柔性交流輸電技術的應用和發(fā)展研究

孫紹林

SUN Shao-lin

（貴州大學，貴州 550001）

柔性交流輸電技術的應用和發(fā)展研究

Flexible AC transmission system application and development research

孫紹林

SUN Shao-lin

（貴州大學，貴州 550001）

根據柔性交流輸電技術的發(fā)展和應用現狀，對其特點和功能進行了詳細的論述和分類，從多方面敘述了它的先進性、可用性和重要意義，以及FACTS技術的作用及適用范圍，最后介紹了電力電子型控制器的新發(fā)展。

柔性交流輸電技術；有功潮流；無功潮流；潮流控制；穩(wěn)定性

0 引言

柔性交流輸電技術(flexible alternative current transmission systems，FACTS) 指應用于交流輸電系統(tǒng)的電力電子裝置，其中“柔性”是指對電壓電流的可控性，它是將電力電子技術、微處理機技術和控制技術等高新技術集中應用于高壓輸變電系統(tǒng)，以提高輸配電系統(tǒng)可靠性、可控性、運行性能和電能質量并獲取大量節(jié)電效益的一種新型綜合技術。如裝置與系統(tǒng)并聯可以對系統(tǒng)電壓和無功功率進行控制，裝置與系統(tǒng)串聯可以對電流和潮流進行控制；FACTS通過增加輸電網絡的傳輸容量，從而提高輸電網絡的價值，FACTS控制裝置動作速度快，因而能夠擴大輸電網絡的安全運行區(qū)域。在電力電子裝置最早用于直流輸電系統(tǒng)中并實現了對輸送功率的快速控制，由此人們想在交流系統(tǒng)中加裝電力電子裝置，尋求對潮流的控制，以獲得最大的安全裕度和最小的輸電成本，FACTS技術應運而生，靜止無功補償器（SVC），靜止同步補償器（STATCOM）又稱作ASVG，晶閘管投切串聯電容器（TCSC），靜止同步串聯補償器（Static Synchonous Series Compensator）統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）就是基于FACTS裝置控制器。

1 FACTS 技術的發(fā)展和現狀

柔性交流輸電系統(tǒng)的概念是由美國電力科學研究院N. G. Hingorani博士于1988年首先提出的，在此以前出現的靜止無功補償設備(static var compensator, SVC)也屬于此范籌。1997年IEEE PES冬季會議上正式對FACTS做了定義。從早期出現的SVC開始，FACTS技術的發(fā)展經歷了20多年。按其性能和功能的不同可劃分為以下三代，而是否含有常規(guī)電力器件(電容器和電抗器，抽頭，抽頭變壓器等)可以說是FACTS技術發(fā)展的分界線。

1.1 第一代FACTS技術

較早的 靜止無功補償設備（SVC），主要是由晶閘管開關快速控制的電容器和電抗器組成的裝置，以提供動態(tài)電壓支持，其技術基礎是常規(guī)晶閘管整流器(semiconductor controlled rectifier,SCR)，后來出現的第一代FACTS裝置是晶閘管控制的串聯電容器(thyristor controlled series compensator,TCSC)，它利用SCR控制串接在輸電線路中的電容器組來控制線路阻抗，從而提高輸送能力。

1.2 第二代FACTS 技術

這一代裝置同樣具有支持電壓和控制功率等功能，但在外部回路中不需要加設大型的電力設備(指電容器和電抗器組或移相變壓器等)。這些新裝置如靜止無功發(fā)生器(static compensator，STATCOM)和串聯補償器(solid state series compensator, SSSC)設備采用了門極可關斷設備(gate turn off thristor, GTO；insulated gate bipolar transistor, IGBT)等一類全控型器件，起電子回路模擬出電容器和電抗器組的作用， 裝置造價大大降低，性能卻明顯提高。

1.3 第三代FACTS 技術

將兩臺或多臺控制器復合成一組FACTS裝置，并使其具有一個共同的、統(tǒng)一的控制系統(tǒng)。如將一臺STATCOM和一臺SSSC復合而成的綜合潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)，它可以控制線路阻抗、電壓或功角的方法同時控制輸電線路的有功和無功潮流。調節(jié)雙回路潮流的線間潮流控制器(inter phase power flow controller,IFPC)和可控移相器(thyristor controlled phase angle regulator, TCPR)都屬于復合控制器。

