基于IGBT的一种新型柔性交流输电系统静止同步补偿装置

静止同步补偿装置

葛廷友1，冷

芳1，吕

霞2

（1．大连水产学院职业技术学院，辽宁大连116300；2．辽宁省农业机械化研究所，沈阳110161）

摘要：传统的静止无功补偿装置存在诸多缺点，而采用最新型的高度通用的静止同步补偿器（SSC ），可以满足新的电力市场需要。

SSC 是一种并联型无功补偿装置，能发出或吸收无功功率，以控制电力系统中的特定参数。通过对SSC 的结构、原理、伏安特性以

及优点进行分析，为该装置的应用提供技术支持。分析表明，所有FACTS 装置对加强暂态稳定性的作用比高起始励磁系统好，SSC 要比现行采用的SVC 性能更好。

关键词：IGBT ；柔性交流输电系统FACTS ；SSC 中图分类号：TM7

文献标识码：A

文章编号：1674-1161(2010)04-0052-03

随着电力系统复杂性的进一步增加以及对可靠、安全、可控、经济和高质量电能需求的不断增长，传统的静止无功补偿装置存在的一些缺点使其无法完全适应新的电力市场需要，而新出现的柔性交流输电系统（FACTS ，Flexibility As Transmission System ）控制装置出现在电力系统中，静止同步补偿器（SSC ，Static

Synchronous Compensator ）就是其中之一。这种最新型

的高度通用的FACTS 装置，其运行原理和应用均基于IGBT 等非普通晶闸管件的第2代装置，在未来的

电力系统中将发挥重要作用。

1静止同步补偿器（SSC ）的结构

SSC 是一种并联型无功补偿装置，能发出或吸收

无功功率，且其输出可以变化，以控制电力系统中的特定参数。SSC 是一种固态开关变流器，当其输入端接有电源或储能装置时，其输出端可发出或吸收可控的有功功率和无功功率，与交流系统之间通过一个相对较小的电抗相耦合，这个电抗可以是一个交接电抗器或是一个粘合变压器的漏抗。直流电压由储能电容器提供，其单相原理如图1所示。

2SSC 运行原理

SSC 是一种可控的无功功率电源，完全依赖电子

学的手段来改变电压源变流器（VSC ）中的电压和电流波形，以发出和吸收所需的无功功率。图1a 所示为

SSC 主电路的单线图，其中一个VSC 通过磁耦合与

一条系统母线相连接。在图1b 中，SSC 被看作一个电

抗后的可调电压源，无需电容器组和并联电抗器即可产生和吸收无功功率。因此，SSC 具有设计紧凑、占地小、噪声低、电磁干扰小的特点。

变流器与交流系统之间的无功功率交换可通过改变变流器三相输出电压的幅值E S 来加以控制，如图1c 所示。也就是说，如果输出电压幅值增加到高于

收稿日期：2009－12－11

作者简介：葛廷友（1963—），男，副教授，从事教学管理工作，现任大连水产学院职业技术学院院长助理

。

图1

SSC 单相原理图

Figure 1SSC single－phase schematic diagram

a

b c

第4期总第190期

No．4Total No．190

2010年4月

Apr．2010

农业科技与装备

Agricultural Science＆Technology and Equipment

调节变流器输出电压与交流系统电压之间的相位可类似地控制变流器与交流系统之间的有功功率交换。换句话说，如果变流器的输出电压超前于交流系统电压，则变流器可从其直流能量储存中向交流系统输出有功功率；若输出电压滞后于交流系统电压，则变流器可从交流系统吸收有功功率以储存于直流系统。

SSC可以通过交换交流系统各相之间的瞬时无功功率来提供所需的无功功率。变流器内部产生或吸收无功功率的机理可以通过考察变流器输入和输出功率之间的关系来理解。变流器中的开关将直流输入电路与交流输出电路直接相联，这样，交流输出端的净瞬时功率必须总是与直不充输出端的净瞬时功率保持相等（忽略损耗）。

假定变流器运行在输出无功功率状态，此时，作为变流器输入的直不充电源提供的有功功率必须为零。由于零频率（直流）下无功功率被定义为零，因此直流电源作为变流器输入时不提供无功功率，即对变流器产生的无功功率输入不起任何作用。换句话说，变流器仅仅将三个输入端相互连接起来，以使无功输出电流在它们之间任意流动。在这种情况下，如果考虑到交流系统的连接端，变流器在各相间就建立了一种循环的无功功率交换。而变流器与交流系统在其交流端的有功功率交换必须由直流电容器在其直流端提供或吸收。

虽然无功功率是由变流器通过开关动作在其内部产生的，但变流器输入端必须连接一个直流电容器。直流电容器的主要用途是提供一条电流循环的路径并作为一个电压源。电容器大小的选择应使其两端直流电压保持基本恒定，以防止加重直流电流中的纹波。VSC的输出电压波形呈阶梯状，而从交流系统流入的电流是平滑的正弦波，这就造成变流器输出功率的轻微波动。为了在输入和输出端不违反瞬时功率平衡约束，变流器必须从其直流电源中吸取波动电流。根据所采用的变流器结构，可计算出最小的电容器量值以满足系统需求，如直流电压的纹波限值、交流系统所需的额定无功支持等。

