SSSC限流性能仿真研究

汪劍俠，劉軼強

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064； 2. 海軍駐湖南地區代表室，湘潭411101 ）

0 引言

隨著電力系統的發展，系統短路水平的提高，關于故障限流器的研究成為一個熱點方向。各種各樣的限流器方案相繼被提出，如超導限流器、固態限流器、液態金屬限流器等。各國學者從材料、拓撲、器件、控制策略等角度不斷地對現有的限流器方案進行了改進，并取得了一定的效果。除了向系統中添加額外的限流設備，還有一個思路是開發現有設備的限流功能。近些年來快速發展的 FACTS(Flexible AC Transmission System)技術中，有多種設備值得考慮，如晶閘管控制串聯電容器（TCSC），靜止同步串聯補償器（SSSC）、統一潮流控制器（UPFC）等。類似TCSC技術的具有串聯補償作用的限流器[1]、諧振限流器[2]等已經得到了應用,浙江大學提出的限流式UPFC拓撲綜合了固態限流器以及UPFC的優點，并進行了實驗驗證[3]。由于 SSSC裝置能夠改變線路阻抗，其限流能力同樣值得研究。

本文首先介紹了 SSSC工作原理，并在Matlab/Simulink軟件中搭建了一個小型的 SSSC裝置，并對其限流性能進行了仿真分析。

1 SSSC工作原理

如圖1所示，SSSC主要包括電壓源變換器、耦合變壓器、濾波器等環節組成。

SSSC裝置本質上可以看做一個同步電壓源，通過耦合變壓器向線路注入一個與線路電流相差90°的可控電壓。從系統層面來說，SSSC裝置可以等效為一個可控的電抗。通過改變注入電壓的幅值，就可以改變等效電抗的大小[4]。

圖1 SSSC裝置原理圖

以含有SSSC裝置的雙機電力系統為例說明SSSC潮流控制的原理[5]。

圖2 含SSSC裝置的雙機系統圖

假設功率流向為圖中箭頭所示方向，XL為線路電抗，線路中傳輸的有功功率、無功功率可以由式(1)、(2)表示。

由式（1）—（2）可以看出，通過改變線路阻抗就可以控制系統有功功率以及無功功率。按照圖2定義的電流方向，當補償電壓超前線路電流90°時，SSSC裝置等效為一個電感；當滯后90°時，SSSC裝置等效為一個電容。在容性補償條件下的系統向量圖如圖3所示。

圖3 含SSSC雙機系統向量圖

從前面的敘述可以看出，SSSC裝置的關鍵在于產生一個與線路電流相差90°的電壓。這里采用矢量控制策略，并在380 V電壓等級下應用IGBT型的電壓源變換器進行驗證。

2.1 鎖相角計算[6]

測量電網線路三相電流IA、IB、IC，在 ABC靜止坐標系下定義電流空間矢量IA、IB、IC，經過3s/2s變換得到兩相靜止坐標系下的Iα、Iβ。

圖4 坐標變換示意圖

從圖 4可以看出，合成空間電流矢量在空間旋轉的角度可以由式（3）、（4）計算。

這樣，利用上面所獲得的角度去控制 SSSC裝置輸出電壓時，就將輸出電壓的d軸分量Ud、定向在合成電流矢量方向上，q軸分量Uq則與合成電流矢量垂直。不考慮SSSC裝置與電網間有功功率交換，將Ud設定為0就實現了SSSC輸出電壓與線路電流相差90°。

2.2 控制框圖

對系統正常工作時功率傳輸來說，希望將線路電抗降低以提高有功功率的輸送能力；而系統發生短路故障時則希望快速增大線路電抗以限制系統短路電流，這可以通過系統控制算法來實現。以上分析表明，SSSC裝置主要的功能在于實現線路阻抗的快速變換。這一特點同樣可以應用于短路電流限制。下面通過仿真進行具體分析。

2 SSSC限流性能仿真分析

系統總體的框圖如圖5所示，對線路電流進行采樣用于相角計算，得到的角度用于變換器輸出電壓的坐標變換。Ud-ref用于控制直流側電容電壓，這里設定為0，Uq-ref用于控制補償電壓。Uq-ref>0時，等效串入電感；Uq-ref<0時，等效串入電容。短路故障發生時，迅速調整Uq-ref的給定，就可以實現對短路電流的限制。

