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柔性交流輸電系統(tǒng)概述演示文稿1當(dāng)前1頁(yè),總共156頁(yè)。(優(yōu)選)柔性交流輸電系統(tǒng)概述.2當(dāng)前2頁(yè),總共156頁(yè)。

參考教材1、柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用謝小榮姜齊榮編著清華大學(xué)出版社2006.92、柔性電力技術(shù)—電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用韓民曉等編著中國(guó)水利水電出版社2007.103、高壓直流輸電與柔性交流輸電控制裝置--靜止換流器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

加拿大)蘇德|譯者:徐政

出版社:機(jī)械工業(yè)

3當(dāng)前3頁(yè),總共156頁(yè)。

第1章柔性交流輸電系統(tǒng)概述

1.1現(xiàn)代電力系統(tǒng)概述 1.2輸電網(wǎng)互聯(lián)帶來(lái)的挑戰(zhàn) 1.3傳統(tǒng)解決方法及其局限性 1.4新的解決方法—FACTS的誕生 1.5FACTS及其控制器概述 1.6FACTS與HVDC 1.7電能質(zhì)量與電力用戶4當(dāng)前4頁(yè),總共156頁(yè)。

第1章柔性交流輸電系統(tǒng)概述柔性交流輸電系統(tǒng)(flexibleACtransmissionsystem,F(xiàn)ACTS)的概念20世紀(jì)80年代末期,隨著電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和控制理論的進(jìn)一步發(fā)展和綜合應(yīng)用,出現(xiàn)了FACTS

,它旨在提高交流電網(wǎng)的可控性,實(shí)現(xiàn)靈活的潮流控制和最大化電網(wǎng)的傳輸能力.5當(dāng)前5頁(yè),總共156頁(yè)。

1.1現(xiàn)代電力系統(tǒng)概述1.1.1輸電技術(shù)的發(fā)展歷史1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律;1882年,托馬斯·愛(ài)迪生(ThomasEdson)在美國(guó)紐約建成世界上第一個(gè)完整的電力系統(tǒng)。這是一個(gè)直流系統(tǒng),由一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)通過(guò)工110V地下電纜供給半徑約為1.5km范圍內(nèi)的59個(gè)用戶,負(fù)荷全部是白熾燈。1886年研制出交流發(fā)電機(jī)和變壓器,并在馬薩諸塞州大巴靈頓建立了一個(gè)由150個(gè)電燈構(gòu)成的交流配電試驗(yàn)系統(tǒng)。

6當(dāng)前6頁(yè),總共156頁(yè)。第一個(gè)完整電力系統(tǒng)由愛(ài)迪生在紐約城歷史上有名的皮埃爾大街站建成。1882年9月投入運(yùn)行,由1臺(tái)蒸汽機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)110V地下電纜供給半徑約1.5km面積內(nèi)的59盞白熾燈。直流電力系統(tǒng):發(fā)電機(jī)、電纜、熔絲、電表和負(fù)荷7當(dāng)前7頁(yè),總共156頁(yè)。初期采用直流,其無(wú)法遠(yuǎn)距離送電的局限性顯露出來(lái),輸電要高電壓,而發(fā)用機(jī)電壓低,需要采用基于交流的變壓輸電技術(shù)19世紀(jì)90年代交直流標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng),愛(ài)迪生主張直流,西屋偏好交流,激烈辯論1888年,尼克拉·特斯拉(NikolaTesla)獲得了交流電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器和輸電系統(tǒng)的若干專利1891年,第一條三相交流高壓輸電線路在德國(guó)運(yùn)行,從拉芬鎮(zhèn)到法蘭克福全長(zhǎng)178公里,電壓15.2kV,輸送功率200kW8當(dāng)前8頁(yè),總共156頁(yè)。1889年,北美洲第一條單相交流輸電線路在俄勒岡州的威拉姆特瀑布和波特蘭之間建成并投入運(yùn)行,輸電電壓為4kV,距離為21km到1995年世界上交流輸電的最高電壓已達(dá)了1150kV,輸送距離最長(zhǎng)為1900km,設(shè)計(jì)最大的單機(jī)容量為1300MW,但多降壓運(yùn)行高壓交流(highvoltagealternativecurrent,HVAC)輸電電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化,我國(guó)高電壓等級(jí)為110kV、220kV和330kV,超高電壓等級(jí)為500kV和750kV,特高壓等級(jí)為1000kV50年代,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,基于整流、逆變的遠(yuǎn)距離、大容量直流輸電技術(shù)(highvoltagedirectcurrent,HVDC)得到了廣泛應(yīng)用9當(dāng)前9頁(yè),總共156頁(yè)。瑞典于1954年在該國(guó)內(nèi)陸與哥德蘭島之間建造的10-20MW直流輸電系統(tǒng)1972年前后,首個(gè)采用晶閘管的全固態(tài)商業(yè)化HVDC,伊爾河背靠背(backtoback)工程投入運(yùn)營(yíng)?,F(xiàn)時(shí)全球輸電距離最長(zhǎng)的高壓直流輸電系統(tǒng),是位于我國(guó)境內(nèi)的向家壩水電站至上海之間的±800kV,6400MW輸電系統(tǒng),全長(zhǎng)2,071公里。2009年,瑞士ABB集團(tuán)和西班Abengoa集團(tuán)合作,開(kāi)始建設(shè)連接巴西西北部?jī)勺滤娬竞褪ケA_的超過(guò)2500公里輸電線路。該線路成為世界最長(zhǎng)的高壓直流輸電系統(tǒng)。

2004年,50年之際,全球HVDC工程95項(xiàng),總傳輸容量高達(dá)70GW,同時(shí)加快了對(duì)更高電壓等級(jí)(1000kV,1200kV)和輕HVDC(HVDClight)的研究10當(dāng)前10頁(yè),總共156頁(yè)。特高壓交流-直流輸電11當(dāng)前11頁(yè),總共156頁(yè)。直流與交流輸電方式的辯論:

低電壓輸電,距離發(fā)電廠越遠(yuǎn),效率就越低,采用高電壓直流輸電,需要有高電壓的直流發(fā)電機(jī),而且還要根據(jù)不同情況,采用多臺(tái)發(fā)電機(jī)串聯(lián)運(yùn)行的方式。而交流輸電則可以利用簡(jiǎn)單高效的變壓器升降電壓,從而逐步確立優(yōu)勢(shì)地位?,F(xiàn)在已普遍采用三相三線制的交流輸電方式。在輸電線路方面,直流輸電比交流輸電優(yōu)點(diǎn)要多一些,而從發(fā)電、用電和電壓升降的角度考慮,交流輸電比較有利。所以,自然而然地會(huì)想到采用交流發(fā)電,用變壓器升壓,變換成直流后輸電,然后再變換成交流,通過(guò)變壓器降低到適當(dāng)?shù)碾妷汉笏椭劣脩暨@種組合方式。自從開(kāi)發(fā)出高電壓、大容量的水銀整流器制成的交直流變換裝置后,直流輸電再度得到實(shí)用化。12當(dāng)前12頁(yè),總共156頁(yè)。

直流輸電的優(yōu)點(diǎn)歸納如下:①交流輸電時(shí),如果架空輸電線路距離變長(zhǎng),線路電抗所引起的穩(wěn)定性問(wèn)題限制了輸電功率,而直流輸電只有電阻分量,沒(méi)有穩(wěn)定性問(wèn)題。②用電力電纜輸電時(shí),交流電對(duì)線路上的靜電電容充電,充電電流和絕緣體的介質(zhì)損失使輸電功率和輸電距離受到限制。跨海輸電必須使用海底電纜,這時(shí)采用直流輸電就極為有利。③如果把兩個(gè)交流的電力系統(tǒng)用直流輸電相聯(lián)網(wǎng),就不會(huì)受不同頻率或頻率波動(dòng)的影響,事故發(fā)生時(shí)應(yīng)不使短路電流增加,從電力系統(tǒng)控制方面考慮,也有很多優(yōu)點(diǎn)。

13當(dāng)前13頁(yè),總共156頁(yè)。柔性交流輸電系統(tǒng)(flexibleACtransmissionsystem,F(xiàn)ACTS)的概念20世紀(jì)80年代末期,隨著電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和控制理論的進(jìn)一步發(fā)展和綜合應(yīng)用,出現(xiàn)了FACTS

,它旨在提高交流電網(wǎng)的可控性,實(shí)現(xiàn)靈活的潮流控制和最大化電網(wǎng)的傳輸能力.自20世紀(jì)50年代開(kāi)始,隨著汞弧閥換流技術(shù)的逐步成熟和應(yīng)用,使得高壓直流(highvoltagedirectcurrent,HVDC)輸電重新進(jìn)入人們的視野,并和HVAC輸電并肩發(fā)展。

14當(dāng)前14頁(yè),總共156頁(yè)。多種一次能源

除傳統(tǒng)火電、水電外,可再生能源發(fā)電技術(shù)日益完善,分布式發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占比例逐漸上升。核能發(fā)電,風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電;新型電源,如光伏電池、燃料電池、超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容等;機(jī)組容量增大

發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量和大機(jī)組占總裝機(jī)容量的比例不斷提高,2004年世界上最大火電機(jī)組和水電機(jī)組達(dá)到1300MW和700MW,分別安裝在美國(guó)的Cumberland電廠和我國(guó)的三峽水電站高電壓、遠(yuǎn)距離和大規(guī)?;ヂ?lián)電網(wǎng)輸電

如美加聯(lián)合電網(wǎng)和西歐聯(lián)合電網(wǎng),我國(guó)形成了東北、華北、華中、華東和南方五大區(qū)電網(wǎng)的交直流互聯(lián),“西電東送”走廊的輸電距離大部分在1000km以上。1.1.2現(xiàn)代電力系統(tǒng)的主要特點(diǎn)15當(dāng)前15頁(yè),總共156頁(yè)。更加重視電能質(zhì)量自動(dòng)化生產(chǎn)線、精密加工工業(yè)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)的廣泛使用,電能質(zhì)量惡化帶來(lái)的影響加大,對(duì)電能質(zhì)量要求不斷提高。各種新型用電設(shè)備,尤其是電力電子設(shè)備應(yīng)用于電網(wǎng),帶來(lái)了大量的諧波污染,使電能質(zhì)量惡化。自動(dòng)化水平大大提高發(fā)、輸、配和用電一般稱為電力系統(tǒng)的一次側(cè),對(duì)應(yīng)地,將對(duì)電網(wǎng)一次側(cè)進(jìn)行控制、操作的自動(dòng)化和信息系統(tǒng),稱為二次側(cè)。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái),隨著計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)和控制理論的發(fā)展與應(yīng)用,電力系統(tǒng)二次側(cè)得到了巨大的發(fā)展。能量管理系統(tǒng)(energymanagementsystem/supervisorycontroldataacquisition,EMS/SCADA),廣域測(cè)量系統(tǒng)(wide-areameasurmentsystem,WAMS),區(qū)域穩(wěn)定控制、管理信息系統(tǒng)(managementinformationsystem,MIS)等

