柔性輸電的基本原理課件

1、柔性輸電的基本原理 引言按技術(shù)的成熟程度可以劃分為三類:1)已在實(shí)際工程中大量應(yīng)用的。靜止無功發(fā)生器，簡(jiǎn)稱SVC ( static Var Compensator ) ；晶閘管控制的串聯(lián)電容器，簡(jiǎn)稱TCSC ( Thyristor Controlled Series Capacitor )；靜止同步補(bǔ)償器，簡(jiǎn)稱STATCOM ( Static Synchronous Compensator）。 2)已有工業(yè)樣機(jī)，但仍處在研究階段的。統(tǒng)一潮流控制器，簡(jiǎn)稱UPFC（Unified Power Flow Controller）3)剛剛提出原理設(shè)計(jì)，尚無工程應(yīng)用的。靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器，簡(jiǎn)稱SSSC(S

2、tatic Synchronous Series Compensator) ；晶閘管控制的移相器，簡(jiǎn)稱TCPST( Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer ) 。 柔性輸電裝置按其在系統(tǒng)中的聯(lián)接方式可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和綜合型。 SVC 和STATCOM 是并聯(lián)型；TCSC 和SSSC是串聯(lián)型。TCPST 和UPFC 是綜合型。 SVC的工作原理調(diào)相機(jī)傳統(tǒng)的靜止并聯(lián)無功補(bǔ)償是在被補(bǔ)償?shù)墓?jié)點(diǎn)上安裝電容器、電抗器或者它們的組合以向系統(tǒng)注入或從系統(tǒng)吸收無功功率。并聯(lián)在節(jié)點(diǎn)上的電容器和/或電抗器通過機(jī)械開關(guān)按組投入或退出。 傳統(tǒng)補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)：

3、）其調(diào)節(jié)是離散的；）其調(diào)節(jié)速度緩慢，不能滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)要求；）其電壓負(fù)特性，即當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓降低（升高）時(shí)，并聯(lián)電容注入系統(tǒng)的無功功率也降低（升高）。 屬于柔性輸電技術(shù)范疇的現(xiàn)代靜止無功發(fā)生器（Static Var Compensator ）將電力電子元件引入傳統(tǒng)的靜止并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置，從而實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償?shù)目焖俸瓦B續(xù)平滑調(diào)節(jié)。理想的SVC 可以支持所補(bǔ)償?shù)墓?jié)點(diǎn)電壓接近常數(shù)。良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)節(jié)特性使SVC 得到了廣泛的應(yīng)用。 SVC 的構(gòu)成形式有多種，但基本元件為晶閘管控制的電抗器（Thyristor Controlled Reactor ）和晶閘管投切的電容器（Thyristor Switched C

4、apacitor ) 。 為了降低SVC 的造價(jià)，大多數(shù)SVC 通過降壓變壓器并入系統(tǒng)。由于閥的控制作用，SVC 將產(chǎn)生諧波電流，因而為降低SVC 對(duì)系統(tǒng)的諧波污染，SVC 中還應(yīng)設(shè)有濾波器。對(duì)基波而言，濾波器呈容性，即向系統(tǒng)注入無功功率。 TCR和TSC支路 TCR 支路由電抗器與兩個(gè)背靠背連接的晶閘管相串聯(lián)構(gòu)成，控制元件為晶閘管。設(shè)加在TCR支路上的系統(tǒng)電壓為正弦，其波形如圖8-3（a）所示，閥的觸發(fā)延遲角為，則觸發(fā)時(shí)刻為： TCR電壓波形和電流 ）這種運(yùn)行模式相當(dāng)于將電抗器直接并聯(lián)在系統(tǒng)中）當(dāng)觸發(fā)角從增大到時(shí)，閥的導(dǎo)通區(qū)間寬度將由下降到零。這時(shí)在任何時(shí)刻兩個(gè)閥都處在截止?fàn)顟B(tài)。這種運(yùn)行模式

5、即相當(dāng)于將電抗器退出運(yùn)行。 ）當(dāng)小于時(shí)，已經(jīng)處在導(dǎo)通狀態(tài)的閥，其電流回到零點(diǎn)的時(shí)刻將大于尚未導(dǎo)通的閥的觸發(fā)時(shí)刻。在這種情況下，當(dāng)未導(dǎo)通的閥的觸發(fā)脈沖發(fā)出時(shí)，由于已導(dǎo)通的閥尚未關(guān)斷，故未導(dǎo)通閥的閥電壓為零，因而不能被觸發(fā)而導(dǎo)通。這樣，兩個(gè)閥中總有一個(gè)閥在任何時(shí)刻都是截止?fàn)顟B(tài)。這種狀態(tài)將導(dǎo)致電感電流中的主要分量為直流分量。因而正常情況下，TCR 的觸發(fā)角運(yùn)行范圍為 由式（8-3）或波形圖可見，由于閥的控制作用，電抗器中流過的電流發(fā)生畸變而不再是正弦量。調(diào)整觸發(fā)角的大小將改變電流的峰值和導(dǎo)通區(qū)間的寬度。TCR支路的等值基波電抗為：由上式可見，TCR支路的等值基波電抗是導(dǎo)通角或者說是觸發(fā)角的函數(shù)。調(diào)整

