柔性交流輸電技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

1、柔性交流輸電技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用摘要：根據(jù)世界上柔性交流輸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)其特點(diǎn)和功能進(jìn)行了詳細(xì)的論述和分類，從多方面敘述了它的先進(jìn)性、可用性和重要意義，最后介紹了該項(xiàng)技術(shù)在世界上的應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：柔性交流輸電技術(shù)；有功潮流；無功潮流；潮流控制；穩(wěn)定性柔性交流輸電技術(shù)(FACTS)是將電力電子技術(shù)、微處理機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)等高新技術(shù)集中應(yīng)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(yùn)行性能和電能質(zhì)量并獲取大量節(jié)電效益的一種新型綜合技術(shù)。早期受電力電子設(shè)備發(fā)展的限制，使FACTS技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上和運(yùn)行可靠性方面優(yōu)勢(shì)不明顯。隨著大功率高電壓電力電子技術(shù)、微處理機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)在近十幾年

2、的高速發(fā)展和日益成熟穩(wěn)定，F(xiàn)ACTS技術(shù)可靠性有了大大的提高，造價(jià)也不斷降低，使直接對(duì)高電壓大功率的輸電系統(tǒng)進(jìn)行可靠和快速控制已成為可能，而與電力電子元器件配套的驅(qū)動(dòng)回路、保護(hù)和冷卻等輔助技術(shù)也日趨完善，使FACTS技術(shù)逐步進(jìn)入了實(shí)用階段。1.FACTS技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀柔性交流輸電系統(tǒng)的概念是由美國(guó)電力科學(xué)研究院N.G.Hingorani博士于1988年首先提出的，在此以前出現(xiàn)的靜止無功補(bǔ)償設(shè)備(staticvarcompensator,SVC)也屬于此范籌。1997年IEEEPES冬季會(huì)議上正式對(duì)FACTS做了定義。從早期出現(xiàn)的SVC開始，F(xiàn)ACTS技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了20多年。按其性能和功能的

3、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(shù)發(fā)展的分界線。a)第一代FACTS技術(shù)從20多年前就出現(xiàn)的SVC開始，主要由晶閘管開關(guān)快速控制的電容器和電抗器組成的裝置，以提供動(dòng)態(tài)電壓支持，其技術(shù)基礎(chǔ)是常規(guī)晶閘管整流器(semiconductorcontrolledrectifier,SCR)，后來出現(xiàn)的第一代FACTS裝置是晶閘管控制的串聯(lián)電容器(thyristorcontrolledseriescompensator,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。b)第二代FACTS技術(shù)這一代

4、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(shè)大型的電力設(shè)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(staticcompensator，STATCOM)和串聯(lián)補(bǔ)償器(solidstateseriescompensator,SSSC)設(shè)備采用了門極可關(guān)斷設(shè)備(gateturnoffthristor,GTO；insulatedgatebipolartransistor,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(jià)大大降低，性能卻明顯提高。c)第三代FACTS技術(shù)將兩臺(tái)或多臺(tái)控制器復(fù)合成一組FACTS裝置，并使其具有一個(gè)共同的

5、、統(tǒng)一的控制系統(tǒng)。如將一臺(tái)STATCOM和一臺(tái)SSSC復(fù)合而成的綜合潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，UPFC)，它可以控制線路阻抗，電壓或功角的方法同時(shí)控制輸電線路的有功和無功潮流。調(diào)節(jié)雙回路潮流的線間潮流控制器(interphasepowerflowcontroller,IFPC)和可控移相器(thyristorcontrolledphaseangleregulator,TCPR)都屬于復(fù)合控制器。FACTS技術(shù)用于配電領(lǐng)域也取得了顯著進(jìn)展，它主要用于改善配電網(wǎng)的電壓和電流質(zhì)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(yīng)用。目前已開發(fā)的裝置有S

6、VC、配電靜止補(bǔ)償器(DSTATCOM)、電池蓄能器(BESS)、超導(dǎo)蓄能(SMES)、有源電力濾波器(APF)、動(dòng)態(tài)電壓限制器(DVL)及固態(tài)斷路器(SSCB)等。在此，主要介紹輸電用的FACTS技術(shù)。2.FACTS技術(shù)的分類及其技術(shù)原理FACTS技術(shù)按其接入系統(tǒng)方式可分為并聯(lián)型，串聯(lián)型和綜合型。并聯(lián)型FACTS設(shè)備包括SVC和STATCOM(SVG)，主要用于電壓控制和無功潮流控制；串聯(lián)型FACTS包括可控串補(bǔ)(TCSC)和基于GTO的串聯(lián)補(bǔ)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(shè)備主要包括潮流控制器(UPFC)和可控移相器(T

