FACTS裝置在線路融冰中的應(yīng)用

廣西電網(wǎng)公司桂林供電局 鐘來(lái)勝 李 俊 肖 宏 周澤民

FACTS裝置在線路融冰中的應(yīng)用

廣西電網(wǎng)公司桂林供電局 鐘來(lái)勝 李 俊 肖 宏 周澤民

靈活交流輸電（FACTS）技術(shù)調(diào)節(jié)速度快、性能可靠，對(duì)電力系統(tǒng)潮流優(yōu)化分布、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸電能力等方面有很廣泛的應(yīng)用。隨著智能電網(wǎng)的快速建設(shè)以及國(guó)內(nèi)電網(wǎng)接線日漸復(fù)雜，電網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)難度也越來(lái)越大，因此靈活交流輸電（FACTS）技術(shù)的應(yīng)用前景也越來(lái)越廣。本文研究了FACTS裝置在線路融冰中的應(yīng)用，綜合分析了靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）以及統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）在輸電線路融冰中的應(yīng)用，并對(duì)幾種裝置進(jìn)行了技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)的比較，綜合對(duì)比了FACTS裝置在線路融冰中的作用。

FACTS；融冰；SVC；STATCOM；UPFC

引言

輸電線路覆冰會(huì)導(dǎo)致線路跳閘、斷線，覆冰過(guò)重會(huì)導(dǎo)致桿塔倒塌、絕緣子閃絡(luò)等事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，產(chǎn)生大面積的停電事故。線路覆冰常發(fā)生在冬季大雪天氣，由于環(huán)境和交通問(wèn)題，不能夠及時(shí)完場(chǎng)搶修工作，因此，線路覆冰對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行存在很大的影響架空導(dǎo)線除冰融冰方法及融冰裝置的研究對(duì)減輕輸電線路冬季受冰雪襲擊具有重大意義[1]。

隨著靈活交流輸電（FACTS）技術(shù)應(yīng)用日漸成熟[2-3]，許多FACTS裝置被應(yīng)用到輸電線路融冰領(lǐng)域，文獻(xiàn)[4]提出了兼具融冰功能的靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）融冰裝置，SVC融冰裝置應(yīng)用較為成熟，但其無(wú)功補(bǔ)償效果較差[5-6]，相比而言，靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）具有較好的無(wú)功補(bǔ)償功能，且STATCOM的電壓、電流諧波含量較低[7-8]。文獻(xiàn)[9]研究了靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）在輸電線路融冰中的應(yīng)用，文獻(xiàn)[10]研究了目前較為先進(jìn)的統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）在線路融冰中的應(yīng)用。

本文針對(duì)FACTS裝置在融冰領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）以及統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的工作原理，并研究給出了該類FACTS裝置轉(zhuǎn)變?yōu)槿诒b置的切換原理及工作方案；最后本文對(duì)該類可兼具融冰功能的FACTS裝置進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 FACTS裝置工作原理

1.1 SVC工作原理

SVC的單項(xiàng)原理圖如圖1所示，常用的SVC為TCR型 SVC，這種裝置一般由固定電容器（FC）與晶閘管控制電抗器（TCR）并聯(lián)組成，如圖1所示。SVC的工作原理是通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角α進(jìn)而對(duì)SVC等值電抗的大小和性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，最終達(dá)到快速連續(xù)調(diào)整無(wú)功功率的輸出的目的。

圖1 SVC單相原理圖

如圖1所示，反向并聯(lián)晶閘管Th1、Th2為反向并聯(lián)晶閘管與電抗器組成晶閘管控制電抗器（TCR），其中電抗器的電抗為XL，XC為固定電容器（FC）的電抗，ISVC為通過(guò)SVC的電流。通過(guò)控制反并聯(lián)晶閘管Th1、Th2的觸發(fā)角大小，控制電流基波分量，從而可以改變電抗器的等效電納值，最終得出連續(xù)可調(diào)的無(wú)功功率，這就是TCR的基本工作原理。反并聯(lián)晶閘管Th1、Th2起半波交流開關(guān)的作用，以觸發(fā)角α過(guò)電壓零點(diǎn)為基準(zhǔn)，觸發(fā)角α在90°～180°之間部分導(dǎo)通，且電流基波分量隨α的增大而變小，等效增強(qiáng)電抗器電抗來(lái)減小無(wú)功。通過(guò)調(diào)節(jié)α在90°～180°之間調(diào)節(jié)α可以控制電流值在0到額定值之間的變動(dòng)。

