基于SSSC的DCIPC潮流控制及过电压改善

宋彬彬 赵延青 张建楠

摘 要：在研究了相间功率控制器（IPC）的基本原理的基础上，提出了一种新型的动态可控相间功率控制器（DCIPC）。此种DCIPC用静止同步串联补偿器（SSSC）来支路的移相功能，应用PI控制，可以快速、连续地改变电容和电感支路的移相角;由晶闸管控制电抗器（TCR）来完成IPC电感支路的电感器功能，通过控制晶闸管的触发延迟角，可以连续改变DCIPC电感支路的参数;由晶闸管控制串联电容器（TCSC）的容性微调模式来实现IPC电容支路的参数调节。DCIPC四个环节均能够快速、连续和灵活地进行控制。在联络线两侧电网相位滑移的情况下，调节DCIPC的参数可以协调联络线潮流，使得联络线有功保持基本恒定，并能够较好地改善传统IPC的过电压问题，使得端口电压满足要求。采用Matlab/Smulink仿真，验证了在两侧电网相位滑移时，基于SSSC的DCIPC可以完成联络线潮流控制，并改善过电压问题。

关键词：相间功率控制器;动态可控相间功率控制器;相位滑移;潮流控制;过电压

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.112

0 引言

电网互联使电力系统的复杂程度增加，会出现诸如输电线路过负荷运行、潮流分布不合理、网络损耗增大，联络线功率波动等问题[1]。相间功率控制器IPC（Interphase Power Controller）是一种可对有功功率和无功功率进行控制的组合型柔性交流输电系统（FACTS）控制器[2]。IPC具有潮流控制的鲁棒性和限制事故电流、消除事故波及的优良特性，应用前景受到国内外学者的关注。在IPC中应用具有RLC无缘滤波器的PST，大大降低了谐波失真，同时又不影响IPC特性[3]。利用SSSC代替了IPC中的PST，可以提高功率控制的精度、响应速度和灵活性在IPC两侧电压相位差较大时，能够实现联络线潮流控制、改善过电压问题[4]，还可以对短路电流起到限制作用[5]。

IPC具有高阻效应，在电网事故隔离和限制短路电流方面优点突出，但事物总是优点与缺点并存的，由于IPC的高阻效应，当两互联电网负荷频率变化不一致时，两互联电网相位角差可能发生较大的变化，严重情况将会进入异步运行状态。互联电网中相对摇摆及相位滑移的现象是普遍存在的，带相间功率控制器的联络线连接的互联电网，由于高阻效应的存在，情况比较严峻，如果单方向相位滑移过大，带IPC联络线的两侧电网就有可能进入异步运行[6]。

