（电力系统及其自动化专业论文）静态同步串联补偿器机电暂态及电磁暂态特性研究.pdf

中国电力科学研究院博士学位论文摘要 定了基础。结合工程实际需要，本论文分析了固定串联电容与s s s c 联合使用的可行性， 这种方式既避免了s s r 的发生又可以充分利用串联电容控制潮流的作用，是一种可应用 于工程实际的较为经济的串联补偿搭配方式。 根据我国电网发展的需求和电力电子技术的发展方向，论文对s s s c 进行了较为系 统、全面的研究，提供了基础理论、数学模型和研究手段，研究了s s s c 阻尼低频振荡、 抑制s s r 的机理，提出了s s s c 的触发控制和系统控制策略。结合河南电网情况和业主 要求对s s s c 示范工程进行了研究，为s s s c 技术及基于可关断器件的f a c t s 装置在我 国的研究与应用奠定技术基础。 关键词：静态同步串联补偿器，电力系统，电力电子，机电暂态特性，电磁暂态特性， 建模 中国电力科学研究院博士学位论文 摘要 a b s t r a c t g e n e r a t i o nr e s o u r c e sa n de l e c t r i c a lp o w e rl o a d sa r ed i s t r i b u t e du n b a l a n c e d l yi nc 衄w h i c h c a u s et h a tl a r g ec a p a c i t ya n dl o n gd i s t a n c ep o w e rt r a n s m i s s i o na r em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f c h i n ap o w e rg r i d s o m ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m sc o n c e r n e dw i t hi m p r o v i n gt r a n s m i s s i o n c a p a c i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e rg r i da r eu r g e n tt ob es o l v e d f a c t st e c h n o l o g y , w i t ht h eb e s t p o t e n t i a li n t h ed e v e l o p m e n to fc h i n ap o w e rg r i d i sr e q u i r e di m m e d i a t e l y f a c t s t e c h u o l o g i 船，s u c ha st c s c ，s v c ，a n ds t a t c o m , w o r ea p p l i e di nc h i n ap o w e r 鲥d 衙 s e v e r a ly e a r s ，b u tf e wr e s e a r c h e so ns e r i e sc o m p e n s a t i o nd e v i c eb a s e do nt u n l - o na n dr a m - o f f a p p a r a t u s w a sc a r r i e do u t s t a t i cs y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r ( s s s qi sn o v e l c o n t r o l l a b l es e r i e sc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi n s e r t sac o n t r o l l a b l es e r i e sv o l t a g ei n t ot h e t r a n s m i s s i o nl i n et o a d j u s tt h ep o w e rf l o w , t oi m p r o v es y s t e ms t a b i l i t y , t od a m pp o w e r o s c i l l a t i o n , a n dt os u p p r e s ss s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e do n a n a l y z i n gp e r f o r m a n c e o fs s s c s y s t e m i c a l l y a n d c o m p r e h e n s i v e l y , p r e s e n t i n ge l e c t r o m e c h a n i c a la n de l e c t r o m a g n e t i cw a n s i e n tm o d e l sa n d a l g o r i s m sw h i c hc a nb eu s e dt oa