1.2 STATCOM工作原理

根據(jù)直流側(cè)采用的儲(chǔ)能元件的不同可以將STATCOM分為電壓型橋式和電流型橋式兩種類型。目前應(yīng)用較多的為電壓型橋式STATCOM，因此本文對(duì)電壓型橋式STATCOM工作原理進(jìn)行了分析研究。如圖2所示，該STATCOM裝置需要通過(guò)在電壓型橋式電路上串聯(lián)連接電抗器以濾除裝置產(chǎn)生的諧波，減輕對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

圖2 電壓型橋式電路

圖2中，電阻R和電感L分別表示裝置損耗和線路電抗及連接變壓器漏抗，C為直流電容，電路中的器件可采用GTO、IGBT或IGCT等。

STATCOM基本工作原理是通過(guò)控制電力半導(dǎo)體開關(guān)將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率的交流側(cè)輸出電壓，工作原理圖如圖3所示。

圖3 STATCOM工作原理圖

圖3中VI為STATCOM的逆變器輸出電壓有效值，Vs為系統(tǒng)電壓有效值。在不考慮連接電抗器的損耗和變流器本身的損耗的情況下，STATCOM的工作原理為：首先將VI與Vs同步，然后通過(guò)調(diào)節(jié)VI的幅值改變VI與Vs的電壓差，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的無(wú)功吸收或者輸出的控制。調(diào)節(jié)VI，當(dāng)VI＞Vs時(shí)，STATCOM處于超前運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)裝置發(fā)出無(wú)功功率，可以作電容器使用；當(dāng)VI＜Vs時(shí)，STATCOM處于滯后運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)裝置吸收無(wú)功功率，可以作電抗器的使用；當(dāng)VI=Vs時(shí)，STATCOM與系統(tǒng)無(wú)無(wú)功交換。當(dāng)僅考慮基波頻率時(shí)，STATCOM可以等效視為幅值和相位均可控的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，它通過(guò)交流電抗器與電網(wǎng)相連。

1.3 UPFC工作原理

如圖4所示，統(tǒng)一潮流控制器UPFC由兩個(gè)共用直流回路的電壓源換流器（VSC）組成，換流器VSC1連接中間變壓器IT1和耦合變壓器T1串聯(lián)接入輸電線路，換流器VSC2經(jīng)由中間變壓器IT2和耦合變壓器T2并聯(lián)接入線路，直流側(cè)電容維持電壓不變。UPFC的主要工作原理是：通過(guò)換流器VSC1向線路輸入一個(gè)幅值和相位可調(diào)節(jié)的交流電壓，從而控制裝置的有功和無(wú)功輸出。其中，換流器VSC1提供的無(wú)功功率由自身產(chǎn)生，有功功率由換流器VSC2通過(guò)直流回路提供，整個(gè)UPFC裝置既不產(chǎn)生也不吸收有功功率，因此換流器VSC2從系統(tǒng)吸收的有功功率等于換流器VSC1注入線路的有功功率。換流器VSC2可以利用剩余的容量獨(dú)立的向置入節(jié)點(diǎn)提供無(wú)功功率以控制節(jié)點(diǎn)電壓。

圖4 UPFC的結(jié)構(gòu)及一次接線圖

同時(shí)，統(tǒng)一潮流控制器UPFC還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)其中一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，另一部分仍可獨(dú)立運(yùn)行。具體為：當(dāng)換流器VSC1發(fā)生故障時(shí)，斷開直流側(cè)開關(guān)，此時(shí)換流器VSC2可作為STATCOM使用；當(dāng)換流器VSC2故障時(shí)，斷開直流側(cè)開關(guān)，換流器VSC1僅輸出無(wú)功，可作為SSSC使用。

選擇 [Spatial Analyst 工具]→ [地圖代數(shù)]→[柵格計(jì)算器]，在對(duì)話框中輸入公式：＂backl2＂* ＂dem _ buildings＂，計(jì)算建筑物背光面輪廓高度，如圖7所示。同理，獲得在時(shí)刻13∶00和14∶00的建筑物背光面輪廓及輪廓高度數(shù)據(jù) dem _13 和 dem_14。

