CN106786562A - 一种静止同步串联补偿器的自励启动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静止同步串联补偿器的自励启动系统及方法，所述系统包括：所述第一断路器安装于所述外接交流系统的交流母线上，所述变压器的一边绕组经交流侧开关并联于所述第一断路器两侧，所述变压器的另一边绕组并联于所述旁路晶闸管两侧，所述旁路晶闸管并联于所述第二断路器两侧，所述第二断路器与所述滤波器连接，所述滤波器与所述串联换流器连接，所述串联换流器与所述控制器连接；本发明提供的技术方案，导出了基于级联H桥多电平结构的SSSC系统的数学模型，并设计了单相锁相环和新型两级直流稳压策略，使静止同步串联补偿器的启动过程能够满足系统平稳和快速启动的要求。

Description

一种静止同步串联补偿器的自励启动系统及方法

技术领域

本发明涉及柔性交流输电技术领域，具体涉及一种静止同步串联补偿器的自励启动系统及方法。

背景技术

近年来，我国经济迅速发展、用电负荷快速增长、电网结构日益复杂，带来了潮流分布不均、输电能力受限和电能质量下降的问题。新型FACTS装置中静止同步串联补偿器(Static Synchronous Series Compensator,SSSC)的引入，在保证输送容量的基础上，提高了系统潮流和电压的可控性。此时，多重化结构有体积庞大，设计困难和成本较高的缺陷，工程中多不考虑此结构。级联多电平结构易于封装和模块化，布置于地面，便于操作和观察，成为了SSSC的主要拓扑，也是FACTS装置的主导方向。如何利用SSSC提高远距离，重负荷输电及电网的平稳调控成了核心问题，SSSC的全面控制也日渐引起注意，涉及SSSC的自励启动方案的文献较少，且研究多集中于理论，很少结合实际工程的需要。

现阶段静止同步串联补偿器的启动有的是依赖于外部电源的他励启动方法；有的是结合并联设备，则串联部分的启动可以依赖于并联侧的电容供电的启动方法；有的是直流侧直接提供外部电压源，忽略自启动的方法；有的是启动直接依赖于交流线路差，考虑单个H桥模块，忽略级联均压问题，且其自励启动依赖于交流线路，反应速度和启动电压有限制。这些启动方案存在投资大，不适用工程实际的缺陷且从控制策略和补偿容量上都具有局限性。

发明内容

本发明提供一种静止同步串联补偿器的自励启动系统及方法，其目的是导出了基于级联H桥多电平结构的SSSC系统的数学模型，并设计了单相锁相环和新型两级直流稳压策略，使静止同步串联补偿器的启动过程能够满足系统平稳和快速启动的要求。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种静止同步串联补偿器的自励启动系统，其改进之处在于，包括：

外接交流系统、第一断路器、交流侧开关、变压器、旁路晶闸管、第二断路器、滤波器、串联换流器和控制器；

所述第一断路器安装于所述外接交流系统的交流母线上，所述变压器的一边绕组经交流侧开关并联于所述第一断路器两侧，所述变压器的另一边绕组并联于所述旁路晶闸管两侧，所述旁路晶闸管并联于所述第二断路器两侧，所述第二断路器与所述滤波器连接，所述滤波器与所述串联换流器连接，所述串联换流器与所述控制器连接。

优选的，所述串联换流器由N个H桥模块组成，其中，所述N个H桥模块依次串联。

优选的，所述控制器包括：一级直流稳压模块、二级直流稳压模块、运行模式确定模块、第一加法器、PLL、RMS、乘法器、除法器、限幅器和PWM；

所述一级直流稳压模块、运行模式确定模块和PLL的输出分别与所述第一加法器的输入端连接；

所述RMS、乘法器、除法器、二级直流稳压模块、限幅器和PWM依次串联；

所述第一加法器的输出端与所述二级直流稳压模块的输入端连接；

其中，所述乘法器的输入信号为所述RMS的输出信号和参考阻抗X_ref，所述PLL和RMS的输入信号为外接系统的交流母线的电流，所述一级直流稳压模块的输入信号为N*U_cref和∑U_ci，N为所述串联换流器中H桥模块总数，U_cref为所述串联换流器中H桥模块电容电压参考值，U_ci为所述串联换流器中H桥模块电容电压实际值。

进一步的，所述一级直流稳压模块包括：第二加法器、解锁控制器、第一PI控制器、第二PI控制器和第三加法器；

所述第二加法器、解锁控制器、第一PI控制器和第三加法器依次连接，所述解锁控制器的另一输出支路依次连接第二PI控制器和第三加法器；

其中，所述解锁控制器，用于对所述串联换流器中H桥模块进行解锁操作，所述第二加法器的输入信号为+N*U_cref和-∑U_ci，N为所述串联换流器中H桥模块总数，U_cref为所述串联换流器中H桥模块电容电压参考值，U_ci为所述串联换流器中H桥模块电容电压实际值。

