柔性輸電技術(shù)介紹

1、現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析 任課教師：王守相 研究生學位課： 一、概述 FACTS(Flexible AC Transmission System) 柔性輸電系統(tǒng)或靈活交流輸電系統(tǒng) 1986年由美國電力研究中心(EPRI)的工程師 N.G.HINGORANI首次提出FACTS概念。 1995年IEEE對FACTS作了如下定義：FACTS是應(yīng) 用電力電子技術(shù)及其它靜態(tài)控制器，增加系統(tǒng) 可控度與提高輸電容量的交流輸電系統(tǒng)。 也可定義為：綜合電力電子技術(shù)、微處理和微 電子技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)而形成的用于 靈活快速控制交流輸電的新技術(shù)。 第六章 柔性輸電系統(tǒng) 更詳細地，F(xiàn)ACTS是應(yīng)用大功率

2、、高性能 的電力電子元件制成可控的有功或無功電 源以及電網(wǎng)的一次設(shè)備等，以實現(xiàn)對輸電 系統(tǒng)的電壓、阻抗、相位角、功率、潮流 等的靈活控制，將原基本不可控的電網(wǎng)變 得可以全面控制。從而大大提高電力系統(tǒng) 的高度靈活性和安全穩(wěn)定性，使得現(xiàn)有輸 電線路的輸送能力大大提高。 解決遠距離大容量輸送電能問題的途徑2條： 1.新建高壓直流輸電線路； 2.對已建成的交流輸電線路進行技術(shù)改造，提高 其輸送能力。 通常采用的就是FACTS技術(shù)。 FACTS技術(shù)的產(chǎn)生是解決輸電系統(tǒng) 運行和發(fā)展中遇到的各種困難的客 觀需要。 1、運行方面的主要困難有如下幾項： 1)輸電的可控性很差（與發(fā)電、配 電和用電相比其可控性能是

3、最差 的），功率分布中不可控的的自由 潮流變化很大。大電網(wǎng)運行中的這 一類問題長期困擾著運行調(diào)度人員， 并且在電網(wǎng)中造成大量電能損耗或 被迫降低輸送能力； 2)輸電網(wǎng)缺少快速控制手段，在 功率輸送過程中常造成功率繞送 和功率倒流情況，此外還有大量 輸電受限制的“瓶頸”環(huán)節(jié)； 3)開關(guān)動作速度慢，交流輸電線 需要經(jīng)常投切，以改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 或斷開故障，但目前只能依靠機 械型斷路器，而此類斷路器速度 慢、維修量大，是影響暫態(tài)穩(wěn)定 問題的重要因素。 2、輸電系統(tǒng)發(fā)展方面的主要困難概括起來有如下幾項： 1)由于環(huán)境和地域因素，很多國家建造新的架空線路 已很難獲得批準，因此電力公司不得不將現(xiàn)有電網(wǎng)運 行在

4、更高的負荷水平上，但是更高的負荷水平增加了 功率損耗并降低了可靠性，使運行更加困難； 2)電力系統(tǒng)市場化改革后，未來的發(fā)電模式是不確定 的，導致了對輸電設(shè)施投資的困難； 3)低水平的負荷增長率使投資建設(shè)新的輸電線路變得 不合算，而能少量增加現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)容量以滿足低水平負 荷增長需要的技術(shù)具有很大的優(yōu)勢。 大功率可控半導體器件制造及微電子控制技術(shù)的發(fā)展， 使FACTS技術(shù)的推廣應(yīng)用成為可能；而大型互聯(lián)電網(wǎng) 運行對電力系統(tǒng)潮流及其穩(wěn)定性控制的需求，是該技 術(shù)發(fā)展的原動力。 FACTS技術(shù)最具代表性的項目，是90年代起開發(fā)的可 控串聯(lián)電容補償(TCSC)和新型靜止無功補償器 (STATCOM)。美國已有

5、三個TCSC試驗工程，其中用于 500KV輸電工程的一個TCSC為6組全控型，于1993年投 入試運行，而100Mvar的STATCOM也于1996年初試運。 許多國家投入相當?shù)娜肆ξ锪?，研究開發(fā)新型的靜止 補償器、可控移相器、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)、電氣 制動器等。 二、FACTS發(fā)展現(xiàn)狀 我國靜止無功補償器制造技術(shù)是在90年代發(fā)展起來的， 但僅限于大型工業(yè)企業(yè)中的應(yīng)用。在一些高等學校和 科研單位對TCSC、STATCOM以及UPFC有所研究，但多 限于數(shù)學或物理模型的研究。近年來，隨著新建電廠 的不斷并網(wǎng)發(fā)電，我國總裝機容量上了新的臺階，然 而整個電力系統(tǒng)出現(xiàn)了輸電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)滯后于電廠建

6、設(shè) 的問題。許多長距離輸電線輸送的功率受到穩(wěn)定極限 的限制，這些輸電線路中間和受端由于缺乏強有力的 電壓支撐，其穩(wěn)定極限大大低于其熱穩(wěn)定極限，這導 致送端的發(fā)電廠窩電現(xiàn)象突出，發(fā)電廠的容量不能得 到充分地應(yīng)用。如何提高長距離輸電線的穩(wěn)定極限， 使其接近甚至達到其熱穩(wěn)定極限是一項有價值而且緊 迫的工作。FACTS技術(shù)為增強輸電系統(tǒng)提供了新的手 段。安裝在長距離輸電線中間或受端的靜止無功補償 裝置（STATCOM）能夠提供電壓支撐從而能極大地提 高長距離輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 1、能在較大范圍有效地控制潮流，功率潮流可按事 先計劃的線路流動； 2、線路的輸送能力可增大至接近導線的熱極限，從 而提高輸送