n a l y z et h ep r a c t i c a ls y s t e m s f u n d a m e n t a la n a l y s i so fs s s c a p p l i c a t i o ni nh e n a np o w e rg r i di sc a r r i e do u tb a s e do nt h ep i l o td e m o n s t r a t i o np r o j e c t t h e w o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h r e ea s p e c t s ：1 1t h ed e v e l o p m e n ta n da p p f i c a f i o no fs s s c t e c h n o l o g ya r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d , w h i c hi st h eb a s eo f c o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o no f s t e a d ys t a t e ，e l e c t r o m e c h a n i c a la n de l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp e r f o r m a n c e so fs s s c 2 ) t h e p o w e rf l o wc a l c u l a t i o nm o d e l ，t h ep o w e rf l o wc o n t r o lm o d e l ，a n dt h et r a n s i e n ts t a b i l i t ym o d e l a r e d e v e l o p e d i np s a s p , a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tm o d e li s d e v e l o p e d i n p s c a d e m t d c t h e s em o d e l sc a nb eu s e df o rt h e o r e t i c a la n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o no fs s s c 3 ) t h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n so f s s s ca p p l i c a t i o ni nh e n a np o w e r 鲥d a r ec a r r i e do u tu s i n g s y s t e md a t ao fc e n t r a lc h i n ap o w e rg r i d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t ep r o p o s e dm o d e l sa n da d e m o n s t r a t i o nw o r kf o rt h er e s e a r c ho na p p l y i n gs s s ci nc h i n ap o w e rg r i di s 百、忸 t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r em a d ea sf o l l o w s ：1 ) t h em e t h o do fi n j e 虻t i n gc u r r e n ta ta d d i t i o n a l n o d e si sp r e s e n t e dt os o l v et h ei n t e r f a c ep r o b l e mb e t w e e nt h eg e n e r a ls y s t e ma n a l y s i ss o f t - w a r e a n ds s s cm o d e l s s s cp o w e rf l o w c a l c u l a f i o nm o d e li sd e v e l o p e di n p o w o rf l o w a n a l y s i s m o d u l eo fp s a s p 2 1t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de q u a t i o n sd e d u c t i n go ns i n # em a c h i n e i n f i n i t eb u ss y s t e mw i t hs s s c ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns s s co u t p u t i n t e r i o rv