2 FACTS裝置融冰設(shè)計(jì)

2.1 SVC裝置融冰原理

TCR型直流融冰兼SVC裝置的主電路原理如圖5所示。該裝置在SVC模式與直流融冰模式的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方式有所不同，因此該裝置切換操作相對(duì)復(fù)雜且對(duì)可靠性有影響。

圖5 TCR型直流融冰兼SVC裝置主電路原理結(jié)構(gòu)

如圖6所示，可控整流器型直流融冰兼SVC裝置主要由整流閥、交流濾波器組、平波電抗器、工頻濾波器及隔離閘刀等構(gòu)成，通過(guò)對(duì)隔離閘刀進(jìn)行控制可以使裝置在兩種運(yùn)行模式下切換運(yùn)行。如圖6，當(dāng)GD斷開、GM閉合時(shí)，裝置作為融冰裝置使用，工頻濾波器具有濾波作用，可以減少對(duì)裝置的運(yùn)行控制的干擾。

圖6 可控整流器型直流融冰兼SVC裝置原理結(jié)構(gòu)

當(dāng)GD閉合、GM斷開時(shí)，裝置作為SVC使用，此時(shí)整流閥基本上只消耗無(wú)功功率（有功損耗很小），因此可等效為感性無(wú)功源，其與固定容量的容性無(wú)功源（交流濾波器組等效）聯(lián)合，構(gòu)成連續(xù)可調(diào)無(wú)功補(bǔ)償裝置。該裝置既可以發(fā)出無(wú)功（整流橋吸收無(wú)功量小于濾波器組補(bǔ)償無(wú)功量），又可以吸收無(wú)功（整流橋吸收無(wú)功量大于濾波器組補(bǔ)償無(wú)功量），從而起到對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

圖7 電壓源型直流融冰裝置拓?fù)鋱D

圖8 STATCOM主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 STATCOM裝置融冰原理

圖7、圖8分別為STATCOM融冰裝置在融冰模式和STATCOM模式的裝置拓?fù)鋱D。將STATCOM擴(kuò)展為電壓源型融冰裝置的切換原理是：在融冰工作模式下，有功功率從換流橋交流側(cè)流向直流側(cè)，通過(guò)在直流電容并聯(lián)覆冰輸電線路，使傳輸?shù)墓β蕦?duì)線路進(jìn)行融冰，并通過(guò)SPWM控制技術(shù)，使得交流側(cè)電壓和電流保持同相位，盡量使得無(wú)功功率消耗為0，實(shí)現(xiàn)融冰裝置單位功率因數(shù)運(yùn)行狀態(tài)；在非融冰模式下，通過(guò)改變部分接線，使得裝置作為STATCOM運(yùn)行，此時(shí)無(wú)功功率從直流側(cè)流向交流側(cè)，幾乎不傳輸有功功率。并且根據(jù)接入交流側(cè)的母線電壓變化，控制換流閥的開關(guān)動(dòng)作，改變調(diào)制波的控制相位，實(shí)現(xiàn)交流母線感性無(wú)功和容性無(wú)功的選擇性補(bǔ)償，以提高STATCOM接入點(diǎn)的電壓穩(wěn)定性。

由上述切換原理可知，融冰裝置和STATCOM除了部分接線需要切換外，最重要的是實(shí)現(xiàn)兩者控制策略的切換。下面給出電壓源型直流融冰裝置控制系統(tǒng)的切換原理。電流內(nèi)環(huán)可以用一個(gè)慣性環(huán)節(jié)來(lái)代替，因此融冰裝置的控制框圖可以用圖9來(lái)表示，該控制的原理是根據(jù)融冰負(fù)載的不同確定不同的直流電壓，通過(guò)電壓外環(huán)控制，在保持直流電壓恒定的同時(shí)，給出有功功率的參考值，即給出q軸電流的參考值，再經(jīng)過(guò)電流內(nèi)環(huán)控制使得換流橋交流側(cè)輸出電流和交流電壓相位保持一致，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，因此該控制的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)換流橋交流側(cè)電流和電壓同相位，實(shí)現(xiàn)全有功功率傳輸，基本不傳輸無(wú)功功率。

