静止同步串联无功补偿器内外部控制详解

1.静止同步补偿器的内部控制

如果要求SSSC的控制功能是向线路串联注入无功补偿电压V_q，则静止同步串联补偿器的内部控制是：按指令要求的串联无功补偿电压V_qref（V_qref与线路电流I·正交）产生一个合适的驱动信号，控制变流器开关的导通和关断，使变流器向输电线路输出的无功补偿电压V_q跟踪指令值V_qref，从而调控线路电压和潮流。SSSC是一个同步电压源，通过电压源型变换器实现其功能。从变流器功率电路和相关的内部控制观点看，其基本控制原理与STATCOM类似。

SSSC的控制可以分为直接控制和间接控制两种。直接控制型其直流电压固定为指令值不变，其输出电压的大小和相角都直接通过开关器件适当的触发信号模式得到控制，即直接改变输出波形（脉宽调制），调控输出基波电压。图6-35所示是一个直接控制型内部控制功能框图。间接控制型的内部控制功能框图如图6-34所示，间接控制型其输出电压的波形形状不变（如脉宽不变，输出电压的大小与变流器直流侧端电压保持固定的比例），通过调控输出电压与线路电流之间的相位差，改变输出电压的相位，从而改变从电网流入变流器的有功功率对直流电容的充放电，改变直流电压V_D，从而间接调整变流器输出的串联补偿电压跟踪指令值。

（1）采用间接控制的SSSC内部控制原理

SSSC仅用于向线路提供串联无功补偿（或线路电抗补偿）时，变流器直流侧不需直流电源，仅接入适当的储能平波电容即可。这时，为了稳定直流电压V_dc，必须由线路向变流器注入一定的有功功率平衡变流器的功耗。图6-33是SSSC主电路和相量图。在图6-33c中，令补偿电压超前电流的相位角α=90°+Δα，Δα>0，α>90°。补偿电压除含有无功补偿电压V_q=V_pq cosΔα外，还应有一个数值不大的有功电压，与I·反相，使变流器向线路注入的功率P=-V_pI，即线路向变流器提供正有功功率P+=-P=V_pI=IV_pq sinΔα用于补偿变流器运行时的功耗，并对图6-22a中变流器直流电容充电。

图6-34是SSSC采用间接控制的一种内部控制原理框图。在图6-34中实现内部控制的策略是固定变流器开关管脉宽不变，其交流输出电压V_pq仅与直流电压V_de成正比（即V_pq=kV_dc），当要求调控无功补偿电压V_q时，只需通过闭环控制改变图6-33c中与电流I·之间的相位差α=90°+Δα即可。当Δα=0时，超前90°，，，仅有容性无功补偿如图6-33b所示；当Δα>0时，与电流I·反相，电网线路向变流器输入正有功功率。在图6-34中，当V_q<|V_qref|时，Δα增大使图6-33c和图6-34中的相位角θ_pq=Δα+θ=90°+Δα+θ_i增大，增大，输入的正有功功率P+=IkV_dc sinΔα增大，使图6-22a中电容C充电，变流器直流电压V_dc升高，V_pq=k·V_dc升高，V_q=kV_dc cosΔα也随之增大，则SSSC向电网线路输出的串联感性（滞后）无功功率越大。因此调控Δα，改变的相位角可使变流器在指令电压下运行V_q=V_qref，同时V_dc又在一个与V_q=V_qref相对应的直流电压下稳定运行。