a r i a b l e sa n d s y s t e mv a r i a b l e s ，a n dt h ef u n c t i o no fs u p p r e s s i n gl o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o na r ea n a l y z e d t h e 中国电力科学研究院博士学位论文摘要 c o n t r o ls t r a t e g yf o ri m p r o v i n gs y s t e ms t a b i l i t yi ss t u d i e d t a k i n gt h ei n j e c t i n gv o l t a g ea n g l e a n dp w mm o d u l a t ec o e 伍c i a n t 髂b a s i cc o n t r o lv a r i a b l e so fs s s c t h en o n l i n e a rc o n t r o l m e t h o dw i t hv a r i a b l ep a r a m e t e r si sp r e s e n t e d , a n dt h et r a n s i e n ts t a b i l i t yc o n t r o ll o o po fs s s c i sr e a l i z e d 3 ) s p w mc o n t r o la n df i r i n gs t r a t e g yw i t hc o n s t a n td cv o l t a g ea r cp r e s e n t e dt o s o l v et h ep r o b l e mo f f i r i n go f s s s ce l e c t r o m a g n e t i cl r a n s i e n tm o d e l u s i n gp s c a d e m t d c ， m o d e l so fs s s cv a l v em o d u l ea r od e s i g n e d ，t h ef i r i n gl o o p ，s s s cc o n t r o ll o o p ，d cc a p a c i t o r v o l t a g er e g u l a t i o nl o o pa r ep r e s e n t e d 4 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na d d i t i o n a lt o r s i o no fs s s c a n dm u l t im a s st o m i o no fr o t o ra r ed e s c r i b e d , w h i c hi sd e m o n s t r a t e db yc o m p l e xt o r q u e c o e f f i c i e n ta p p r o a c ha n dt i m ed o m a i ns i m u l a t i o n f r o mt h ea n a l y s i sr e s u l t so fs s s ca p p l i c a t i o ni nh e n a np o w e r 鲥d ，s s s cc a na d j u s tp o w e r f l o wo fc o m p e n s a t e dt r a n s m i s s i o nl i n eq u l c l d y , d a m pp o w e ro s c i l l a t i o n , a n di n c r e 勰es t a b i l i t y m a r g i no ft r a n s m i s s i o np a t h , w h i c hi st h eb a s ef o rt h ef l l r t h e ra p p l i c a t i o no fs s s c t h e f e a s i b i l i t yo fc o m b i n i n gs s s cw i t h 触e ds e r i e sc a p a c i t o ri sa n a l y z e d u n d e rs u c hc o n d i t i o n , s s rc a l lb ea v o i d e da n dt h ef u n c t i o no f f s cf o rc o n t r o l l i n gp o w e rf l o wc a nb eu s e df i l l l y t h i s o p e r a t i n gm o d e w i l lb eak i n do fv e r ye c o n o m i cs e r i e sc o m p e n s a t i o nm e t h o di nc h i n ap o w e r g r i d