天津静止同步串联补偿器示范工程设计关键技术研究
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作者:王楠 兰春虎 张来 牛博彦 王兆峰 侯彩龙 高尚 梁伟
摘 要：本文在分析静止同步补偿器（SSSC）示范工程系统需求的基础上，通过分析计算，确定SSSC装置的补偿容量，提出SSSC示范工程的接入方案及建设规模。研究串联变压器、换流阀等主要设备的选型原则，提出SSSC装置网侧及阀侧的电气主接线及主要设备选型方案。通过仿真计算，分析电气设备过电压及绝缘配合要求，提出SSSC装置的过电压及绝缘配合设计方案。将SSSC装置按照不同设备、功能进行模块划分，对两种实施方案进行技术经济比较，提出SSSC装置模块化设计方案，为后续工程建设提供技术参考。
关键词：设备选型 绝缘配合 模块化设计 SSSC
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（a）-0028-04
近年来，FACTS 得到广泛的研究并在电力系统中迅速推广应用。静止同步串联补偿器（Static Syn-Chronous Series Compensator，SSSC）就是串联在线路上使用的一种 FACTS 控制器[1-2]。目前国内外学者对 SSSC 的研究主要集中在 SSSC 的工作原理、数学模型和控制策略、对距离保护的影响等理论研究阶段[3-6]，对于工程级应用研究相对较少。
1 SSSC基本结构及作用
SSSC的实现是基于同步电压源[7]的原理，采用可关断器件的电压源换流技术，产生一个具有可控幅值和相角的、同步的、近似正弦波的电压，来改变输电线路的等效阻抗，从而实现潮流控制。SSSC主要由换流阀、控制系统和系统接入设备组成。
2 接入系统方案
2.1 系统需求
由于线路路径选择困难，A220kV变电站双回电源线分别由现状线路改接而成，造成B站至A站的双回电源线路径长度不一致。其中，AB-I线长20.7km，阻抗为0.764865+j6.1686Ω，AB-II线长33km，阻抗为1.2839+j10.14Ω，相差约4Ω。AB双线潮流严重不均衡，制约了该通道的输送能力。
为了均衡该通道双回线的潮流，充分发挥该通道的输送能力，安装SSSC装置对线路阻抗进行补偿。由于AB-I线阻抗更小，N-1更容易过载，因此将SSSC安装于AB-I线。
2.2 接入系统方案
根据系统需求，推荐在AB-I线B 220kV变电站内加装一套SSSC，SSSC容量按照补偿4欧电抗要求选择。
（1）SSSC输出容量。
SSSC容量按照系统最大负荷情况下补偿AB-I线4欧姆电抗配置。系统最大负荷电流按照线路热稳极限电流选择，因此SSSC输出容量So为：
（3）短路计算。
SSSC投产年电网运行方式以规划为参考依据，采用BPA程序计算短路电流，得出B变电站220kV母线三相及单相短路电流值如表1所示。
3 电气主接线及设备选型
3.1 电气主接线
根据接入系统方案，在AB-I线线路侧电压互感器外侧串入一套SSSC，SSSC接线图如图1所示。SSSC网侧、阀侧开关设备应满足换流阀运行、检修等工况的需要。
SSSC装置启动前，处于检修状态，接地开关QE1、QE2、QE4、QE5合位。SSSC装置启动的主要步骤为：
第一步，装置转为冷备用状态。拉开QE1、QE2、QE4、QE5，判断QS4处于合位，手动闭合QB1，依次合上QF31、QF32、QF2、QS1、QS2、QF1;
第二步，装置转为热备用状态。依次断开QS3、QF1;
第三步，装置转为预运行状态。依次断开QF31、QF32，H桥换流阀取能;
第四步，装置转为运行状态，H桥换流阀解锁，进行充电控制。
3.2 主要设备选型
（1）换流阀。
考虑连接电抗器0.25pu，计及电流在连接電抗器上的压降，根据换流阀工作在电抗补偿模式时计算阀端相电压：
4 过电压及绝缘配合
过电压及绝缘配合遵循如下原则：电气装置保护用避雷器的额定电压应不低于系统暂时过电压（有效接地和低电阻接地系统）或1.25倍的系统暂时过电压（非有效接地系统）;电气装置保护用相对地避雷器的持续运行电压不应低于系统的最高相电压;设备内绝缘的雷电冲击耐压配合系数应不低于1.25（MOA紧靠设备时）或1.4（其他情况）。表2列出了各避雷器的主要技术参数。
5 天津SSSC示范工程实例
B 220kV变电站现状为AIS普通中型布置变电站。本期新建SSSC在AB-I线线路侧安装，拟建于预留#3、4主变及无功补偿装置区域。本文在充分利用B变电站现状地势及架构的基础上，对比分析两种工程实施方案。
5.1 方案一：GIS方案
本方案串联变压器采用三组单相变压器，网侧配电装置采用GIS设备，采用电缆与AB-I线现状设备连接。除串联变、电抗器外，其他设备均布置在户内。本期新建单层配电综合楼一座，布置于预留无功补偿区域。平面布置图见图2。
5.2 方案二：HGIS方案
本方案串联变压器采用三相变压器，网侧配电装置采用HGIS设备，采用架空线及GIL气管与AB-I线现状设备连接。采用全户外布置形式，串联变布置在预留#3主变位置，HGIS设备布置于预留#3进线间隔，阀侧开关柜舱、换流阀舱以及二次设备舱布置于预留无功补偿区域。平面布置图见3。
5.3 技术经济比较
两方案主要技术指标对比见表3。
方案一受串联变压器与配电装置楼的防火距离限制，选用单相变压器，其外部接线较采用三相变压器复杂。方案一增加了建筑物，网侧设备靠电力电缆连接，增加了事故发生的概率。 方案二采用模块化建设理念，其内部接线及调试工作均可在工厂内完成，现场仅需进行外部连线，可以有效缩短建设周期。现场无需建设建筑物，有效减少了现场湿作业，实现了“环境友好”的建设理念。本文推荐采用方案二。
6 结语
本文在分析系统需求的基础上，提出在AB-I线B变电站侧加装一套30MVA SSSC装置的接入方案。换流阀通过网侧配电装置、串联变压器以及阀侧配电装置接入系统，利用避雷器实现过电压保护。
本文通过对B变电站现状分析，应用模块化建设理念，将SSSC按照不同设备、功能进行模块划分，提出采用预制仓的布置方案，较传统方案建设周期短、环境影响小，为后续工程建设提供技术参考。
参考文献
[1] 谢小荣，姜齐荣.柔性交流输电系统的原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2006.
[2] SENKK.SSSC-static synchronous series compensator：theory，modeling，and application[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13（1）：241-246.
[3] 綜述：利用柔性交流输电系统（FACTS）装置增强电力传输能力[J].Fadi M.ALBATSH，Saad MEKHILEF，Shameem AHMAD， H.MOKHLIS，M.A.HASSAN. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering，2015（8）.
[4] 宋方方，贾秀芳，赵成勇，等.SSSC提高系统阻尼特性的控制策略优化设计[J].电网技术，2017，41（3）：881-889.
[5] 刘青，王增平，郑振华.静止同步串联补偿器对距离保护影响分析的研究[J].电力系统保护与控制，2009，37（10）：39-43.
[6] 刘黎明，康勇，陈坚，等.SSSC建模、控制策略及性能[J].电工技术学报，2006，21（9）：37-43.
[7] 周俊宇.静止同步串联补偿器在电力系统中的应用综述[J].电气应用，2006，25（4）：51-54，118.
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