CN104917195A - 一种静止同步串联补偿装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静止同步串联补偿装置及其控制方法，所述装置包括升压变压器、滤波器、变换器、储能单元、旁路开关和隔离开关；升压变压器的初级绕组串联在两个电网之间的一相输电线上，次级绕组与滤波器连接；初级绕组与每个电网之间的输电线上均串联有一个隔离开关；旁路开关并联在升压变压器的两端；变换器连接于储能单元与滤波器之间；所述方法包括判断装置的工作状态，依据工作状态选取控制策略；工作状态包括待机模式、充电模式和调节模式。与现有技术相比，本发明提供的一种静止同步串联补偿装置及其控制方法，可向线路提供有功功率，并能够维持线路电抗与电阻高比值，扩大了装置功效，提高了装置的可靠性。

Description

一种静止同步串联补偿装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及输电控制领域，具体涉及一种静止同步串联补偿装置及其控制方法。

背景技术

静止同步串联补偿器(SSSC，Static Synchronous Series Compensator)采用基于可关断器件的电压源换流技术，可以等效为一个串联在线路中的同步电压源，通过注入一个与线路电流正交、幅值可控的电压源来改变输电线路的等效阻抗，从而控制线路潮流。如图1所示，该静止同步串联补偿装置通过一个独立的直流电容提供直流电压支撑。

如果SSSC装置直流侧接入储能单元，则SSSC装置还可以在线路有功功率不足时给线路提供有功功率，成为串联在线路中的静止发电机。当系统有功功率过剩时，SSSC装置也可以吸收有功功率，将电能储存在直流侧的储能单元中。所以如果SSSC装置直流侧接入储能单元，SSSC装置不仅可以用于调节线路的电压，还能够具有一定的调节系统频率的作用。此外，在高电压的输电线中，通常只考虑线路的电抗而忽略线路的电阻，这是因为在高压输电线上线路电抗与电阻的比值较大。但当线路中线路总电抗减小后，输电线路总电抗与电阻的比值就大大减小，电抗电阻比越大线路传输能力越强，电抗电阻比小时线路传输能力也会较弱。而直流侧采用储能单元的SSSC装置不仅能够补偿线路电抗，还可以补偿线路电阻，因此可以控制SSSC使线路电抗电阻比尽量大，从而大大提高线路的传输能力。如图2所示，该基于储能单元的静止同步串联补偿装置的传统结构，采用辅助整流器向储能单元充电，增加了系统的复杂程度，也提高了成本。

综上，需要提供一种新型静止同步串联补偿装置，能够向输电线路提供有功功率，并维持输电线路的阻抗与电阻高比值以提高其功效。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种静止同步串联补偿装置及其控制方法。

