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(dá)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(jì)八十年代中期，美國(guó)電力科學(xué)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(wú)功電源以及電網(wǎng)的一次設(shè)備等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電系統(tǒng)的電壓、阻抗、相位角、功率、潮流（系統(tǒng)

中所有運(yùn)行參數(shù)的總體，包括各個(gè)母線電壓的大小和相位，各個(gè)發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的功率及電流，以及各個(gè)變壓器和線路等元件所通過(guò)的功率，電流和其中的損耗。也稱(chēng)系統(tǒng)中有規(guī)律波動(dòng)的功率流動(dòng)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(zhǎng)和電壓等級(jí)的一再提高，電網(wǎng)覆蓋地域的日益擴(kuò)大，大型電力系統(tǒng)所暴露出的問(wèn)題和矛盾越來(lái)越突出，主要包括以下幾個(gè)方面：

1，電力系統(tǒng)潮流的實(shí)時(shí)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(fù)荷中心往往不一致因此需要遠(yuǎn)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(dòng)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(shí)時(shí)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(dá)到電力潮流的實(shí)時(shí)控制，實(shí)際的功率分布可能與理想分布想去甚遠(yuǎn)。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(duì)電力系統(tǒng)的潮流進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)械式斷路器越來(lái)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(dǎo)體及各種電氣設(shè)備也無(wú)法滿足不斷提高的機(jī)械強(qiáng)度（動(dòng)穩(wěn)定性）和熱容量等方面的要求。所以，電網(wǎng)容量增加時(shí)，運(yùn)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(jī)械式斷路器的研制也越來(lái)越苦難。3，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)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(fù)雜；發(fā)電廠單機(jī)容量的不斷增大也使系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題日益突出，系統(tǒng)安全運(yùn)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(jī)械式的，所謂的計(jì)算機(jī)監(jiān)控也是靠機(jī)械式開(kāi)關(guān)執(zhí)行的。發(fā)電機(jī)的調(diào)速器，短路器，變壓器無(wú)論是有載調(diào)壓還是移相器，最終執(zhí)行的都是機(jī)械動(dòng)作。而機(jī)械動(dòng)作一般都不滿足系統(tǒng)的控制要求。而且，機(jī)械動(dòng)作可靠性差，器件壽命短也影響系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

5，電能質(zhì)量問(wèn)題保證電能質(zhì)量的根本在于無(wú)功功率的控制和諧波的治理。電網(wǎng)在向負(fù)荷提供一定有功功率的同時(shí)，還必須提供一定的無(wú)功功率。為了保證發(fā)電機(jī)和變壓器等設(shè)備的正常運(yùn)行，也必須存在無(wú)功功率。但發(fā)電廠輸出的過(guò)多的無(wú)功功率會(huì)會(huì)惡化系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的無(wú)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(lái)對(duì)電能質(zhì)量的影響日益嚴(yán)重，必須要進(jìn)行治理。上述問(wèn)題的共同點(diǎn)是：傳統(tǒng)的運(yùn)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(shí)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(jī)，電器等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展與需求，基于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，融合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)。隨著半導(dǎo)體制造工藝的不斷提高，器件價(jià)格的降低，其越來(lái)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(zhuān)門(mén)功能或綜合功能的電力電子器件和現(xiàn)代自動(dòng)控制裝置或組合體，對(duì)輸電系統(tǒng)的運(yùn)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(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)時(shí)，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(shí)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(yùn)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(duì)輸電系統(tǒng)的影響電力電子技術(shù)對(duì)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(jià)格的大幅度下降使目前的傳輸?shù)燃?jí)以及控制技術(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(duì)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(yùn)行方式的可控性發(fā)生了巨大變化。原來(lái)的功率流動(dòng)的大小和方向只能靠遠(yuǎn)方電源的出力來(lái)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(lái)越大、頻率越來(lái)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(fù)速度加快。由于電力電子開(kāi)關(guān)動(dòng)作迅速，加之故障電流限制器的作用，可大大減小故障對(duì)系統(tǒng)的沖擊。自動(dòng)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(fù)時(shí)間。3，系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性發(fā)生了變化。系統(tǒng)同步運(yùn)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(jí)階段，所包含的種類(lèi)仍在不斷增加，已知的屬于FACTS的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的具體裝置約有20多種。目前已經(jīng)報(bào)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(wú)功補(bǔ)償器（StaticVarCompensator，SVC）高級(jí)靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器（AdvancedStaticVarGenerator，ASVG）靜態(tài)調(diào)相器（StaticCondensor

，STATCON）·靜態(tài)同步補(bǔ)償器（StaticSynchronousCompensator，SSC）·靜態(tài)同步發(fā)電器（StaticSynchronousGenerator，SSG）·靜態(tài)無(wú)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(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)（VarCompensatingSystem，VCS）·超導(dǎo)儲(chǔ)能器（SuperconductingMagneticEnergyStorage，SMES）·電池儲(chǔ)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(bǔ)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(dāng)于一個(gè)可變阻抗，可以是電容器，電抗器等，也可以是一個(gè)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(diǎn)處給系統(tǒng)注入一個(gè)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(wú)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(bǔ)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(qiáng)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(duì)于長(zhǎng)距離輸電線，可以用SVC，ASVG等補(bǔ)償裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)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(jiǎn)介靜止同步補(bǔ)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(lài)交流系統(tǒng)電壓。APF有源濾波器+-靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)一種并聯(lián)聯(lián)接的靜止無(wú)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(dǎo)通方式來(lái)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(dǎo)通或零導(dǎo)通的階躍變化方式來(lái)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(dǎo)通或零導(dǎo)通的階躍變化方式來(lái)控制。

