潮流是表征電網(wǎng)運行的核心指標(biāo)。我國已建成世界上規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的交直流混合電網(wǎng)，對優(yōu)化潮流分布、精準(zhǔn)控制局部潮流增減有迫切的需求。
靜止同步串聯(lián)補償器（Static Synchronous Series Compensator，簡稱SSSC）是優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布的利器。SSSC成本低、占地小、功能靈活，適用于局部電網(wǎng)潮流分配不均、輸送能力受限、新建輸電走廊難度大等情形，尤其可為城市電網(wǎng)潮流控制提供經(jīng)濟高效的技術(shù)手段。
電網(wǎng)發(fā)展面臨潮流調(diào)控難題
電網(wǎng)中能量的分布和流向被稱為潮流。目前，電力系統(tǒng)“能量流”的流動是由線路阻抗的自然分布決定的。也就是說，對于固定的網(wǎng)架，我們很難控制能量的分配并對其進(jìn)行優(yōu)化。潮流控制直接關(guān)系電網(wǎng)安全高效運行。據(jù)國際大電網(wǎng)委員會統(tǒng)計，21世紀(jì)前20年間，全球13次大停電中有12次由潮流失控引起。
我國電網(wǎng)規(guī)模和復(fù)雜程度已達(dá)世界之最，潮流控制問題尤為突出。潮流按阻抗自然分布，輕重不均現(xiàn)象普遍存在。局部潮流重載會在電網(wǎng)中形成“短板效應(yīng)”，限制整體供電能力的發(fā)揮，降低電網(wǎng)利用效率。受土地、環(huán)境等因素制約，通過新建線路解決局部潮流重載問題代價高昂，且在城市電網(wǎng)中難以實現(xiàn)。而城市電網(wǎng)密集復(fù)雜，部分線路和變壓器重載現(xiàn)象更為突出。
隨著我國能源轉(zhuǎn)型的推進(jìn)，負(fù)荷中心的供電越來越依靠區(qū)外來電。發(fā)電側(cè)調(diào)節(jié)、負(fù)荷側(cè)限制等現(xiàn)有潮流控制手段速度慢、靈活性差，作用有限。潮流分布不均成為我國電網(wǎng)面臨的技術(shù)難題。開展基于柔性交流輸電裝置的潮流優(yōu)化控制研究與應(yīng)用，從而充分挖掘現(xiàn)有電網(wǎng)的供電能力，既是當(dāng)前需求，也是未來發(fā)展需要。
SSSC優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布效率更高
目前，優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布一般會應(yīng)用什么設(shè)備？這些設(shè)備各有什么特點？
可控串聯(lián)電容補償器為串聯(lián)容性補償，可單方向提升潮流。統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）兼顧電壓和潮流調(diào)節(jié)雙重目標(biāo)，需采用串、并雙換流器結(jié)構(gòu)，換流閥采用模塊化多電平換流器（MMC）拓?fù)洌姎饨Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，換流模塊數(shù)和連接電抗器數(shù)量多，占地面積較大。SSSC則具有限制和提升潮流的雙向調(diào)節(jié)功能。
SSSC基于電壓源換流器技術(shù)，通過向線路注入可控電壓，動態(tài)改變線路等效阻抗，使線路的潮流由自然分布變?yōu)殪`活受控，從而實現(xiàn)對線路和臨近電網(wǎng)的潮流重新分配與優(yōu)化。打個比方，SSSC相當(dāng)于輸電線路中的“紅綠燈”，可以有選擇地疏導(dǎo)電力潮流，保障電網(wǎng)安全高效運行。自20世紀(jì)80年代被業(yè)界提出至今，SSSC一直是電力電子領(lǐng)域的研究熱點和攻關(guān)重點。
作為一種串聯(lián)型靈活交流輸電設(shè)備，SSSC無需并聯(lián)電壓支撐和公共直流系統(tǒng)。與其他潮流控制技術(shù)相比，其造價和占地面積可降低60%，損耗可減少50%。
2018年，該技術(shù)在天津220千伏石各莊變電站示范應(yīng)用。220千伏石各莊變電站所在的天津西部分區(qū)電網(wǎng)屬于典型的城市電網(wǎng)，負(fù)荷增長迅速，輸電線路走廊用地稀缺，新建線路及變電站困難，亟須采用新技術(shù)突破供電能力瓶頸。
