静止同步串联补偿装置

静止同步串联补偿 装置 Jingzhi tongbu chuanlian buchang zhuangzhi

(static series synchronous compensator，SSSC )与系统串联，基于可关断电力电子器件组成的电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)，能够注入一个与线路电流成适当相角的电压的静止型同步无功电源。通过改变其输出 电压，可改变该输电线路的等效 阻抗，从而实现阻尼功率振荡、抑制次同步振荡、提高暂态稳定性等控制目标。

假设送端电压幅值和受端电压幅值相等，即 = = ，送端电压与受端电压之间的相角差为 ，输电线路电抗为 ，则受端系统的有功功率 为

图1 电力传输的基本示意图

SSSC可注入一个滞后于线路电流90º的电压，等效成串联在输电线路中的容抗，此时称SSSC工作在容性补偿模式。当SSSS注入的交流电压超前线路电流90º时，可等效成串联在输电线路中的感抗，此时称SSSC工作在感性补偿模式。图2所示为接有SSSC的双端系统等效电路和相量图。SSSC的等效电抗为 ，则接入SSSC后，用 表示的受端系统有功功率 为

图2 接有SSSC装置的双端系统等效电路及相量图

根据图2所示的参考方向，可将SSSC等效为一个可控电压源，即

式中，K为可控制的、可正可负的实数，其最大值与最小值由SSSC 装置本身的补偿能力决定。当K为正时，SSSC相当于负的电抗，即相当于电容，此时SSSC工作在容性补偿模式；当K为负时，SSSC相当于正的电抗，即相当于电感，此时SSSC工作在感性补偿模式。用 表示的受端系统有功功率 为

设当 =0时，受端系统有功功率最大值为功率基准。当补偿电压 取不同标幺值时，接有SSSC双端系统的功角特性曲线如图3中所示。当 >0时，功角特性曲线比没有SSSC时的功角特性曲线上升了，只有在δ=180º时功角特性没有变化，这说明通过SSSC的正向调节可提高线路输送有功功率的能力。当 <0时，功角特性曲线比没有SSSC时的功角特性曲线下降了，只有在δ=180º时功角特性没有变化，这说明通过SSSC的反向调节可降低线路输送有功功率的能力。在δ较小时，送端向受端的输送功率可以为负，即线路反送有功功率。可见，SSSC不仅可控制线路潮流的大小，还可改变线路潮流的流向。

图3 接有SSSC两机系统的功角特性

由于输电系统的电压等级较高，SSSC通常通过串联变压器接入到输电系统中。如图4所示的三相桥结构只能补偿正序电压或负序电压而不能补偿零序电压，高压输电系统一般要求SSSC工作在三相电压对称的情况，因此，SSSC可采用三相桥结构。如图5所示的三单相桥结构可独立控制三相的补偿电压，即使输电线路电压出现不对称，也可进行补偿，因此，SSSC可采用三单相桥结构，不过电路结构更加复杂，成本会更高。

图4 三相桥结构

图5 三单相桥结构

实际工程的SSSC 装置容量往往很大，由于受到绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、注入增强栅晶体管（IEGT）等电力电子开关器件的电压、电流和频率的限制，采用上述图示的简单结构很难满足大容量的要求。因此，在高压大容量的场合，主电路通常采用多电平、多重化、单相桥的 串联（即链式结构）等来实现。与静止同步补偿装置（STATCOM）类似，SSSC主电路结构也是多种多样的。

SSSC的控制目标是在维持换流器直流母线电压稳定的同时，向输电线路注入一个与线路电流相差近似为90º的可控电压，使其呈现电感、电容特性，快速控制线路的等效阻抗，从而调节线路输送的有功和无功功率等，最终实现阻尼功率振荡、提高暂态稳定性等控制目标。

SSSC能够直接控制的是输出电压，可分为内环控制和外环控制两部分。内环控制用于SSSC输出电压快速准确地跟踪输出电压参考值，外环控制用于确定SSSC输出电压参考值。SSSC输出的实际电压与参考值比较，经过相应的控制环节得到控制电压的相角 和幅值 。利用锁相环测量线路电流的相角，得到SSSC输出电压的相角。

可对SSSC输出的实际电压以线路电流为基准进行有功分量和无功分量的分解。通过控制输出电压中的无功分量，即与线路电流相差90º的电压分量，可控制输出电压的大小，而通过控制输出电压中的有功分量，即与线路电流同相的电压分量，可控制换流器直流母线的电压，使SSSC输出电压的控制与换流器直流母线电压的控制实现静态解耦，从而提高控制的响应速度并缩短过渡过程。

外环控制可具有电抗模式、电压模式、输电线路电流模式和输电线路有功功率模式等。电抗模式时，SSSC输出电压使整个SSSC等效电抗等于参考电抗值。电压模式时，SSSC输出电压为参考电压值。输电线路电流模式或输电线路有功功率模式时，通过控制SSSC输出电压确保输电线路的线路电流为设定的电流参考值或使输电线路的有功功率为给定的参考值。在主要控制功能的基础上还可具有如阻尼功率振荡、抑制次同步振荡、提高暂态稳定极限等多种功能，用于提高电力系统的安全稳定性，从而充分发挥SSSC的功能。

①不需要交流电容器或电抗器，即可在输电线路中产生或吸收无功功率；②可在容性和感性范围内，产生与线路电流大小无关的、连续可控的同步补偿电压，对输电线路的潮流进行控制；③对由于其他原因引起的次同步谐振(subsynchrounous resonance，SSR)及其他振荡现象具有固有的抗干扰能力；④在换流器直流侧接入储能元件后，可对输电线路进行有功功率的补偿，从而补偿电阻性压降；⑤SSSC能比可控串联补偿装置（TCSC）更快速或瞬时地响应控制命令，可有效抑制SSR等；⑥在输电系统功角较小时，SSSC比TCSC改变系统的功角特性能力更强，具有更强的调节输电线路潮流的能力；⑦SSSC的单位容量造价要比TCSC高。

SSSC由美国西屋电气公司的Laszlo Gyugyi在1989年提出。到目前为止，没有独立安装的SSSC，但在美国伊内兹（INEZ）变电站安装的统一潮流控制器（UPFC）运行模式中有一种是利用串联补偿器和并联补偿器在直流侧解列，作为SSSC运行，并在1998年UPFC的投运试验中，进行了SSSC模式的相关试验。之后投运的美国马西（Marcy）变电站可转换静止补偿器（CSC）工程和韩国康津（Kangjin）变电站UPFC工程都有单独作为SSSC运行的方式。

①采用串联电容器与SSSC装置串联，以降低整个工程造价并充分发挥SSSC的优良控制性能；②模块化多电平（MMC）主电路方案将会得到更加广泛深入的研究，甚至会有工程实际应用；③会采用开关频率较高的器件，并充分利用脉宽调制（PWM）技术。