文献建立了SSSC的潮流计算模型，并研究了SSSC对改善系统潮流分布的作用[11，12]。在SSSC装置控制策略方面，文献[13] 和文献[14] 分别基于模糊自整定PI控制、人工神经网络控制设计了SSSC的潮流控制器；但上述研究中，SSSC装置直流侧均由独立的直流电源供电，以保障SSSC正常工作。文献[15] 设计了SSSC的恒阻抗控制器，文献[16] 和文献[17] 以调节线路阻抗为控制目标设计了SSSC的控制器；上述研究中，通过控制线路阻抗可间接的达到控制系统潮流的效果。文献[18] 给出了SSSC的串联补偿控制、串联电压控制策略，亦可间接达到控制系统潮流的效果。然而，上述研究中SSSC控制策略均未以系统潮流为直接控制目标，无法实现对线路潮流的精确、快速控制，难以满足特高压直流闭锁等故障后，系统潮流快速、精准控制的要求。文献[19] 基于SSSC的机电等效模型建立了用以进行线路潮流控制的SSSC控制策略，研究中选取不易获取的远方信号(系统接收端电压)作为同步和锁相信号，且未给出SSSC控制策略的详细控制框图，也未验证SSSC及其控制器在电磁暂态过程中的响应性能。

本文首先介绍了SSSC装置的数据模型，然后以实现线路潮流控制为目标设计了SSSC的控制策略；最后采用基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真验证了所设计控制策略的有效性。分析表明，本文所设计的SSSC控制策略可实现对线路潮流的精确、快速控制，从而提高大规模新能源和特高压直流输电接入后我国电网的安全稳定运行水平。

1 SSSC数学模型

图1 SSSC接线示意图Fig.1 Diagram of SSSC

在控制器的作用下，SSSC换流器向系统输出幅值和相位可调的交流电压，故对电网而言SSSC等值电路如图2所示。图中ZT为SSSC串联变压器等值阻抗。

图2 SSSC等值电路图Fig.2 Equivalent circuit of SSSC

根据基尔霍夫电流和电压定律(KCL，KVL)，可得到SSSC换流器出口支路的动态方程为：

(1)

(2)

对式(1)和式(2)进行坐标变换，可得到其在同步旋转dq坐标系下的方程为：

(3)

(4)

式(3，4)中：ωs为系统工频角频率。

忽略换流器损耗，则SSSC直流电容存储能量的变化等于换流器吸收的有功功率，即串联变压器从系统吸收的有功与电阻rse消耗的有功之差：

(5)

由式(5)可知，通过调节SSSC串联变压器从系统吸收的有功大小，即可实现对SSSC直流电容电压的调节。

2 SSSC控制策略

2.1 外环功率控制

维持直流电容电压恒定是保障SSSC装置正常工作的基本条件。本文基于dq解耦矢量控制原理设计了SSSC装置控制策略，以同时实现对SSSC直流电容电压和线路潮流的有效控制。

(6)

简化的两端输入电系统形成接线及电压矢量图如图3所示。忽略系统电阻，在SSSC不向系统注入电压时，线路潮流表达式为：

(7)

图3 SSSC串联补偿电压示意图Fig.3 Diagram of SSSC series compensation voltage

(8)

可见，通过调节SSSC向系统注入的与电流正交的无功电压值，即电压U12的q轴分量U12q，便可实现线路潮流的控制。同时，将式(6)代入式(5)有：

(9)

即通过调节SSSC向系统注入电压U12的d轴分量U12d便可控制SSSC直流电容存储能量的大小，从而实现对SSSC直流电容电压的控制。

因此，分别控制SSSC注入线路电压U12的d轴和q轴分量即可实现对直流电容电压和线路潮流的解耦控制。

2.2 内环电压/电流控制

内环控制采用SSSC串联变压器输出电压U12和换流器输出电流Ise的双环控制。由SSSC换流器出口支路动态方程式(3)和式(4)可知，SSSC换流器及其出口支路电流和电压的d轴和q轴分量之间存在耦合关系。对于SSSC串联变压器输出电压动态方程，引入前馈量：

(10)

则SSSC串联变压器输出电压动态方程式(3)可改写为：

(11)

可见，引入前馈量后，通过对SSSC注入系统电压U12的d轴和q轴分量偏差反馈，即可实现串联变压器输出电压的d轴和q轴分量解耦。对于SSSC换流器输出电流动态方程，引入前馈量：