第一方面，本发明中静止同步串联补偿装置的技术方案是：

所述装置包括升压变压器、滤波器、变换器、储能单元、旁路开关和隔离开关；

所述升压变压器的初级绕组串联在两个电网之间的一相输电线上，次级绕组与所述滤波器连接；所述初级绕组与每个电网之间的输电线上均串联有一个所述隔离开关；

所述旁路开关的数目为三，分别并联在所述升压变压器的两端；

所述变换器连接于所述储能单元与滤波器之间。

优选的，所述滤波器包括第一LC支路、第二LC支路和第三LC支路；第一LC支路、第二LC支路和第三LC支路均由电感和电容串联组成；

所述升压变压器包括第一升压变压器、第二升压变压器和第三升压变压器。

优选的，所述第一升压变压器中次级绕组的一端连接于所述第一LC支路中电感和电容之间，次级绕组的另一端与所述电容的另一端连接，所述电感与变换器相连；

所述第二升压变压器中次级绕组的一端连接于所述第二LC支路中电感和电容之间，次级绕组的另一端与所述电容的另一端连接，所述电感与变换器相连；

所述第三升压变压器中次级绕组的一端连接于所述第三LC支路中电感和电容之间，次级绕组的另一端与所述电容的另一端连接，所述电感与变换器相连。

优选的，所述变换器为电压源型变换器；

优选的，所述储能单元的两端并联有直流电容，所述直流电容与储能单元之间串联接入一个断路器；

所述直流电容两端并联一个由开关管和电阻组成的串联支路；

第二方面，本发明中静止同步串联补偿装置的控制方法的技术方案是：

所述方法包括判断所述装置的工作状态，依据所述工作状态选取控制策略；所述工作状态包括待机模式、充电模式和调节模式；

优选的，当所述装置发生故障或者需要检修时，所述装置处于待机模式，其控制策略包括：

步骤11：将所述装置的旁路开关闭合；

步骤12：将所述装置的隔离开关全部断开；

步骤13：将所述装置的变换器闭锁；

步骤14：将所述装置中并联在直流电容两端的开关管导通，所述直流电容通过电阻放电；

步骤15：将所述装置的断路器断开；

优选的，当所述装置中的储能单元需要充电时，所述装置处于充电模式，其控制策略包括：

步骤21：将所述装置的旁路开关断开；

步骤22：将所述装置的隔离开关全部闭合；

步骤23：将所述装置的变换器调整为整流状态，将交流电转换为直流电；

步骤24：将所述装置中并联在直流电容两端的开关管断开；

步骤25：将所述装置的断路器闭合，所述储能单元进入充电状态；

优选的，当需要控制电网之间的线路潮流时，所述装置处于调节模式，其控制策略包括：

步骤31：将所述装置的旁路开关断开；

步骤32：将所述装置的隔离开关全部闭合；

步骤33：将所述装置的变换器调整为逆变状态，将直流电转换为交流电；

步骤34：将所述装置中并联在直流电容两端的开关管断开；

步骤35：当所述装置的储能单元需要吸收有功功率时，断路器闭合；当所述装置的储能单元需要释放有功功率时，所述断路器断开。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

本发明提供的一种静止同步串联补偿装置，通过引入储能单元，可向线路提供有功功率，并能够维持线路电抗与电阻(X_L/R)高比值，扩大了装置功效；提出的电路拓扑节省了辅助整流器，简化了结构，降低了占地面积和成本；充电模式与调节模式时的变换器采用相同的控制策略，优化了控制方法，提高了装置的可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：静止同步串联补偿装置结构示意图；

图2：基于储能单元的静止同步串联补偿装置结构图示意图；

图3：本发明实施例中一种静止同步串联补偿装置结构示意图；

图4：本发明实施例中待机模式控制示意图；

图5：本发明实施例中充电模式控制示意图；

图6：本发明实施例中充电模式时静止同步串联补偿装置输出电压计算示意图；

图7：本发明实施例中充电模式时变换器的控制示意图；

图8：本发明实施例中调节模式控制示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种静止同步串联补偿装置，通过增加储能单元可以向输电线路提供有功功率，并能够维持线路电抗与电阻的高比值，扩大该装置的功效，同时充电模式和调节模式时变换器采用相同的控制策略，优化了该装置的控制方法，提高了装置的可靠性。

本发明中静止同步串联补偿装置的具体实施例如图3所示，具体为：

该装置包括升压变压器、滤波器、变换器、储能单元、旁路开关和隔离开关。

升压变压器的初级绕组串联在两个电网之间的一相输电线上，其次级绕组与滤波器连接；初级绕组与每个电网之间的输电线上均串联有一个隔离开关。旁路开关CB的数目也为三，分别并联在升压变压器的两端；变换器连接于储能单元与滤波器之间。储能单元的两端并联有直流电容C，直流电容C与储能单元之间串联接入一个断路器QF；直流电容C两端并联一个由开关管I和电阻R组成的串联支路。

本实施例中变换器为电压源型变换器，升压变压器包括第一升压变压器、第二升压变压器和第三升压变压器，如图3所示，升压变压器包括第一升压变压器T_a、第二升压变压器T_b和第三升压变压器T_c。