图6-33 SSSC主电路和相量图

图6-34 采用间接控制的SSSC内部控制原理图

图6-34内部控制的输入有输电线电流i、变流器向系统注入的无功补偿电压V_q的检测值及指令参考值V_qref（设定值）。基于图6-33c的与的相量关系，通过一个锁相环得到线路电流的相位角θ_i，再移相提供超前或滞后电流i 90°的同步相位角θ=θ_i±90°，去控制补偿电压与输电线电流同步。由图6-34可得到图6-33c中的相位指令角θ_pq=±90°+Δα+θ_i，θ_i为电流的相位角。变流器工作时输出电压V_q极性取决于参考电压V_qref是正值（容性）还是负值（感性）。图6-34中补偿电压V_q通过一个简单的闭环进行控制：参考电压V_qref的绝对值与实际运行中变流器注入线路的补偿电压的测量值V_q进行比较，其差值通过误差放大器放大得到Δα，Δα作为补偿电压的同步信号角θ_pq的校正角，如果误差放大器为PI型放大器Δα=α₀+k₁（V_qref-V_q）+k₂∫^t₀（V_qref-V_q）dt，则当V_q<V_qref时，Δα将增大，反之则减小，直到V_q=V_qref为止。得到Δα以后，再与同步信号相位角θ相加，形成变流器开关管的驱动信号，根据补偿电压指令值V_qref的正、负，作极性检测，若要求SSSC电压V_q能补偿线路电抗电压降，V_q为正，移相信号应取+π/2，图6-33c中的V_q就相当于一个电容电压；反之，若要求补偿电压V_q等效于增大线路电抗电压降，则应取-π/2。在图6-33c中，补偿电压相对于输电线电流I·的超前相位是α=90°+Δα，正是有这个相位校正角Δα，有功补偿电压V_p=V_pq cos（90°+Δα）=-kV_dc sinΔα，使SSSC向交流电网输出的有功功率P改变，P=V_pqIcos（90°+Δα）=-kV_dc sinΔαI=-V_pI，SSSC从电网输入有功功率P+=-P=V_pI=kV_dcIsinΔα，稳态运行时从电网输入的这个有功功率与SSSC运行时其功耗相平衡。串联无功补偿器实际运行中，有功功率P+=IV_p远小于无功功率Q=IV_q，即V_p<<V_q。因此图6-33c中的Δα很小，使sinΔα≈0，cosΔα≈1。图6-34中当运行中V_q<V_qref使Δα增大时，输入的有功也会增大，则从电网输入的有功功率除供给变流器的功耗外剩余的就会给图6_-22a中交流器的直流电容器充电，使V_dc升高。由于图6-33c中，V_q=V_pq sin（90°+Δα）=kV_dc cosΔα≈kV_dc，V_q<V_qref时Δα增大少许，P+就能使V_dc快速增大许多，V_q会随V_dc成正比地增大，直到V_q=V_qref；当V_q>V_qref时，Δα减小使电网输入的有功功率减小到小于变流器的功耗时，电容C就放电，使V_dc减小，V_q随之减小，直到V_q=V_qref。图6-34和图6_-33c中送入变流器驱动电路的相位角θ_pq=θ+Δα=θ_i±90°+Δα，其中的Δα除对应变流器的功耗外，还参与电容器电压V_dc的调控和电容与交流电网之间的有功功率交换，调控Δα能使直流电容器的电压V_dc升高或降低，从而使采用间接补偿控制的变流器输出的补偿电压的幅值变化。一旦V_q=V_qref，即V_q达到期望值，Δα固定不变。由于SSSC运行时的有功功耗远小于输出的无功功率，故SSSC正常稳态运行时仅保持很小的静态相位差Δα，便可从交流系统吸收有功功率补充变流器的运行耗损。

间接控制型变流器产生的输出电压大小靠调节直流电压V_dc而改变，而输出波形脉宽不变，故实为脉冲幅值调制PAM，而不是V_dc恒定为指令值不变、直接控制脉宽的脉冲宽度调制PWM控制。

（2）采用直接控制的SSSC内部控制原理

直接控制是指固定V_dc为指令值不变，依靠调节变流器输出电压波形的脉宽，即调控输出电压基波值与V_dc的变压比M（M=V₁/V_dc）来调控输出电压。

为提高输出电压，变流器可采用二极管钳位式三电平电路。图6-35是静止同步串联补偿器SSSC采用直接控制的一种内部控制原理框图，图中虚线所示的V_Pref是串联有功电压补偿指令参考值，如果变流器直流侧配备适当的直流电源V_dc，则可以同时提供无功、有功（功率）补偿。图中通过锁相环完成与输电线电流的同步控制，仅检测θ_i而再移相90°，由α∗V_p∗、V_q∗计算确定。控制系统输出三相三电平变流器所需的12个开关管的驱动指令。(www.xing528.com)

在图6-35所示的控制结构中，其运行工况控制来自三个参考信号：①V_qref，它是串联无功补偿电压的指令参考值；②V_pref是串联有功补偿电压的指令参考值；③V_dcref它是直流电容器的指令电压。图6-35中将外部无功补偿电压指令V_qref的绝对值与实际无功补偿电压的检测值V_q比较后送入误差放大器，得到内部无功补偿电压指令值V_q∗；将直流电容电压指令值V_dcref与其实际值V_dc比较后经误差放大器得到有功补偿电压的校正增量ΔV_p。ΔV_p的功能是运行中当V_dc≠V_dcref时，为了使V_dc跟踪V_dcref所必需的有功补偿电压增量。将ΔV_p与外部有功补偿电压指令V_pref相加，（仅补偿无功时，V_pref=0），作为校正后的外部有功补偿电压指令V_p∗_Δ，再与实际检测到的有功补偿电压V_p比较，经误差放大器后形成内部有功补偿电压V_p∗。再由V_p∗、V_p∗计算出变流器应输出的补偿电压幅值指令V_p∗_q和V_p∗_q超前I·的相角指令α∗，tanα∗=V_q∗/V_p∗，。图6-35中锁相环检测运行中线路电流的相位角θ_i，根据图6-33c的相量关系，超前线路电流的相位角为α，将θ_i与α∗相加，得到补偿电压的相位角θ_pq=θ_i+α∗。补偿电压的大小V_p∗_q和角度θ_pq用于产生变流器开关管的驱动信号。这种类型的控制，只要有足够的闭环带宽和合适的瞬时电压相量信号处理，当输电线电流中出现次同步分量和随之出现的直流电容器电压扰动时，能够维持与电网频率相同的正弦补偿电压。读者应该注意到：如果只要求从电网输入一点有功功率平衡SSSC运行时的功耗，而不要求SSSC与电网交换有功功率或不需要SSSC具有电阻性线路补偿功能，则图6_-35中V_pref=0。这时，稳态时相角α∗略大于90°，电网线路向变流器输入的数值不大的有功功率确保从交流电网吸收能量补偿变流器的损耗，稳定直流电压为指令值V_dcref。