電力工業(yè)逐步引入市場(chǎng)化機(jī)制我國(guó)十五期間的“廠網(wǎng)分開(kāi),競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”

16當(dāng)前16頁(yè),總共156頁(yè)。電力工業(yè)面對(duì)新的外部環(huán)境制約

(火電廠)的環(huán)境污染;能源產(chǎn)地和主要利用能源的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)分布不平衡:“全國(guó)聯(lián)網(wǎng),西電東送”是我國(guó)能源政策的重要組成部分,預(yù)計(jì)到2020年,西電東送的總?cè)萘繉⑦_(dá)到約1億kw,這對(duì)電網(wǎng)建設(shè)和安全運(yùn)行提出了強(qiáng)大的挑戰(zhàn)。電力設(shè)施占用土地資源:建設(shè)發(fā)電廠、輸電走廊、變電站以及供電纜溝等,將占用更大量的土地資源;大停電事故將帶來(lái)的災(zāi)難性后果,對(duì)社會(huì)的影響日益增大

17當(dāng)前17頁(yè),總共156頁(yè)。京津唐長(zhǎng)江三角洲珠江三角洲北通道中通道南通道西電東送18當(dāng)前18頁(yè),總共156頁(yè)。1.2輸電網(wǎng)互聯(lián)帶來(lái)的挑戰(zhàn)1.2.l電網(wǎng)互聯(lián)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)電網(wǎng)互聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)合理利用能源,有利于各種資源的開(kāi)發(fā)——西電東輸、南北互供80%的水能資源分布在四川、云南西藏等西部地區(qū)煤炭資源保有儲(chǔ)量的76%分布在山西、內(nèi)蒙古、陜西、新疆等北部地區(qū)陸地風(fēng)能主要集中在“三北”地區(qū)(東北、華北北部、西北)我國(guó)2/3以上的能源需求集中在東中部地區(qū)提高供電可靠性減少備用容量可安裝大容量發(fā)電機(jī)組,有利于降低造價(jià),單位電量能耗小有利于安排檢修計(jì)劃提高經(jīng)濟(jì)性19當(dāng)前19頁(yè),總共156頁(yè)。電網(wǎng)互聯(lián)帶來(lái)的挑戰(zhàn):系統(tǒng)規(guī)劃與資源配置的優(yōu)化問(wèn)題,互聯(lián)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)組織,運(yùn)行與管理問(wèn)題,大系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為與安全性分析問(wèn)題,潮流控制問(wèn)題,改善穩(wěn)定性以提高傳輸容量的問(wèn)題等。以下主要討論潮流控制和改善穩(wěn)定性以提高傳輸容量?jī)蓚€(gè)問(wèn)題,這也是FACTS技術(shù)所關(guān)注的核心問(wèn)題。20當(dāng)前20頁(yè),總共156頁(yè)。1.2.2輸電網(wǎng)的潮流控制1.潮流控制的基本概念及其必要性如圖1-1所示,電網(wǎng)中的兩個(gè)母線節(jié)點(diǎn)通過(guò)高壓輸電線路互聯(lián),在忽略線路損耗的情況下,線路上的有功潮流由下式?jīng)Q定:21當(dāng)前21頁(yè),總共156頁(yè)。

在大型電網(wǎng)中,節(jié)點(diǎn)電壓幅值受很多因素的制約(如負(fù)載和設(shè)備的耐壓等),一般在額定值附近變化不大;如果不考慮電網(wǎng)中的無(wú)功補(bǔ)償器、移相器等調(diào)節(jié)設(shè)備,電網(wǎng)的“自然”潮流分布將主要決定于功率注人的位置和大小,以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛥?shù)。除了受制于線路載流能力而需要進(jìn)行潮流調(diào)整以外,還有很多因素,使得對(duì)大電網(wǎng)的自然潮流分布進(jìn)行控制成為必要,如:1)減少環(huán)流,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)潮流,降低網(wǎng)絡(luò)損耗復(fù)雜電網(wǎng)中存在大量的電磁環(huán)網(wǎng),參數(shù)設(shè)置不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)環(huán)流,增加損耗。同時(shí),功率從一個(gè)節(jié)點(diǎn)流向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)也會(huì)有多個(gè)通道,不同的潮流分布方式對(duì)應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)損耗,如何實(shí)現(xiàn)損耗最小的潮流(最優(yōu)潮流)成為潮流控制的重要目標(biāo)之一。22當(dāng)前22頁(yè),總共156頁(yè)。2)穩(wěn)定性考慮通過(guò)潮流控制,使系統(tǒng)運(yùn)行于最有利于穩(wěn)定性的潮流模式下。同時(shí)在擾動(dòng)發(fā)生后,通過(guò)對(duì)潮流進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制,能大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3)電力交易市場(chǎng)化的基礎(chǔ)電網(wǎng)是電力交易的“物流平臺(tái)”,電力市場(chǎng)進(jìn)一步的發(fā)展將要求對(duì)潮流進(jìn)行精確和靈活的控制。

23當(dāng)前23頁(yè),總共156頁(yè)。2.潮流控制的方法電力系統(tǒng)的潮流是由電源、負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)三者共同決定的。其中負(fù)荷一般是不可控的;而大電源的布局是在電網(wǎng)規(guī)劃過(guò)程中,根據(jù)一次能源位置以及多種決定技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的因素來(lái)確定的,投人運(yùn)行后,主要由系統(tǒng)調(diào)度和機(jī)組控制來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)其輸出,能在一定程度上對(duì)電網(wǎng)潮流進(jìn)行控制;分散發(fā)電電源,雖然其可控制性和靈活性較好,但相對(duì)來(lái)說(shuō),容量較小,對(duì)主于電網(wǎng)的潮流控制能力較弱。以下主要介紹通過(guò)對(duì)輸電網(wǎng)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)潮流控制的方法.

24當(dāng)前24頁(yè),總共156頁(yè)。25當(dāng)前25頁(yè),總共156頁(yè)。26當(dāng)前26頁(yè),總共156頁(yè)。27當(dāng)前27頁(yè),總共156頁(yè)。28當(dāng)前28頁(yè),總共156頁(yè)。29當(dāng)前29頁(yè),總共156頁(yè)。30當(dāng)前30頁(yè),總共156頁(yè)。31當(dāng)前31頁(yè),總共156頁(yè)。32當(dāng)前32頁(yè),總共156頁(yè)。2.3提高傳輸容量

1.決定傳輸容量的因素電網(wǎng)的傳輸容量(transfercapacity)是指電網(wǎng)在一系列的約束條件下能夠傳輸功率的能力。限制電網(wǎng)傳輸容量的主要因素包括熱穩(wěn)定極限、設(shè)備絕緣限制、理想線路的極限傳輸功率和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性限制。

33當(dāng)前33頁(yè),總共156頁(yè)。

(1)熱穩(wěn)定極限運(yùn)行中的電力設(shè)備由于存在內(nèi)部損耗,通常會(huì)發(fā)熱并升溫,而且發(fā)熱量隨著載流量的增大而增加,一旦載流量過(guò)大、溫升達(dá)到其上限,就會(huì)破壞設(shè)備本身的機(jī)械和物理特性,使其不能正常工作。對(duì)應(yīng)該上限溫升值的傳輸功率即稱為設(shè)備的熱穩(wěn)定極限。在電網(wǎng)中,主要是架空線的熱容量限制傳輸容量。規(guī)劃輸電線路時(shí),一般是在比較保守的基礎(chǔ)上,即考慮(統(tǒng)計(jì)意義上的)最惡劣環(huán)境下,根據(jù)其在電網(wǎng)中承擔(dān)的功率設(shè)計(jì)物理參數(shù),實(shí)際運(yùn)行時(shí)的傳輸容量一般遠(yuǎn)低于熱穩(wěn)定極限,存在較大的冗余。