(12)

从而SSSC换流器输出电流动态方程式(4)可改写为：

(13)

可见，引入前馈量后，通过对SSSC换流器输出电流Ise的d轴和q轴分量偏差反馈，即可实现换流器输出电流的d轴和q轴分量解耦。

从而得到具备线路潮流直接控制功能的SSSC换流器dq解耦控制策略框图如图 4所示。图4中P为线路潮流，变量下标“ref”为变量指令值或参考值。

图4 SSSC控制框图Fig.4 Control block diagram of SSSC

3 算例分析

基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建了含SSSC的算例输电系统仿真模型，系统结构如图 5所示。等值系统1和等值系统2通过两回输电线路互联，装设于线路2的SSSC装置参数如表 1所示。算例初始工况设置为SSSC装置直流电容电压10kV，等值系统1经线路2向等值系统2输送有功功率500MW。

图5 含SSSC的算例输电系统接线图Fig.5 Single-line diagram of the test system with SSSC

参数数值交流系统额定电压/kV500串联变压器变比35/10直流电容Cdc/μF6000直流电容额定电压Udc/kV10换流器出口滤波支路电容C/μF30换流器出口滤波支路电感Lse/H0.004换流器出口滤波支路电阻rse/Ω0.2

3.1 线路潮流控制仿真

为验证所设计的SSSC控制策略对线路潮流的快速、精确控制能力，在2 s时将线路2的潮流指令由500 MW阶跃为600 MW，4 s时将线路2潮流指令阶跃至400 MW，6 s时将线路2潮流指令重新阶跃至500 MW，SSSC直流电容电压和线路2潮流的仿真结果如图 6所示。

图6 SSSC潮流控制目标变化时直流电压及线路2功率仿真曲线Fig.6 Curves of the DC voltage and line 2 power flow during the changes of the SSSC power flow order

由图 6可知，所设计的SSSC控制策略可实现对线路2潮流的精确、快速控制；且在进行线路潮流调节的暂态过程中，SSSC直流电容电压波动较小(图 6中Udc瞬时值最大为10.132 kV、最小值为9.922 kV)、瞬时值与额定值10 kV的最大偏差不超过1.5%，即该控制策略在调节线路潮流的同时还可有效的维持SSSC直流电容电压恒定。

3.2 直流电压控制仿真

进一步仿真验证所设计的SSSC控制策略对SSSC直流电容电压的控制能力。在2 s时将SSSC直流电容电压指令由10 kV阶跃为9 kV，SSSC直流电容电压和线路2潮流的仿真结果如图 7所示。

图7 SSSC直流电压控制目标变化时直流电压及线路2功率仿真曲线Fig.7 Curves of the DC voltage and line 2 power flow during the changes of the SSSC DC voltage order

由图 7可知，本文所设计的SSSC控制策略可快速跟踪直流电容电压指令；同时，在SSSC直流电容电压改变时，该控制策略仍可有效地控制线路潮流。

4 结语

为应对风电场群出力波动或直流闭锁可能诱发的线路过载和连锁跳闸问题，本文推导和建立了实现线路潮流控制的SSSC控制策略，并通过电磁暂态仿真验证了该控制策略的有效性；所设计的SSSC控制策略可精准、快速地跟踪线路潮流调节指令，极大地提高系统潮流调节的灵活性，促进大规模新能源发电和超/特高压直流输电在我国电网的开发和应用。

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朱鑫要

朱鑫要(1987 —)，男，河南尉氏人，工程师，从事FACTS建模、电力系统稳定分析与控制等研究工作；

赵静波(1982 —)，男，重庆人，高级工程师，从事电力系统分析研究工作；

周 前(1978 —)，男，江苏宜兴人，高级工程师，从事电力系统稳定分析与控制研究工作；

刘建坤(1980 —)，男，山东潍坊人，高级工程师，从事电力系统仿真分析、电力系统规划和运行等研究工作；

金 梦(1988 —)，女，湖北仙桃人，助理工程师，从事特高压直流输电运维检修工作。

(编辑 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

国家自然科学基金(51607092)；国家电网公司科技项目(基于分布式潮流控制的输电网柔性交流潮流控制技术研究)

TM721

A

2096-3203(2017)03-0028-06