①：第一升压变压器T_a中初级绕组的一端通过隔离开关QS₁与电网A连接，另一端通过隔离开关QS₂与电网B连接。

②：第二升压变压器T_b中初级绕组的一端通过隔离开关QS₃与电网A连接，另一端通过隔离开关QS₄与电网B连接。

③：第三升压变压器T_c中初级绕组的一端通过隔离开关QS₅与电网A连接，另一端通过隔离开关QS₆与电网B连接。

如图3所示，滤波器包括第一LC支路、第二LC支路和第三LC支路；第一LC支路、第二LC支路和第三LC支路均由电感L_r和电容C_r串联组成，升压变压器中次级绕组的一端连接于电感和电容之间，次级绕组的另一端与电容的另一端连接；电感与变换器相连。具体为：

①：第一升压变压器T_a中次级绕组的一端连接于滤波器的电感L_r和电容C_r之间，次级绕组的另一端与电容C_r的另一端连接。

②：第二升压变压器T_b中次级绕组的一端连接于滤波器的电感L_r和电容C_r之间，次级绕组的另一端与电容C_r的另一端连接。

③：第三升压变压器T_c中次级绕组的一端连接于滤波器的电感L_r和电容C_r之间，次级绕组的另一端与电容C_r的另一端连接。

本发明中静止同步串联补偿装置的控制方法为：首先判断该装置的工作状态，然后依据工作状态选取控制策略；本实施例中该装置的工作状态包括待机模式、充电模式和调节模式。

1、待机模式

如图4所示，当装置发生故障或者需要检修时，装置处于待机模式，其控制策略包括：

(1)将旁路开关CB闭合；

(2)将隔离开关QS₁、QS₂、QS₃、QS₄、QS₅和QS₆全部断开；

(3)将变换器闭锁；

(4)将并联在直流电容C两端的开关管I导通，直流电容C通过电阻R放电；

(5)将断路器QF断开。

2、充电模式

如图5所示，当装置中的储能单元需要充电时，装置处于充电模式，其控制策略包括：

(1)将旁路开关CB断开；

(2)将隔离开关QS₁、QS₂、QS₃、QS₄、QS₅和QS₆全部闭合；

(3)将变换器调整为整流状态，将交流电转换为直流电；

(4)将并联在直流电容C两端的开关管I断开；

(5)将断路器QF闭合，储能单元进入充电状态。

本实施例中充电模式下变换器的控制功能还包括：一是根据采集到的电量信息计算静止同步串联补偿装置的输出电压，一是根据电压指令输出所需的电压。

静止同步串联补偿装置的输出电压计算既要保证线路潮流的正常控制，也要保证储能单元的正常充电，如图6所示，将静止同步串联补偿装置的输出电压以电流为基础分解为电压的无功分量和电压的有功分量，通过控制静止同步串联补偿装置输出电压的无功分量控制线路潮流的大小，通过控制静止同步串联补偿装置输出电压的有功分量控制吸收功率的大小。

电压指令的幅值由所控潮流的大小决定，电压指令的相角以直流母线电压保持恒定为前提，具体方法是：当储能单元充电功率小于静止同步串联补偿装置吸收功率时，直流母线电压上升，相角相应减小，静止同步串联补偿装置吸收功率也随之减小；当储能单元充电功率大于静止同步串联补偿装置吸收功率时，直流母线电压下降，相角相应增大，静止同步串联补偿装置吸收功率也随之增大；当储能单元充电功率等于静止同步串联补偿装置吸收功率时，直流母线电压保持恒定，相角为固定值。

本实施例中变换器采用PI控制，如图7所示，电压控制器为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d^{*}=(K_{pv}+\frac{K_{iv}}{s})(u_d^{*}-u_d)-{\mathrm{\ωC}}_f{u}_q+i_d\\ i_q^{*}=(K_{pv}+\frac{K_{iv}}{s})(u_q^{*}-u_q)-{\mathrm{\ωC}}_f{u}_d+i_q\end{array}\right.---\left(1\right)$