220千伏石各莊變電站應(yīng)用的SSSC裝置容量±3萬千伏安，具有輸電線路及輸電斷面功率均衡、限流等靈活調(diào)節(jié)功能，解決了高場—石各莊雙線潮流分布不均、電力輸送能力受限的問題，將斷面輸送能力從76萬千瓦提高至96萬千瓦，增加南蔡—北郊供電分區(qū)內(nèi)10%的供電能力，提高了系統(tǒng)安全穩(wěn)定裕度。
創(chuàng)新攻關(guān)填補技術(shù)空白
在我國開展SSSC研發(fā)之初，國際上僅開展了相關(guān)理論研究。SSSC無并聯(lián)換流器提供電源支撐，在主電路拓?fù)洹⑾到y(tǒng)潮流控制、故障電流耐受與過電壓防護等方面的研發(fā)難度大。
主電路拓?fù)浞矫妫篠SSC與UPFC相比，沒有并聯(lián)側(cè)的電壓支撐，需要解決裝置啟動運行的難題，滿足自勵啟動需求且進(jìn)一步降低換流閥造價是研發(fā)的難點。
潮流控制方面：裝置與線路交互的有功/無功功率相互強耦合，需解決強耦合帶來的潮流快速動態(tài)控制難題。
故障電流耐受方面：作為串聯(lián)型設(shè)備，耐受故障電流的能力決定了裝置運行的可靠性。如何提升器件短時大電流耐受和故障電流快速轉(zhuǎn)移能力、避免直流電容器因過電壓擊穿換流閥是研發(fā)難點之一。
過電壓防護方面：SSSC直接串入線路，線路上的雷電等各類過電壓會經(jīng)串聯(lián)變壓器傳遞到換流閥，SSSC過電壓防護技術(shù)也是一項難題。
全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司聚焦潮流調(diào)控技術(shù)難題開展攻關(guān)，完成了SSSC基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)研究和樣機研制，并實現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化和工程示范應(yīng)用。依托公司重點科技項目，聯(lián)研院在換流閥研制、運行控制、安全防護、工程應(yīng)用4個方面取得了一系列創(chuàng)新成果。
經(jīng)濟高效的主電路結(jié)構(gòu)：提出無源阻抗與有源換流器串聯(lián)的混合拓?fù)?，顯著降低換流閥容量，且兼具故障電流限制功能；創(chuàng)新?lián)Q流閥模塊電路結(jié)構(gòu)，研制自勵鏈?zhǔn)綋Q流閥，實現(xiàn)裝置自勵啟動、獨立運行，和模塊化多電平換流器（MMC）相比，換流閥模塊數(shù)和電抗器數(shù)均減少50%。
快速穩(wěn)定的控制系統(tǒng)：提出實時歸一化電流鎖相與注入電壓前饋加速的控制方法，攻克電流同步坐標(biāo)系下潮流解耦控制技術(shù)，并研制成套控制系統(tǒng)，大幅提升了潮流動態(tài)控制性能。
“皮實”的換流閥：研發(fā)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）過電流軟關(guān)斷、換流模塊防開路、換流閥電流快速轉(zhuǎn)移的過電流三重防護技術(shù)，器件、換流模塊、換流閥耐受能力逐級提升，過電流耐受能力達(dá)27千安/100毫秒，較同類潮流控制技術(shù)提升近10倍。
“抗壓”的成套裝置：串聯(lián)變壓器高壓繞組端部電場優(yōu)化技術(shù)和梯級絕緣配合方法保障了裝置過電壓防護的完整性；等電位無沖擊接入及區(qū)域潮流優(yōu)化調(diào)控方法解決了工程接入與調(diào)控難題。
SSSC在天津220千伏石各莊變電站的應(yīng)用，為我國電網(wǎng)潮流控制、安全可靠運行提供了新的技術(shù)手段，進(jìn)一步推動了柔性輸電領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，帶動了電網(wǎng)技術(shù)和裝備制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級，為柔性輸電技術(shù)和重大裝備“走出去”創(chuàng)造了條件。
此后，SSSC還將在江蘇、浙江等地的負(fù)荷中心區(qū)域推廣，解決城市電網(wǎng)潮流控制問題；在西部、北部清潔能源外送通道應(yīng)用，解決大規(guī)模清潔能源外送通道潮流重載和寬頻振蕩問題。
（作者單位：全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司）
