柔性交流輸電系統(tǒng)

柔性交流輸電系統(tǒng)一柔性交流輸電系統(tǒng)的基本概念

柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的英文表達為：FlexibleACTransmissionSystems，是綜合電力電子技術(shù)、微處理和微電子技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術(shù)。上世紀八十年代中期，美國電力科學研究院（EPRI）N.G.Hingorani博士首次提出FACTS概念：應(yīng)用大功率、高性能的電力電子元件制成可控的有功或無功電源以及電網(wǎng)的一次設(shè)備等，以實現(xiàn)對輸電系統(tǒng)的電壓、阻抗、相位角、功率、潮流（系統(tǒng)

中所有運行參數(shù)的總體，包括各個母線電壓的大小和相位，各個發(fā)電機和負荷的功率及電流，以及各個變壓器和線路等元件所通過的功率，電流和其中的損耗。也稱系統(tǒng)中有規(guī)律波動的功率流動為潮流）等的靈活控制，將原基本不可控的電網(wǎng)變得可以全面控制，從而大大提高電力系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性，使得現(xiàn)有輸電線路的輸送能力大大提高。柔性交流輸電系統(tǒng)是大功率電力電子器件在高壓領(lǐng)域直接完成電器智能化的典范。二柔性交流輸電系統(tǒng)的提出電力系統(tǒng)容量的不斷的增長和電壓等級的一再提高，電網(wǎng)覆蓋地域的日益擴大，大型電力系統(tǒng)所暴露出的問題和矛盾越來越突出，主要包括以下幾個方面：

1，電力系統(tǒng)潮流的實時控制電力生產(chǎn)中，由于發(fā)電能源（煤炭，石油，水力等）的分布不均勻發(fā)電中心與負荷中心往往不一致因此需要遠距離輸送大容量的電力?，F(xiàn)代互聯(lián)電網(wǎng)中的功率流動常常出現(xiàn)“瓶頸”現(xiàn)象，使得潮流在電網(wǎng)中輾轉(zhuǎn)，使損耗增加。另一方面，目前輸電的穩(wěn)定性極限也和潮流緊密相關(guān)，潮流得不到大幅度實時調(diào)節(jié)只是電網(wǎng)的穩(wěn)定性極限很低，線路的傳輸容量得不到充分利用。依照目前的常規(guī)方法，人們難以達到電力潮流的實時控制，實際的功率分布可能與理想分布想去甚遠。人們必須尋找可以快速靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方法，對電力系統(tǒng)的潮流進行實時控制。

2，短路電流水平的提高隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增大，電網(wǎng)之間的電氣聯(lián)系程度日趨緊密，電網(wǎng)的段路水平迅速提高?，F(xiàn)有的機械式斷路器越來越難以應(yīng)付極具增大的斷流容量要求，系統(tǒng)內(nèi)的載流導體及各種電氣設(shè)備也無法滿足不斷提高的機械強度（動穩(wěn)定性）和熱容量等方面的要求。所以，電網(wǎng)容量增加時，運行中不滿足上述要求的大容量電氣設(shè)備就不得不更換，設(shè)備利用率大大降低，更大容量的機械式斷路器的研制也越來越苦難。3，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題隨著用電需求的正佳和電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復雜；發(fā)電廠單機容量的不斷增大也使系統(tǒng)穩(wěn)定問題日益突出，系統(tǒng)安全運行的管理也日趨困難。目前尚缺乏適應(yīng)現(xiàn)代化大型電力系統(tǒng)需求的有效控制手段。4，電力系統(tǒng)的控制速度目前的交流輸電系統(tǒng)中，就其控制手段而言，歸根結(jié)底仍然是機械式的，所謂的計算機監(jiān)控也是靠機械式開關(guān)執(zhí)行的。發(fā)電機的調(diào)速器，短路器，變壓器無論是有載調(diào)壓還是移相器，最終執(zhí)行的都是機械動作。而機械動作一般都不滿足系統(tǒng)的控制要求。而且，機械動作可靠性差，器件壽命短也影響系統(tǒng)的運行可靠性。

