静止同步串联补偿器的应用分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第１６卷第３期　南华大学学报（理工版）　Ｖ０１．１６　Ｎｏ．３　２００２年９月　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅ　ｎｅｅｒｉ，￣Ｆ＿Ａｉｔｉｏｎ）　ＳｅＤ．２Ｏ０２　文章编号：１００６—７３７Ｘ（２（Ｘ）２）０３—００２１—０４　静止同步串联补偿器的应用分析　汪普林　（南华大学电气工程学院，湖南衡阳４２１００１）　摘要：静止同步串联补偿器是现代电力电子技术发展的新成果，静止同步串联补偿　器为电力传输系统向大电网、超高压、远距离传输的发展起到了关键的作用．文章对　静止同步串联补偿器的原理和功能进行了概述，并结合实际对静止同步串联补偿器　装置的应用价值作了进一步说明，　关键词：静止同步串联补偿器；电力电子；换流器　中图分类号：ＴＭ７２２　文献标识码：Ｂ　Ｔｈｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｔａｔｉｃ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ　Ⅵ　Ｇ　Ｐｕ—ｌｉｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｎｇｙａｎｇ　４２１００１，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａ　ｎｅｗ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒａｐｉｄ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　Ｃ　ｉｓ　ｎｏｗ　ｌｅａｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｅｔｅｍ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ｓｕｐｅｒ　ｖｏｌｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｆａｒ　ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ｃｅｒｔａｉｎｌｙ　ｈａｖｅ　ａ　ｃｒｕｃｉａｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ，Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　Ｓ３Ｃ．ａｎｄ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　Ｃ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ　ｉｗｔｈ　ｐｒａｃｔｉｃｅ一　．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｔａｔｉｃ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ；ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ　０引言　安全、经济、综合控制的重要手段，被认为是２ｌ世　纪初可以实施的技术改革措施，对于充分利用现　众所周知，静止同步串联补偿器（Ｓｔａｔｉｃ　Ｓｙｎ—　有电网资源和实现电能的高效利用，将会发挥重　ｃｈｍｎｏｕｓ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，简称　Ｃ）是应用电力　要作用，已成为当今先进国家电力界研究的热点．　电子技术的最新发展成就以及现代控制技术实现　对交流输电系统的参数以至网络结构的灵活快速　１　Ｓ　Ｃ的功能和原理　控制，以期实现输送功率的合理分配，降低功率损　１．１　Ｃ的功能　耗和发电成本，大幅度提高输电线路的输送能力　静止同步串联补偿器（Ｓ３Ｃ）其主要作用是用　和电力系统的稳定性、可靠性．它是实现电力系统　大功率可控硅元件代替传统元件上的机械式高压　收稿日期：２００２—０３—２５　作者简介：汪普林（１９７６一），男，安徽安庆人，南华大学电气工程学院，助教，主要从事电力传输方面的研究，　维普资讯 http://www.cqvip.com ２２　南华大学学报（理工版）　２００２年９月　开关，从而使电力系统中影响潮流分布的三个主　然在这些端口只能提供其所交换的有功功率．因　要电气参数：电压，线路阻抗及功率角可按照系统　而，Ｓ３Ｃ必须在内部产生其在交流端所需要交换　的需要迅速调整．在不改变现有网络结构的情况　的无功功率．所以，Ｓ３Ｃ在功能上被认为是一台理　下，使电网的功率输送能力以及潮流和电压的可　想的发电机，它可在接入相对较小的直流蓄能电　控性大为提高．由于Ｓ３Ｃ可对上述影响电力系统　容器下运行，并与交流系统、外部直流源或蓄能装　运行的参数进行快速、精确的控制，从而对其潮流　置交换无功功率，也能任意地交换可控的有功功　变化、功率流向、输送能力、阻尼振荡以及防止事　率。