进一步的，根据所述一级直流稳压模块的输入信号按下式确定所述一级直流稳压模块的输出信号：

上式中，β为SSSC启动或运行过程的稳压角，k_p为第二PI控制器的控制环参数，k_i为第一PI控制器的控制环参数，N为所述串联换流器中H桥模块总数，U_cref为所述串联换流器中H桥模块电容电压参考值，U_ci为所述串联换流器中H桥模块电容电压实际值。

进一步的，根据所述二级直流稳压模块的输入信号按下式确定所述二级直流稳压模块的输出信号：

上式中，m_i为所述串联换流器中第i个H桥模块的调制比，α_i为所述串联换流器中第i个H桥模块的触发角，m为所述串联换流器的调制比，α为所述串联换流器的触发角，U_cref为所述串联换流器中H桥模块电容电压参考值，U_ci为所述串联换流器中H桥模块电容电压实际值。

进一步的，所述运行模式确定模块，用于若SSSC对外接交流系统为容性，则输出+π/2，若SSSC对外接交流系统为感性，则输出-π/2。

一种储能变流器并离网特性一体化检测方法，其改进之处于，所述方法包括：

在确定出外接系统满足SSSC的投入条件时，闭合SSSC出口断路器，切断交流线路断路器，SSSC逐次投入；

若串联换流器中H桥模块电容电压稳定于第一阈值，则解锁换流器，进入零电压状态，控制每个H桥模块上、下桥臂为同通或同断状态；

投入两级直流电压，控制SSSC输出小于第二阈值的阻抗，并控制H桥模块运行于整流模式，逐个投入H桥模块。

本发明的有益效果：

本发明提供的技术方案，从完全自励的方向出发，使SSSC直流侧电容能量全部取自交流系统，使SSSC投资成本和占地面积有所减少，提高工程使用价值；从减少对交流系统的影响和对换流器的冲击方面设计，结合本发明提供的启动方案和轮换充能策略，使启动平稳性有所提高；同时，考虑了三相间的能量守恒以及单相子模块电压的均衡问题，利用两级直流稳压策略，解决模块充电不均衡问题。

附图说明

图1是本发明一种静止同步串联补偿器的自励启动系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中控制器的控制原理图；

图3是本发明实施例中一级直流稳压模块的控制策略图；

图4是本发明实施例中二级直流稳压模块的控制策略图；

图5是本发明实施例中二级直流稳压模块的控制原理图；

图6是本发明一种静止同步串联补偿器的自励启动方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种静止同步串联补偿器的自励启动系统，结合SSSC的拓扑特性提出适用于实际工程的自励启动方案，先分析三相解耦的SSSC，在此基础上推导SSSC的数学模型并提出单相锁相方法，据电容电压对补偿容量的实时跟踪性，提出了基于数学逻辑的新型两级直流稳压策略，进而提出自励启动方法，设计并验证了H-SSSC的平稳启动方法，所述系统如图1所示，包括：

外接交流系统、第一断路器、交流侧开关、变压器、旁路晶闸管、第二断路器、滤波器、串联换流器和控制器；

所述第一断路器安装于所述外接交流系统的交流母线上，所述变压器的一边绕组经交流侧开关并联于所述第一断路器两侧，所述变压器的另一边绕组并联于所述旁路晶闸管两侧，所述旁路晶闸管并联于所述第二断路器两侧，所述第二断路器与所述滤波器连接，所述滤波器与所述串联换流器连接，所述串联换流器与所述控制器连接。

其中，Z_L为系统阻抗，C₁…C_n为直流侧电容。

所述串联换流器由N个H桥模块组成，其中，所述N个H桥模块依次串联。

所述控制器，如图2所示，包括：一级直流稳压模块、二级直流稳压模块、运行模式确定模块、第一加法器、PLL、RMS、乘法器、除法器、限幅器和PWM；

所述一级直流稳压模块、运行模式确定模块和PLL的输出分别与所述第一加法器的输入端连接；

所述RMS、乘法器、除法器、二级直流稳压模块、限幅器和PWM依次串联；

所述第一加法器的输出端与所述二级直流稳压模块的输入端连接；

其中，所述乘法器的输入信号为所述RMS的输出信号和参考阻抗X_ref，所述PLL和RMS的输入信号为外接系统的交流母线的电流，所述一级直流稳压模块的输入信号为N*U_cref和∑U_ci，N为所述串联换流器中H桥模块总数，U_cref为所述串联换流器中H桥模块电容电压参考值，U_ci为所述串联换流器中H桥模块电容电压实际值。

