SSSC工作原理与工作特性论文

#随着经济的发展，产业规模不断扩大化和产业种类日益多样化；人口增加，煤、石油等不可再生资源的日益减少，人们对环境保护的越发重视，促成了新能源的使用和新的发电方式的产生；再者由于能源分布和经济发展的不平衡，输电系统成了不可或缺的一部分，而当电力系统网络互联运行时有很大的效益，所以互联的大电网、跨国的联网输电的趋势将不断发展。东欧、英国、瑞典、地中海、我国、泰国、俄罗斯等各国各地都在努力实现货已经实现非同期输电、直流输电、地区联网甚至跨国家联网输电。凡事有弊有益，大电网和跨过电网输电在带来巨大效益和优势的同时也带来一系列的新问题：弱阻尼甚至负阻尼的频率和功率振荡,这些振荡使得互联电网中大量的电能损耗或被迫降低电网的输电能力,严重情况下甚至会造成电力系统的灾变,使整个系统的运行和调度受到很大的影响（电压失稳或电压崩溃）似的大量用户供电中断,造成巨大的经济损失和人们生活的混乱.为了满足越来越高的电压品质要求，科研以及各种相关人士一直对提高电力系统稳定性、电压品质、动态调节容量、速度等，由于静态稳定，动态稳定、暂态稳定、电压稳定和热稳定限制电力系统输电能力，而且前四种因素是限制电网输电能力的主要因素，所以随着电力电子，计算机等的发展出现了FACTS技术和设备，希望依靠电力半导体开关电路实现经济、方便、快速、有效的电力变换、电力补偿及电能控制，可以为传统电力系统的发电、输电、配电、用电等方面提供领先的技术：经济、方便、快速、有效的实施调控电力系统中电压、电流、阻抗、功率。这些措施在在实现交流系统的灵活、方便、经济、有效的实时控制；提高交流输电功率极限；确保系统运行的稳定性；优化输电电网潮流；减少功率损耗，节能能源，提高输电线路变压器等电力设备利用率等方面发挥着神奇的作用。STATCOM、SSSC、UPFC是FACTS家族中较有代表的。其基本原理都是等效为串联并联的电容电感，调节系统阻抗、注入或吸收功率以维持系统各项参数稳定等。FACTS从根本上改变了对交流输电系统的传统的缓慢的、不连续的、不精确的、机械设备的控制；提供了快速的、连续的、精确的、智能的控制和潮流优化，增强了系统稳定性，在系统发生事故时，及时做出调整防止事故扩大。STATCOM较早出现是并联型的补偿调节，SSSC是新型串联型的补偿调节，UPFC集合了串并联型补偿的优势。下面就SSSC做简单的介绍。SSSC工作原理与工作特性1SSSC概述静止串联同步补偿装置SSSC是基于同步电压源的原理，向线路注入一个与线路电流相差90。的可控电压，它不再利用电容器或电抗器产生或吸收无功功率来实现无功补偿，而通过产生一个具有可控幅值和相角、同步、近似正弦的电压差来和系统交换无功功率实现补偿。并且它可与线路交换有功功率，增加线路传输功率的能力，提高可控性。它一般由电压型变换器、耦合变压器、直流环节以及控制系统组成，变压器串联接入电力系统，直流环节可以是电容器、直流电容、储能器等。SSSC具有以下一些特点：1）不需要使用任何交流电容器或电抗器就可以在线路中产生或吸收无功功率；2）在同一容性或感性区域内，可以不依靠线路电流产生可控的补偿电压；3）自身对次同步谐振或其它振荡现象具有抗干扰能力；4）接入储能元件后，可对线路增大或减少功率，甚至可使其反向流动，进行有功功率和无功功率补偿；5）可以通过接入直流电源的方式补偿线路电阻或电抗，并与线路串补度无关的高X/R比；6）非常迅速地响应控制指令；7）适应单相重合闸等非全相运行；2SSSC的工作原理SSSC是基于可关断晶闸管构成的静止型补偿器，核心是一个带直流储能电容的电压逆变器（VSI），图1.1给出了SSSC原理接线图。它主要是由逆变器、直流环节（储能电容器或直流电源）、控制器、耦合变压器组成。U1是系统端电压，U2是负荷端电压，Us是SSSC的注入补偿电压，I是线电流。SSSC由变流器产生一幅值和相角可控的三相正弦注入电压（它的相位在0。〜360。之间可调）。注入电压大小不受线路电流或系统阻抗影响，且与线路电抗压降相位相反（容性调节）或相同（感性调节），可以起到类似串联电容或串联电感的作用。