电流控制器为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{id}=(K_{pc}+\frac{K_{ic}}{s})(i_d^{*}-i_d)-{\mathrm{\ωL}}_f{i}_q+u_d\\ u_{iq}=(K_{pc}+\frac{K_{ic}}{s})(i_q^{*}-i_q)+{\mathrm{\ωL}}_f{i}_d+u_q\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，K_pv和K_iv分别为电压外环比例系数和积分系数，K_pc和K_ic分别为电流内环比例系数和积分系数，和分别为静止同步串联补偿装置的输出电压指令值，和分别为静止同步串联补偿装置的电流指令值。

3、调节模式

如图8所示，当需要控制电网之间的线路潮流时，装置处于调节模式，其控制策略包括：

(1)将旁路开关CB断开；

(2)将隔离开关QS₁、QS₂、QS₃、QS₄、QS₅和QS₆全部闭合；

(3)将变换器调整为逆变状态，将直流电转换为交流电；

(4)将并联在直流电容C两端的开关管I断开；

(5)当储能单元需要吸收有功功率时，断路器QF闭合；当储能单元需要释放有功功率时，断路器QF断开。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (9)

1.一种静止同步串联补偿装置，其特征在于，所述装置包括升压变压器、滤波器、变换器、储能单元、旁路开关和隔离开关；

所述升压变压器的初级绕组串联在两个电网之间的一相输电线上，次级绕组与所述滤波器连接；所述初级绕组与每个电网之间的输电线上均串联有一个所述隔离开关；

所述旁路开关的数目为三，分别并联在所述升压变压器的两端；

所述变换器连接于所述储能单元与滤波器之间。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滤波器包括第一LC支路、第二LC支路和第三LC支路；第一LC支路、第二LC支路和第三LC支路均由电感和电容串联组成；

所述升压变压器包括第一升压变压器、第二升压变压器和第三升压变压器。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述第一升压变压器中次级绕组的一端连接于所述第一LC支路中电感和电容之间，次级绕组的另一端与所述电容的另一端连接，所述电感与变换器相连；

所述第二升压变压器中次级绕组的一端连接于所述第二LC支路中电感和电容之间，次级绕组的另一端与所述电容的另一端连接，所述电感与变换器相连；

所述第三升压变压器中次级绕组的一端连接于所述第三LC支路中电感和电容之间，次级绕组的另一端与所述电容的另一端连接，所述电感与变换器相连。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变换器为电压源型变换器。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储能单元的两端并联有直流电容，所述直流电容与储能单元之间串联接入一个断路器；

所述直流电容两端并联一个由开关管和电阻组成的串联支路。

6.一种如权利要求1-5任一项所述静止同步串联补偿装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括判断所述装置的工作状态，依据所述工作状态选取控制策略；所述工作状态包括待机模式、充电模式和调节模式。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述装置发生故障或者需要检修时，所述装置处于待机模式，其控制策略包括：

步骤11：将所述装置的旁路开关闭合；

步骤12：将所述装置的隔离开关全部断开；

步骤13：将所述装置的变换器闭锁；

步骤14：将所述装置中并联在直流电容两端的开关管导通，所述直流电容通过电阻放电；

步骤15：将所述装置的断路器断开。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述装置中的储能单元需要充电时，所述装置处于充电模式，其控制策略包括：

步骤21：将所述装置的旁路开关断开；

步骤22：将所述装置的隔离开关全部闭合；

步骤23：将所述装置的变换器调整为整流状态，将交流电转换为直流电；

步骤24：将所述装置中并联在直流电容两端的开关管断开；

步骤25：将所述装置的断路器闭合，所述储能单元进入充电状态。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当需要控制电网之间的线路潮流时，所述装置处于调节模式，其控制策略包括：

步骤31：将所述装置的旁路开关断开；

步骤32：将所述装置的隔离开关全部闭合；

步骤33：将所述装置的变换器调整为逆变状态，将直流电转换为交流电；

步骤34：将所述装置中并联在直流电容两端的开关管断开；

步骤35：当所述装置的储能单元需要吸收有功功率时，断路器闭合；当所述装置的储能单元需要释放有功功率时，所述断路器断开。