a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so fp o w e rg r i da n dt h ed 钾e l o p m e n tt r e n d so fp o w e re l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , t h ei s s u e sc o n c e r n e dw i t hs s s ca r es t u d i e ds y s t e m i c a l l ya n dc o m p r e h e n s i v e l y t h eb a s i ct h e o r i e s ，t h em a t h e m a t i cm o d e l s ，a n dt h er e s e a r c hm e t h o d sa r eg i v e nf o rt h ef u r t h e r s t u d yo ns s s c t h ep r i n c i p l e so fd a m p i n gp o w e ro s c i l l a t i o na n ds u p p r e s s i n gs s r a r es t u d i e d a n dt h ef i r i n gm e t h o da n ds y s t e mc o n t r o ls t r a t e g ya r ep r e s e n t e d c o n s i d e r i n gt h ea c t u a l s i t u a t i o no fh e n a np o w e rg r i da n dt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s ，t h ep i l o td e m o n s t r a t i o np r o j e c t o fs s s ca p p l i c a t i o ni ss t u d i e d , w h i c hp r o v i d e st e c h n i c a lf o u n d a t i o no fa p p l i c a t i o no fs s s c t e c h n o l o g ya n dt u l 2 1 - o na n dt u r n - o f f a p p a r a t u sb a s e df a c t sd e v i c e si nc h i n ap o w e r 鲥d k e y w o r d s ：s t a d es y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r ( s s s c ) ，e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m , p o w e r e l e c t r o n i c ，e l e c t r o m e c h a n i e a lt r a n s i e n tp e r f o r m a n c e , e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t p e r f o r m a n c e ，m o d e l i n g 中国电力科学研究院博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 “西电东送、南北互供，全国联网”是我国电力发展的战略目标。全国联网使我国电 力格局发生很大的变化，我国的一次能源及用电负荷分布不平衡，决定了大容量、远距 离输电是我国电网发展的特点。以往各区域独立成系统的供电形式将被区域间联网、进 而全国联网的新格局所取代。随着我国电网的快速发展，它将成为世界上电压等级最高、 远距离输电容量最大、互联电网覆盖区域最广的超大规模同步、非同步混合互联电网。 这个超大规模电网的安全稳定运行不仅要依靠原有电力技术，更需要像f a c t s 、h v d c 等新兴电力电子技术的支撑。表1 1 所示是我国电网目前面临的一些主要技术问题，这 些问题的解决要依靠大规模电网建设和对现有设备的充分利用，灵活交流输电系统 ( f a c t s ) 是解决电网发展中技术、经济、环境等问题的一种具有技术优势和工程实旌 优势的新措施。 表1 1 我国电网面临的主要技术问题 大窖量、远距离输电 一保证大电厢安全稳定运行 电网安全 一输电新技术的研发与应用 供需平衡 一输电设施的建设和充分利用 大容量输电 满足用户对电能质量的要求 一供电可靠性 电能质量 一电能质量 节能降耗的要求 一降低网损节能降耗 一提高电力驱动设备效率 1 1 灵活交流输电( f a c t s ) 技术的应用 1 1 1f a c t s 技术可以解决的系统问题 电力系统被认为是最复杂的人造系统，加强对电力系统的控制，提高系统的安全稳 定性和经济性一直是电力系统研究的热点问题。f a c t s 装置的作用就是通过对系统关键 参数，如电压、相角、频率、阻抗、电流、潮流等的控制，实现电网安全经济运行，在 系统稳定、安全、可靠的前提下，最大限度的利用现有发、输、配电基础设施的资源效 益。