6、觸發(fā)角可以平滑地調(diào)整并聯(lián)在系統(tǒng)的等值電抗。 如圖8-2（b）所示，TSC 支路由電容器與兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管相串聯(lián)構(gòu)成。TSC支路的電源電壓與TCR 相同，其波形如圖8-3（a）所示。TSC 中通過對(duì)閥的控制使電容器只有兩種運(yùn)行狀態(tài)：將電容器直接并聯(lián)在系統(tǒng)中或?qū)㈦娙萜魍顺鲞\(yùn)行。切除投運(yùn)狀態(tài)的電容器比較簡(jiǎn)單，只要停止對(duì)閥進(jìn)行觸發(fā)即可。 SVC 向系統(tǒng)注入的無功功率為：可見當(dāng)時(shí)，SVC 向系統(tǒng)注入的無功功率可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)。為了擴(kuò)大SVC 的調(diào)節(jié)范圍，根據(jù)補(bǔ)償容量的需要，一個(gè)SVC 中可以采用多個(gè)TSC支路。 SVC 的等值電抗為 SVC 的等值伏安特性由TCR 和TSC組合而成 系統(tǒng)電壓變化時(shí)

7、SVC的等值阻抗隨變化的示意圖 SVC的伏安特性 當(dāng)系統(tǒng)電壓在SVC的控制范圍內(nèi)變化時(shí)，SVC 可以看成電源電壓為和內(nèi)電抗為的同期調(diào)相機(jī)：式中：即是圖8-5 中直線AB的斜率；及分別為SVC 的端電壓及端電流。當(dāng)系統(tǒng)電壓的變化超出SVC 的控制范圍時(shí)，SVC 即成為固定電抗 在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制問題中，SVC 可以看成并聯(lián)在系統(tǒng)中的一個(gè)可變電納，其電納值由SVC 的控制器決定。 STATCOM的工作原理 STATCOM也稱為靜止無功發(fā)生器（ASVG , Advanced Static Var Generator) ，其功能與SVC 基本相同，但是運(yùn)行范圍更寬、調(diào)節(jié)速度更快。 SVC 的控

8、制元件為晶閘管。晶閘管是半控型器件，只能在閥電流過零時(shí)關(guān)斷。STATCOM 是用全控型器件實(shí)現(xiàn)的。 STATCOM 的原理接線如圖8-6所示。其中控制元件為全控型閥元件GTO。 理想的GTO 開關(guān)特性為：當(dāng)閥有正向電壓且在門極加正向控制電流時(shí)，閥即時(shí)開通。閥在導(dǎo)通狀態(tài)下閥電阻為零。當(dāng)在門極加負(fù)向控制電流時(shí)閥即時(shí)關(guān)斷。閥在關(guān)斷狀態(tài)下閥電阻為無窮大。顯見，GTO 與普通晶閘管的關(guān)鍵區(qū)別是其關(guān)斷時(shí)刻是由門極控制而并不要求閥電流過零。 圖8-6 所示的STATCOM 實(shí)際上為一個(gè)自換相的電壓型三相全橋逆變器。電容器的直流電壓相當(dāng)于理想的直流電壓源，為逆變器提供直流電壓支撐。與GTO 反向并聯(lián)的普通二極

9、管的作用是續(xù)流，即為交流側(cè)向直流側(cè)反饋能量時(shí)提供通道。 逆變器在正常工作時(shí)通過GTO 的通斷將直流電壓轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率的相位與幅值都可控制的交流電壓。由于三相對(duì)稱正弦電路的三相功率瞬時(shí)值之和為常數(shù)，因此各相的無功功率不是在電源與負(fù)載之間而是在相與相之間周期性交換。 若不考慮在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中由上述能量支持交流系統(tǒng)時(shí)，電容C的值可以較小而STATCOM 能為系統(tǒng)提供的無功容量要遠(yuǎn)大于此。STATCOM 為系統(tǒng)提供的最大無功容量主要受逆變器的容量所限。所以與SVC相比較，STATCOM 的構(gòu)成避免了采用體積龐大的電抗器和電容器。 TCSC 的工作原理晶閘管控制的串聯(lián)電容器(TCSC)可以快速、