34當(dāng)前34頁(yè),總共156頁(yè)。

(2)設(shè)備絕緣限制電力設(shè)備的耐壓值都是有限的,必須保證設(shè)備工作在允許的電壓限值以內(nèi)(如不超過(guò)額定值的10%)。(3)理想線路的極限傳輸功率(或靜態(tài)穩(wěn)定極限功率,staticstablltylimit)一條無(wú)損的理想線路上能流過(guò)的最大功率稱靜態(tài)穩(wěn)定極限功率.(4)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性限制交流互聯(lián)電網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)功率傳輸?shù)幕緱l件是系統(tǒng)穩(wěn)定,即運(yùn)行于正常條件下的平衡狀態(tài)在遭受干擾后能夠恢復(fù)到容許的平衡狀態(tài)。對(duì)于發(fā)電機(jī),穩(wěn)定是維持同步運(yùn)行的問(wèn)題,即系統(tǒng)中所有的同步發(fā)電機(jī)在滿足一定的電壓、頻率約束下能彼此保持同步運(yùn)行;對(duì)于負(fù)荷,穩(wěn)定是維持電壓在其正常范圍之內(nèi),避免負(fù)荷電壓的崩潰。35當(dāng)前35頁(yè),總共156頁(yè)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性限制表現(xiàn)形式:電壓穩(wěn)定功角穩(wěn)定頻率穩(wěn)定數(shù)學(xué)定義:小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定時(shí)間上分:短期穩(wěn)定中長(zhǎng)期穩(wěn)定電力系統(tǒng)穩(wěn)定性限制決定的傳輸容量極限小于其他因素電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的本質(zhì)是功率平衡,需要通過(guò)快速的潮流調(diào)節(jié)來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性傳統(tǒng)慢動(dòng)態(tài)或者不能動(dòng)態(tài)、連續(xù)調(diào)節(jié)的手段在提高穩(wěn)定性方面的作用非常有限,如固定串聯(lián)電容器、機(jī)械式投切并聯(lián)電容器、調(diào)整移相器或變壓器抽頭36當(dāng)前36頁(yè),總共156頁(yè)。最大功率振蕩幅度達(dá)500MW(湖南五崗線),波及湖南、湖北、河南3省電網(wǎng),是目前華中電網(wǎng)WAMS監(jiān)測(cè)到的覆蓋面積最大的區(qū)域低頻振蕩,振蕩頻率為0.41Hz。2008年1月21日37當(dāng)前37頁(yè),總共156頁(yè)。2.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性概述l)轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性(rotoranglestability)轉(zhuǎn)子角度穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)中互聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行的能力。根據(jù)干擾特性,又分為小信號(hào)(小擾動(dòng))穩(wěn)定和暫態(tài)(大擾動(dòng))穩(wěn)定兩種(1)小干擾穩(wěn)定(small-signalorsmall-disturbancerotoranglestability)是電力系統(tǒng)在小擾動(dòng)下保持同步運(yùn)行的能力。小擾動(dòng)穩(wěn)定可能產(chǎn)生兩種形式的不穩(wěn)定現(xiàn)象,即由于缺乏足夠的同步轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子角持續(xù)增加而失去穩(wěn)定,以及由于缺乏足夠的阻尼轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子角增幅振蕩而失去穩(wěn)定(稱為失去振蕩穩(wěn)定性)38當(dāng)前38頁(yè),總共156頁(yè)。振蕩穩(wěn)定性又分為本地模式、區(qū)間模式、扭振模式和控制模式。本地模式:即一個(gè)發(fā)電廠的機(jī)組與系統(tǒng)中其余機(jī)組的搖擺模式,振蕩頻率通常在0.7~2.0HZ范圍內(nèi)。區(qū)間模式:即系統(tǒng)中一個(gè)機(jī)群對(duì)另一個(gè)機(jī)群的搖擺模式,通常是由于緊密連接的兩組或多組電機(jī)通過(guò)弱聯(lián)絡(luò)線互聯(lián)而造成的,振蕩頻率一般在0.1~0.7HZ范圍內(nèi)。本地和區(qū)間模式又常統(tǒng)稱為低頻振蕩、功率振蕩或機(jī)電振蕩。扭振模式:即與汽輪發(fā)電機(jī)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)部件相關(guān)的振蕩模式,軸系扭振與勵(lì)磁控制、調(diào)速器、HVDC和串聯(lián)電容器補(bǔ)償?shù)木€路等相互作用可能引起扭振模式的不穩(wěn)定。控制模式:與系統(tǒng)控制裝置相關(guān)的模式,未調(diào)整好的勵(lì)磁裝置、調(diào)速器、直流換流器和串并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償器等造成的不穩(wěn)定模式。

39當(dāng)前39頁(yè),總共156頁(yè)。(2)暫態(tài)穩(wěn)定(transientorlarge-dsturbancerotoranglestability)暫態(tài)(大擾動(dòng))穩(wěn)定是電力系統(tǒng)遭受嚴(yán)重暫態(tài)擾動(dòng)下保持同步運(yùn)行的能力。主要取決于初始運(yùn)行工況、擾動(dòng)的嚴(yán)重程度和系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)方式。在穩(wěn)定情況(曲線1)下,轉(zhuǎn)子角增加到最大值后開(kāi)始減少并減幅振蕩直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);曲線2情況下轉(zhuǎn)子角持續(xù)增加并最后失去同步;曲線3情況下第一擺是穩(wěn)定的,但由于振蕩幅度逐漸增大而最終失去穩(wěn)定性;40當(dāng)前40頁(yè),總共156頁(yè)。2)電壓穩(wěn)定性(voltagestability)電壓穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下和遭受擾動(dòng)之后系統(tǒng)所有母線都持續(xù)保持可接受電壓的能力??煞譃樾_動(dòng)和大擾動(dòng)兩種。(1)小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性(small-disturbancevoltageStability)指系統(tǒng)在給定工況下響應(yīng)負(fù)荷緩慢變化等小干擾時(shí)控制系統(tǒng)電壓的能力。

41當(dāng)前41頁(yè),總共156頁(yè)。(2)大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性(large-disturbancevoltageStability)大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在發(fā)生故障、切機(jī)等大擾動(dòng)或故障之后控制系統(tǒng)電壓、維持正常運(yùn)行的能力。這種能力是由系統(tǒng)一負(fù)荷特性、連續(xù)和離散的保護(hù)和控制的相互作用所決定的。大擾動(dòng)穩(wěn)定性的判定需要在足夠長(zhǎng)的時(shí)間(數(shù)秒到數(shù)十分鐘)內(nèi)分析系統(tǒng)的非線性動(dòng)態(tài)特性以及帶載調(diào)壓變壓器和機(jī)組勵(lì)磁電流限制器等控制裝置的相互作用關(guān)系,檢查所有的母線電壓是否達(dá)到可接受的水平。電壓崩潰(voltagecollapse),它是指系統(tǒng)在某運(yùn)行工況下遭受特定的大擾動(dòng)后,系統(tǒng)的電壓發(fā)生大幅度跌落,造成事故后電壓低于可接受的下限值。電壓崩潰通常會(huì)引起局部乃至大范圍的停電(blackout)。42當(dāng)前42頁(yè),總共156頁(yè)。

注意:電壓不穩(wěn)定并不總是以其單純的形式發(fā)生,而經(jīng)常與轉(zhuǎn)子角不穩(wěn)定同時(shí)發(fā)生。

43當(dāng)前43頁(yè),總共156頁(yè)。3)中期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性(mid-termandlong-termstability)引入這兩個(gè)概念是為了研究電力系統(tǒng)遭受嚴(yán)重?cái)_動(dòng)后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其導(dǎo)致的穩(wěn)定性問(wèn)題。嚴(yán)重的擾動(dòng)會(huì)造成系統(tǒng)潮流、電壓和頻率產(chǎn)生大幅度的偏移,進(jìn)而引起保護(hù)和控制動(dòng)作,以及諸多慢過(guò)程動(dòng)態(tài)(如火電廠的熱力系統(tǒng)),這些在一般的暫態(tài)穩(wěn)定性分析中是不考慮的,需要采用合適的中期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究的模型和方法。

44當(dāng)前44頁(yè),總共156頁(yè)。長(zhǎng)期穩(wěn)定性主要是伴隨大規(guī)模系統(tǒng)擾動(dòng)而產(chǎn)生的較慢的、長(zhǎng)期的現(xiàn)象,及其所引起的大的、持續(xù)的發(fā)電與用電之間的功率不平衡問(wèn)題。關(guān)心的動(dòng)態(tài)過(guò)程包括火電機(jī)組的鍋爐動(dòng)態(tài),水電機(jī)組的進(jìn)水管和導(dǎo)管動(dòng)態(tài),自動(dòng)發(fā)電控制,保護(hù)/控制作用,變壓器飽和,負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)的非正常頻率效應(yīng)等。

中期響應(yīng)是介于短期和長(zhǎng)期響應(yīng)之間的系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程。中期穩(wěn)定性的研究,主要在于發(fā)電機(jī)之間的同步振蕩,包括一些較慢現(xiàn)象的作用以及大的電壓或/和頻率偏移等問(wèn)題。一般典型的時(shí)段范圍是:短期(或暫態(tài))對(duì)應(yīng)0~105,中期對(duì)應(yīng)10s至數(shù)分鐘,長(zhǎng)期對(duì)應(yīng)數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘。然而應(yīng)該注意到,短期、中期和長(zhǎng)期的劃分首要是根據(jù)所分析的現(xiàn)象和所采用的系統(tǒng)描述,特別是所關(guān)注的系統(tǒng)暫態(tài)和機(jī)組振蕩的描述,而不是單純地根據(jù)時(shí)段范圍。45當(dāng)前45頁(yè),總共156頁(yè)。3.提高電網(wǎng)傳輸容量的方法

以單回500kV交流輸電線路為例,其自然功率、熱穩(wěn)定極限和受穩(wěn)定性約束的實(shí)際運(yùn)行功率分別約為1000MW、3000MW和600~1700MW(美國(guó)平均在1000MW及以上,國(guó)內(nèi)平均約為800MW)因此,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性是提高電網(wǎng)傳輸容量的首要內(nèi)容,其最終目標(biāo)是將電網(wǎng)傳輸容量提高到熱穩(wěn)定和絕緣極限。改善穩(wěn)定性的方法:首先需要在規(guī)劃階段合理安排電源和網(wǎng)絡(luò),如建設(shè)適當(dāng)數(shù)量的輸電線路、建立聯(lián)系更緊密的電網(wǎng)、合理布置變電站、采用更快速的斷路器等。對(duì)于已建成電網(wǎng),主要是通過(guò)在運(yùn)行過(guò)程采用各種控制手段來(lái)提高其穩(wěn)定性,包括增設(shè)一些新的控制設(shè)備。46當(dāng)前46頁(yè),總共156頁(yè)。47當(dāng)前47頁(yè),總共156頁(yè)。幾個(gè)重要參數(shù)整定的說(shuō)明控制線路阻抗X可有效控制線路的電流。當(dāng)傳輸角d(或功角)較小時(shí),控制線路阻抗X或傳輸角可有效控制有功功率。線路阻抗X的控制48當(dāng)前48頁(yè),總共156頁(yè)。傳輸角的控制

傳輸角的改變能顯著控制端點(diǎn)電壓。在傳輸線中以串聯(lián)方式注入一個(gè)電壓源,這個(gè)注入的串聯(lián)無(wú)功功率補(bǔ)償電壓可有效控制線路電流,改變有功功率的潮流。調(diào)節(jié)注入電壓的幅值和它與端點(diǎn)電壓之間的相位,可控制線路電流的大小和相位。49當(dāng)前49頁(yè),總共156頁(yè)。串聯(lián)控制器的容量通常只需設(shè)計(jì)為占線路傳輸容量很少的一個(gè)百分比。當(dāng)相角較小時(shí),可通過(guò)線路的互連來(lái)控制無(wú)功功率潮流。將串聯(lián)控制器與并聯(lián)連接的電壓調(diào)節(jié)器結(jié)合起來(lái),就可構(gòu)成另一種形式的阻抗控制器,它能有效的控制兩個(gè)系統(tǒng)間的有功和無(wú)功功率潮流。50當(dāng)前50頁(yè),總共156頁(yè)。1.3傳統(tǒng)解決方法及其局限性