5，電能質(zhì)量問題保證電能質(zhì)量的根本在于無功功率的控制和諧波的治理。電網(wǎng)在向負荷提供一定有功功率的同時，還必須提供一定的無功功率。為了保證發(fā)電機和變壓器等設(shè)備的正常運行，也必須存在無功功率。但發(fā)電廠輸出的過多的無功功率會會惡化系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的無功功率源如并聯(lián)電容器，其調(diào)節(jié)速度和能力均有限，難以適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求。諧波是伴隨大功率電力電子器件應(yīng)用的副產(chǎn)品，幾年來對電能質(zhì)量的影響日益嚴重，必須要進行治理。上述問題的共同點是：傳統(tǒng)的運行控制手段不能滿足電力系統(tǒng)飛速發(fā)展所產(chǎn)生的實際的需求，應(yīng)用更快，更靈活的控制手段是發(fā)展現(xiàn)代電力系統(tǒng)的必由之路。電力電子技術(shù)是基于電力，電機，電器等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展與需求，基于半導體技術(shù)的發(fā)展，融合了現(xiàn)代計算機技術(shù)和控制理論而發(fā)展起來的一門新技術(shù)。隨著半導體制造工藝的不斷提高，器件價格的降低，其越來越得到廣泛的應(yīng)用。柔性交流輸電的基本概念為：

在交流輸電系統(tǒng)的主要部位，采用具有專門功能或綜合功能的電力電子器件和現(xiàn)代自動控制裝置或組合體，對輸電系統(tǒng)的運行狀態(tài)變量和參數(shù)如電壓，相位差，電抗等以至網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，從而實時，靈活，快速地控制交流輸電功率，以大幅度提高現(xiàn)有高壓輸電線路的輸送能力，實現(xiàn)電功率的合理分配，降低功率損耗或發(fā)電成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定運行的水平和可靠性。三電力電子在輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用3.1電力電子技術(shù)對輸電系統(tǒng)的影響電力電子技術(shù)對輸電系統(tǒng)的影響首先是在輸電方式上。電力電子器件的容量的大大提高以及價格的大幅度下降使目前的傳輸?shù)燃壱约翱刂萍夹g(shù)得到了很大的飛躍。電力電子技術(shù)在輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用將改變系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和控制方式，因而將對電力系統(tǒng)的內(nèi)在特性產(chǎn)生更深層次的影響。主要包括：

1，系統(tǒng)正常運行方式的可控性發(fā)生了巨大變化。原來的功率流動的大小和方向只能靠遠方電源的出力來加以控制，而現(xiàn)在的綜合潮流控制可方便地就地控制。010203040功率容量MVA1990198019702000年（）晶片直徑（英寸）晶閘管2.5KV1KA(2)4KV1.5KA(3.5)12KV1KA(4)8KV4KA(6)GTO4.5KV2KA(2.5)4.5KV3KA(3)4.5KV4KA(3.5)6KV6KA(6)GCT4.5KV3KA(3.5)4.5KV4KA(4)6KV4KA(4)HVIGBT4.5KV0.9KA晶閘管雙向晶閘管MOSFETGCTGTOIGBT(Discrete)IGBTMolduleIPM器件額定容量10k100M10M1M1k100k1001010工作頻率(HZ)1M10k100k1k100電力電子器件正朝著容量越來越大、頻率越來越高的方向發(fā)展。2，系統(tǒng)發(fā)生故障的影響程度減輕，故障恢復速度加快。由于電力電子開關(guān)動作迅速，加之故障電流限制器的作用，可大大減小故障對系統(tǒng)的沖擊。自動重合器以及快速故障定位器的使用，也大大減少了故障恢復時間。3，系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性發(fā)生了變化。系統(tǒng)同步運行穩(wěn)定性，電壓和頻率的穩(wěn)定性都得到了改善。3.2典型的FACTS電器FACTS電器目前尚處在蓬勃發(fā)展的初級階段，所包含的種類仍在不斷增加，已知的屬于FACTS的開發(fā)項目的具體裝置約有20多種。目前已經(jīng)報道在輸電系統(tǒng)中應(yīng)用的FACTS電器主要有:1,與系統(tǒng)并聯(lián)連接的FACTS電器靜態(tài)無功補償器（StaticVarCompensator，SVC）高級靜態(tài)無功發(fā)生器（AdvancedStaticVarGenerator，ASVG）靜態(tài)調(diào)相器（StaticCondensor