容性补偿时，注入电压滞后线路电流90。，使得线路输送功率能力提高；感性补偿时，注入电压超前线路电流90。，减小线路输送功率，图1.2是包含SSSC的简单电力系统图。UZ5 UUZ5 UZ5I图1.2含SSSC的简单电力系统图图1.2是一简单电力系统，因实际系统是联网结构，对某一输电系统两端都是“电源”，所以此处采用双端等效电源表示两端系统，假设系统潮流方向是有A-B，即U1是发送端电压，U是受端电压，X是线路阻抗，线路中传输的有功功率、无功功2L率可表示为：P=UU^sin（0-0P=UU^sin（0-0）X 1 2LUUQ二—XLU2=——sinoXL（2-1）2G-cos（0-0））二上（1-cos0）12XL式中，U和0是系统电压幅值和相角；U和0是受端电压幅值和相角简化起11 22见，设0=0-0，U=U-U。12 1 2式（2-1）中P式知，只改变线路阻抗即可影响系统潮流。SSSC等效为一同步交流电源，输出电压为Us，当555^注入的可控电压与线路电抗上的压降相位相反（容

性补偿)或相同(感性补偿)，可起到类似串联电容或电感的作用。即当容性补偿时有功功率随注入电压振幅值的增加而增加，感性补偿时则有功功率随注入电压Us幅值增加而减小。图1.3给出的是无补偿、容性补偿、感性补偿的向量图。jixjIXL■>U2U1jIX1工U2IjixjIXL■>U2U1jIX1工U2I(b)容性补偿U2LI⑻无补偿(c)感性补偿图1.3SSSC补偿向量图3SSSC的工作特性U78 U78U78 U78I图1.4含SSSC的简单系统对于图1.4所示一个简单的电力系统，SSSC安装在输电线路上。安装SSSC后线路电流为：I，=U-U-UUsin8±UcosI，=U-U-UUsin8±Ucos8.Ucos8-U土Usin0—1——2——=-1 s j-1 2 s jX X XEE EUsin8±U一 U1)n" Ucos8-U±U1sJU：+U2-2U cos8.1 2s1X—2 J-jUcos8-UJQ.j'U2+U2-2UUcos8-21 2 1_2 XEUsin8EUsin8-j(Ucos8-U)―1 1 2—XEUJ c+U2-2UUcos8I2 1 2 /(2-2)其中X为线路阻抗及SSSC耦合变压器漏抗之和。线路电流的幅值为:E