在大容量電力電子技術(shù)得到應(yīng)用以前,進(jìn)行潮流控制和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的共同基點(diǎn),即機(jī)械開(kāi)關(guān)。如在控制潮流方法中,采用固定串聯(lián)電容器(Fixedseriescapacitor,F(xiàn)SC)機(jī)械式投切并聯(lián)電容器(mechanicallyswitchedcapacitor,MSC)機(jī)械式投切并聯(lián)電抗器(mechanicallyswitchedreactor,MSR)調(diào)整移相器;變壓器;51當(dāng)前51頁(yè),總共156頁(yè)。傳統(tǒng)的機(jī)械式控制方法的局限性:1、速度慢。操作時(shí)間一般為20~80ms;傳統(tǒng)方法基本上只能在靜態(tài)情況下控制系統(tǒng)潮流,對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的控制缺乏足夠的能力。為解決系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題,一般留有較大的穩(wěn)定儲(chǔ)備,導(dǎo)致電網(wǎng)的輸電能力沒(méi)有得到充分利用。2、不能短時(shí)間頻繁操作,嚴(yán)重制約了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)快速控制的能力。3、機(jī)械裝置老化快,壽命有限??傊?,傳統(tǒng)的機(jī)械式解決方法,制約了潮流控制的靈活性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高,難以充分利用電力設(shè)備的輸電能力。

52當(dāng)前52頁(yè),總共156頁(yè)。1.4新的解決方法一FACTS的誕生1.4.1FACTS出現(xiàn)的背景及其必然性

最早是由美國(guó)電力科學(xué)院(ElectricPowerResearchInstitute,EPRI)副總裁NarainG.Hingorani博士在1986年的美國(guó)電力科學(xué)院雜志(EPRIJournal)上提出來(lái)的,并于1987年7月在舊金山舉行的電氣和電子工程師協(xié)會(huì)/電氣工程協(xié)會(huì)(InstituteofElectricandElectronicsEngIneers/PowerEngineeringSociety,IEEE/PES)夏季會(huì)議及1988年4月在芝加哥舉行的美國(guó)電力第50屆年會(huì)上公開(kāi)宣講,其中后者的文稿被公開(kāi)發(fā)表在IEEEPowerEngineeringReview雜志上。國(guó)際學(xué)術(shù)組織(如CIGRE,IEEE,EPRI,IEE等)皆設(shè)立委員會(huì)或工作組開(kāi)展工,相繼召開(kāi)國(guó)際性的和地區(qū)性的專題國(guó)際會(huì)議,探討FACTS技術(shù)并促進(jìn)其發(fā)展。53當(dāng)前53頁(yè),總共156頁(yè)。IEEE:電氣與電子工程師學(xué)會(huì);CIGRE:國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議;IEE:國(guó)際電氣工程師學(xué)會(huì)EPRI:美國(guó)電力研究院54當(dāng)前54頁(yè),總共156頁(yè)。(1)FACTS技術(shù)的產(chǎn)生是解決輸電網(wǎng)運(yùn)行和發(fā)展中各種困難的客觀需要。現(xiàn)代電力系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為大規(guī)模的交直流互聯(lián)電網(wǎng),受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行任務(wù)繁重、電能質(zhì)量要求高以及市場(chǎng)和環(huán)保等多種條件制約,對(duì)輸電網(wǎng)的可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出了越來(lái)越高的要求。但傳統(tǒng)的機(jī)械式控制方法具有明顯的局限性,造成輸電的可控性差、系統(tǒng)的穩(wěn)定水平低,導(dǎo)致輸送電力難以靈活調(diào)節(jié),傳輸設(shè)備不能充分利用。而FACTS作為一種新的解決方法,在控制電網(wǎng)潮流、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性以及傳輸容量方面帶來(lái)了前所未有的契機(jī),從而得到廣泛認(rèn)可和迅速發(fā)展。55當(dāng)前55頁(yè),總共156頁(yè)。

FACTS

建立在電力電子或其它靜止型控制器基礎(chǔ)之上的、能提高可控性和增大電力傳輸能力的交流輸電系統(tǒng)。

定義1986年,美國(guó)電力系統(tǒng)專家N.G.Hingorani博士提出一、FACTS設(shè)備的功能和定義

IEEEPESTaskForceoftheFACTSWorkingGroup56當(dāng)前56頁(yè),總共156頁(yè)。FACTS代表一種靈活性更好的交流輸電系統(tǒng),有別于以往的交流輸電系統(tǒng);FACTS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是電力電子器件與其它(如電容器、電抗器之類)無(wú)源元件的組合;FACTS的目的是要提高輸電系統(tǒng)的可控性、保證電能質(zhì)量,并能增強(qiáng)系統(tǒng)傳輸能力。

57當(dāng)前57頁(yè),總共156頁(yè)。輸電領(lǐng)域:較大范圍地控制潮流使之按指定路徑流動(dòng)。保證輸電線的負(fù)荷可接近熱穩(wěn)定極限,但不會(huì)出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷。在控制的區(qū)域內(nèi)可以傳輸更多的功率,因而能減少發(fā)電機(jī)的熱備用。在系統(tǒng)短路和設(shè)備故障情況下,能夠防止出現(xiàn)線路連鎖跳閘的“骨牌效應(yīng)”

。阻尼可能會(huì)損壞設(shè)備或限制輸電容量的各種電力系統(tǒng)振蕩

58當(dāng)前58頁(yè),總共156頁(yè)。配電領(lǐng)域:有效解決電能質(zhì)量問(wèn)題設(shè)備名電壓跌落造成的影響制冷電子控制器電壓低于80%時(shí),控制器動(dòng)作將制冷機(jī)切除,產(chǎn)生巨大損失可編程控制器電壓低于81%時(shí),某些新型的PLC將停止工作精密機(jī)械工具精細(xì)作業(yè)的電機(jī),電壓低于90%,持續(xù)時(shí)間超過(guò)3個(gè)周波,電機(jī)會(huì)跳閘直流電機(jī)電壓低于80%,直流電機(jī)跳閘影響對(duì)象諧波造成的影響電壓波峰電壓波形峰值處變平,依賴電壓峰值工作的設(shè)備實(shí)效中線電流中性點(diǎn)電流增大,中性點(diǎn)對(duì)地電壓升高,負(fù)荷電壓下降供電變壓器渦流損耗增加,降低變壓器使用容量功率因數(shù)功率因數(shù)降低,增大供電變壓器容量59當(dāng)前59頁(yè),總共156頁(yè)。傳統(tǒng)的電能質(zhì)量控制設(shè)備一般都是由無(wú)源元件或是帶有旋轉(zhuǎn)部分的裝置組成。傳統(tǒng)的電能質(zhì)量控制很多是通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展,完全依靠發(fā)電機(jī)組和無(wú)源元件完成電能質(zhì)量的控制已經(jīng)不太有效。FACTS技術(shù)的出現(xiàn),使得電能質(zhì)量控制的概念以及實(shí)現(xiàn)手段發(fā)生了根本性的變化(DFACTS設(shè)備:有源濾波器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器、統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器、固態(tài)切換開(kāi)關(guān))FACTS裝置所起到的作用大小,除了與控制技術(shù)有關(guān)外,很大程度上還取決于電力電子器件容量的大小。60當(dāng)前60頁(yè),總共156頁(yè)。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)HVIGBT4.5KV0.9KA61當(dāng)前61頁(yè),總共156頁(yè)。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(lái)越大、頻率越來(lái)越高的方向發(fā)展。62當(dāng)前62頁(yè),總共156頁(yè)。二、交流輸電系統(tǒng)中的潮流控制

60Ω1280MW700MW60Ω715.2MW40ΩABC600MW115.2MW546.8MW700MW60/2Ω1280MW680MW60Ω570.8MW40ΩABC600MW29.2MW709.2MW增建新的電路,交流電路或者HVDC63當(dāng)前63頁(yè),總共156頁(yè)。串聯(lián)阻抗補(bǔ)償串聯(lián)無(wú)功電壓補(bǔ)償60Ω1280MW680MW60Ω697.7MW40ΩABC600MW97.7MW582.3MW-4.2Ω60Ω1280MW680MW60Ω697.2MW40ΩABC600MW97.2MW582.8MW4ΩB-C上采用感性串聯(lián)補(bǔ)償A-C上采用容性串聯(lián)補(bǔ)償二、交流輸電系統(tǒng)中的潮流控制

64當(dāng)前64頁(yè),總共156頁(yè)。60Ω1280MW680MW60Ω697.7MW40ΩABC600MW97.7MW582.3MW4Ω在A-C線路上采用移相器60Ω1280MW680MW60Ω698.4MW40ΩABC600MW98.4MW581.6MW40Ω在A-C線路中點(diǎn)處采用并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償二、交流輸電系統(tǒng)中的潮流控制

65當(dāng)前65頁(yè),總共156頁(yè)。60Ω1280MW680MW60Ω695.2MW40ΩABC600MW95.2MW548.8MW40Ω二、交流輸電系統(tǒng)中的潮流控制

方法控制參數(shù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性建設(shè)HVDC/HVAC線路線路等效阻抗投資達(dá)、建設(shè)周期春能夠,受輸電走廊的限制,運(yùn)行和控制簡(jiǎn)單,可靠性最高采用串聯(lián)阻抗補(bǔ)償器線路等效阻抗投資小、運(yùn)行和控制相對(duì)復(fù)雜采用移相器相角差采用并聯(lián)補(bǔ)償器節(jié)點(diǎn)電壓采用綜合型潮流控制器多個(gè)參數(shù)采用綜合潮流控制的方法IPFC66當(dāng)前66頁(yè),總共156頁(yè)。U2∠d2U1∠d1DULI=?UL/x相位滯后?UL90°

I12U1∠d1U2∠d2P&QIx相對(duì)于端點(diǎn)電壓來(lái)說(shuō),線路壓降?UL很小,且相位角d也很小。三、FACTS技術(shù)在輸電網(wǎng)中的潮流控制中的應(yīng)用67當(dāng)前67頁(yè),總共156頁(yè)。U1處有功電流:Ip1=(U2sind)/xU1處無(wú)功電流:Iq1=(U1-U2cosd)/xU1處有功功率:P1=U1(U2sind)/xU1處無(wú)功功率:Q1=U1(U1-U2cosd)/xU1U2U1sindU1cosdU2sinddIq1=(U1-U2cosd)/x(U1-U2cosd)U2cosdIp1=U2sind/xIf1f1U2sind

=Ixcosf1=Ip1xU1-U2cosd

=Ixsinf1=Iq1x

三、FACTS技術(shù)在輸電網(wǎng)中的潮流控制中的應(yīng)用68當(dāng)前68頁(yè),總共156頁(yè)。Pmax180°90°PowerP=——sindU1U2X0°dIU2U1U1-U2注入電壓IU1-U2U2U1I三、FACTS技術(shù)在輸電網(wǎng)中的潮流控制中的應(yīng)用FACTS設(shè)備改變線路潮流的基本方式69當(dāng)前69頁(yè),總共156頁(yè)。控制線路阻抗X可有效控制線路的電流,它是控制潮流最有效的方法。當(dāng)傳輸角d(或功角)較小時(shí),控制線路阻抗X或d可有效控制有功功率。在輸電線路中以串聯(lián)方式注入一個(gè)電壓源,并假定它的相量垂直于線路電流,則對(duì)這個(gè)注入電壓的控制可使線路電流幅值增大或減小,因而能顯著改變有功功率的潮流(如靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器,SSSC)。調(diào)節(jié)注入電壓的幅值和它與端點(diǎn)電壓之間的相位,可控制線路電流的大小和相位。串聯(lián)控制器的容量通常占線路傳輸容量很少的一個(gè)百分比。三、FACTS技術(shù)在輸電網(wǎng)潮流控制中的應(yīng)用70當(dāng)前70頁(yè),總共156頁(yè)。1.4.2FACTS的歷史、現(xiàn)狀與前景20世紀(jì)60年代初期,晶閘管(thyristor)的發(fā)明標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。20世紀(jì)70年代初,F(xiàn)ACTS控制器家族中的第一個(gè)成員——采用晶閘管控制電抗器(TCR)的靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用。它是歷史最悠久、目前應(yīng)用最廣的FACTS控制器。1980年,日本三菱電機(jī)公司研制出第一臺(tái)基于晶閘管的靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM),容量為士20Mvar。1981年,N.G.Hingorani博士發(fā)明了以他的名字命名的FACTS控制器NGH-SSRdamper.