VSC在运行于容性或感性无功电流状态时，具有同样的额定电流容量。因此，具有一定MVA容量的VSC能提供给SSC两倍MVA的动态无功范围（这也是构成设计紧凑的一个原因）。直流电容器组用来提供（平抑）VSC运行所需的可控直流电压。

SSC的无功功率是通过电压源变流器型的电力电子设备产生的，多个VSC可按照多脉波接法组合成一个SSC。在稳态下，这些VSC按基波频率运行，以使变流器的损耗最小。但在由线路故障引起的暂态情况下，必须采用脉宽调制（PWM）模式运行，以阻止故障电流涌入VSC。此时，SSC能承受交流侧的暂态而无需闭锁。

3SSC的伏安特性

SSC的典型伏安特性如图2所示。

从图2可以看出，SSC可以提供容性或感性补偿，并可在额定的最大容性和感性范围内，控制其输出电流，而与交流系统的电压值无关。也就是说，SSC可以在任何电压下提供全额的容性无功功率。

SSC的特性揭示了这项技术的另一个优点，就是几乎不依赖于系统电压而发生全额的容性无功电流（在电压较低时的定电流输出）。这种能力在故障发生和结束后需要SSC进行电压支持，尤其在系统电压出现即将崩溃的情况下特别有用。

SSC与交流系统之间交换的无功功率和有功功率可彼此地加以控制。如果SSC配备有容量合适的储能装置，任何有功功率与无功功率发出或吸收的组合都可以实现，如图3所示。有了这个能力，就可制定非常有效的无功功率和有功功率调制控制策略，用来提高系统的暂态和动态稳定极限。

图2SSC的伏安特性

Figure2SSC voltage－current

characteristics

2010年第4期葛廷友等：基于IGBT的一种新型柔性交流输电系统静止同步补偿装置53

New Static Synchronization Compensation System of Flexible Alternating

Current Transmission System Based on IGBT

GE Tingyou 1，LENG Fang 1，L

Xia 2

（1．Professional Technology Institute ，of Dalian Aquatic Product Institute ，Dalian Liaoning 116300，China ；

2．Liaoning Province Agricultural Mechanization Institute ，Shenyang 110161，China ）

Abstract:The traditional static idle work compensation system has many shortcomings ，but the adoption of newest highly general static synchronous compensator （SSC ）can satisfy the new electric power market requirements．SSC is a kind of parallel idle work compensation system．It can send out or absorb the reactive power to control the specific parameters in the electrical power system．Through analysis of the SSC structure ，the principle ，and the voltage－current characteristics as well as its merits ，we can provide technical support for the application of this equipment．The analysis indicates that all FACTS installments can strengthen the stability of transient state and the effect is better than that of high initial field system ，and the function of SSC is better than the current SVC．Key words:IGBT ；flexibe alternating current transmission system FACTS ；SSC

4SSC 的优点

SSC 可以改善电力系统的性能，主要体现在：一

是实现输电和配电系统中的动态电压控制；二是消除输电系统中功率振荡现象；三是具有暂态稳定性；四是实现电压闪变控制；五是具有直流电源，既可控制无功功率，也可根据需要控制所连接线路上的有功功率。

此外，SSC 还具有以下优点：1）占地面积小，因为它用紧凑的电子变流器代替了无源电路元件；2）它是一种厂家制造的模块化设备，减少了现场工作和调试的时间；3）采用封装的电子变流器，对环境的影响降到了最小。

SSC 就像是一台理想的同步电机，可产生一组平

衡的、幅值和相角可控的三相正弦基频电压。这台理想电机没有惯性，瞬时动作，不会显著改变已有系统的阻抗值，其内部可发出容性无功功率或感性无功功率。

SSC 通过发出和吸收无功功率，在公共连接点提

供电压支撑，且不需要大量的外部电容器组。

5结语

所有FACTS 装置对加强暂态稳定性的作用比高

起始励磁系统好，SSC 要比现行采用的SVC 性能更好。因为SSC 即使在电压降低时也能发出所需要的无功功率，比SVC 具有更好的电压支撑作用，且响应更快。

参考文献

［1］R．Mohan Mathur Rajiv K Varma．基于晶闸管的柔性交流输电控制装置［M ］．北京：机械工业出版社，2005．［2］栗时平，刘桂英．静止无功功率补偿技术［M ］．北京：中国电力出版社，2006．

［3］何大愚．柔性交流输电技术和用户电力技术的新发展［J ］．电力系统自动化，1999（6）：8－13．

图3

SSC 与交流系统之间的功率交换

Figure 3

Power exchange of SSC and alternating－current system

2010年4月

农业科技与装备

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