10、連續(xù)地改變所補(bǔ)償?shù)妮旊娋€路的等值電抗，因而在一定的運(yùn)行范圍內(nèi)，可以將此線路的輸送功率控制為期望的常數(shù)。在暫態(tài)過程中，通過快速地改變線路等值電抗從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最早的TCSC 于1991 年在美國投運(yùn)。 TCSC 原理結(jié)構(gòu)示意圖 圖中包括一個(gè)固定電容和與其相并聯(lián)的晶閘管控制的電抗（TCR）?？刂圃榫чl管。在上邊分析SVC 的控制原理時(shí)，其中也涉及到TCR 。但需注意，由于SVC 是并聯(lián)在系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)上，所以認(rèn)為加在TCR的電壓是正弦量，而流過TCR 支路的電流由于閥的控制作用而發(fā)生畸變，其波形如圖8-3（b）。 TCSC 中的TCR 與SVC 中的TCR 的運(yùn)行條件大不相同。注意TCSC

11、 是串聯(lián)在系統(tǒng)的輸電線中，由于諧波管理的要求和系統(tǒng)運(yùn)行條件的物理約束使得流過TCSC 的電流即線路電流為正弦波。這樣，由于閥的控制作用，當(dāng)流過TCR 支路的電流發(fā)生畸變時(shí)，與其并聯(lián)的電容電壓必發(fā)生畸變而成為非正弦量。這是二者的重要區(qū)別。 SSSC的工作原理TCSC是用半控型電力電子元件實(shí)現(xiàn)的串聯(lián)補(bǔ)償。用全控型元件實(shí)現(xiàn)串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袛?shù)種，這里介紹采用GTO 實(shí)現(xiàn)的電壓型逆變器構(gòu)成的串聯(lián)補(bǔ)償SSSC 。前邊已介紹的STATCOM 是將電壓型逆變器經(jīng)電抗器或變壓器并聯(lián)在系統(tǒng)中，SSSC 則是將電壓型逆變器經(jīng)變壓器串聯(lián)在線路中，忽略線路對(duì)地支路時(shí)，其原理接線如圖所示。 SSSC是基于可關(guān)斷器件的新型

12、串補(bǔ)裝置，通過串聯(lián)在線路中與線路電流相角差為90，幅值可調(diào)的電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)線路縱向電壓的控制，起到調(diào)節(jié)線路輸送功率、抑制電壓振蕩和功率振蕩，并影響線路兩端母線電壓及其相角等作用。 容性補(bǔ)償時(shí)，注入電壓滯后線路電流90，與線路阻抗上的電壓降反向，使線路電流的幅值增加，如圖（b）所示，從而在不改變功角差的情況下，使線路輸送功率增加。若保持相同輸送功率不變時(shí)，減小輸電線路兩端的電壓降和相角差，從而將提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和輸送能力。 感性補(bǔ)償時(shí)，注入電壓超前線路電流90，與線路阻抗上的電壓降同向，使線路電流的幅值減小，輸送功率減小，如圖（c）所示。 TCPST的工作原理晶閘管控制的移相器（Thyristo

13、r controlled Phase shifting Transformer ) ，簡(jiǎn)稱TCPST。 用機(jī)械開關(guān)通過切換變壓器分接頭實(shí)現(xiàn)的移相器在電力系統(tǒng)中已有較長的應(yīng)用歷史。這種移相器也稱為串聯(lián)加壓器。由于機(jī)械開關(guān)調(diào)整變壓器分接頭的速度十分緩慢，因而這種移相器只能用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)整。另外，機(jī)械開關(guān)的運(yùn)行壽命短也是這種移相器的主要缺點(diǎn)。 用晶閘管替換機(jī)械式切換開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)移相器的快速調(diào)整從而使其應(yīng)用范圍大大擴(kuò)展，具體實(shí)現(xiàn)的方案有多種，這里以其中比較簡(jiǎn)單的一種為例來介紹移相器的基本工作原理。 移相器由并聯(lián)變壓器（ET）、串聯(lián)變壓器（BT）和切換開關(guān)構(gòu)成。并聯(lián)變壓器和串聯(lián)變壓器也分別稱為激勵(lì)變壓器和加壓變壓器。圖8-10中并聯(lián)變壓器的二次側(cè)和串聯(lián)變壓器的一次側(cè)只畫出了c相，其他兩相具有相同的結(jié)鉤。開關(guān)S 由一對(duì)反向并聯(lián)的晶閘管組成，與前面介紹的TCSC 中的開關(guān)具有完全相同的工作原理。 S1S5在任何情況下只允許導(dǎo)通一個(gè)，其余斷開。由圖可以看出，并聯(lián)變壓器的變比隨開關(guān)S1S4的導(dǎo)通情況變化。當(dāng)S1S4都斷開時(shí)，S5必須導(dǎo)通，將串聯(lián)變壓器的一次側(cè)短路，以避免將串聯(lián)變壓器的激磁阻抗串進(jìn)線路。 UPFC 的工作原理 前邊介紹的幾種FACTS 裝置都是只調(diào)節(jié)影響電力線輸送功率的三個(gè)參數(shù)中的一個(gè)。TCSC 和SSSC 補(bǔ)償線路參數(shù)，SVC 和STATCOM 控制節(jié)