TOC\o"1-5"\h\z,V：'U2+U2—2UUcos8,I，=J——2 (士—+U2—2UUcos+U2—2UUcos8

2 1 2+U2—2UUcos8U 2 1-2 ±—\o"CurrentDocument"X X£ £二I±上XE所以补偿后的线路电流为原来线路电流与注入电压比上总阻抗之和/差。当为容性补偿时，则随着注入电压的增加线路电流也增加，增加值取决于SSSC的容量及总阻抗；当为感性补偿时，则线路电流随注入电压的增加而减少，当减小到一定程度时，线路电流变为零，继续减小时则变为电流反向，功率倒送。3.2调节线路的输送功率UUsin8UUsin8 UUsin8UUsin8 UP=-i_2 ±—i_2 •― ―sX£ X£ \—2平2cos8TOC\o"1-5"\h\z_U2-UUcos8U2-UUcos8 UQ=-i-i-2 ±-i-i-2 •, sX X .JU2+U2-2UUcos8£ £ 、 1 2 12当线路对称时，即U=U=U，则上两式可写为：12「U2sin8UU 8P= ±s-cos—X X 2i£ .£ （-）-U2（1-cos8）UU 8Q= ±——cos一X X 2££所以可以看出，SSSC对系统容量的提升作用明显，它通过改变注入电压来改变注入无功功率，从而改变线路电流和电压，从而使得未补偿线路增加分量（U/X）LUcos（8/2）（容性补偿），提高了有功功率。SSSC的主要作用是通过改变注入s电压的值来改善功角特性，增加系统输送容量，提高系统静态稳定性。SSSC的注入电压对线路有功功率及无功功率有明显的控制作用，使功角特性曲线提高，有功功率最大值发生偏移，在相同功角差情况下提高了线路功率或在较小功角差的情况下保持相同的线路输送功率。以1作参考值，当Us=0时，，当Us=时，。当8=90。时最大传输功率得以提高，在8较小时，传输功率依然保持稳定提升。

SSSC的伏安特性SSSC的伏安（V-I）特性曲线如图1.5中所示，SSSC的输出电压不受线路电流的影响，在线路电流最大或最小时仍可以保持额定容性或感性的输出电压，且SSSC可以从容性模式到感性模式进行平滑的过渡，控制范围较大。图1.5SSSC图1.5SSSC的伏安特性曲线SSSC的阻抗特性SSSC的等值阻抗为注入电压与线路电流的比值:_U/-T不兀2Z= s - SSSCIZ-0（2-6）TOC\o"1-5"\h\z一 UX（2-6）=干j, sE ——.JU2+U2-2UUcos8±U、1 2 12 s即等值阻抗与注入电压的函数关系，如图1.6所示。SSSC在容性补偿时无论Us取何值，补偿线路的总等值阻抗始终为感性，不存在SSSC等值容抗与线路阻抗相等的情况，在通常运行的容性区域，不会发生次同步谐振现象。所以，SSSC的运行范围更大、稳定性更高。这对系统紧急情况处理更有效，为系统运行提供更大的灵活性。