图１为其原理示意图，参数Ｑ　和Ｐ　（或其　故扩大等方面运行性能的改进和提高具有巨大的　他相关的参数，如所需补偿的无功阻抗　和电　功能．可以说，Ｓ３Ｃ技术将多方面地提高交流输电　阻Ｒ　）限定了其所产生的输出电压的幅值　和　系统的可控性能．　相位角　，这对于在交流输出端所需的无功和有　在电力系统中，Ｓ３Ｃ的主要功能可简单归纳　功功率非常必要．　为．　１）可不需用任何交流电容器或电抗器在线　２基本作用分析　路内产生或吸收无功功率；　ｓ３Ｃ实现的基本作用有：①可控串联补偿作　２）可在同一电容性和电感性范围内，与线路　用；②移相作用；③端电压调节作用．　电流大小无关地产生一可控的补偿电压；　图２为Ｓ３ｃ的系统示意图．图中，　为线路首　３）对次同步谐振（ＳＳＲ）及其它振荡现象具有　端电压，　为线路末端电压，　。为线路中流过的　固有的抗干扰能力；　４）接入储能器后，可对线路进行有功和无功　电流，　．为线路电抗，　为换流器的输出电压，　补偿（增大或减少线路功率，甚至可使其反向流　为电容器的直流电压．　动）；　一　＋　５）接入一直流电源后，可补偿线路电阻（或　电抗），以与线路串补度无关地维持Ｘ／Ｒ的高比　值；　１．２原理　Ｓ３Ｃ是一个简单的运行于直流电压源的静止　的固态开关，通过电子器件的控制能产生一三相　同步的近似正弦输出电压，并能任意地控制电压　图２　Ｃ的系统示意图　№．２　Ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｃ　。　采样输入的系统变量有：Ｖ．、，　和　，给定的　目标输入有：可控串补度ｓ、移相角度　、端电压调　节系数后。　换流　Ｐ　（尺他ｒ）　２。１　可控串联补偿作用　Ｑ　（　）　静止同步串联补偿器的可控串补作用，是由　换流器向系统注入一个与线路电流相垂直的电　压。给定可控串补度ｓ，则：　：一ｊｘｘ　，。　（１）　令，ｌ＝，ｌ＜口，　：　＜０　图ｌ静止串联补偿器原理图　则　＝ｓＸｌ，Ｊ＜口±７ｒ／２　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄ｜￣ｇｒａｍ　ｏｆ　Ｃ　当ｓ＞０时（感抗），　：ｓＸｌ，ｌ，０＝口一７ｒ／２；　当ｓ＜０时（容抗），　＝一ｓＸｌ　Ｊｌ，０：口＋７ｒｌ２。　幅值　和相位角　。根据基本的物理原理可知，幅　（相应的相量图见图３（ａ））　值和相角的控制已表明Ｓ３Ｃ能在它的交流输出端　２。２移相作用　交换有功和无功功率．由于它的输入端是直流，显　静止同步串联补偿器的移相作用，是通过串　维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ６卷第３期　汪普林：静止同步串联补偿器（ｓ］ｃ）的应用分析　２３　联接在输电线路中的变压器，由换流器向系统注　入一个与　相垂直的电压　．　图３（ｂ）．　２．３端电压调节作用　当Ｓ３Ｃ通过串联变压器向系统注入一个与　平行的电压　．相应的相量图见图３（ｃ）．　＋　＋　１｛　Ｉ　给定端电压调节系数ｋ，则　＝　（３）　令　＝　则　图３换流器的输入输出相量图　Ｆｉｇ．３　Ｖｅｃｔｏｒ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　＜ａ，　＝　＜０　＝ｋｖ，＜ａ＋ｎ丌ｒｔ∈（０，１）　当ｋ＞０时，　＝ｋｖ，，０＝ａ；　当ｋ＜０时，　ｒ埘＝一ｋｖ，，０＝ａ＋丌．　当ｓ］Ｃ需要实现上述３种基本功能的组合作　（２）　用时，只需按照上面的３种基本方法，根据　和　，　给定移相角度　，单位为ｒａｄ，则　＝ｊａｙ，　＝　＜ａ，　＝　＜０　令　则　便可组合出控制器的输出参量　．综上所述，应　用Ｓ３Ｃ对系统进行控制，给定系统的控制目标，测　得系统有关参量　和，　，就能直接确定控制器在　所有工作状态下的输出参量　．　＝ａｖ，＜ａ±ｒｒ／２．　当　＞０时（超前移相），　ｒｒ／２；　＝ａｖ，，０＝ａ＋　当　＜０时（滞后移相），　＝一ａｖ，，０＝ａ—　ｒｒ／２．　３　Ｓ　Ｃ的仿真实验　简单双机系统的静止同步串联补偿如图４所　示　这时，因　与，　不垂直，所以控制器串联侧　换流器与系统之间有有功功率交换，有功功率的　交换量由外部直流电源来平衡．相应的相量图见　图４具有静止同步串联补偿器的简单双机系统及其相量图　Ｆｉｇ．４　Ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ　ｔｗｏ—ｍａｃｈｉｎｅ　ｓｙｓｔｅｍⅥ｛ｔＩｌ　ａ　ｓｔａｔｉｃ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｓｅｒｉｅｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ　ａｎｄ　ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ　ｐｈａｓｏｒ　ｄｉａｇｒａｍ　通过准确详细的ｓ］ｃ模型控制的简单双机系　统的ＴＮＡ（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｎｅｈ￣ｏｒｋ　Ａｎａｌｙｚｅｒ）仿真试验　Ｊ，　所得的结果如图５所示，图中的曲线分别表示：在　＝从系统暂态稳定来看，在补偿线路无功的同　时，进行有功功率的交换能够对系统振荡阻尼起　到很大的作用．