7、CPR)，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。各種類型設(shè)備的技術(shù)原理介紹如下：2.1并聯(lián)型FACTS裝置典型的并聯(lián)型FACTS裝置是SVC和STATCOM，它們代表了FACTS技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)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(bǔ)償系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)TCR和TSC，使整個(gè)裝置無功輸出呈連續(xù)變化，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地使電壓保持在一定范圍內(nèi)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但由于這種設(shè)備在電網(wǎng)電壓的波動(dòng)超出一定范圍時(shí)表現(xiàn)出恒阻抗特性，因而在電網(wǎng)電壓波動(dòng)大時(shí)不能充分發(fā)揮其作用。STA

8、TCOM主回路主要是由大功率電力電子器件(如門極可關(guān)斷晶閘管GTO)組成的電壓型逆變器和并聯(lián)直流電容器構(gòu)成，是與傳統(tǒng)SVC原理完全不同的無功補(bǔ)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(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，而是利用逆變器產(chǎn)生無功功率。它所輸出的三相交流電壓V0通過變壓器與系統(tǒng)電壓Vs同步，并通過控制V0來調(diào)節(jié)無功功率的輸出，當(dāng)V0Vs時(shí)，輸出容性無功功率；當(dāng)V0Vs時(shí)，輸出感性無功功率，因此，設(shè)備無功功率的大小都由它輸出的電流來調(diào)整，而其輸出的電流與系統(tǒng)電壓基本無關(guān)，這些功能、原理上類似于同步調(diào)相機(jī)，但它是完全的靜態(tài)裝置，因此STATCOM又稱為靜止調(diào)相器，它的動(dòng)態(tài)性能遠(yuǎn)

9、優(yōu)于同步調(diào)相機(jī)，啟動(dòng)無沖擊，調(diào)節(jié)連續(xù)范圍大，響應(yīng)速度快，損耗小。由于采用了GTO，可以避免換相失敗，直流側(cè)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(gòu)成，因而裝置體積小且經(jīng)濟(jì)。2.2串聯(lián)型FACTS裝置典型的串聯(lián)型FACTS裝置是可控串補(bǔ)(TCSC)和基于GTO的串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)。TCSC通常指采取晶閘管控制的分路電抗器與串聯(lián)電容器組并聯(lián)組成的串聯(lián)無功補(bǔ)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(lián)補(bǔ)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(gè)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

10、相角情況下，線路的輸送功率將可實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)控制，以適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)載變化和動(dòng)態(tài)干擾，達(dá)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(lián)直流電容器構(gòu)成的串聯(lián)補(bǔ)償器，其基本結(jié)構(gòu)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?nèi)菘?，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(guān)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(shí)現(xiàn)對(duì)線路有功、無功潮流的控制和

11、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(shè)備是綜合潮流控制器(UPFC)。UPFC是將并聯(lián)補(bǔ)償?shù)腟TATCOM和串聯(lián)補(bǔ)償?shù)腟SSC組合成具有一個(gè)共同統(tǒng)一的控制系統(tǒng)的新型潮流控制器，它結(jié)合了多種FACTS技術(shù)的靈活控制手段,是FACTS技術(shù)中功能最強(qiáng)大的裝置，它通過將換流器產(chǎn)生的交流電壓串接入相應(yīng)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(shí)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(diǎn)之一是注入系統(tǒng)的無功是其本身裝置控制和產(chǎn)生的,但注入系統(tǒng)的有功必須通過直流回路由并聯(lián)回路STA

12、TCOM傳至串聯(lián)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(shù)的作用及適用范圍FACTS技術(shù)由于采用具有單獨(dú)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(shù)，如串并聯(lián)電容電抗、PSS和同步調(diào)相機(jī)等具有優(yōu)越的快速性能和靈活的控制能力，同時(shí)還具有良好的適應(yīng)性。由于FACTS技術(shù)與現(xiàn)有的交流輸電系統(tǒng)是并行發(fā)展的，并完全兼容，能在現(xiàn)有設(shè)備不做重大改動(dòng)的條件下，采用合適有效的FACTS技術(shù)，充分發(fā)揮現(xiàn)有電網(wǎng)的潛力。因此，在電力系統(tǒng)中具有廣泛而良好的應(yīng)用前景。綜合而言，應(yīng)用FACTS技術(shù)的重要作用和意義體現(xiàn)在：a)為充分利用現(xiàn)有的輸電線路的能力和資源?，F(xiàn)行電力系統(tǒng)由穩(wěn)定條

13、件限定的輸送功率的極限偏低，輸電線路的能力遠(yuǎn)未被充分利用，而采用FACTS技術(shù)，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(dǎo)線的熱穩(wěn)極限，從而提高輸電線路資源的利用率。b)提高電網(wǎng)和輸電線路的安全穩(wěn)定性、可靠性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。FACTS技術(shù)的應(yīng)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(wǎng)中的潮流大小和方向，實(shí)現(xiàn)潮流的合理流動(dòng)和電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；有助于限制電網(wǎng)和設(shè)備故障的影響范圍，減小事故恢復(fù)時(shí)間及停電損失。c)優(yōu)化整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行狀況。在電網(wǎng)中采用FACTS有助于建立全網(wǎng)統(tǒng)一的實(shí)時(shí)控制中心，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的優(yōu)化控制。以提高全系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。d)將改變交流輸電的傳統(tǒng)應(yīng)用