FACTS技術用于配電領域取得了顯著進展，它主要用于改善配電網的電壓和電流質量，包括有功、無功電壓、電流的控制、高次諧波的消除，蓄能等應用。

2 FACTS技術的分類及其技術原理

FACTS技術按其接入系統(tǒng)方式可分為并聯型，串聯型和綜合型。并聯型FACTS設備包括SVC和STATCOM(SVG)，主要用于電壓控制和無功潮流控制；串聯型FACTS包括可控串補(TCSC)和基于GTO的串聯補償器(SSSC)，主要用于輸電線路的有功潮流控制、系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定和抑制系統(tǒng)功率振蕩；綜合型FACTS設備主要包括潮流控制器(UPFC)和可控移相器(TCPR)，UPFC適用于電壓控制、有功和無功潮流控制、暫態(tài)穩(wěn)定和抑制系統(tǒng)功率振蕩，TCPR適用于系統(tǒng)的有功潮流控制和抑制系統(tǒng)功率振蕩。

2.1 并聯型FACTS裝置

典型的并聯型FACTS裝置是SVC和STATCOM，它們代表了FACTS技術發(fā)展的兩個階段：

SVC是指由固定電容器組、晶閘管控制的電容器組(TSC)和電抗器組(TCR)組合成的無功補償系統(tǒng)。通過調節(jié)TCR和TSC，使整個裝置無功輸出呈連續(xù)變化，靜態(tài)和動態(tài)地使電壓保持在一定范圍內，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但由于這種設備在電網電壓的波動超出一定范圍時表現出恒阻抗特性，因而在電網電壓波動大時不能充分發(fā)揮其作用。

STATCOM主回路主要是由大功率電力電子器件(如門極可關斷晶閘管GTO)組成的電壓型逆變器和并聯直流電容器構成，是與傳統(tǒng)SVC原理完全不同的無功補償系統(tǒng)。這種裝置脫離了以往無功功率概念的約束，不采用常規(guī)電容器和電抗器來實現無功補償，而是利用逆變器產生無功功率。它所輸出的三相交流電壓Vo通過變壓器與系統(tǒng)電壓Vs同步，并通過控制Vo來調節(jié)無功功率的輸出，當Vo＞Vs時，輸出容性無功功率；當Vo＜Vs時，輸出感性無功功率，因此，設備無功功率的大小都由它輸出的電流來調整，而其輸出的電流與系統(tǒng)電壓基本無關，這些功能、原理上類似于同步調相機，但它是完全的靜態(tài)裝置，因此STATCOM又稱為靜止調相器，它的動態(tài)性能遠優(yōu)于同步調相機，啟動無沖擊，調節(jié)連續(xù)范圍大，響應速度快，功耗小。由于采用了GTO，可以避免換相失敗，直流側的電容器只是用來維持直流電壓，不需要很大容量，而且可以用直流電容器構成，因而裝置體積小且經濟。

2.2 串聯型FACTS裝置

典型的串聯型FACTS裝置是可控串補(TCSC)和基于GTO的串聯補償器(SSSC)。 TCSC通常指采取晶閘管控制的分路電抗器與串聯電容器組并聯組成的串聯無功補償系統(tǒng)，通過改變晶閘管的觸發(fā)角來改變分路電抗器的電流，使串聯補償器的等效阻抗大小能夠連續(xù)平滑快速變化，因而TCSC可以等效成一個容量連續(xù)可變的電容器，其接入的輸電線路的等效阻抗也可以連續(xù)變化，在給定的線路兩端電壓和相角情況下，線路的輸送功率將可實現快速連續(xù)控制，以適應系統(tǒng)負載變化和動態(tài)干擾，達到控制線路潮流，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定極限的目的，也可以用于阻尼系統(tǒng)功率振蕩和抑制次同步振蕩。

SSSC是指采用大功率電力電子器件(如GTO)組成的電壓型逆變器和并聯直流電容器構成的串聯補償器，其基本結構和STATCOM類似，不同的是裝置通過變壓器串接入高壓線路中，但原理與TCSC不同，TCSC在串入線路中可以等效成可變容抗，而串入的SSSC可以等效成電壓源，其輸出的是與串入線路的電流幅值基本無關的電壓量，通過控制換流器，連續(xù)改變其輸出電壓的幅值和相位，從而改變線路兩端的電壓幅值和相位，實現對線路有功、無功潮流的控制和阻尼系統(tǒng)的功率振蕩，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定極限的目的。

2.3 綜合型FACTS裝置

典型的綜合型FACTS設備是綜合潮流控制器(UPFC)。UPFC是將并聯補償的STATCOM和串聯補償的SSSC組合成具有一個共同統(tǒng)一的控制系統(tǒng)的新型潮流控制器，它結合了多種FACTS技術的靈活控制手段，是FACTS技術中功能最強大的裝置，它通過將換流器產生的交流電壓串接入相應的輸電線上，使其幅值和相角均可連續(xù)變化，從而控制線路等效阻抗，電壓或功角，同時控制輸電線路的有功和無功潮流，提高線路輸送能力和阻尼系統(tǒng)振蕩，它最基本的特點之一是注入系統(tǒng)的無功是其本身裝置控制和產生的，但注入系統(tǒng)的有功必須通過直流回路由并聯回路STATCOM傳至串聯回路SSSC，作為UPFC整體， 并不大量消耗或提供有功功率。