例如，在功角加速时，接有电源的　Ｓ３Ｃ提供最大的线路容性补偿以提高有功输送功　率，并同时吸收有功功率，从而起到串联阻尼电阻　器的作用；相反，在功角减速时，Ｓ３Ｃ可以进行相　２０Ｐ，ＸＬ／Ｒ＝６时，４相的线路电流，和输入端　电压　；输入端的输送功率Ｐ和无功功率ｐ；由　Ｓ３Ｃ注入的４相线路电流，和电压　；以及在无补　偿时（　＝０），经过注入的串联电压并由ｓ］Ｃ与交　反的补偿过程：提供最大的感性补偿以降低有功　输送功率，并同时为线路负阻尼提供额外的有功　功率，从而起到负电阻的作用．尽管存储电能是为　了通过注入突变的正向和反向电压而获得理想的　流系统交换的有功和无功功率．可以看到，额外的　有功补偿会显著地增加输送功率，而且也能降低　输入端无功功率的容量．　维普资讯 http://www.cqvip.com ２４　南华大学学报（理工版）　２００２年９月　阻尼，但是，一个负电源如高耗能电阻器就是一个　能在功角减速时，吸收由负电源消耗的有功功率．　更经济且有效的阻尼，将其置于Ｓ３Ｃ的直流端，就　无补偿　．　，正向潮流补偿　反向潮流补偿　。＾＾＾＾Ａ　Ａ　Ａ　Ａ　Ａ　Ａ　Ａ　Ａ　Ｉｆ　１６Ｉ｝　Ｖ　Ｖ　Ｖ　Ｖ－ｑ　Ｖ　Ｖ　－；—　’‘、　、　．　———・－－－＿。－－—、——・－—・＿—～　Ｐ　，一一——一一—一一…一Ｉ　Ｉ　Ｉ　ｌ　ｌ　Ｉ　Ｉ　；Ｉ　Ｉ　ｌ　Ｉ　ｌ　Ｑ　’　：＼一一—，一　，一０．．厂、———一一一　，　：Ａ　Ａ凸△　．／）Ｌ　／）Ｌ　Ａ△　Ａ　Ａ　Ｊ　＿Ｖ　Ｖ　Ｖ　Ｖ　Ｖ　＼７ｒ　＼７，　Ｐｑ　Ｑ　图５　ｓ３Ｃ无功和有功串联补偿性能的ＴＮＡ试验录波图　Ｆｉｇ．５　Ｏｓｅｉｌｌｏｇｒａｍｓ　ｆｒｏｍ　ＴＮＡ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆｔｈｅ　Ｃ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｂｏｔｈ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｖｅ　ｓｅｒｉｅｓ　ｌｉｎｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　４结束语　［３］李兴源．高压直流输电系统的运行和控制［Ｍ］．北京：　科学出版社，１９９８．　静止同步串联补偿器（Ｓ　Ｃ）装置技术出现的　［４］赵贺．电力电子学在电力系统中的应用——灵活交　时间虽然不长，但已向世人展示了其十分诱人的　流输电系统［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００１．　前景．可以预期，未来的全面采用这种新技术的输　１５ｊ　Ｐｏｕｈ　Ｐ．ＰｏｗｅｒＱｕａｌｉｔｙ　Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆＰｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｄ］．　电系统，辅之以现代化的计算机控制和通信手段，　Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｔｈｅ　２ｎｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｉｔｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ｓｉｍ￣ａｉｌｏｎ　ｏｆｔｈｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ，１９９８．　输电能力将成倍提高，系统的灵活性及可控性将　１６ｊ　Ｇｙｕｇｉｌ　Ｌ　ｅｔ　ａ１．Ｓｔａｔｉｃ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ：Ａ　显著改进。尤其对我国未来大电网、远距离、超高　Ｓｏｌｉｄ—Ｓｔａｔｅ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｓｅｒｉｓｅ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓ—　压输电具有重大的应用价值．　ｍｉｓｓｉｏｎ　Ｌｉｎｅｓ［Ｊｊ．—ｒＥＥ—Ｅ　Ｔｒａｍ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，１９９７，１２　（１）：４０６—４１７．　参考文献：　［７］武守远，等．电力系统最新技术——灵活交流输电系　［１］何仰赞，等．电力系统分析［Ｍ］．Ｆ－￣Ｈ：华中理工大学　统的发展及研究［Ｊ］．电网技术，１９９６，２０（５）．　出版社，１９９５．　［８］徐政，等．三电平静止同步补偿器的运行原理研究　［２］靳龙章，丁毓山．电网无功补偿实用技术［Ｍ］．北京：　［Ｊ］．电力系统自动化，１９９９，２３（７）：２８～３３．　中国水利水电出版社，１９９７．