晶閘管控制、投切型TCR和TSR的區(qū)別？靜止無(wú)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(lèi)靜止補(bǔ)償系統(tǒng)（staticvarsystem,SVS)

靜止式及機(jī)械式的并聯(lián)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)，SVG與機(jī)械式無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的組合ASVG（高級(jí)靜止無(wú)功發(fā)生器）通過(guò)精確控制GTO逆變器的觸發(fā)角的相位，將儲(chǔ)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(lái)決定。從而達(dá)到控制功率流動(dòng)的目的。晶閘管控制串聯(lián)電容器（TCSC）一種容性電抗補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(chǔ)能設(shè)備+-帶有儲(chǔ)能的SSSC靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器通過(guò)儲(chǔ)能設(shè)備（如電池儲(chǔ)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(jìn)行無(wú)功功率的交換，而且還能進(jìn)行有功功率的交換。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)帶有化學(xué)儲(chǔ)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(jìn)行快速的有功功率和無(wú)功功率的交換鋰電池、鉛酸電池、超導(dǎo)儲(chǔ)能

接口儲(chǔ)能設(shè)備-+帶有儲(chǔ)能的STATCOM各種控制器的控制特征

序號(hào)FACTS控制器控制特征靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM無(wú)儲(chǔ)能電源)電壓控制、無(wú)功補(bǔ)償、阻尼振蕩、電壓穩(wěn)定性靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM有儲(chǔ)能電源BESS、SMES、大容量電容器)電壓控制、無(wú)功補(bǔ)償、阻尼振蕩、暫態(tài)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、自動(dòng)增益控制電壓控制、無(wú)功補(bǔ)償、阻尼振蕩、電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC、TCR、TSC、TSR）阻尼振蕩、暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性晶閘管控制的制動(dòng)電阻器（TCBR）2134靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC無(wú)儲(chǔ)能電源）電流控制、阻尼振蕩、暫態(tài)和動(dòng)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(bǔ)償器（SSSC有儲(chǔ)能電源）電流控制、阻尼振蕩、暫態(tài)和動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(wú)功功率控制器、電壓控制、無(wú)功補(bǔ)償、阻尼振蕩、暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、故障電流限制暫態(tài)和動(dòng)態(tài)電壓限制晶閘管控制的電壓限制器(TCVL)無(wú)功功率控制、電壓控制、阻尼振蕩、暫態(tài)和動(dòng)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(wú)功功率控制、電壓控制、阻尼振蕩、暫態(tài)和動(dòng)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(dòng)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(gè)世紀(jì)70年代首先由美國(guó)通用電氣公司投入商業(yè)運(yùn)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(gè)基于晶閘管的電壓型STATCOM在日本誕生，容量為20MVA。1991年，第1個(gè)基于GTO的80MVA的STATCOM在日本投入運(yùn)行。第一個(gè)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(gè)小功率的串聯(lián)電容阻抗控制器，西門(mén)子公司于1984年在加利福尼亞對(duì)它的性能進(jìn)行了論證。世界上第一個(gè)三相TCSC由ABB公司于1992年在美國(guó)凱恩塔電站投入運(yùn)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(guó)歷史上第一個(gè)采用GTO的大型FACTS裝置，容量為100MVA,它是FACTS發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑.日本關(guān)西電力犬山開(kāi)關(guān)站199180MVASVG或

STATCOM裝置種類(lèi)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(guó)田納西州沙利文電站1995

100MVA

美國(guó)肯塔基州艾內(nèi)茲電站1997160MVA英國(guó)白金漢郡克萊登電站

199775MVA丹麥瑞賴(lài)斯比/海德(配電)

1998

8MVA

美國(guó)華盛頓州西雅圖鋼鐵公司

20005MVA德克薩斯某一電弧爐補(bǔ)償199880MVA中國(guó)河南電力局*

199920MVA

美國(guó)－墨西哥交界

200036MVA美國(guó)埃塞克斯電站2001＋133/－40MVA

美國(guó)紐約奧克代爾電站

2002200MVA

美國(guó)特勒嘎電站

2003100MVA具有標(biāo)志性的主要實(shí)用化的FACTS裝置

美國(guó)電力公司卡若瓦河/西弗吉尼亞1991345kV系統(tǒng)，線路阻抗補(bǔ)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(lèi)應(yīng)用單位投入年度容量美國(guó)西部電力局凱恩塔/亞利桑那1992500kV系統(tǒng)，267MVATCSC美國(guó)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(guó)肯塔基州電力公司艾內(nèi)茲電站

韓國(guó)剛金電站2004154kV，80MVA澳大利亞黑墻電站約1999300MVASVC或RSVC裝置種類(lèi)應(yīng)用單位投入年度容量200MVASTATCOM，200MVASSSC100MVASTATCOM,100MVASSSC兩個(gè)100MVA逆變器兩個(gè)100MVAIPFC運(yùn)行CSC美國(guó)紐約馬西山電站2003澳大利亞布雷馬電站約1999230MVA美國(guó)紐約奧克代爾電站2001200MVASTATCOM，135MVA電容器組我國(guó)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(xué)共同研制了20Mvar的STATCOM，1999年在河南洛陽(yáng)