-0.2-0.3-[1\容容性补偿.感\\一飞性补偿!-0.2-0.3-[1\容容性补偿.感\\一飞性补偿!।।-।1 1 1 1 10.60.40.200.20.40.6Us32/Jooo-O图1.6SSSC等值阻抗3.5SSSC的注入功率由推导的电流公式可以得出SSSC的注入功率为：Usin8+j(ucos5-U)S=UI*=+U(sin0+jcos。)•一 i 2-(SSSCs s X工U- sJU2+U2-2UUcos8' 1 2 1 2-2UUcos8土U)1 2 s2(2-7)可以看出555。注入有功功率为零，上式即为注入的注入功率，SSSC与系统不直接交换有功。无功功率的变化与前面推导的555。注入无功一致。当线路是对称时，即U=U=U，则上式可写为：12SSSSC=+j s_X2(2-8)3.6SSSC的响应速度SSSC是基于电压源逆变器的电力电子装置，由于GTO、IGCT等电力电子器件的快速关断和导通能力，因此其响应速度可以达几毫秒，而且连续可控，在阻尼系统振荡等控制速度要求，可以快速或瞬间响应控制指令。SSSC对维持系统电压稳定性的作用系统电压稳定电力系统稳定性是指电力系统这样的一种能力 对于给定的初始运行状态，经历物理扰动后，系统能够重新获得运行平衡点的状态，同时绝大数系统变量有界，因此整个系统仍保持其完整性。IEEE将电力系统稳定性问题分类为功角稳定、电压稳定、频率稳定三大类。电压稳定是电力系统在给定运行状态下并承受某一给定扰动，如果能在负荷附近电压区域再获得故障后的平衡值，则系统是电压稳定的。电压不稳定起源于动态负荷企图恢复其所消耗的功率，而这种功率恢复超出传输和发电系统所能提供电能的能力。其表现形式是系统母线电压发生大幅度的，不可控的持续性下降，甚至可能出现振荡形式的电压不稳定。电压崩溃是系统发生电压不稳定后，一些母线电压大幅度、持续性降低，系统保护动作跳闸，系统完整性遭到破坏，导致系统大规模停电或解列，功率不能正常输送到用户，这种灾难性的后果就是电压崩溃。电压稳定性问题的分类方法1、静态分析方法基于代数方程判断系统电压稳定的静态分析法：基本理论是潮流多解和可行解域理论。电压稳定性静态分析主要内容有：分析当前运行系统是不是电压稳定的，离不稳定有多远；分析系统电压不稳定原因；分析系统在哪个节点或区域和哪个时候发生电压不稳定。目前静态分析法主要有：潮流多解法、最大功率法、灵敏度方法、奇异值分解法（特征结构分析法）、连续潮流法、非线性规划法。2、动态分析方法电压稳定本质是动态的，发电机、发电机的励磁系统、负荷、调压变压器都影响系统的稳定性，动态分析法主要有小扰动分析法、大扰动分析法（暂态电压稳定分析、中长期电压稳定分析）。小扰动是在平衡点线性化系统的的微分代数方程组，然后用分解特征矩阵判定该处电压稳定性。大干扰是在稳定临界点时，描述其动态行为的方程需要保留其非线性特征，目前大扰动分析法主要有能量函数法和时域仿真法。3、非线性动力学方法这一方法目前作者尚未学习，仅参考资料，做一补充扩大读者知识范围，用于电力系统电压稳定研究的非线性动力学方法主要是分岔理论。分岔理论起源于力学失稳，是非线性科学的一个重要分支。分岔理论的内容可分为两方面：静态分岔理论和动态分岔理论。静态分岔有鞍节分岔（SNB分岔）、动态分岔为霍普夫分岔（Hopf分岔）、限值诱导分岔（LIB分岔）、分岔子系统方法（簇技术）。电压稳定性指标电压稳定性指标是和指标相对控制的灵敏度紧密联系在一起，因灵敏度为改变系统控制参数、提高系统稳定性等方面提供丰富的指导信息。下面介绍几个重要的电压稳定性指标。1、负荷功率裕度指标运行点与SNB分岔点间的负荷功率裕度作为电压崩溃的指标，具有线性度好、物理意义明确的优点。负荷功率裕度需要算SNB点，SNB点计算主要有直接法和连续法两种。直接法通过最优问题得到SNB点，但不能反映系统不同设备到极限时对电压的影响；连续法考虑不同设备到达极限时对电压的影响，而且还能得到负荷缓慢变化过程中系统母线电压的变化曲线。2、能量函数指标能量函数指标作为当前运行点到电压崩溃临界点间的安全测量，是潮流高电压解和低电压解之间的能量差，低电压解构成了势能阱壁，整个势能阱壁将稳定的平衡点包围起来，随系统被加压或受到扰动，系统轨迹逸出势能阱壁时，系统就发生了电压失稳。3、最小特征值/最小奇异值指标系统静态电压稳定的极限点被认为是潮流雅可比矩阵的奇异点，即雅可比矩阵有一个零特征值或奇异值，所以潮流雅可比矩阵的最小特征值/最小奇异值指标在静态电压稳定研究中应用的十分广泛。4、L指标和改进的L指标L指标是基于网络节点方程提出的，将系统节点划分为两组：包括全部发电机在内的P-V节点；全部的负荷节点。应为匕指标有未考虑负荷模型的影响，只适于恒