3 FACTS技術的作用及適用范圍

FACTS技術由于采用具有單獨或綜合功能的電力電子控制裝置，比常規(guī)的輸電控制技術，如串并聯電容電抗、 PSS和同步調相機等具有優(yōu)越的快速性能和靈活的控制能力，同時還具有良好的適應性。由于FACTS技術與現有的交流輸電系統(tǒng)是并行發(fā)展的，并完全兼容，能在現有設備不做重大改動的條件下，采用合適有效的FACTS技術，充分發(fā)揮現有電網的潛力。因此，在電力系統(tǒng)中具有廣泛而良好的應用前景。綜合而言，應用FACTS技術的重要作用和意義體現在：

1）為充分利用現有的輸電線路的能力和資源。現行電力系統(tǒng)由穩(wěn)定條件限定的輸送功率的極限偏低，輸電線路的能力遠未被充分利用，而采用FACTS技術，理論上可使輸電線路的輸送功率極限大大提高，甚至接近導線的熱穩(wěn)極限，從而提高輸電線路資源的利用率。

2）提高電網和輸電線路的安全穩(wěn)定性、可靠性和運行經濟性。FACTS技術的應用將有助于抑制功率振蕩，提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平；有助于控制電網中的潮流大小和方向，實現潮流的合理流動和電網的經濟運行；有助于限制電網和設備故障的影響范圍，減小事故恢復時間及停電損失。

3）優(yōu)化整個電網的運行狀況。在電網中采用FACTS有助于建立全網統(tǒng)一的實時控制中心，實現全系統(tǒng)的優(yōu)化控制。以提高全系統(tǒng)運行的安全性和經濟性。

4）將改變交流輸電的傳統(tǒng)應用范圍。整套應用并協(xié)調控制的FACTS控制器將使常規(guī)交流輸電柔性化，改變交流輸電的功能范圍，使其在更多方面發(fā)揮作用。由于應用FACTS控制器的方案常常比新建一條線路或換流站的方案更便宜，它甚至可以擴大到原屬于直流輸電專有的應用范圍，如定向傳輸電力，功率調制，延長水下或地下交流輸電距離等。

4 電力電子型控制器的新發(fā)展

4.1 轉換靜止補償器(CSC)

轉換靜止補償器(convertible static compensator,CSC)標志著FACTS的直接控制對象從交流輸電線擴展到交流電網。CSC和STATCOM，UPFC，SSSC］一樣是基于GTO電壓源換流器的控制器，但它除滿足各種系統(tǒng)控制要求和對接線或運行變化具有適應能力外，還具有除分別提供上述3種FACTS控制器的功能之外的2種新型控制器的功能，即“線間潮流控制器(縮寫為IPFC)”和“多線(multi-line)或廣義(generalized)UPFC”的功能。

4.2 電壓源矩陣換流器

國內外都有人設想過以FACTS技術研制出可代替背靠背直流輸電的異步聯網裝置?，F在幾經改進完善、又經模型驗證，成果已問世。這種稱為電壓源矩陣換流器(voltage source matrix converter)的裝置，其額定總容量和一套背靠背GTO型直流輸電裝置相當，但卻具有更多的功能。即除了具有改變兩端頻率、移相范圍360°和雙向傳輸有功功率的能力外，還有100%的阻抗補償能力和在線路兩端獨立控制有功和無功的能力。其中共軛補償阻抗的能力可顯著提高同步功率，改進暫態(tài)穩(wěn)定性能。

4.3 電力質量調整器(或調制器)，即PQC(或PQM)

精密加工工廠或質量標準高的高新技術產品的生產過程都對電能質量和供電可靠性提出了更高的要求，電力質量調整(制)器(power quality conditioner(or modulator),縮寫為PQC或PQM)便應運而生。它們可快速補償供電電壓中的突降或突升，波動和閃變，諧波電流和電壓，各相電壓的不平衡以及故障時的短期電壓中斷。所以是一項具有綜合功能的FACTS/CusPow控制器。

5 結束語

FACTS技術是目前電力系統(tǒng)輸配電技術的最新發(fā)展方向，對電網規(guī)劃建設和運行將帶來重要的影響。我校和科研單位已經做了大量的研究工作，部分地區(qū)的電力部門已經在FACTS新技術應用取得了顯著成就，可以斷言，FACTS技術將大大改善供電和用電質量，對節(jié)約能源有不可估量的意義。

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[3] Ooi B T,Kazerani M.Voltage-Source Matrix Converter as a Controller in FACTS.IEEE Trans on Power Delivery,1998, 13(1)：247-253.

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TH166

A

1009-0134(2010)10(下)-0210-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(下).66

2009-11-05

孫紹林（1976 -），男，貴州盤縣人，講師，工程碩士，研究方向為電力電子技術、通信技術。