，STATCON）·靜態(tài)同步補償器（StaticSynchronousCompensator，SSC）·靜態(tài)同步發(fā)電器（StaticSynchronousGenerator，SSG）·靜態(tài)無功發(fā)生器或吸收器（StaticVarGeneratororAbsorber，SVG）·晶閘管投切的電容器組（ThyristorSwitchedCapacitors，TSC）·晶閘管投切的電抗器（ThyristorSwitchedReactor，TSR）·無功補償系統(tǒng)（VarCompensatingSystem，VCS）·超導儲能器（SuperconductingMagneticEnergyStorage，SMES）·電池儲能器（BatteryEnergyStorageSystem，BESS）2，與系統(tǒng)串聯(lián)連接的FACTS電器·靜態(tài)同步串聯(lián)補償器（StaticSynchronousSeriesCompensator，SSSC）·晶閘管控制的串聯(lián)電容器組（ThyristorControlledSeriesCapacitors，TCSC）·晶閘管控制的串聯(lián)電抗器（ThyristorControlledSeriesReactor，TCSR）串聯(lián)型控制器相當于一個可變阻抗，可以是電容器，電抗器等，也可以是一個由電力電子器件組成的可變阻抗。

GCSC（GTOthyristorcontrolledcapacitor）GTO控制串聯(lián)電容器TSSC（thyristorswitchedseriescapacitor,)晶閘管投切串聯(lián)電容器TCSC（thyristorcontrolledseriescapacitor,)晶閘管控制串聯(lián)電容器串聯(lián)型控制器并聯(lián)型控制器可以是可變阻抗，可控電流源，或者是它們的組合。并聯(lián)型控制器在并聯(lián)連接點處給系統(tǒng)注入一個電流。只要該注入電流與母線電壓之間的相角差為90°，則并聯(lián)控制器只能提供或吸收可變無功功率，任何其它的相位關(guān)系均涉及有功功率的交換。TCR（thyristorcontrolledreactor)晶閘管控制電抗器TSR(thyristorswitchedreactor),晶閘管投切電抗器TSC（thyristorswitchedcapacitor)，晶閘管投切電容器STATCOM（staticsynchronouscompensator)靜止同步補償器并聯(lián)型控制器FACTS設(shè)備投入互聯(lián)電力系統(tǒng)，增強了系統(tǒng)的控制手段，可以提高系統(tǒng)的靜態(tài)，暫態(tài)穩(wěn)定極限和電壓穩(wěn)定性，從而將輸電線的輸送容量提高至其熱穩(wěn)定極限。對于長距離輸電線，可以用SVC，ASVG等補償裝置進行無功補償，維持線路電壓在正常的水平，改善系統(tǒng)阻尼；此外，SVC，AVSG，TCSC均可以改善系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性。典型柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）電器的簡介靜止同步補償器(STATCOM)電壓型或者電流型并聯(lián)在系統(tǒng)上，可控制其容性或感性輸出電流，且STATCOM的最大容性或感性輸出電流不依賴交流系統(tǒng)電壓。APF有源濾波器+-靜止無功補償器(SVC)一種并聯(lián)聯(lián)接的靜止無功發(fā)生器或吸收器，它的輸出電流可調(diào)節(jié)為容性或感性，以便保持或控制電力系統(tǒng)的一些特定參數(shù)（典型參數(shù)一般為母線電壓）。