进一步的，所述一级直流稳压模块的控制策略图如图3所示，包括：第二加法器、解锁控制器、第一PI控制器、第二PI控制器和第三加法器；

所述第二加法器、解锁控制器、第一PI控制器和第三加法器依次连接，所述解锁控制器的另一输出支路依次连接第二PI控制器和第三加法器；

其中，所述解锁控制器，用于对所述串联换流器中H桥模块进行解锁操作，所述第二加法器的输入信号为+N*U_cref和-∑U_ci，N为所述串联换流器中H桥模块总数，U_cref为所述串联换流器中H桥模块电容电压参考值，U_ci为所述串联换流器中H桥模块电容电压实际值。

根据一级直流稳压模块的输入信号按下式确定一级直流稳压模块的输出信号：

上式中，β为SSSC启动或运行过程的稳压角，k_p为第二PI控制器的控制环参数，k_i为第一PI控制器的控制环参数，N为所述串联换流器中H桥模块总数，U_cref为所述串联换流器中H桥模块电容电压参考值，U_ci为所述串联换流器中H桥模块电容电压实际值。

所述二级直流稳压模块的控制策略图如图4所示，二级直流稳压模块的控制原理图如图5所示，根据二级直流稳压模块的输入信号按下式确定二级直流稳压模块的输出信号：

上式中，m_i为所述串联换流器中第i个H桥模块的调制比，α_i为所述串联换流器中第i个H桥模块的触发角，m为所述串联换流器的调制比，α为所述串联换流器的触发角，U_cref为所述串联换流器中H桥模块电容电压参考值，U_ci为所述串联换流器中H桥模块电容电压实际值。

一级稳压控制得到电压稳定偏移角修正SSSC电压相角，则SSSC补偿电压与线路电流不再垂直，此偏移角体现了系统对换流器耗能的总体补偿；二级稳压角得到参考波矢量移量，对单模块电压反馈调控，两级策略从相角和幅值设计并相互配合。在两级直流稳压的基础上，结合恒阻抗控制方式，运用SPWM调制策略得到H桥级联各模块触发脉冲，控制IGBT通断，得相应的输出电压以达到补偿目的。

所述运行模式确定模块，用于若SSSC对外接交流系统为容性，则输出+π/2，若SSSC对外接交流系统为感性，则输出-π/2。

进一步的，本发明还提供一种储能变流器并离网特性一体化检测方法，如图6所示，所述方法包括：

101.检测外接系统是否满足SSSC的投入条件，如满足则执行步骤102，否则结束操作；所述投入条件包括：外接系统的线路处于正常状态，各装置能够正常投切；

102.闭合SSSC出口断路器，切断交流线路断路器，SSSC逐次投入；

103.判断电容电压是否稳定于串联换流器中H桥模块电容电压参考值U_cref的2％，若是则解锁换流器，进入零电压状态，控制每个H桥模块上、下桥臂为同通或同断状态，否则返回步骤102；

104.投入两级直流电压，控制SSSC输出小于第二阈值的阻抗，并控制H桥模块运行于整流模式，逐个投入H桥模块。

其中，最好的实现方式为令所述第一阈值为串联换流器中H桥模块电容电压参考值U_cref的2％，令所述第二阈值为参考阻抗X_ref的2％的阻抗。

具体的，首先闭锁全部的IGBT，依靠两端电源幅值和相角的差别对直流侧电容进行不控充电；稳定后解锁换流器后SSSC装置可以调控，控制每个H桥子模块上桥臂同时开通或关断，或控制H桥子模块下桥臂同通或同断，此时SSSC对系统的补偿电压为零，称之为零电压补偿状态，但由于变压器漏抗SSSC装置对系统呈现小压降。此时SSSC没有从系统取能，直流侧电容电压稳定在之前的小电压值，系统电流过桥臂，减弱了全控整流时的冲击。零电压状态作为串联启动的一个中间环节，保证在可控充电前达到补偿电压要求的同时减少对于交流线路潮流等量的影响，仿真可以发现线路的电压稳定变化，而电流及潮流几乎不受影响，此时的直流侧电容电压并未发生变化。此时解锁了IGBT器件，换流器可控，直流侧电容处于零电压补偿状态，其电压值不变，交流线路处于可控补偿；最后在定直流电压控制模式下历经整流阶段达到参考值。在解锁换流器后动态调节SSSC电压和系统电流的偏移角产生一级直流稳压角，由于此偏移角的存在使电容可从交流系统取能，电容电压升高，三相偏移角相同则三相H桥级联整体能量达到平衡，避免了整体的过充。每一个子模块直流侧电压控制得到二级直流电压稳压角保证每相中单个子模块在损耗不同的情况下也可以实现直流侧电容电压的均衡。两级直流稳压从相角偏移量和幅值偏移量同时调控实时影响调制波，结合调制策略控制换流器，其间保证输出较小阻抗，为减弱对交流系统的影响逐个投入子模块，SSSC正常启动。