本文针对IPC通过调节电感、电容支路阻抗及移相环节可以控制联络线潮流的特点，提出一种基于SSSC的DCIPC，并进行仿真分析。

1 IPC基本结构及工作原理

IPC的单相原理结构如图1，包括并联的容性和感性支路，每个支路分别由容性和感性阻抗与独立的移相单元串联组成，共四个可控单元。

IPC入口和出口的电压的大小分别用、表征，两电压之间的相位角差为，、分别为IPC电感、电容支路的感抗和容抗，、分别代表两个支路的移相角。

根据IPC原理结构图，可得出口的输送功率为：

     （1）

（2）

由（1）、（2）可知调节IPC支路的阻抗和移相角大小，可以调节带IPC的联络线的功率。

由IPC原理结构图，可知电感和电容两端的电压为[7]：

                     （3）

                      （4）

由上式可以画出电压关系相量图如图2：

由公式（3）、（4）和图2可知在IPC两端电压一定的情况下，移相角越大，电容器和电感器两端的电压越大。

2 基于SSSC的DCIPC原理和控制环节

基于SSSC的DCIPC是將传统IPC电感支路改造为TCR结构，将电容支路改造为TCSC结构，两条支路中的移相环节由SSSC来实现。单相原理电路图如图3。

2.1 电感支路

TCR是由固定的电抗器串联双向导通晶闸管构成。通过改变TCR晶闸管触发角，电感支路的阻抗参数变化。电感支路可以由随触发延迟角变化的无功导纳来表示，表达式如下：

（）                                     （5）

由式（5）可知当时，TCR等效电纳值最小;当时，TCR等效电纳值取得最大值。随着晶闸管触发延迟角改变，电感支路的等效阻抗大小将在和之间变化。

根据晶闸管触发原理，晶闸管触发延迟角可以用参考电平表示如下：

（6）

为晶闸管触发延迟角，表征参考电平，T是同步正弦电压的周期（0.02），K为锯齿波斜率（0.01）。

根据式（6）可以设计晶闸管触发脉冲仿真电路。首先利用一个同步正弦电压波形，将其转换为平顶波;然后把平顶波积分转换为锯齿波，将锯齿波与参考电平进行比较，当锯齿波大于参考电平时，触发脉冲输出为1，反之触发脉冲输出为0，从而来控制晶闸管的导通。改变参考电平的大小来等效的改变晶闸管触发角，当参考电平增大时，触发延迟角增大;当参考电平减小时，晶闸管的导通角增大。

2.2 电容支路

电容支路由TCSC容性微调模式来替代传统IPC中的电容器。TCSC由电容器与晶闸管控制电抗器并联构成，TCSC的基本思路用是TCR来部分抵消并联电容，以提供一个连续的可控电抗，TCSC的稳态阻抗就相当于一个LC并联电路，其等效电抗就是固定容抗和一个可变电抗的并联值，等效电抗可以是容性，亦可以为感性。TCSC稳态基波阻抗值可以用关于的函数表示为：

  （7）

TCSC随着变化有四种运行状态，分别为：晶闸管旁通模式、感性微调模式、容性微调模式和晶闸管闭锁模式。其中容性微调模式时，，等值容性电抗能够在与之间连续取值。

2.2.1 电容支路控制环节

电容支路TCSC采用阻抗闭环控制，把电容支路三相电流、TCSC两侧电压和参考阻抗作为控制的输入量，原理框图如图4。

根据输入变量线路电流和电容两端电压，能够计算出TCSC的实际基波阻抗Z，将TCSC实际阻抗与参考阻抗进行比较，比较之后的差值经过一个典型的放大增益PI控制环节矫正后，产生TCSC的控制角，控制角再经由脉冲生成环节产生触发脉冲。脉冲生成部分以经过锁相环PLL的流经TCSC的三相电流的标幺值作为同步的基准信号，以由线路电流和电容两端电压计算得到的TCSC电流的算数平均值为基准值计算得出，脉冲生成环节根据这个同步基准信号来产生晶闸管的触发脉冲。

2.3 移相环节

移相环节SSSC原理示意图如图5，包括由直流储能元件提供电压的三相电压源变换器VSC（voltage source converter）和串联耦合变压器等主要部分。

SSSC通过耦合变压器串联在输电线路中，可以等效视为向输电线路注入的一个接近正弦的串联电压[8]。直流储能元件一般采用电容器组，所以SSSC装置除本身损耗外，一般与系统间不存在有功功率的交换，因此SSSC装置产生的补偿电压与线路电流正交。SSSC装置串联与输电线路后，将向输电线路注入一个与输电线路电流正交的补偿电压，补偿电压与线路电压、电流的向量关系如图6。由图6可知，经SSSC补偿后，电压的模值和相位都发生了改变，能够实现类似于传统移相器的功能。

SSSC注入输电线路的补偿电压可表示为：

补偿电压的大小由SSSC本身的补偿能量决定，通过公式的控制系数K表征，K可以是正实数，亦可以是负实数;式中为线路电流。K值可以在允许的范围内连续变化，SSSC可以在感性和容性范围内产生连续可控的串联补偿电压。通过控制补偿电压的大小和性质，可以在允许范围内连续、快速、灵活的改变DCIPC感性和容性支路的移相角[6]。