晶閘管控制的電抗器(TCR)一種并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管控制的電感，其有效電抗值由晶閘管以不斷變化的部分導通方式來控制。晶閘管投切電抗器（TSR）一種并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管切投電感，其有效電抗由晶閘管以全部導通或零導通的階躍變化方式來控制。

晶閘管投切電容器（TSC）一種并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管投切電容器，其有效電抗由晶閘管以全部導通或零導通的階躍變化方式來控制。

晶閘管控制、投切型TCR和TSR的區(qū)別？靜止無功發(fā)生器(Staticvargenerator/absorberSVG)

包括晶閘管控制/投切的電容器、電抗器及STATCOM等，SVC和STATCOM都屬于此類靜止補償系統(tǒng)（staticvarsystem,SVS)

靜止式及機械式的并聯(lián)無功補償裝置的輸出進行協(xié)調(diào)而構(gòu)成的并聯(lián)補償系統(tǒng)，SVG與機械式無功補償設(shè)備的組合ASVG（高級靜止無功發(fā)生器）通過精確控制GTO逆變器的觸發(fā)角的相位，將儲能電容側(cè)的直流電壓變?yōu)榻涣麟妷?，而且交流電壓的值的大小和相位由控制的GTO逆變器的觸發(fā)角來決定。從而達到控制功率流動的目的。晶閘管控制串聯(lián)電容器（TCSC）一種容性電抗補償器，它由串聯(lián)電容器組與晶閘管控制的電抗器并聯(lián)組成，以提供平滑變化的容性串聯(lián)電抗。

線路晶閘管投切串聯(lián)電容器（TSSC）一種容抗補償器，由串聯(lián)電容器組與晶閘管投切電抗器并聯(lián)組成，以提供串聯(lián)容抗的分段控制。晶閘管控制串聯(lián)電抗器（TCSR）一種感抗補償器，由串聯(lián)電抗器與晶閘管控制的電抗器并聯(lián)組成，以得到平滑變化的串聯(lián)感性電抗。線路晶閘管投切串聯(lián)電抗器（TSSR）一種感抗補償器，由串聯(lián)電抗器與晶閘管控制電抗器并聯(lián)組成，以得到串聯(lián)感抗的分段控制。線路接口電路儲能設(shè)備+-帶有儲能的SSSC靜止同步串聯(lián)補償器通過儲能設(shè)備（如電池儲能系統(tǒng)）與串聯(lián)控制器相連，就能控制注入電壓與線路電流之間的相位，因而它不僅能與交流系統(tǒng)進行無功功率的交換，而且還能進行有功功率的交換。電池儲能系統(tǒng)帶有化學儲能系統(tǒng)的并聯(lián)式電壓型變流器，該變流器可與交流系統(tǒng)進行快速的有功功率和無功功率的交換鋰電池、鉛酸電池、超導儲能

接口儲能設(shè)備-+帶有儲能的STATCOM各種控制器的控制特征

序號FACTS控制器控制特征靜止同步補償器(STATCOM無儲能電源)電壓控制、無功補償、阻尼振蕩、電壓穩(wěn)定性靜止同步補償器(STATCOM有儲能電源BESS、SMES、大容量電容器)電壓控制、無功補償、阻尼振蕩、暫態(tài)、動態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、自動增益控制電壓控制、無功補償、阻尼振蕩、電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性靜止無功補償器（SVC、TCR、TSC、TSR）阻尼振蕩、暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性晶閘管控制的制動電阻器（TCBR）2134靜止同步串聯(lián)補償器（SSSC無儲能電源）電流控制、阻尼振蕩、暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、故障電流限制靜止同步串聯(lián)補償器（SSSC有儲能電源）電流控制、阻尼振蕩、暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性電流控制、阻尼振蕩、暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、故障電流限制晶閘管控制的串聯(lián)電容器（TCSC、TSSC）電流控制、阻尼振蕩、暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、故障電流限制晶閘管控制的串聯(lián)電抗器（TCSR、TSSR）6578晶閘管控制的移相變壓器(TCPST或TCPR)有功功率控制、阻尼振蕩、暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性9統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）有功和無功功率控制器、電壓控制、無功補償、阻尼振蕩、暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、故障電流限制暫態(tài)和動態(tài)電壓限制晶閘管控制的電壓限制器(TCVL)無功功率控制、電壓控制、阻尼振蕩、暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性晶閘管控制的電壓調(diào)節(jié)器(TCVR)101112線間潮流控制器(IPFC)無功功率控制、電壓控制、阻尼振蕩、暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性13APF(Activepowerfilter)有源電力濾波器五、DFACTS設(shè)備