71當(dāng)前71頁(yè),總共156頁(yè)。1986年,N.G.Hingorani博士首次完整公開(kāi)地提出FACTS1986年,美國(guó)西屋公司和EPRI合作研制出首臺(tái)基于可關(guān)斷晶閘管(GTO)的STATCOM,容量為士1Mvar。1992年,德國(guó)西門子公司研制并在美國(guó)西部電力局投運(yùn)第一臺(tái)晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC)裝置。1997年,美國(guó)電力公司、西屋公司和EPRI合作研制容量為士320MV·A的統(tǒng)一潮流控制器(UPFC),這是采用可關(guān)斷電力電子器件構(gòu)成的容量較大的FACTS控制器。1997年,IEEE/PES成立專門的DC&FACTS分委會(huì),設(shè)FACTS作組,旨在規(guī)范FACTS技術(shù)的術(shù)語(yǔ)定義和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

72當(dāng)前72頁(yè),總共156頁(yè)。

1999年,清華大學(xué)和河南省電力局合作研制了我國(guó)首臺(tái)工業(yè)化STATCOM,容量為士20Mvar。2001年,美國(guó)紐約電力局投運(yùn)其可轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器(CSC)的第一階段,即士200Mvar的STATCOM;在FACTS概念形成以前,取得廣泛應(yīng)用的FACTS控制器基本上只有SVC;目前已發(fā)明了近20種FACTS控制器,部分已經(jīng)商業(yè)化并取得良好的成效,如SVC、STATCOM、TCSC、UPFC。到2004年,已經(jīng)投運(yùn)的FACTS和用戶電力工程已有上千個(gè),總?cè)萘窟_(dá)到100GV·A(其中SVC占絕大部分),使其成為解決現(xiàn)代電網(wǎng)諸多挑戰(zhàn)的重要手段之一。73當(dāng)前73頁(yè),總共156頁(yè)。

1.5FACTS及其控制器概述1.5.1FACTS基本概念

N.G.Hinsorani博士最早(1988年)對(duì)FACTS的定義是:柔性交流輸電系統(tǒng),即FACTS,是基于晶閘管的控制器的集合,包括移相器、先進(jìn)的靜止無(wú)功補(bǔ)償器、動(dòng)態(tài)制動(dòng)器、可控串聯(lián)電容、帶載調(diào)壓器、故障電流限制器以及其他有待發(fā)明的控制器。從FACTS概念誕生到20世紀(jì)90年代中期,由于大量新的FACTS設(shè)備相繼出現(xiàn),對(duì)它們的命名出現(xiàn)了一定的混亂,IEEE/PES成立專門的DC&FACTS分委會(huì),設(shè)FACTS工作組,旨在規(guī)范FACTS的術(shù)語(yǔ)定義和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。1997年,F(xiàn)ACTS工作組發(fā)布了“FACTS的推薦術(shù)語(yǔ)和定義”文本。74當(dāng)前74頁(yè),總共156頁(yè)。

電力傳輸?shù)娜嵝裕`活性(flexibilityofelectricpowertransmission)指電力傳輸系統(tǒng)在維持足夠穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定裕度的條件下適應(yīng)電網(wǎng)及其運(yùn)行方式變動(dòng)的能力。柔性/靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)指具有基于電力電子技術(shù)的或其他靜態(tài)的控制器以提高可控性和傳輸容量的交流輸電系統(tǒng)。FACTS控制器(FACTScontroller)指基于電力電子技術(shù)的系統(tǒng)或其他靜態(tài)的設(shè)備,它能對(duì)交流輸電系統(tǒng)的某個(gè)或某些參數(shù)進(jìn)行控制。75當(dāng)前75頁(yè),總共156頁(yè)。1.5.2FACTS控制器的基本類型FACTS控制器

串聯(lián)型控制器并聯(lián)型控制器串并組合型控制器串串組合型控制器一、FACTS設(shè)備的基本類型

76當(dāng)前76頁(yè),總共156頁(yè)。串聯(lián)型控制器與線路串聯(lián),相當(dāng)于一個(gè)可變阻抗,如晶閘管投切或控制的電容器、電抗器;

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)電容器一、FACTS設(shè)備的基本類型

串聯(lián)型控制器77當(dāng)前77頁(yè),總共156頁(yè)。串聯(lián)型控制器也能以可控串聯(lián)電壓源(基于電壓型變流器)的形式接入線路,只要該串聯(lián)電壓與流過(guò)它的線路電流正交,串聯(lián)控制器只能提供或吸收可變的無(wú)功功率,在其它任何相位關(guān)系時(shí),則此串聯(lián)電壓都會(huì)涉及到有功功率的交換。通過(guò)調(diào)節(jié)該電壓源的幅值和相位,即可改變其輸出無(wú)功甚至有功功率的大小,起到直接改變線路等效參數(shù)(阻抗)的目的。SSSC(staticsynchronousseriescompensator)靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器一、FACTS設(shè)備的基本類型

串聯(lián)型控制器78當(dāng)前78頁(yè),總共156頁(yè)。串聯(lián)型FACTS控制器的作用:串聯(lián)型控制器對(duì)工作電壓、電流和功率潮流有直接的影響。增加或減少串聯(lián)型控制器的串聯(lián)電壓可改善電壓質(zhì)量。串聯(lián)型控制器。調(diào)節(jié)線路等效阻抗,從而直接影響電網(wǎng)中電流和功率的分布以及電壓降,在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于控制潮流、提高暫態(tài)穩(wěn)定性和阻尼振蕩等具有非常好的效果。設(shè)計(jì)和控制中需解決的重要問(wèn)題:串聯(lián)型FACTS控制器能必須設(shè)計(jì)成能夠承受意外故障電流和動(dòng)態(tài)過(guò)負(fù)荷電流,并且能夠通過(guò)或旁路掉短路電流。79當(dāng)前79頁(yè),總共156頁(yè)。并聯(lián)型FACTS控制器與能量流動(dòng)的方向呈垂直(并聯(lián))關(guān)系。它可是一個(gè)并聯(lián)可變阻抗,如晶閘管投切或控制的電容器、電抗器;或者是基于電力電子變換器的可控電流源。所有的并聯(lián)控制器都相當(dāng)于一個(gè)在連接點(diǎn)處向系統(tǒng)注人的電流源,通過(guò)改變?cè)撾娏髟摧敵鲭娏鞯姆岛拖辔唬纯筛淖兤渥⑷胂到y(tǒng)的無(wú)功甚至有功功率的大小,起到調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)功率和電壓的作用,進(jìn)而達(dá)到間接調(diào)節(jié)電網(wǎng)潮流的目的。潮流控制方面的效果不如串聯(lián)型FACTS控制器明顯;但并聯(lián)型FACTS控制器在維持變電站母線電壓方面更具性價(jià)比。并聯(lián)型控制器一、FACTS設(shè)備的基本類型

80當(dāng)前80頁(yè),總共156頁(yè)。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。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(bǔ)償器并聯(lián)型控制器一、FACTS設(shè)備的基本類型

81當(dāng)前81頁(yè),總共156頁(yè)。并聯(lián)型FACTS控制器的作用:并聯(lián)型控制器可對(duì)電壓進(jìn)行有效的控制,并起到阻尼電壓振蕩的作用。并聯(lián)型控制器在維持變電站母線電壓質(zhì)量方面非常有效。并聯(lián)控制器只針對(duì)母線上的節(jié)點(diǎn),不會(huì)對(duì)母線電壓的控制造成負(fù)面的影響。并聯(lián)型控制器無(wú)論在何種情況下,都不能控制整條線路的潮流。82當(dāng)前82頁(yè),總共156頁(yè)。該類控制器是單個(gè)并聯(lián)和串聯(lián)控制器的組合,這些獨(dú)立的控制器之間能夠相互協(xié)調(diào)工作UPFC(unifiedpowerflowcontroller),統(tǒng)一潮流控制器將串聯(lián)型和并聯(lián)型FACTS控制綜合成一個(gè)整體,兼具二者的優(yōu)點(diǎn),能更好地控制電網(wǎng)潮流、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。組合的并聯(lián)和串聯(lián)控制器一般是用并聯(lián)部分給系統(tǒng)注入電流;用串聯(lián)部分在線路上注入一個(gè)電壓。直流連接串并聯(lián)組合型控制器一、FACTS設(shè)備的基本類型