PQ负荷模型；计算L指标需假设PV节点电压恒定等局限。当发电机励磁达到极限后，其机端电压恒定的假设即不再成立；所以用改进的L指标，计及不同负荷成分的影响，并能计及发电机励磁达顶值极限的影响。2SSSC对系统电压稳定性的影响分析图3.1SSSC图3.1SSSC系统原理接线图如图是含有SSSC的系统简单原理图，从数学角度解说含有SSSC的潮流计算:假设SSSC安装在线路n-m上，SSSC的等值电路为图3.2：r+jxn mPnc+jQncPmc+Qmc图3.2SSSC等值电路P+jQ=-UI*=-UncncncnP+jQ=-UmcmcmI*=-UcIr+jxJ(U)Ir+jxJ（3-1）得：P=UU(bsin5-gcos5)nc nsQ=UU(gsin5+bcos5)nc nsP=UU

mcmsQ=-UUPgcos(0+5)-bsin(0+5)]

nm nm(-2)mcms「bcos(0+5)+gsin(0+5)]

nm nm式中g=-r—、b=x、0=0-0。r2+X2 r2+X2 nmnmSSSC发出的功率为：P+jQ=UI*=Usss sP=gU2+gU「Ucos5-U

ss sn m7cos(0+5)]+

nmbUPUsin5-Usin(0+5)]sn m nmQ=-bU2+gUPUsin5-Usin(0+5)]s s sn m nmbU[Ucos5-Ucos

sn m从节点口流到节点m的功率：(0 +5)]nmP+jQ=UI*=UnmPnmz• • •(U+U-Unmn nk=gU2+gU[ucosnnQ=-bU2+gU

nm n[usn■s n—r+jx5-Umsin5-Ucos0]-bU

nm nsin0]-bUm nm[usin5+Usin0]

s m nm[Ucos5-Ucos0]s m nm当潮流计算中计及SSSC时，功率平衡方程为:AP=P+UU(bsin5-gcosnnsns5)-USU(Gcos0+Bsin0)=0njenAQ=Q+UU(gsin5+bcos5)-Unnsns njnjSU(GjjennjnjnjAP=P+UUgcos(0+5)-bsin(0+5mmsmsAQ=Q+UUmmsmsnmnm)]sin0-Bcosnj njnj-USU(G0nj)=0Pbcos(0+5)+gsin(0+5)]

nm nmm jmjjem-USU(Gmjjemcos0+B

mjsin0mjmjsin0-Bcosmj mjmj)=0।)=0mj(3-5)SSSC的约束方程为：P=gU2+gU「Ucos5-Ucos(0+5)]+bUPUsin5-Usin(0+5)]=0sssn m nm sn m nmSSSC从口节点流向m节点的有功功率P作为控制目标则:cAPnm=gU2+gU(Ucos5-Ucos0)-bU(Usin5+Usin0)-P=0mnmnsmnmc则可想而知系统潮流的雅可比矩阵新增两行两列，U和5的迭代初值根据s(3-6)、(3-7)估算。把555。自身约束方程在修正方程考虑进去，得系统潮流线性化方程:AP-AQ，=HJN'L'「A0AUAPsHsNsAU(3-8)系统加入555。后，PV节点增加一个，无功功率方程式也有变化。因系统多了一个控制变量U，设系统共有l个节点，r个PV节点,力口上SSSC后:LLs=ssHHJ=J===HHL11L11L21*21121222*22・LLLnHs，mn sm•• T.lIn-1n•• T-L2nLIm一1ml2mL1,l-r-2,1,l-r-2l2,l-r-22,l—r-2LLLn1n1mlm1L.KLl-r-2，1丫 N2，1/N11N11N21：211111

nnm品1122臼#HHH--1111•・nnmm.hhhh2222:m••LLLL修,212122222br-22NNN:LL2222nnm・m・nnnn12122222"2ftHHH2222::mm.hhhh、H・ H・:Hl-r-2,1 Hl->2,2l-r-2,1 l-r-2,2LLLLnnnnmnmn*LLl-r-2,nl-WNInN1nN2nnnnnmn.:r-2,n5NNNNN”•mlnln2n2n.n阳HHH22LLLLnmnmmmmm*LLl-r-2,ml-r-2mNlmN1mN2m2m黑累.nnnn,m--_TJTJ1m1m2n并HHHHhhhh

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