2.3 Matlab仿真實現

圖5 系統總體仿真示意圖

圖5為系統仿真總體圖，采用雙機電力系統模型，仿真步驟為：當斷路器閉合時，SSSC被短路掉，同時控制PWM模塊不發出PWM波，即可進行無補償仿真；當斷路器斷開，接入補償控制器，通過控制Uq-ref實現對補償的控制。三相故障器 Fault用來模擬短路故障。前文提到的相角計算單元、閉環控制單元、PWM 波生成單元通過圖6-圖8所示的模塊實現。

圖8 PWM波生成單元

圖6 相角計算單元

圖6為仿真中用到的相角計算單元，該單元的輸入是電網側線路三相電流IA、IB、IC，輸出為坐標變換用到的cosθ、sinθ值。

圖7 閉環控制單元

圖7為仿真中閉環控制單元原理圖，因為直流側采用直流電源，不考慮直流側電壓波動，Ud給定為0。Uq則根據補償性質不同由階躍信號給定，圖中用到的PWM波生成單元如圖8所示。

本文采用的雙機系統中設置參數為：U1= 3 80∠ 0°，U2= 3 80 ∠ - 3 0°， X/R=7 兩端變壓器變比設為1:1，仿真步長為2e-5。

圖 9為在直流側電源電壓UDC=500 V時SSSC輸出側線電壓波形圖。

設置在0.082 s時系統發生三相短路故障，在不投入SSSC裝置時系統三相電流波形如圖10所示。系統正常工作時相電流在10 A左右，在不加限制的情況下，短路故障發生時相電流超過了60 A。

2.4 仿真結果分析

圖11為接入SSSC裝置時系統三相電流仿真波形，正常情況下Uq給定為負，SSSC處于容性補償狀態，增大了系統輸送的電流；故障發生時，迅速將Uq給定變為正值，SSSC裝置對系統而言等效為一個電感。在Uq給定為300條件下，SSSC裝置將系統故障電流限制在40 A以內。但是，SSSC裝置對各相電流的限流效果并不相同。故障后第一個半波周期內，藍色信號指示的線電流限流效果更為明顯，但是隨后又出現了超過20 A的反向電流。這可能是由于SSSC等效串入電感后引起的系統振蕩。

Uq給定為400時得到的仿真波形如圖12所示，此時串入系統的等效電感更大，限流效果更明顯，三相電流均被限制在30 A以內。但是，此時引起的系統振蕩問題也更為突出。

3 結論

本文介紹了 SSSC的工作原理，并探討了在SSSC現有功能基礎上進行故障限流的可能性。從仿真結果看，SSSC裝置具有一定的短路電流限制能力。但是，也存在以下問題：

1）SSSC裝置串入系統最大電壓受限于直流側電源電壓值以及耦合變壓器變比。最終受限于功率器件的功率等級。

2）短路故障發生時，SSSC裝置中功率器件將要承受較大的電壓及電流。器件本身需要更好的保護。

3）在故障檢測時間內，SSSC裝置若處于容性補償狀態將增加系統短路電流。

綜上可知，SSSC裝置目前還不具備完美的限流能力，但這是開展限流器研究另外的一個思路，即現有設備基礎上拓展其限流功能，節省硬件成本、空間。隨著電力電子器件的發展，SSSC限流能力也將得到提升。

[1]袁清芳, 李興源.具有可控串聯補償的新型故障限流器的研究[J].電工技術學報, 2004, 19(1): 40-43.

[2]嚴朝陽. 串聯諧振型故障限流器的研究及應用[D].華北電力大學, 2012.

[3]田中山. 10kV 限流式 UPFC 試驗樣機研制[D]. 浙江大學, 2013.

[4]謝小榮, 姜齊榮. 柔性交流輸電系統的原理與應用[M]. 北京:清華大學出版社, 2006.

[5]Hingorani N G, Gyugyi L. Understanding FACTS:concepts and technology of flexible AC transmission systems[M]. New York: IEEE press, 2000.

[6]陳伯時, 電力拖動自動控制系統[M]. 機械工業出版社, 2010.