3 仿真分析

系统仿真参数设置如参考文献[9]，将两个系统互联系统简化如图7。在S侧有250MW的负荷;在R侧有50MW的负荷;SSSC的容量为40MW，直流侧电容的额定电压为400V。

由于扰动互联电网两侧相位角发生滑移，本文选取相位滑移范围在（-45°，45°）之间进行算例分析。当两侧相位滑移时，不通过DCIPC来调节时，联络线功率将发生振荡。表1列出了两侧电势相位差从45°每隔5°直到-45°之间变化时，联络线功率的变化情况。

由表1数据分析可知，当两侧电网相位滑移時，联络线传输的功率随之发生变化，这种联络线功率波动情况是电网安全运行所不希望发生的。设初始运行状态两侧电压相位差δ=-30°（以出口电压相位为参考值）时：P=1.5699，Q=2.4214，保持有功功率不变进行参数调节。DCIPC参数的约束条件我们设置如下：

DCIPC入口、出口端电压约束：

电感、电容两端电压约束：

通过调节DCIPC参数，对联络线功率进行调节。两侧电压相位差每隔5°将调节后的各个参数的变化情况列于表2中。

由表2中实验结果，能够明显的看出：通过协调DCIPC的感性、容性支路等效阻抗值和移相环节的参数，可以对联络线的潮流进行有效的控制。当联络线两侧电网相位滑移时，能够根据要求将联络线有功保持在一个基本不变的数值运行。

注： Vr为SSSC的参考电压;VL为电感元件上的电压;VC为电容元件上的电压;XL为电感元件阻抗值，单位为Ω;XC为电容元件阻抗值，单位为Ω;其他单位均为标幺值。

4 结论

本文将SSSC、TCR和TCSC运用到传统的IPC中，在两侧电网相位滑移时，通过协调DCIPC电感支路阻抗值、电容支路阻抗值和移相环节移相角，来调节联络线潮流。经过理论分析和仿真分析，证明改进是合理可行的，并且改进后的IPC具有以下的优点：

（1）与传统IPC相比，基于SSSC的DCIPC可以快速、灵活、连续的改变电感、电容支路的移相角及其等效阻抗，且损耗较小。

（2）此种DCIPC运行和维护的成本更小。

（3）在两侧电网相位滑移时，DCIPC可以控制联络线潮流基本不变，并能够很好的改善过电压问题。

参考文献：

[1]Jacques Brochu，Pierre Pelletier.The Interphase Power Controller：A New Concept for Managing Power Flow Within AC Networks[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1994，9（02）：833-841.

[2]J.Brochu，F.Beauregard.Application of the Interphase Power Controller Technology for Transmission Line Power Flow Control[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12（02）：888-894.

[3]Mohammad Amin Chitsazan，AM Trzynadlowski .Harmonic mitigation in interphase power controller using passive filter-based phase shifting transformer[J].Energy Conversion Congress & Exposition，2017：1-5.

[4]李娟，宋彬彬等.基于SSSC的改进型相间功率控制器[J].电力系统保护与控制，2013，41（15）：68-74.

[5]M Farmad，S Farhangi，S A fsharnia，GB Gharehpetian.Modelling and simulation of voltage source converter-based interphase power controller as fault-current limiter and power flow controller[J].Generation Transmission & Distribution let，2011，5（11）：1132-1140.

[6]李娟，刘修宽，曲祖义等.負荷频率变化时IPC及其两侧电网的动态行为[J].中国电机工程学报，2003，23（07）：71-75.

[7]李娟，康娜娜，于学均.改进型IPC抑制过电压的研究[J].电力自动化设备，2008，28（10）：49-52.

[9]C.Udhaya Shankar，Dr.Rani Thottungal，S.Mythili.Voltage stability improvement and power oscillation damping using Static Synchronous Series Compensator （SSSC）[J].IEEE International Conference on Intelligent Systems and Control （ISCO），2015：1-6.

[8]李娟，赵露，张冰冰等.基于参数协调的可控相间功率控制器调节特性研究[J].电力自动化设备，2007，27（02）：16-19.