图6-35 采用直接控制的SSSC内部控制原理图

2.静止同步串联无功补偿SSSC的外部控制

SSSC的外部控制指的是根据对SSSC需要具备的各种功能，综合形成一个对SSSC的补偿电压指令V_pqref。再由前述内部控制电路环节，使SSSC输出的V_pq跟踪V_pqref，实现外部对SSSC要求的各种功能。

串联无功补偿的主要功能是潮流控制，这能直接控制线路电流或者线路传输功率实现，也可通过控制容性或感性补偿电抗，或输出的容性或感性补偿电压V_q，间接实现潮流控制。直接潮流闭环控制方式具有维持线路传输功率的优点，但是在一些网络紧急事故下，定功率控制也许是不可能的或者不希望的。由于这个原因，在一些应用中，从运行的角度看，维持线路阻抗（或电压）控制也许更好。为了避免功率过快地变化引起相应的功率振荡和其他对交流系统稳定的影响，潮流的闭环控制通常运行在慢调节状态。

改善暂态（第一次摇摆）和动态（动态振荡）稳定性等运行功能要求也可包括在串联补偿的外部控制中。改善暂态稳定性用于提高系统抗大扰动的能力，需要将测量或预估的发电机在大扰动后第一摇摆持续期间需要的最大容性补偿（获得最大的传输功率）作为内部控制的参考输入信号。

典型的功率低频振荡频率为0.2～2Hz。为了提高阻尼，外部控制需要提供一个可变的参考输入信号，用它来调节串联补偿的输出，从而在发电机加速时增加线路的传输功率，在发电机减速时减小线路传输功率。

如果线路上有一定数量的不可控串联电容器，则可通过一个可控串联补偿器来改善次同步振荡阻尼。为了阻尼次同步振荡（SSR），外部控制需要产生可变参考输入，它反映受影响的发电机的转矩速度变化，通过调节串联补偿的输出，从而抑制次同步振荡和发电机转矩变化。所需的参考输入可以直接来自转矩速度变化，或者来自系统频率变化和线路电压、电流变化。为了有效阻尼次同步振荡，串联补偿需要相当宽范围的频带。

外部控制最一般化的结构如图6-36所示。其主要潮流控制通过一个慢速闭环控制执行，该慢速闭环控制的参考输入是所需要的补偿电抗指令值X_pqref或补偿电压指令V_pqref和补偿电流指令I_ref或功率指令P_ref。相应的网络变量为X_pq（或V_pq），和I（或P），通过电压和电流检测、处理并与参考值输入比较、得到PI控制器的输入量，再由PI控制器的输出提供内部控制的参考输入V_p∗_q（即图6-35中的V_qref，Vpref，图6-34中的V_qref）或X_pqref。

图6-36 SSSC的外部（系统）控制框图

用来改善暂态稳定性、动态稳定性和阻尼系统振荡的辅助控制信号来自相关的系统变量，如系统频率变化Δf、潮流变化。对次同步振荡阻尼来说，辅助控制信号来自发电机转子摇摆速度的变化Δω_M和频率变化Δf。图6-36中为了避免PI控制器响应的延迟，应将要求快速响应的增强暂态稳定性的控制输出信号直接加在PI控制器的输出端，直接参与形成V_p∗_q（X_p∗_q）指令。一定阻尼振荡的输出指令也直接参与形成V_p∗_q（X_p∗_q）指令，以应对系统对快速阻尼的要求。此外，在特殊的系统紧急情况下，为了避免出现相互有矛盾的参考输入要求，维持合适的运行点，辅助控制回路也应能控制或约束主要的潮流调节控制环的运行。