对于传统技术措施无法解决或者解决较为困难的系统问题，使用适当的f a c t s 装置 是很好的解决方案，表1 - 2 总结归纳了几种典型f a c t s 装置的特性。 中国电力科学研究院博士学位论文 第一章绪论 表l - 2 f a c t s 技术可以解决的系统问题 系统发生采用f a c t s 技术 的问题 解决途径传统解决办法 的解决办法 负荷变化时投切并联电容器、电s s s c 、s v c 、t c s c 、 电压 电压波动 无功功率调节 抗罂、串联电容器 s 1 ： = l c d m 、u p f c 控制 投切并联电容器、电 故障后提供无功功率：s s s c 、s v c 、 系 产生低电压防止过负荷 抗器，串联电容器、 s 丑u 0 m ，t c p r 串联电抗器 统 线路或增加线路或变压器：s s s c 、t c s c 、 稳降低过负荷 态 变压嚣过负荷增加串联电抗器 t c p a r 、u p f c 应 潮流 调整串联电抗：调增加串联电容、电s s s c 、u p f c 、1 c s c 、 用分布 潮流调整 整相角抗；增加p a r 砷= i 憾 控制 故障后 网络重构，使用发 p a r 、串联电容，电t 口，a r 、u p f c 、s s s c 、 负荷分配热限制抗 t c s c 、s 1 ：们c 0 m 短路 故障电流越限限制短路电流 增加串联电抗和更s c c l 、u p p c 、 水平换开关 s s s c 、1 s c 次同步汽轮机或发电 阻尼振荡串补 n g h 、s s s c 、t c s c 谐振机轴损坏 暂态 增加同步扭矩；吸快速响应励磁，串联 s s s c 、t c s c 、u p f c ； 稳定性 松散网状网络收能量；动态潮流电容器；制动电阻、 t c b r 、b e s s 、s m e s ： 控制；快速汽门； t c p a r 、h v d c 系s v c 、s ，r t c o m 、 统 阻尼远方发电机、放 阻尼低频振荡快速响应励磁、p s ss s s c 、t c s c 、 动振荡射状线路； u p f c 、t a r a r 、n g h 态 应 事故后动态电压支持；动 s s s c 、s v c ， 用电压松散网状同络态潮流控制；减小并联线路 s t ：i c o m 、u p f c 、 控制故障冲击； t c p r ： 电压 区域互联；紧密无功支持；网络控 并联电容器、电抗 网状网络；松散制；发电机控制； 器；重合闸；快速响s v c ，s t a t c o m 稳定应励磁；低电压甩负 u p f c 、t c i r 网状网络；负荷控制； 荷、需求侧管理； 1 1 2 典型f a c t s 技术的特点 随着电力电子器件的发展以及f a c t s 理论研究的深入，f a c t s 技术功能更加多样 化，控制能力更强，在其发展过程中出现了许多具有典型意义的装置。f a c t s 装置的应 用始于上世纪8 0 9 0 年代，基于半控器件( 晶闸管) ，典型代表是串联补偿装置t c s c 和并联补偿装置s v c i - 3 ，见图1 1 。通过对晶闸管的可控调节实现并联串联等值电抗的 连续调节，连续可控和快速响应能力是其主要特点。 图1 - 1t c s c 及s v c 原理图 舞 中国电力科学研究院博士学位论文第一章绪论 上世纪8 0 年代，g t o 、i g b t 等可关断器件的额定电压和电流已经可以达到电力系 统应用的要求，出现了基于全控器件的f a c t s 装置，与早期基于半控器件的f a c t s 装 置有质的不同。典型装置是静态同步串联补偿器( s s s c ) 和静态同步无功补偿器 ( s t a t c o m ) 4 - 6 。s s s c 向线路串联注入幅值可控、相角与线路电流垂直的电压，能够 实现对线路的容性和感性补偿，可以控制线路功率、提高系统稳定性， 图1 - 2s s s c 、s t a t c o m 结构示意图 统一潮流控制器( u p f c ) 第一种投入实际运行的，可以同时控制影响线路潮流的所 有因素电抗、电压及相角的基于全控器件的f a c t s 装置阱8 1 ，见图1 3 。它结合t s s s c 与s t a t c o m 的结构和特点，具备串并联补偿的能力。 圈1 - 3u p f c 原理图 最新的基于全控器件的f a c t s 装置是可变静态补偿器( c s c ) 【9 i o ，它集成了几种 f a c t s 装置的功能，可以更加灵活的控制系统的潮流及电压稳定，见图1 - 4 。c s c 是串联 补偿的s s s c 和并联补偿的s w i t c o m 的有机结合，使基于可关断器件的f a c t s 装置在运 行灵活的前提下，具有功能的多样性和更加强大的控制能力。可以同时控制同一变电站 的两条或两条以上线路的电压和潮流。提供动态电压控制的同时，对多个线路走廊上的 有功、无功潮流进行控制。 图1 4c s c 接线示意图 一萝一弩 j卜弘 中国电力科学研究臃博士学位论文第一章绪论 1 2 论文研究背景及意义 我国电网的规模越来越大，输电距离长、容量大，加之电力市场化进程的加快，这 些因素对系统的安全稳定性、灵活性都有更高的要求。