FACTS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

彭湃，程漢湘，余音，楊健

FACTS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

彭湃，程漢湘，余音，楊健

( 廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510006 )

柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）是近年來(lái)出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，本文對(duì)柔性交流輸電技術(shù)的概念及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，詳細(xì)論述了FACTS中幾種主要控制器的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用。最后總結(jié)了FACTS控制器在電力系統(tǒng)潮流控制、系統(tǒng)振蕩、穩(wěn)定性運(yùn)行中的重要作用以及FACTS的發(fā)展前景。

FACTS 控制器 電力系統(tǒng) 潮流控制

0 引言

柔性交流輸電系統(tǒng)，即FACTS技術(shù)，是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的一個(gè)重要方面，它已在電能的生產(chǎn)、傳輸和分配的各個(gè)環(huán)節(jié)都得到了應(yīng)用，是電力系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑[1]。FACTS技術(shù)主要通過(guò)增加輸配電網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量，從而有效提高其電能分配調(diào)度價(jià)值。在電力系統(tǒng)發(fā)展早期，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制設(shè)備基本都是機(jī)械性的，故而不能有效的控制電力系統(tǒng)的潮流變化，但新興的FACTS技術(shù)能很好地解決潮流分配、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定以及瞬態(tài)震蕩等問(wèn)題。

1 FACTS 控制器的工作原理

FACTS 控制器一般分為并聯(lián)型、串聯(lián)型以及組合型控制器，它們可以由不具有自關(guān)斷能力的半控型器件來(lái)實(shí)現(xiàn)如晶閘管，而且也可由全控型器件來(lái)實(shí)現(xiàn)如GTO、IGBT等等。多功能FACTS控制器是建立在背靠背結(jié)構(gòu)的電壓型變流器的基礎(chǔ)之上，能夠有效地控制電力系統(tǒng)的潮流分布和保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。下面主要講述FACTS 控制器中的TCR、SSSC 、STATCOM、UPFC的基本原理及應(yīng)用。

1.1 TCR

TCR即晶閘管控制電抗器，是一種并聯(lián)連接的晶閘管控制電感，其有效電感是由晶閘管導(dǎo)通延遲角來(lái)控制電感值的，它可以連續(xù)控制電感中的電流從而改變系統(tǒng)的潮流，而具有相似功能的晶閘管投切電抗器(TSR)卻是以全部導(dǎo)通或是截止的跳變方式來(lái)控制的。TCR基本原理圖如圖1所示。

圖1 TCR基本控制原理圖

1.2 SSSC

SSSC工作特性是串聯(lián)同步補(bǔ)償器，無(wú)外部電源支撐，其輸出電壓與線路電流矢量正交，且電壓控制與電流無(wú)關(guān)，通過(guò)增減線路阻抗上的電抗性電壓降以控制傳輸功率[2]。其簡(jiǎn)單原理如圖2所示。通常SSSC可以包括瞬態(tài)額定儲(chǔ)能或能量吸收設(shè)備，能增加輸電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。SSSC可以由電壓型變流器或是電流型變流器構(gòu)成，一般線路電壓要比補(bǔ)償器注入的電壓大得多。

圖2 SSSC基本控制原理圖

1.3 STATCOM

靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)：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)”，功能與SVC基本相同，但是運(yùn)行范圍更寬，調(diào)節(jié)速度更快。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[3]。STATCOM是采用電壓型變流器結(jié)構(gòu)，無(wú)功補(bǔ)償電路內(nèi)部的直流電壓都是通過(guò)內(nèi)部自給方式來(lái)保證的，而且都是根據(jù)同步電壓源的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓和潮流的有效控制。它是FACTS控制器中的主要無(wú)功補(bǔ)償裝置之一，可以是電壓型或是電流型變流器。下圖3給出STATCOM并聯(lián)在線路中的原理圖，此外，STATCOM也可設(shè)計(jì)成為有源濾波器，用來(lái)吸收電力系統(tǒng)的諧波。

圖3 STATCOM原理圖

1.4 UPFC

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）是一種非常典型的綜合型FACTS設(shè)備，它能夠?qū)涣鬏旊娤到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。一般由兩個(gè)背靠背的電壓型變流器構(gòu)成，如圖4所示。UPFC中兩個(gè)背靠背的變流器共同使用一個(gè)直流母線和一個(gè)儲(chǔ)能電容。有功功率可以在兩個(gè)變流器的之間直流線路上任一方向自由流動(dòng)，每個(gè)變流器的交流輸出端也可獨(dú)立地產(chǎn)生或吸收無(wú)功功率。