83當(dāng)前83頁(yè),總共156頁(yè)。

串聯(lián)一并聯(lián)組合型FACTS控制器的兩種實(shí)現(xiàn)方式由獨(dú)立的串聯(lián)和并聯(lián)控制器組合而成,通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂剖蛊鋮f(xié)調(diào)工作如圖a;通過(guò)將串聯(lián)型和并聯(lián)型FACTS控制器的直流側(cè)連在一起構(gòu)成UPFC(統(tǒng)一潮流控制器)如圖b。串聯(lián)一并聯(lián)組合型FACTS控制器:并聯(lián)部分向系統(tǒng)注人電流,串聯(lián)部分向系統(tǒng)注人電壓;并聯(lián)和串聯(lián)部分通過(guò)直流環(huán)節(jié)連接起來(lái),可以在它們之間交換有功功率。84當(dāng)前84頁(yè),總共156頁(yè)。這類控制器可以是各自獨(dú)立的串聯(lián)控制器的組合。此類控制器中,串聯(lián)控制器能獨(dú)立地對(duì)各自所控制的線路進(jìn)行串聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償控制,也可通過(guò)直流側(cè)的連接與交流系統(tǒng)交換有功功率IPFC(interlinepowerflowcontroller),線間潮流控制器,其串聯(lián)部分提供無(wú)功補(bǔ)償,通過(guò)調(diào)節(jié)直流環(huán)節(jié)之間的有功功率傳輸,又可在各輸電回路之間交換有功功率,從而能夠同時(shí)平衡多回輸電線路上的有功和無(wú)功潮流,實(shí)現(xiàn)輸電系統(tǒng)的優(yōu)化控制。直流連接串串組合型控制器一、FACTS設(shè)備的基本類型

交流系統(tǒng)85當(dāng)前85頁(yè),總共156頁(yè)。

由以上4種基本類型還可以發(fā)展出更復(fù)雜的FACTS控制器,如圖所示的多回路串聯(lián)一并聯(lián)統(tǒng)一式FACTS控制器。86當(dāng)前86頁(yè),總共156頁(yè)。根據(jù)電力電子元件的開(kāi)關(guān)特性及其在控制器主電路中的作用,將FACTS控制器分為兩類:基于晶閘管控制/投切型(thyristorcontrolledorswitchedtype)主要采用晶閘管這種單向(開(kāi)通)可控型電力電子元件作為功率開(kāi)關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān),從而獲得更靈活的控制特性,它本質(zhì)上秉承了傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)投切型補(bǔ)償器的基本原理?;谧儞Q器型(converter-basedtype)通常采用雙向(開(kāi)通和關(guān)斷)可控型電力電子元件構(gòu)成能量變換器,獲得一個(gè)可控的電壓源或電流源,通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)在電網(wǎng)中調(diào)節(jié)其輸出的幅值和相位,來(lái)達(dá)到對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行靈活和快速控制的目的,它與傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)投切式補(bǔ)償器存在本質(zhì)上的不同。

87當(dāng)前87頁(yè),總共156頁(yè)。電壓源型變流器電流源型變流器+-1.5.3主要FACTS控制器的定義一、并聯(lián)型FACTS控制器基于變換器型(converter-basedtype)電壓型設(shè)備占有較大的市場(chǎng),成為絕大多數(shù)FACTS設(shè)備變流器的基本組成部分88當(dāng)前88頁(yè),總共156頁(yè)。1、靜止無(wú)功補(bǔ)償器靜止無(wú)功發(fā)生器(SVC):一種靜止的并聯(lián)聯(lián)接無(wú)功發(fā)生或者吸收裝置,可以調(diào)整其輸出為容性或感性電流從而達(dá)到控制電力系統(tǒng)參數(shù)(通常是母線電壓)的目的。

晶閘管控制電抗器(TCR)晶閘管控制的并聯(lián)電感,通過(guò)對(duì)晶閘管閥進(jìn)行部分導(dǎo)通控制,可連續(xù)調(diào)節(jié)其有效電抗。對(duì)基于晶閘管構(gòu)成的交流開(kāi)關(guān)閥采用觸發(fā)角控制方式來(lái)控制閥體在每個(gè)周波的導(dǎo)通時(shí)間,從而控制流過(guò)并聯(lián)電抗器的電流,進(jìn)而改變其等效的基波電抗,達(dá)到調(diào)節(jié)補(bǔ)償功率的大小.

1.5.3主要FACTS控制器的定義一、并聯(lián)型FACTS控制器晶閘管控制、投切型89當(dāng)前89頁(yè),總共156頁(yè)。

晶閘管投切電抗器(TSR)

一種并聯(lián)的晶閘管投切的電感,通過(guò)對(duì)晶閘管閥進(jìn)行全導(dǎo)通或全關(guān)斷控制,可階梯式改變其等效電抗。通常由幾個(gè)并聯(lián)的電感支路組成,每個(gè)電感支路都由設(shè)有觸發(fā)角控制的晶閘管閥來(lái)投切,從而達(dá)到階梯式改變所消耗的無(wú)功功率的目的。對(duì)晶閘管閥不使用觸發(fā)角控制可以降低成本和損耗,其缺點(diǎn)是不能連續(xù)控制有效電抗。

晶閘管投切電容器(TSC)

一種并聯(lián)的晶閘管投切的電容器,通過(guò)對(duì)晶閘管閥進(jìn)行全導(dǎo)通或全關(guān)斷控制,可階梯式改變其等效容抗。通常由多個(gè)并聯(lián)的電容器支路組成,每個(gè)支路都由設(shè)有觸發(fā)角控制的晶閘管閥來(lái)投切,從而達(dá)到階梯式改變注入系統(tǒng)無(wú)功功率的目的。與并聯(lián)電抗器可以在任意時(shí)刻通過(guò)開(kāi)通晶閘管閥投入運(yùn)行不同,并聯(lián)電容器必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)開(kāi)通晶閘管閥而投人運(yùn)行,否則可能因?yàn)檫^(guò)大的沖擊電流而損壞設(shè)備。90當(dāng)前90頁(yè),總共156頁(yè)。SVC是最早出現(xiàn)的FACTS裝置,它包括TCR、TSR、TSC以及它們之間或與機(jī)械投切式無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備(MSC、MSR)構(gòu)成的某種組合體,它屬于基于晶閘管控制/投切型FACTS控制器。早在1974年還沒(méi)有FACTS概念時(shí),美國(guó)通用公司就生產(chǎn)出世界上第一臺(tái)商用SVC。它也是目前應(yīng)用最為廣泛的FACTS控制器之一,它不僅用于輸電網(wǎng)用以控制節(jié)點(diǎn)電壓水平,提高傳輸可控性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸送容量,還廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)中,用來(lái)提高供電可靠性和電能質(zhì)量。91當(dāng)前91頁(yè),總共156頁(yè)。

靜止同步補(bǔ)償器(staticsynchronouscompensator,STATCOM或SSC)STATCOM/SSC是一種并聯(lián)的能進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)撵o止同步“發(fā)電機(jī)”其容性和感性輸出電流可獨(dú)立于注入點(diǎn)的電壓而進(jìn)行控制。它是FACTS的核心控制器之一,屬于基于變換器型FACTS控制器。變換器可以采用電壓型變換器(VSC)如圖(a);也可采用電流型變換器(CSC)如圖(b)。目前基于VSC的STATCOM更常見(jiàn)。92當(dāng)前92頁(yè),總共156頁(yè)。STATCOM是出現(xiàn)較早的FACTS控制器之一:

1980年,日本三菱電機(jī)公司與關(guān)西電力公司合作研制了世界上首臺(tái)STATCOM,它采用了晶閘管強(qiáng)制換相的電壓型變換器,容量為士20Mvar。1986年,由美國(guó)西屋公司和EPRI合作研制了世界首臺(tái)基于可關(guān)斷器件(GTO)的(士IMvar)STATCOM。1999年,中國(guó)投運(yùn)了其首臺(tái)工業(yè)化STATCOM,容量為士20Mvar。目前,世界上最大容量的STATCOM已經(jīng)達(dá)到士200Mvar。由于STATCOM的直流側(cè)一般采用電容或電感等元件,不能大容量存儲(chǔ)電能,因此,它只能提供持續(xù)的無(wú)功補(bǔ)償功率。而如果在STATCOM的直流側(cè)引人電源或大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)測(cè)可得到一種更廣義的并聯(lián)控制器,即靜止同步發(fā)電機(jī)。93當(dāng)前93頁(yè),總共156頁(yè)。

靜止同步發(fā)電機(jī)(staticsynchronousgenerator-SSG)SSG是一種由適當(dāng)電源供電的靜止自換流開(kāi)關(guān)式功率變換器,可與交流電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行,通過(guò)調(diào)節(jié)其多相輸出電壓而達(dá)到與電網(wǎng)交換可獨(dú)立控制的有功和無(wú)功功率的目的。SSG是通過(guò)在STATCOM直流側(cè)引人電源或大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)而發(fā)展出來(lái)的一種廣義并聯(lián)控制器,即是STATCOM和一個(gè)既能吸收又能放出能量的儲(chǔ)能設(shè)備組合體,其中儲(chǔ)能設(shè)備可能是電池、超導(dǎo)體、飛輪、超級(jí)電容組,或者是另外的整流設(shè)備;在電源和變換器之間采用一定的能量接口電路,如斬波器,即可使電源不斷地補(bǔ)償直流電容/電感上的能量,使主變換器與并網(wǎng)的交流系統(tǒng)持續(xù)交換可控的有功和無(wú)功功率。94當(dāng)前94頁(yè),總共156頁(yè)。目前取得實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展最快的兩種SSG有:蓄電池與STATCOM組合構(gòu)成的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(batteryenergystoragesystem-BESS)BESS是一種由化學(xué)蓄電池和并聯(lián)VSC構(gòu)成的能量存儲(chǔ)系統(tǒng),它具有快速調(diào)節(jié)與交流系統(tǒng)間交換(輸出或吸收)功率的能力。超導(dǎo)體與STATCOM組合構(gòu)成的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)(superconductingmagneticenergystorage,SMES)SMES是一種包含功率變換器的超導(dǎo)電磁能量存儲(chǔ)設(shè)備,能夠快速向交流電網(wǎng)注入或吸收有功和/或無(wú)功功率,起到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電網(wǎng)潮流的功能。

95當(dāng)前95頁(yè),總共156頁(yè)。

靜止無(wú)功發(fā)生/吸收器(SVG)SVG是一種靜止的電氣設(shè)備、裝置或系統(tǒng),能夠向電力系統(tǒng)輸出可控的感性或者容性電流,從而發(fā)出或吸收無(wú)功功率。SVG包括并聯(lián)的晶閘管控制/投切電抗器(組)、晶閘管投切電容器(組)以及STATCOM等。SVG是IEEE定義的一個(gè)廣泛意義上的靜止無(wú)功電源,通過(guò)恰當(dāng)?shù)目刂瓶梢詫⑵滢D(zhuǎn)換為具有特定功能或者多個(gè)功能的并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償器。