圖9 電壓源型融冰裝置控制結(jié)構(gòu)框圖

2.3 UPFC裝置融冰原理

統(tǒng)一潮流控制器UPFC融冰的主要原理為：UPFC融冰為交流融冰，結(jié)合UPFC具有功率傳遞功能的特點(diǎn)，通過(guò)UPFC增加覆冰線路上傳輸?shù)墓β?，加大線路損耗造成線路發(fā)熱，從而達(dá)到融冰的效果。

UPFC裝置進(jìn)行融冰原理圖如圖10所示。系統(tǒng)1和系統(tǒng)2模擬2個(gè)電網(wǎng)，線路AB段即為要進(jìn)行融冰的線路。通過(guò)調(diào)節(jié)UPFC裝置，使線路AB段傳輸?shù)墓β试黾?，流過(guò)的負(fù)載電流隨之增大，達(dá)到融冰所需電流值，覆冰就開始融化。待線路覆冰融化，即可調(diào)節(jié)UPFC，不再進(jìn)行功率傳遞，恢復(fù)原來(lái)的運(yùn)行方式。

圖10 UPFC裝置進(jìn)行融冰的結(jié)構(gòu)

UPFC融冰是一種基于增加無(wú)功電流的融冰方法，這種方法在不改變負(fù)荷正常供電的情況下，降低功率因數(shù)，使線路傳送更多的無(wú)功功率，從而增大線路上的電流發(fā)熱。

3 FACTS裝置融冰對(duì)比分析

3.1 融冰方式對(duì)比

3．1．1 UPFC融冰方式

UPFC融冰方式為交流帶負(fù)荷融冰方式。UPFC融冰作為一種基于增加無(wú)功電流的融冰方法，在進(jìn)行融冰時(shí)，對(duì)無(wú)功功率的控制難度較大，同時(shí)，改變了系統(tǒng)無(wú)功功率分布，因此對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定影響較大，所以此方法實(shí)用性有待進(jìn)一步提高。該融冰方式為交流帶負(fù)荷融冰方式。

表1 STATCOM融冰與SVC融冰的比較

3．1．2 STATCOM及SVC融冰方式

STATCOM及SVC融冰為直流短路融冰方法，直流短路法通過(guò)將交流電流通過(guò)大容量電力電子設(shè)備轉(zhuǎn)化為直流電流來(lái)加熱覆冰線路。由于直流融冰時(shí)導(dǎo)線僅與線路的電阻有關(guān)，所以線路不消耗無(wú)功，僅直流換流器自身消耗無(wú)功，因此直流短路法可以對(duì)各個(gè)電壓等級(jí)的線路融冰，而無(wú)須考慮線路中無(wú)功補(bǔ)償不足的問(wèn)題，具有一定的應(yīng)用性

3.2 STATCOM融冰與SVC融冰對(duì)比

基于SVC的直流融冰裝置，在非融冰期間作為SVC對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，起到了節(jié)省成本和穩(wěn)定系統(tǒng)的作用。同樣作為重要FACTS裝置的靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）是自換相橋式電路通過(guò)電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流。其無(wú)功補(bǔ)償能力，諧波性能，以及占地面積等均優(yōu)于SVC。SVC與STATCOM兼融冰的對(duì)比如表1所示。

從表1可以看出，在同樣的融冰需求下，SVC和STATCOM裝置的容量相近，但由于前者需要整流變壓器、濾波裝置和無(wú)功補(bǔ)償裝置，因此占地面積比較大，且模式切換較復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)性較差。STATCOM融冰的性能較好，無(wú)需其他的輔助裝置，且模式切換簡(jiǎn)單，適合長(zhǎng)期運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)三種兼具融冰功能的FACTS裝置進(jìn)行了研究，并給出了三種FACTS裝置融冰切換方法；同時(shí)本文對(duì)靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）以及統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）三種FACTS裝置的融冰方式及特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，研究表明，STATCOM融冰的性能較好，適合長(zhǎng)期應(yīng)用。

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鐘來(lái)勝（1986—），男，江西贛州人，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司桂林供電局，工程師，研究方向：變電運(yùn)行。

李俊（1975—），男，廣西桂林人，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司桂林供電局，工程師，研究方向：變電運(yùn)行。

肖宏（1977—），男，廣西桂林人，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司桂林供電局，工程師，研究方向：變電運(yùn)行。

周澤民（1983—），男，廣西桂林人，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司桂林供電局，助理工程師，研究方向：變電檢修。