对SSSC多模块拓扑，基于电压参考值得到每个模块的调制波，逐个投入减少对交流系统的冲击。这一启动策略很好的利用了内环直接对直流侧电容电压进行控制，控制响应速度快。

从启动策略可以看出实际中SSSC投入运行时，需要考虑各装置间的协调控制。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种静止同步串联补偿器的自励启动系统，其特征在于，所述系统包括：外接交流系统、第一断路器、交流侧开关、变压器、旁路晶闸管、第二断路器、滤波器、串联换流器和控制器；

所述第一断路器安装于所述外接交流系统的交流母线上，所述变压器的一边绕组经交流侧开关并联于所述第一断路器两侧，所述变压器的另一边绕组并联于所述旁路晶闸管两侧，所述旁路晶闸管并联于所述第二断路器两侧，所述第二断路器与所述滤波器连接，所述滤波器与所述串联换流器连接，所述串联换流器与所述控制器连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述串联换流器由N个H桥模块组成，其中，所述N个H桥模块依次串联。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器包括：一级直流稳压模块、二级直流稳压模块、运行模式确定模块、第一加法器、PLL、RMS、乘法器、除法器、限幅器和PWM；

所述一级直流稳压模块、运行模式确定模块和PLL的输出分别与所述第一加法器的输入端连接；

所述RMS、乘法器、除法器、二级直流稳压模块、限幅器和PWM依次串联；

所述第一加法器的输出端与所述二级直流稳压模块的输入端连接；

其中，所述乘法器的输入信号为所述RMS的输出信号和参考阻抗X_ref，所述PLL和RMS的输入信号为外接系统的交流母线的电流，所述一级直流稳压模块的输入信号为N*U_cref和∑U_ci，N为所述串联换流器中H桥模块总数，U_cref为所述串联换流器中H桥模块电容电压参考值，U_ci为所述串联换流器中H桥模块电容电压实际值。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述一级直流稳压模块包括：第二加法器、解锁控制器、第一PI控制器、第二PI控制器和第三加法器；

所述第二加法器、解锁控制器、第一PI控制器和第三加法器依次连接，所述解锁控制器的另一输出支路依次连接第二PI控制器和第三加法器；

其中，所述解锁控制器，用于对所述串联换流器中H桥模块进行解锁操作，所述第二加法器的输入信号为+N*U_cref和-∑U_ci，N为所述串联换流器中H桥模块总数，U_cref为所述串联换流器中H桥模块电容电压参考值，U_ci为所述串联换流器中H桥模块电容电压实际值。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，根据所述一级直流稳压模块的输入信号按下式确定所述一级直流稳压模块的输出信号：

$\mathrm{\β}=k_p({\mathrm{NU}}_{cref}-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{ci})+k_i\∫({\mathrm{NU}}_{cref}-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{ci})dt$

上式中，β为SSSC启动或运行过程的稳压角，k_p为第二PI控制器的控制环参数，k_i为第一PI控制器的控制环参数，N为所述串联换流器中H桥模块总数，U_cref为所述串联换流器中H桥模块电容电压参考值，U_ci为所述串联换流器中H桥模块电容电压实际值。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，根据所述二级直流稳压模块的输入信号按下式确定所述二级直流稳压模块的输出信号：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_i==m\sqrt{1+{\left(\frac{U_{ci}-U_{cref}}{U_{ci}}\right)}^2}\\ {\mathrm{\α}}_i=\mathrm{\α}+\arctan \frac{U_{ci}-U_{cref}}{U_{cref}}\end{array}\right.$

上式中，m_i为所述串联换流器中第i个H桥模块的调制比，α_i为所述串联换流器中第i个H桥模块的触发角，m为所述串联换流器的调制比，α为所述串联换流器的触发角，U_cref为所述串联换流器中H桥模块电容电压参考值，U_ci为所述串联换流器中H桥模块电容电压实际值。

7.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述运行模式确定模块，用于若SSSC对外接交流系统为容性，则输出+π/2，若SSSC对外接交流系统为感性，则输出-π/2。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的静止同步串联补偿器的自励启动方法，其特征在于，所述方法包括：

在确定出外接系统满足SSSC的投入条件时，闭合SSSC出口断路器，切断交流线路断路器，SSSC逐次投入；

若串联换流器中H桥模块电容电压稳定于第一阈值，则解锁换流器，进入零电压状态，控制每个H桥模块上、下桥臂为同通或同断状态；

投入两级直流电压，控制SSSC输出小于第二阈值的阻抗，并控制H桥模块运行于整流模式，逐个投入H桥模块。