提高系统稳定性、增加电网输电 能力、改善无功分布和电压支撑将成为我国电网面临的关键技术问题。1 9 9 6 年美国西部 电网两次大停电事故和2 0 0 3 年8 月1 4 日“美加大停电”，都暴露出电力系统的脆弱性和 加强电力系统控制理论及控制手段研究的迫切性( 1 1 1 。 电网存在问题的被动应对策略是对传统设备的加强，即更换导线、改进线路结构、 提高输电电压等，而主动的应对策略是电力电子技术的使用。s s s c 在提高系统稳定性、 阻尼振荡、抑制s s r 、增加系统输送容量等方面的技术特点，使其成为大系统稳定性控 制的重要手段。s s s c 能够通过控制电压幅值和功角，缩小等效输电电气距离，控制潮流， 提高电网输电能力和单位走廊的输电容量，改善电网的稳定性。 与目前我国正在研发和应用的其它f a c t s 装置相比，s s s c 直接控制系统状态量( 电 压幅值和相角) ，具有控制范围广、响应快等特点。基于可关断器件的新一代f a c t s 装 置的技术核心是电压源逆变器，对s s s c 关键技术的研究具有技术的先导性和辐射性， 不论是从我国电网发展的需求还是从电力技术研究的要求，进行s s s c 关键技术的研究 都是必要的。 本论文研究得到国家自然科学基金项目的支持( 项目号：5 0 4 7 7 0 5 5 ) ，并且属于中国 电力科学研究院与河南省电力公司签订的“s s s c 技术研究及在河南电网的应用”项目的 基础性研究工作。 1 3s s s c 技术研究现状及其发展 上世纪9 0 年代，以可关断器件构成的电压源逆变器为基础的新的补偿理论得到越来 越多的关注 4 棚，随着可关断器件容量不断增加、性能不断提高，这种补偿装置已经具 备了应用于输电网的条件。s s s c 是这类装置中具有技术代表性的串联补偿方式。s s s c 通过在线路中串联注入幅值可调，相角与线路电流垂直的电压来调节线路输送功率，相 当于可控电压源，其核心部分是带有直流储能电容器的电压源逆变器。传统可控串补 t c s c 的控制方式是通过控制晶闸管触发角来调节其等值阻抗x 。的大小，从而调节线 路的传输能力，提高系统的稳定性。但它存在补偿出力受线路电流影响，补偿设备( 电 容器、电感等) 与线路电感有产生谐振的可能等问题。 本节从理论研究和实际工程应用两方面对s s s c 的研究情况进行综述，理论研究分 为s s s c 的稳态特性、潮流计算、暂态稳定控制、电磁暂态仿真、抑制s s r 以及国内研 究动态等方面，分别总结了各专题的研究情况以及存在的不足。实际工程则简要介绍目 前投入运行的三个u p f c7 - 程概况，主要包括工程规模、工程的目的和在系统中发挥的 作用等。 中国电力科学研究院博士学位论文 第一章绪论 1 3 1 国外s s s c 技术的研究情况 国外关于s s s c 及基于可关断器件补偿装置研究的相关文章较多，重点在阻尼低频 振荡、抑制s s r 及基于器件级仿真模型的电磁暂态分析。下面分四部分介绍，总结各文 献的研究特点和存在的不足，提出此领域研究的设想和方向。 l 31ls s s c 的结构、稳态特性分析与数学建模 l 6 y u g y i ，c d s e h a u d e r ，k i c s v n 等学者较早对s s s c 的稳态特性进行了分析研究， 讨论了s s s c 的基本运行特性，并与t c s c 作了比较圈。文中将注入电压的作用等效为可 变电抗，未能体现出注入电压控制的优点。实际上s s s c 注入电压不受线路电流的影响， 而可变电抗产生的压降受线路电流影响大。s s s c 可以提供独立于线路电流的容性或感性 补偿电压，除串联无功补偿外，附加直流电源后也可以提供有功补偿，即使线路有很高 的补偿度，由于对电抗有功部分的补偿，仍可以保持较高的x r 比率。文献 1 2 】用e m i t 搭建了s s s c 的潮流控制器模型，s s s c 通过耦合变压器与系统相连，向系统注入接近正 弦、幅值可调、与线路电流相角正交的电压，对线路潮流产生影响。注入电压产生的等 效电抗影响了线路的输送功率。文献 7 】将s s s c 注入电压源的作用等同于可交电抗，在 仿真模型中采用了基于多重变压器结构的相位控制技术，这种结构与文献【5 】提出s s s c 电磁结构一样，使用变压器数量多、接线较为复杂。文献 1 3 1 提出了基于4 8 脉波电压源 逆变器的s s s c 结构，并提出了相应的p i 控制方案。文献 1 4 - 1 7 在u 】) f c 、i p f c 的研究 中将并联和串联注入电压等值为两个可控电压源，通过控制系统直接调节输出电压和电 流，是一种简单的理想化建模。文献【1 8 】提出了一种新的无变压器结构的多模式静态串联 补偿器，通过潮流控制与电压控制的切换实现多模式功能，并与d v r 的作用做了比较。 文献 t 9 1 讨论了带储能系统s s s c 的特性，可以提供更好的潮流控制、提高暂态稳定、 阻尼功率振荡的特性。重点比较了加装储能系统对s s s c 的影响，利用特性曲线分析了 s s s c 输出电压范围、输出补偿功率、运行模式以及对线路潮流的控制。提出了新的p q 解耦的控制概念。 