靜止無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)(SVS)SVS是一種將不同的靜止式以及機(jī)械投切式無(wú)功補(bǔ)償裝置的輸出進(jìn)行協(xié)調(diào)而構(gòu)成的并聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)。SVS是將SVG與不可控的機(jī)械式并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備組合而形成的、較廣泛意義上的并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)。96當(dāng)前96頁(yè),總共156頁(yè)。

無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)(VCS)VCS是將不同的靜止式、機(jī)械投切式和旋轉(zhuǎn)式無(wú)功補(bǔ)償裝置的輸出進(jìn)行協(xié)調(diào)而構(gòu)成的并聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)。VCS是將SVG、不可控機(jī)械式和旋轉(zhuǎn)式并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備組合而形成的最廣泛意義上的并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)。

97當(dāng)前97頁(yè),總共156頁(yè)。

晶閘管控制制動(dòng)電阻(thyristorcontrolledbrakingresistor-TCBR)TCBR是一種并聯(lián)的晶閘管投切電阻器,主要功能是在發(fā)生擾動(dòng)后加強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和/或降低發(fā)電機(jī)組的功率加速度。

TCBR的(單相)結(jié)構(gòu)如圖所示,它是在傳統(tǒng)制動(dòng)電阻基礎(chǔ)上采用晶閘管代替機(jī)械開(kāi)關(guān)而形成的并聯(lián)FACTS控制器。晶閘管采用觸發(fā)角控制,對(duì)于單相TCBR,每半個(gè)周波即可進(jìn)行一次控制。在系統(tǒng)發(fā)生短路等大擾動(dòng)情況下,通過(guò)快速投入電阻,消耗多余的功率而減少系統(tǒng)的不平衡功率,有利于降低機(jī)組加速度、提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和阻尼功率振蕩。為了降低成本,也可以對(duì)晶閘管只進(jìn)行簡(jiǎn)單的投切控制,但此時(shí)將不能有效地阻尼系統(tǒng)低頻功率振蕩。98當(dāng)前98頁(yè),總共156頁(yè)。

晶閘管控制電壓限制器(thyristorcontrolledvoltagehmiter-TCVL)

是一種由晶閘管投切控制的金屬氧化物避雷器(MOV),用以在暫態(tài)過(guò)程中限制跨接在其兩端的電壓。

TCVL可由晶閘管閥與無(wú)隙避雷器串聯(lián)構(gòu)成;也可采用如圖結(jié)構(gòu),避雷器的一部分(l%~20%)與晶閘管問(wèn)并聯(lián),即被旁路掉,如此能動(dòng)態(tài)降低電壓限制的水平。99當(dāng)前99頁(yè),總共156頁(yè)。二、串聯(lián)型FACTS控制器

晶閘管控制串聯(lián)電容器(thyristorcontrolledseriescapacitor-TCSC)TCSC是一種阻抗補(bǔ)償設(shè)備,由一組電容器和一個(gè)晶閘管控制的電抗器并聯(lián)組成,串聯(lián)在傳輸線上用以提供連續(xù)可控的補(bǔ)償容(感)抗。

TCSC的基本(單相)結(jié)構(gòu)如圖,它由一個(gè)大容量電容器或一組電容器與一個(gè)TCR并聯(lián)構(gòu)成,主電力電子器件為沒(méi)有門極關(guān)斷能力的晶閘管,因此TCSC屬于基于晶閘管控制型FACTS控制器。100當(dāng)前100頁(yè),總共156頁(yè)?;竟ぷ髟恚寒?dāng)TCR支路的晶閘管完全關(guān)斷時(shí),電抗器不導(dǎo)通(電抗為無(wú)窮大),TCSC表現(xiàn)為一般的電容器串聯(lián)補(bǔ)償;當(dāng)晶閘管導(dǎo)通度逐漸增大時(shí),TCR支路的電抗從無(wú)窮大逐漸減小,TCSC的阻抗為TCR支路等效電抗與電容容抗的并聯(lián),將呈容性逐漸增大;當(dāng)TCR支路等效電抗達(dá)到某個(gè)特定值時(shí)(大小等于電容器容抗時(shí))地將發(fā)生并聯(lián)諧振,TCSC阻抗為無(wú)窮大;當(dāng)晶閘管導(dǎo)通度進(jìn)一步增大時(shí),TCSC將表現(xiàn)為感性阻抗,隨著導(dǎo)通度的增大,感抗逐漸下降,在TCR支路完全導(dǎo)通時(shí),獲得最小的感抗值。因此,通過(guò)控制TCR支路上晶閘管的導(dǎo)通角度,可以在一定的感性和容性范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)TCSC提供的等效阻抗。101當(dāng)前101頁(yè),總共156頁(yè)。

晶閘管保護(hù)串聯(lián)電容器(thyristorprotectedseriescapacitor,TPSC)。對(duì)TCSC的TCR支路僅采用投切控制,當(dāng)TSR支路完全導(dǎo)通時(shí),TPSC呈感性;而當(dāng)TSR支路完全關(guān)斷時(shí),TPSC呈容性,相當(dāng)于普通的固定串聯(lián)電容器-FSC。

短路電流限制器(shortcircuitcurrentlimiter,SSCL)。

將TPSC與電抗器串聯(lián)起來(lái)使用。正常運(yùn)行時(shí),TPSC提供串聯(lián)補(bǔ)償功能,有利于提高傳輸容量;一旦線路發(fā)生短路故障,TPSC能快速控制其TSR支路完全導(dǎo)通,使得補(bǔ)償阻抗快速?gòu)娜菪宰優(yōu)楦行?,有利于降低短路電流?02當(dāng)前102頁(yè),總共156頁(yè)。晶閘管投切串聯(lián)電容器(thyristorswitchedseriescapacitor-TSSC)是一種容性阻抗補(bǔ)償設(shè)備,由一組電容器組和一個(gè)晶閘管投切的電抗器并聯(lián)組成,串聯(lián)在傳輸線上用以提供階梯式控制的補(bǔ)償容抗。

與TCSC相比,TSSC的電抗支路由于不采用觸發(fā)角控制,降低了開(kāi)關(guān)損耗和成本,但它只有兩種工作模式,即電抗支路斷開(kāi)的電容器串聯(lián)補(bǔ)償模式和電抗支路完全導(dǎo)通的旁路模式。旁路模式下,由于TSR支路的電抗值很小,相當(dāng)于短路,因此TSSC只能提供階梯式可控的串聯(lián)容性阻抗補(bǔ)償。TCSC是最重要的串聯(lián)型FACTS控制器之一,世界上第一臺(tái)TCSC在1992年由德國(guó)西門子公司研制并在美國(guó)西部電力局投運(yùn)。到2004年底,世界上已有10個(gè)大型的TCSC工程投運(yùn),我國(guó)首個(gè)TCSC程于2003年在南方電網(wǎng)的平果500kV變電站投運(yùn)103當(dāng)前103頁(yè),總共156頁(yè)。

GTO控制串聯(lián)電容器(GTOcontrolledseriescapacitor,GCSC)。采用可關(guān)斷器件與電容器并聯(lián)來(lái)構(gòu)成連續(xù)可控的串聯(lián)電容補(bǔ)償設(shè)備,如其基本(單相)結(jié)構(gòu)如圖所示,其中開(kāi)關(guān)閥SW采用可關(guān)斷器件GTO。當(dāng)GTO完全開(kāi)通時(shí),GCSC處于短路模式,提供的串聯(lián)補(bǔ)償容抗SW開(kāi)通時(shí),GCSC處于短路模式,提供的串聯(lián)補(bǔ)償容抗為0;當(dāng)GTO閥在每半個(gè)周期采用一定的關(guān)斷延遲角開(kāi)通時(shí),GCSC將等效為某一較小的容抗;當(dāng)GTO的關(guān)斷延遲角為0,即總是處在關(guān)斷狀態(tài)時(shí),相當(dāng)于全部電容串聯(lián)在輸電線上,GCSC提供最大的等效容抗。GCSC通過(guò)關(guān)斷延遲角控制而獲得連續(xù)可控的容性阻抗補(bǔ)償。104當(dāng)前104頁(yè),總共156頁(yè)。晶閘管控制串聯(lián)電抗器(thyristorcontrolledseriesreactor,TCSR)是一種感性阻抗補(bǔ)償設(shè)備,由電抗器和一個(gè)晶閘管控制的電抗器并聯(lián)組成,串聯(lián)在傳輸線上用以提供連續(xù)可控的補(bǔ)償感抗。其基本(單相)結(jié)構(gòu)如圖所示,采用晶閘管觸發(fā)角控制,當(dāng)TCR支路完全導(dǎo)通時(shí)獲得最小的感性補(bǔ)償電抗,當(dāng)TCR支路完全關(guān)斷時(shí)獲得最大的感性補(bǔ)償電抗。因此,TCSR也可以作為短路電流限制器使用:正常運(yùn)行時(shí),TCSR提供一個(gè)較小(遠(yuǎn)小于線路電抗)的感性補(bǔ)償,對(duì)線路的整體壓降影響較小;當(dāng)輸電線上發(fā)生短路時(shí),控制TCR支路的晶閘管間完全關(guān)斷,TCSR快速提供一個(gè)很大的串聯(lián)電抗,能大大降低短路電流。

105當(dāng)前105頁(yè),總共156頁(yè)。

晶閘管投切串聯(lián)電抗器(thyristorswitchedseriesreactor-TSSR)是一種感性阻抗補(bǔ)償器,由電抗器和一個(gè)晶閘管控制的電抗器并聯(lián)組成,串聯(lián)在傳輸線上用以提供階梯式控制的補(bǔ)償感抗。與TCSR相比,TSSR的電抗支路由于不采用觸發(fā)角控制而僅采用投切控制,降低了開(kāi)關(guān)損耗和成本,但它只有電抗支路完全斷開(kāi)和導(dǎo)通兩種工作模式,因而只能提供階梯式可控的串聯(lián)感性阻抗補(bǔ)償。106當(dāng)前106頁(yè),總共156頁(yè)。

次同步諧振阻尼器(NGH-SSRdamper)由FACTS概念的提出人博士發(fā)明的用于阻尼次同步諧振SSR的串聯(lián)型FACTS控制器。采用固定串聯(lián)電容器補(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng),特別是當(dāng)補(bǔ)償度較高時(shí)在特定情況下會(huì)誘發(fā)SSK,影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行,NGH-SSRdamPer的主要功能是阻尼SSR?;驹砣鐖D,由并聯(lián)在串聯(lián)電容器兩側(cè)的串聯(lián)晶閘管鏈(包括晶閘管閥,RL電路)及其控制系統(tǒng)構(gòu)成的。它能通過(guò)控制晶閘管閥在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)開(kāi)通和關(guān)斷,抑制串聯(lián)電容器上的直流電壓偏置,將次同步電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)而機(jī)械轉(zhuǎn)矩和軸振降低至最小,從而起到阻尼SSR的作用。107當(dāng)前107頁(yè),總共156頁(yè)。

靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(staticsynchronousseriescompensator,SSSC)

SSSC是一種不含外部電源的靜止式同步無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備,串聯(lián)在輸電線上并產(chǎn)生相位與線路電流正交、幅值可獨(dú)立控制的電壓,能通過(guò)增加或減少線路上的無(wú)功壓降而控制傳輸功率的大小。SSSC也可以包含一定的暫態(tài)儲(chǔ)能或耗能裝置,通過(guò)在短時(shí)間內(nèi)增加或減少線路上的有功壓降而起到有功補(bǔ)償?shù)淖饔?,從而達(dá)到改善電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的目的。SSSC就是將STATCOM串聯(lián)在線路上使用的一種基于變換器型的FACTS控制器。變換器可以采用VSC,也可以采用CSC

108當(dāng)前108頁(yè),總共156頁(yè)。SSSC與STATCOM實(shí)際應(yīng)用時(shí)的區(qū)別:

由于SSSC串聯(lián)在輸電線路上,對(duì)地絕緣要求很高,要將整個(gè)裝置都安裝在與地絕緣良好的平臺(tái)上,或在其一次側(cè)和二次側(cè)之間設(shè)置足夠的絕緣;而且接入變壓器的兩側(cè)繞組和變換器要承受整個(gè)線路電流,如果在短路故障時(shí)沒(méi)有適當(dāng)?shù)呐月繁Wo(hù)措施,它們還要承受很大的故障電流。

基于VSC的SSSC通過(guò)調(diào)節(jié)其直流側(cè)電容電壓的幅值和/或變換器的調(diào)制比就可以控制變換器交流輸出電壓的幅值,進(jìn)而改變其輸出電壓的極性和大小,達(dá)到連續(xù)控制輸出無(wú)功功率的極性和大小的目的。109當(dāng)前109頁(yè),總共156頁(yè)。線間潮流控制器(interlinepowerflowcontroller-IPFC)

由兩個(gè)或多個(gè)SSSC基于共同的直流鏈路而組合起來(lái)、各SSSC的交流端有功功率可雙向流動(dòng)并提供獨(dú)立可控?zé)o功功率補(bǔ)償?shù)囊环NFACTS控制器,具有調(diào)節(jié)兩回或多回輸電線之間的有功和無(wú)功功率分配的功能。IPFC在結(jié)構(gòu)上還可包括STATCOM,使之連接到IPFC的公共直流鏈路上,用以提供無(wú)功功率補(bǔ)償,并產(chǎn)生或吸收有功功率以維持組合SSSC上有功潮流的整體平衡。

110當(dāng)前110頁(yè),總共156頁(yè)。IPFC屬于串聯(lián)一串聯(lián)組合型FACTS控制器,由兩個(gè)SSSC組合構(gòu)成的IPFC的基本結(jié)構(gòu)如圖1-14所示,將STATCOM和IPFC組合構(gòu)成了的多回路串聯(lián)一并聯(lián)統(tǒng)一式FACTS控制器的結(jié)構(gòu)如圖1-16所示。111當(dāng)前111頁(yè),總共156頁(yè)。三、并聯(lián)一串聯(lián)組合型FACTS控制器

統(tǒng)一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller-UPFC)

是由STATCOM和SSSC基于共同的直流鏈路耦合形成,允許有功功率在SSSC和STATCOM的交流輸出端雙向流動(dòng),并在無(wú)需任何附加儲(chǔ)能或電源設(shè)備的情況下即可同時(shí)進(jìn)行有功和無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)囊环N并聯(lián)一串聯(lián)組合型FACTS控制器。UPFC具有全面的補(bǔ)償功能,不但能提供獨(dú)立可控的并聯(lián)無(wú)功功率補(bǔ)償,而且可以通過(guò)向線路注人相角不受約束的串聯(lián)補(bǔ)償電壓,同時(shí)或有選擇性地控制傳輸線上的電壓、阻抗和相角,實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功潮流控制。112當(dāng)前112頁(yè),總共156頁(yè)。UPFC的基本結(jié)構(gòu)如圖1-28所示。由于STATCOM和SSSC連接到共同的直流鏈路上,串聯(lián)部分SSSC所需的有功功率可通過(guò)并聯(lián)的STATCOM從同一線路傳遞過(guò)來(lái),故其提供的串聯(lián)補(bǔ)償電壓可以具有各種不同的相角,即可同時(shí)或有選擇性地調(diào)節(jié)線路上的電壓、阻抗和相角;而并聯(lián)部分STATCOM通過(guò)恰當(dāng)?shù)臒o(wú)功功率補(bǔ)償而可對(duì)線路的電壓進(jìn)行控制;因此,UPFC是一種完備的有功和無(wú)功潮流控制器,兼具調(diào)節(jié)電壓的功能。在UPFC的直流鏈路側(cè)引人如蓄電池、超導(dǎo)磁體等儲(chǔ)能設(shè)備,并通過(guò)適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)控制,可進(jìn)一步增加UPFC的控制自由度,提高UPFC的動(dòng)態(tài)性能。113當(dāng)前113頁(yè),總共156頁(yè)。

晶閘管控制移相變壓器(thyristorcontrolledphaseshiftingtransformer-TCPST)

TCPST是一種采用晶閘管開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)、可提供快速可變相角的移相變壓器,也稱為晶閘管控制相位調(diào)節(jié)器(thyristorcontrolledphaseangleregulator,TCPAR)或晶閘管控制移相器(thyrlstorcontrolledphaseshlftor,TCPS)?;驹恚好肯喟ㄒ粋€(gè)并聯(lián)和一個(gè)串聯(lián)的變壓器繞組,二者之間通過(guò)一個(gè)基于晶閘管的電力電子拓?fù)潆娐愤B接起來(lái),并聯(lián)繞組的原邊連接到另外兩相。產(chǎn)生一個(gè)相位與控制相電壓垂直的電壓相量,它通過(guò)電力電子電路進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)(即改變極性和幅值等)后疊加到控制相電壓上,從而達(dá)到可控移相的目的。

114當(dāng)前114頁(yè),總共156頁(yè)。

晶閘管控制電壓調(diào)節(jié)器(thyristorControlledvoltageregulator,TCVR)是一種晶閘管控制的變壓器,可以通過(guò)連續(xù)控制提供可變的同步電壓。有兩種結(jié)構(gòu)形式:一種是在普通的帶載調(diào)壓變壓器中采用晶閘管控制抽頭技術(shù),如圖1-31(a)所示;另一種采用晶閘管控制的交一交電壓變換器,如圖1-31(b)所示。每相包括一個(gè)并聯(lián)和一個(gè)串聯(lián)的變壓器繞組,二者之間通過(guò)一個(gè)基于晶閘管的電力電子拓?fù)潆娐愤B接起來(lái),并聯(lián)繞組產(chǎn)生一個(gè)同步的電壓相量,它通過(guò)電力電子電路進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)后疊加到同相的電壓上,從而達(dá)到控制電壓的目的。TCVR通過(guò)調(diào)節(jié)線路上的電壓能有效地控制電網(wǎng)中的無(wú)功潮流。115當(dāng)前115頁(yè),總共156頁(yè)。相間功率控制器(interphasepowercontroller-IPC)

對(duì)有功和無(wú)功功率進(jìn)行控制的組合型FACTS控制器,它的每相包括一組并聯(lián)的、分別從屬于獨(dú)立移相單元的容性和感性支路,通過(guò)采用常規(guī)(機(jī)械式)或電力電子電路來(lái)調(diào)整各支路的相移或/和阻抗,達(dá)到分別控制線路有功和無(wú)功功率的目的。通用結(jié)構(gòu)如圖,每相包括并聯(lián)的容性和感性支路,分別由容(感)性阻抗與獨(dú)立的移相單元串聯(lián)構(gòu)成,它們的參數(shù)可按具體運(yùn)行條件進(jìn)行設(shè)計(jì),從而形成具有不同結(jié)構(gòu)、不同特性乃至不同名稱的各種IPC.116當(dāng)前116頁(yè),總共156頁(yè)。

其他FACTS控制器

網(wǎng)間潮流控制器(gridpowerflowcontroller,GPFC)是一種較新的基于大容量電力電子技術(shù)的潮流控制設(shè)備,其基本原理如圖l-33所示,它包括一對(duì)可運(yùn)行于整流或逆變狀態(tài)的變換器,變換器的直流側(cè)通過(guò)電容器或電抗器或儲(chǔ)能設(shè)備連接在一起,交流側(cè)通過(guò)變壓器或電抗器連接到不同的交流電網(wǎng);運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)地控制兩個(gè)變換器,一個(gè)用于整流另一個(gè)用于逆變,從而將功率從一個(gè)交流電網(wǎng)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)交流電網(wǎng)。因此GPFC能用于在兩個(gè)或更多的同步或異步交流電網(wǎng)之間交換功率。117當(dāng)前117頁(yè),總共156頁(yè)。118當(dāng)前118頁(yè),總共156頁(yè)。1.5.4FACTS的優(yōu)越性一.常見(jiàn)FACTS控制器的功能不同的FACTS設(shè)備能對(duì)電網(wǎng)不同的參數(shù)進(jìn)行控制,因而具有不同的功能。得到的基本結(jié)論:

控制線路阻抗和壓降(包括幅值和相角差)可以有效地控制潮流,特別是當(dāng)相角差不大時(shí),串聯(lián)性的無(wú)功補(bǔ)償(如TCSC、SSSC)通過(guò)改變線路阻抗或縱向壓降可以對(duì)有功潮流進(jìn)行有效地控制。

控制相角差(如TCPAR)能有效地控制電網(wǎng)潮流分布。

注入與線路壓降相量存在可控相位關(guān)系的串聯(lián)電壓(如帶儲(chǔ)能設(shè)備的SSSC、UPFC)可有效控制電網(wǎng)的有功和無(wú)功潮流,此時(shí)需同時(shí)注人有功和無(wú)功功率。

119當(dāng)前119頁(yè),總共156頁(yè)。

并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償能有效抵消節(jié)點(diǎn)的無(wú)功負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)注入節(jié)點(diǎn)電壓的功能,同時(shí)會(huì)對(duì)注入點(diǎn)附近的無(wú)功潮流分布有一定改變,但對(duì)有功潮流的控制作用非常有限。

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