DVR(Dynamicvoltageregulator)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器1.4FACTS的發(fā)展應(yīng)用FACTS的概念之前，已出現(xiàn)一些電力電子控制器了，它們現(xiàn)都已融入FACTS技術(shù)行列之中(如SVC，上個世紀70年代首先由美國通用電氣公司投入商業(yè)運行)。電壓型變流器（VSC）用于電力系統(tǒng)是日本最早起步的，1980年第一個基于晶閘管的電壓型STATCOM在日本誕生，容量為20MVA。1991年，第1個基于GTO的80MVA的STATCOM在日本投入運行。第一個串聯(lián)型控制器—次同步振蕩阻尼器，由Hingorani博士發(fā)明，是一個小功率的串聯(lián)電容阻抗控制器，西門子公司于1984年在加利福尼亞對它的性能進行了論證。世界上第一個三相TCSC由ABB公司于1992年在美國凱恩塔電站投入運行，它使該條線路的輸送容量幾乎增加了30％。1995年在沙利文電站建成的STATCOM，是美國歷史上第一個采用GTO的大型FACTS裝置，容量為100MVA,它是FACTS發(fā)展史上的一個重要里程碑.日本關(guān)西電力犬山開關(guān)站199180MVASVG或

STATCOM裝置種類應(yīng)用單位

投入年度容量

日本東京電力新信濃變電站

199250MVA美國田納西州沙利文電站1995

100MVA

美國肯塔基州艾內(nèi)茲電站1997160MVA英國白金漢郡克萊登電站

199775MVA丹麥瑞賴斯比/海德(配電)

1998

8MVA

美國華盛頓州西雅圖鋼鐵公司

20005MVA德克薩斯某一電弧爐補償199880MVA中國河南電力局*

199920MVA

美國－墨西哥交界

200036MVA美國埃塞克斯電站2001＋133/－40MVA

美國紐約奧克代爾電站

2002200MVA

美國特勒嘎電站

2003100MVA具有標志性的主要實用化的FACTS裝置

美國電力公司卡若瓦河/西弗吉尼亞1991345kV系統(tǒng)，線路阻抗補償從0～60%，晶閘管控制分相組合的串聯(lián)電容器TSSC裝置種類應(yīng)用單位投入年度容量美國西部電力局凱恩塔/亞利桑那1992500kV系統(tǒng)，267MVATCSC美國邦維爾電力局斯萊特電站1993巴西因佩拉特里斯電站

1999230kV系統(tǒng)，50MVAUPFC

1998SSSC138kV,160MVA;STATCOM

160MVA;

GTO

6kV/4kA

美國肯塔基州電力公司艾內(nèi)茲電站

韓國剛金電站2004154kV，80MVA澳大利亞黑墻電站約1999300MVASVC或RSVC裝置種類應(yīng)用單位投入年度容量200MVASTATCOM，200MVASSSC100MVASTATCOM,100MVASSSC兩個100MVA逆變器兩個100MVAIPFC運行CSC美國紐約馬西山電站2003澳大利亞布雷馬電站約1999230MVA美國紐約奧克代爾電站2001200MVASTATCOM，135MVA電容器組我國FACTS裝置的發(fā)展和應(yīng)用情況1994年，由河南省電力局和清華大學共同研制了20Mvar的STATCOM，1999年在河南洛陽