现有文献对s s s c 的稳态特性分析大多只是基于对功角特性的简单描述，关于其运 行特性、注入电压变化对稳态特性的影响、对电压分布的影响等则没有涉及。文献中就 s s s c 拓扑结构、触发方式也有所提及，但未做系统论述和比较。s s s c 的数学模型来自 于u p f c ，没有大的发展和变化。s s s c 的结构是争论的焦点之一，目前投运的实际工程 是采取耦合变压器以及基于方波迭加的多重变压器结构，理论研究中提出了无变压器的 直接耦合方案以及无多重变压器结构的脉冲宽度调制方法，这些工作都为s s s c 在电力 系统中的进一步推广应用提供了条件。 1 3 1 2 潮流计算与控制 文献 2 0 】提出了s s s c 潮流计算的多目标控制功能模型，可以实现控制线路有功功率、 中国电力科学研究院博士学位论文第一章绪论 无功功率、母线电压、线路阻抗等稳态控制目标。同时，模型考虑了电压和电流的限制 条件。x p ，z h a n g 在文献 2 l 】、 2 2 】中对i p f c 、g u p f c 的潮流建模及优化进行了分析研 究，提出了i p f c 模块在潮流计算中的数学模型。文献【2 3 】提出了串联补偿设备的注入模 型方程，m n o r o o z i a n 等学者利用u p f c 潮流计算中的注入模型1 2 4 ，提出了利用u p f c 优化潮流控制的方法。文献【2 5 】、1 2 6 对u p f c 等装置的潮流计算进行了分析，提出了基 于注入功率的交替求解方法。文献 2 7 】对基于v s c 的轻型直流的潮流计算进行了研究。 文献【2 8 将h v d c 和f a c t s 装置的有功功率和无功功率转换为与电压相关的负荷，建立 了含h v d c 和f a c t s 装置混合电力系统的潮流计算模型。文献【2 9 】将u p f c 对潮流的控 制作用转移到线路两端的节点上，利用注入功率方法实现潮流计算。文献【3 0 】提出了利用 串联固态同步电压源( s v s ) 控制及调节线路潮流的问题，通过e m t p 仿真，提出了不 同的s v s 控制结构，实现了线路潮流控制，通过功率调制提高系统暂态稳定性。 目前讨论s s s c 潮流建模的文章较少，但可以借鉴其它f a c t s 装置的经验，对于串 联装置大多采用注入电流或注入功率的方法实现潮流计算，各文献在具体的处理上有所 不同。关键点是既要完全体现s s s c 有别于其它串联补偿装置的特点，又要满足大规模 电网计算的需要，同时还要在动态潮流调节中保持稳定性和一定的调节速度，实际系统 运行中对潮流调节的速度不会有很高的要求，而且也不会像文献中提出的是一个较大的 阶跃变化，对控制器速度的要求应该是在暂态稳定控制上。 1 3 1 3 机电暂态仿真与控制 改善系统暂态稳定性是长期以来电力系统研究的关键问题之一，目前应用最多的是 电力系统稳定器( p s s ) 3 h 。1 9 6 6 年k i m b a r k 提出利用可投切串联电容器提高电力系统 暂态稳定性的概念【3 2 】。通过对线路功率的快速控制可以阻尼系统的机电振荡，f a c t s 设 备中的t c s c 和s v c 等都可以起到阻尼机电振荡的作用 3 3 - 3 6 。在阻尼功率振荡上，串联 补偿要比并联补偿更加有效1 3 5 。文献 3 7 】提出了阻尼功率振荡的串联f a c t s 装置( t c s c 、 s s s c ) 的最优控制规律和安装位置的选择原则。基于晶闸管的f a c t s 装置都存在暂态 响应速度较慢的问题，原因是每个周期内只能有一个晶闸管触发脉冲，这使得t c s c 的 闭环控制较为复杂。另外，由于存在电抗器与电容器的并联或串联回路，因此有发生谐 振的可能性【3 s 】。s s s c 使用基于可关断器件的电压源逆变器，可以输出近似正弦的补偿 电压，实现相同的容性和感性可控补偿。 h e w a n g 【3 9 - 4 1 1 利用近似线性化方法，分析了单机系统和多机系统中f a c t s 装置对 功率振荡的阻尼作用和相应的非线性控制器。提出了s v c 、c s c 、p s 及u p f c 四种f a c t s 装置在单机及多机系统中的统一模型，通过分析它们向系统提供的阻尼力矩，研究了它 们阻尼系统振荡的效果。提出基于f a c t s 装置的稳定器的阻尼功能在于给多机系统中的 每台发电机都附加了阻尼力矩。但文中采用的近似线性化方法中参数k 是基于选取运行 点的常数，因此运行点偏移后会影响控制效果，甚至可能产生负面影响。文献【4 2 】将s s s c 输出电压简化为控制量“的一阶惯性环节，没有考虑直流电压及逆变器控制变量的动态变 中国电力科学研究院博士学位论文第一章绪论 化过程。文献【4 3 】建立了s s s c 的三阶动态模型，其注入电压幅值为脉冲宽度角的函数， 用一阶惯性环节表示注入电压相角和脉冲宽度角的关系，利用直接反馈线性化方法提高 了系统的鲁棒性。文献 4 4 3 利用带固定电容器的s s s c 来避免由于串联电容器带来的扭矩 不稳定。结果表明将s s s c 和固定电容器结合可以有效的提高系统稳定性，由于其它频 率时s s s c 的输出阻抗为零，因此不会与感性的线路电抗激起次同步谐振。 