圖4 兩個(gè)背靠背的電壓型變流器組成的UPFC

圖中變流器2的功能是通過(guò)串聯(lián)變壓器給線路注入幅值和相角均可控的電壓矢量。變流器1的功能是提供或吸收變流器2在公共直流母線上所需要的有功功率，以維持串聯(lián)注入電壓與線路之間的有功功率交換。

2 FACTS控制器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 電力系統(tǒng)的無(wú)功功率和電壓控制

在電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定中，無(wú)功功率起到了決定電壓穩(wěn)定性的關(guān)鍵作用。電力系統(tǒng)中的無(wú)功功率主要是在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)，完成電磁能量的相互轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)提供電壓支撐[4]。如果無(wú)功功率嚴(yán)重不足，則可能引起電壓失穩(wěn)，還可能形成惡性循環(huán)，將會(huì)導(dǎo)致電壓崩潰的發(fā)生。如果電力系統(tǒng)無(wú)功功率不足的話(huà)，就需要進(jìn)行無(wú)功功率的補(bǔ)償。SVG、STATCOM、UPFC、IPFC等靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置比傳統(tǒng)的固定電容器、同步調(diào)相機(jī)等補(bǔ)償裝置能更快速、連續(xù)、靈活地對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，這樣有利于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。

2.2 低頻振蕩的改善

電力系統(tǒng)發(fā)生小擾動(dòng)或故障時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子、角頻率以及電壓都會(huì)產(chǎn)生一定頻率的系統(tǒng)振蕩。解決低頻振蕩普遍采用減少有功功率的送出和安裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS兩種措施，但有功功率的減少肯定是不經(jīng)濟(jì)的，會(huì)影響用戶(hù)的正常使用，而加裝PSS則可能會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)其他部分產(chǎn)生副作用，從而影響穩(wěn)定性。合理地加裝上FACTS控制器，如TCR、SSSC 、STATCOM、UPFC等就可以有效地改善電網(wǎng)的低頻振蕩，從而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行控制，保持其穩(wěn)定性。

2.3 暫態(tài)穩(wěn)定性的提高

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題是指電力系統(tǒng)受到較大的擾動(dòng)之后各發(fā)電機(jī)是否能繼續(xù)保持同步運(yùn)行的問(wèn)題[5]。其原因主要有如下幾種：負(fù)荷的突然變化、發(fā)生短路故障以及電力系統(tǒng)中主要元器件的投切。FACTS 控制器一般能夠在電網(wǎng)快發(fā)生故障時(shí)提供快速響應(yīng)來(lái)進(jìn)行潮流的動(dòng)態(tài)控制從而提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

3 柔性交流輸電系統(tǒng)的優(yōu)越性

FACTS能在較大范圍有效地控制電力系統(tǒng)的潮流分布，同時(shí)可以增加電力系統(tǒng)的傳輸容量；對(duì)于電網(wǎng)的故障所產(chǎn)生的危害也可得到適當(dāng)限制，防止線路串級(jí)跳閘，以避免事故擴(kuò)大；對(duì)故障有更加快的響應(yīng)時(shí)間和消除電力系統(tǒng)振蕩，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文對(duì)柔性交流輸電技術(shù)的概念及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹以及對(duì)FACTS中幾種主要控制器的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用做了詳細(xì)的論述。FACTS控制器可以解決當(dāng)前電網(wǎng)面臨的一些問(wèn)題,能更加快速、連續(xù)、靈活地進(jìn)行潮流控制、電壓控制以及無(wú)功補(bǔ)償。減少電網(wǎng)中的環(huán)流，對(duì)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)揮著重要的作用。在滿(mǎn)足安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求下，相信FACTS技術(shù)在未來(lái)將起著更加重要的作用。

[1] 程漢湘, 聶一雄. 柔性交流輸電系統(tǒng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.

[2] 朱夏, 王杰. FACTS技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 水電能源科學(xué), 2013, 31(8): 158-160.

[3] 高紅, 陳繼軍.靈活交流輸電技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].廣東電力, 2010, 23(9): 21-26.

[4] 李晉園, 湯強(qiáng), 向暉. FACTS技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電工電氣, 2011: 38-41.

[5] 何仰贊, 溫增銀. 電力系統(tǒng)分析[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2002.

Application of FACTS to Power System

Peng Pai, Cheng Hanxiang, Yu Yin, Yang Jian

(Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

TM76

A

1003-4862（2014）10-0039-02

2014-03-17

彭湃(1989-)，男，研究生。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化，無(wú)功補(bǔ)償及其優(yōu)化。