14、范圍。整套應(yīng)用并協(xié)調(diào)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(yīng)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(kuò)大到原屬于直流輸電專有的應(yīng)用范圍，如定向傳輸電力，功率調(diào)制，延長(zhǎng)水下或地下交流輸電距離等。4.FACTS技術(shù)的應(yīng)用情況世界上第一臺(tái)SVC設(shè)備由GE公司制造，于1977年在Tri-StateGT系統(tǒng)投入運(yùn)行，到目前為止，世界上已投運(yùn)的SVC已超過180臺(tái)，我國(guó)廣東江門、鄭州小劉、東北沙窩、湖南云田和武漢鳳凰山等500kV變電站也有6臺(tái)投運(yùn)。世界上第一臺(tái)SVG設(shè)備(20Mvar)于1980年在日本投入運(yùn)行

15、，該裝置采用了晶閘管強(qiáng)制換流的電壓型逆變器；世界上首臺(tái)采用大功率GTO作為逆變器元件的STATCOM(1Mvar)于1986年10月在美國(guó)投入運(yùn)行；1996年容量為100MvarSTATCOM在美國(guó)500kVSullivan變電站投入運(yùn)行；清華大學(xué)與河南電力局聯(lián)合研制的20MvarSTATCOM也于1999年投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。日本最近也在聯(lián)合研制用于275kV系統(tǒng)的容量為300MvarSTATCOM裝置，這是目前容量最大的STATCOM設(shè)備。1991年12月，世界上第一臺(tái)容量為131Mvar的晶閘管投切部分串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置在AEP公司的345kV線路上投入運(yùn)行，將該線路的輸送能力從950MW提高到

16、1450MW。世界上第一個(gè)可控串補(bǔ)工程項(xiàng)目則是1992年在美國(guó)西部的一條230kV線路上安裝的165MvarTCSC裝置,其后，1994年美國(guó)西北部的Slatt變電站500kV線路上安裝了208Mvar的TCSC裝置投入工業(yè)運(yùn)行。世界上第一臺(tái)GTO-CSC設(shè)備也已在美國(guó)的161kV的電網(wǎng)中運(yùn)行。我國(guó)東北電力系統(tǒng)將首次在伊敏馮屯輸電線路馮屯側(cè)安裝TCSC，以解決伊敏電廠兩臺(tái)500MW和兩臺(tái)600MW發(fā)電機(jī)經(jīng)雙回500kV線路向東北電網(wǎng)主網(wǎng)送電時(shí)存在嚴(yán)重暫態(tài)穩(wěn)定問題。目前西電東送的主交流通道天生橋平果雙回線裝設(shè)了40%固定串補(bǔ)和10%可控串補(bǔ)TCSC設(shè)備，以充分利用已有的交流線路，盡可能輸送更多功

17、率到廣東。在綜合型設(shè)備方面，1998年世界上首臺(tái)大容量的UPFC裝置(320MVA，由160MVA的SSSC和160MVA的STATCOM組成)在美國(guó)500kVInez變電站運(yùn)行；可控移相器TCPR首次應(yīng)用在美國(guó)中西部的230kV聯(lián)絡(luò)線上，提高了線路的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性，使中西部聯(lián)絡(luò)線交換功率增加200MVA。5.FACTS技術(shù)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和常規(guī)的補(bǔ)償電容器電抗器比較，目前FACTS設(shè)備的設(shè)計(jì)制造較復(fù)雜，成本也高。即使相對(duì)采用常規(guī)電容器和電抗器的SVC和TCSC來說，制造成本也略高。但隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，其設(shè)計(jì)制造將越來越模塊化，成本也將迅速降低?？梢灶A(yù)料到FACTS設(shè)備的成本將迅速

18、降到和同容量的SVC成本相當(dāng)或更低的水平。根據(jù)加拿大Manitoba高壓直流研究中心提供的信息看，以常規(guī)并聯(lián)電容器造價(jià)為基準(zhǔn)單位，常規(guī)串聯(lián)電容器是它的2.5倍，SVC，TCSC是它的5倍,STATCOM是它的6.25倍，包括了所有相關(guān)的無功功率可控設(shè)備部分，如晶閘管閥體，控制和保護(hù)，交流斷路器和變壓器等，可見各種設(shè)備的單位容量造價(jià)差距明顯，這些數(shù)據(jù)只是與設(shè)備有關(guān)的投資，實(shí)際上FACTS技術(shù)的選擇與確定要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際情況，根據(jù)系統(tǒng)的重要性、供電?/6.結(jié)語(yǔ)FACTS技術(shù)是目前電力系統(tǒng)輸配電技術(shù)的最新發(fā)展方向，對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行將帶來重要的影響。國(guó)內(nèi)部分高校和科研單位已經(jīng)做了大量的研究工作，部分地區(qū)的電力部門已經(jīng)在FAC