s s s c 是多变量控制系统，且状态变量间有相互影响，文献【4 5 利用多变量理论中的 参数化预补偿技术，设计了m i m o 控制器，用这种技术可以很大程度上减小潮流与直流 电压动态之间的相互作用，通过对一些重要系统参数和变量在其额定值附近的扰动，实 现了这种具有鲁棒性的控制器，采用这种方法消除了s s s c 控制回路间( 肌和艿) 的相互 作用，改善了控制效果。文献【4 6 】提出了基于李雅普诺夫控制策略的多机系统机电振荡 的阻尼方法。文献【4 7 】分析了带储能系统s s s c 提高暂态稳定、阻尼功率振荡的特性。文 献 4 8 1 介绍了常规及混合式串联补偿，讨论了静态、暂态稳定性的改善以及故障后功角 振荡的阻尼。提出了用3 个单相电压源表示的s s s c 的宏模型。文献【4 9 研究了安装s s s c 装置电力系统的阻尼控制功能，建立了与系统整合的s s s c 线性化模型，提出了s s s c 阻 尼控制器的设计方法，对单机无穷大系统和多机系统都进行了研究。文献 5 0 1 利用特征 值敏感度设计静态串联电压源的控制器，其目的是阻尼机电振荡。文献 5 1 1 提出了t c r 和v s i 的暂态和潮流模型，讨论了适于控制电压及功角稳定的s v c 、t c s c 、s t a t c o m 、 s s s c 以及u p f c 的模型。文献 5 2 1 提出了s s s c 的一种新的应用，稳定互联系统的频率。 基于联络线功率动态控制实现互联系统频率振荡的稳定。使用重叠分解技术设计s s s c 数字控制器，系统研究了离散特征值分布。文献 5 3 1 提出了增大简单系统稳定域的控制 策略。控制策略完全满足李雅普诺夫准则，并建立了非线性方程。提出的控制策略用以 确定含s s s c 单机无穷大系统的稳定域。并将结果与其它线性控制方式做了比较，分析 了控制策略对提高系统阻尼的作用。文献 5 4 1 提出了f a c t s 设备的多层控制器设计，外 层对系统运行状态改变进行调节，中层对外层设置的参考值进行响应；内层向g t o 、i g b t 等提供动态控制输入信号。文献 5 5 】研究了s s s c 补偿系统的小干扰、大干扰稳定特性。 研究了扭矩模式时直流电容器的作用。提出了状态反馈控制器以改善s s s c 的扭矩特性。 文献 5 6 】研究了p s s 和s s s c 控制器相互作用的程度和机理。并提出了减小装置间相互 作用的对策。文献 5 7 】研究了三种f a c t s 控制器( s t a t c o m 、s s s c 、u p f c ) 对系统电 压稳定的作用，分析中使用这些控制器的精确连续潮流模型，在电力系统分析工具 ( p s a t ) 中利用鞍点分歧理论确定这些装置的最优安装位置。 机电暂态分析与仿真是学者们关注的重点，主要是阻尼低频振荡。涉及到机理分析， 控制变量、控制策略的选取，频域特征值分析以及时域仿真分析等。由于s s s c 控制变 量的特点，非线性控制策略受到越来越多的重视，提出了基于近似线性化、精确线性化、 直接反馈线性化等方法，以及基于日。的鲁棒辅助控制器和基于李雅普诺夫控制策略的多 机系统机电振荡的阻尼方法等。同时，f a c t s 装置之间以及f a c t s 装置与保护、励磁、 中国电力科学研究院博士学位论文 第一章绪论 p s s 等系统的协调控制问题也日益突出。 1 3 1 a 电磁暂态仿真 s e n 对s s s c 的原理、模型等进行了讨论【5 8 、5 9 1 ，提出了2 4 脉冲多重变压器结构的 s s s c 模型，基于等值电抗参考值产生触发信号，理论分析中将s s s c 的作用视为等值可 控电抗，而不是注入可控电压。文献【6 0 】基于瞬时有功、无功功率理论，利用m a t l a b 建立了s s s c 模型，4 个v s i 通过4 个变压器串联，文献讨论了s s s c 输出电压的产生， 并未涉及直流电压的控制、系统状态变量的控制。b h a r t 等 6 1 - 6 3 用e m t p 建模分析了 s s s c 基于h 桥逆交器的无耦合变压器结构的特性，验证了感性、容性补偿方式的作用 结果。6 个h 桥逆变器相互串联，其总输出电压直接串联接入输电线路。可关断器件的 串联连接会带来同步、均压等问题，串接数量受到限制，因此应用容量也受到限制。文 献【“】提出了多重变压器结构的s s s c 模型，通过控制直流电容器电压实现对输出电压的 控制，这点与文献【5 8 】相同。文献【6 5 】提出了3 电平2 4 脉冲电压源逆变器及其控制回路 的e m t d c 模型，其中s s s c 结构及控制回路都基于文献f 5 8 】。 文献【5 9 刷用m a t l a b 建立了s s s c 的模型，基于瞬时有功无功功率理论设计了装 置的控制回路。由发电机、输电线路、阻性负荷以及s s s c 组成的三相试验系统验证了 其基本功能。并用无功功率参考值的阶跃变化来评估s s s c 的动态特性。文献【6 6 】用 m a t l a b 实现了开关级的s s s c 模型和系统模型，用以评估补偿系统的静态和动态特性。 使用了不同控制策略开发了自适应p i 控制器。文献【6 7 】建立了基于h 桥逆变器的s s s c 模型，用e m t p 仿真分析了单机无穷大系统的动态特性，s s s c 每相由6 个h 桥逆变