7、能力； 3、備用發(fā)電機組容量可從典型的18減少到15， 甚至更少； 4、電網(wǎng)和設(shè)備故障的危害可得到限制，防止線路串 級跳閘，以避免事故擴大； 5、易阻尼消除電力系統(tǒng)振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 三、發(fā)展柔性交流輸電系統(tǒng)的主要意義 用于輸電系統(tǒng)的FACTS裝置包括： SVC（靜止無功補償器）、STATCOM （靜態(tài)同步補償器）、 TCSC（晶閘 管可控串補）、 TSSC（晶閘管開關(guān) 串聯(lián)電容器）、UPFC（統(tǒng)一潮流控制 器）、TCPST（可控移相器）等。 分類: 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 TSSC是串聯(lián)型； UP

8、FC 和TCPST是綜 合型。 四、FACTS裝置介紹 其中串聯(lián)補償裝置，如 TCSC、TSSC等， 能使輸電線路的阻抗變小，從而相當于縮 短了輸電線路的長度，因此是提高系統(tǒng)輸 送容量和增強暫態(tài)穩(wěn)定性的重要手段； 而并聯(lián)補償裝置如STATCOM，通過與系統(tǒng) 進行無功功率交換，以維持線路電壓恒定， 因此是抑制系統(tǒng)電壓波動、閃變、不對稱 和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的有力工具； UPFC則綜合了串、并聯(lián)補償?shù)墓δ?，能?線路電壓、阻抗和相位進行控制，從而實 現(xiàn)控制潮流、阻尼振蕩和提高輸電能力等 多種功能。 表1列出了常用的FACTS元件及其性能 表1 常用的FACTS元件及其性能 表表 1 常用常用FACTS

9、元件及其性能元件及其性能 FACTS元件 性能 有功 控制 無功 控制 電壓 控制 電流 控制 無功 補償 諧波 抑制 暫態(tài) 穩(wěn)定 電壓 穩(wěn)定 抑制 故障 電流 SVC(靜止無功補償器) STATCOM(靜止同步補償器) SSSC(靜止同步串聯(lián) 補償器) TCSC(晶控串聯(lián)電抗器) TCPST(晶控移相器) UPFC(統(tǒng)一潮流控制器) 五、SVC的工作原理與數(shù)學模型 電壓分布與系統(tǒng)中的無功潮流分布密切相關(guān) 并聯(lián)無功補償是調(diào)整系統(tǒng)電壓的常用措施。 1動態(tài)并聯(lián)無功補償：同步調(diào)相機在歷史上曾作為并聯(lián) 無功補償?shù)膫€重要手段,但是由于調(diào)相機是旋轉(zhuǎn)元件， 其運行維護十分復雜 2靜止并聯(lián)無功補償 傳統(tǒng)的靜止

10、并聯(lián)無功補償：是在被補償?shù)墓?jié)點上安裝 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)點上的電容器和或電抗 器通過機械開關(guān)按組投入或退出。因此，這種補償方 法有二個重要缺點；一是其調(diào)節(jié)是離散的；二是其調(diào) 節(jié)速度緩慢，不能滿足系統(tǒng)的動態(tài)要求；三是其電壓 負特性，即當節(jié)點電壓降低(升高)時，并聯(lián)電容注入 系統(tǒng)的無功功率也降低(升高)。盡管如此，由于其造 價低和維護簡單的突出優(yōu)點，系統(tǒng)中仍大量地采用這 種補償措施。 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 補償裝置，從而實現(xiàn)了補償?shù)目焖?/p>

11、相連 續(xù)平滑調(diào)節(jié)。理想的SVC可以支持所補償 的節(jié)點電壓接近常數(shù)。良好的動、靜態(tài) 調(diào)節(jié)特性使SVC得到了廣泛的應(yīng)用。 SVC的原理示意圖 圖419為這種SVC的原理示意圖。為了降低SVC的造價， 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對系統(tǒng)的諧 波污染，SVC中還應(yīng)設(shè)有濾波器。對基波而言，濾波器 呈容性，即向系統(tǒng)注入無功功率。 TCR和TSC的控制原理 SVC的構(gòu)成形式有多種，但基本元件為晶間管控制的電抗器 (ThyristorContro11ed Reactor)和晶間管投切的電容器 (Thyristor Swiched Capaci

12、tor)。掌握這種結(jié)構(gòu)的SVC的工作 原理則不難理解其他類型的SVC。 圖420(a)、(b)分別表示TCR和TSC支路。下邊我們分別分析 TCR和TSC的控制原理。 TCR的控制原理 TCR支路由電抗器與兩個背靠背連接的晶閘管相串聯(lián)構(gòu) 成，控制元件為晶閘管。 由于SVC是并聯(lián)在系統(tǒng)的節(jié)點上，所以認為加在TCR上的 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. 設(shè)閥的觸發(fā)延遲角為/2,，則觸發(fā)時刻為 TCR的控制原理 顯然當兩閥都關(guān)斷時，電感電流為零，而在閥導 通期間，忽略電抗器的電阻，電感電流滿足方程： 注意在閥觸發(fā)時刻電感電流為0。 解得電感電流 TCR的控制原理 T

13、CR的電壓波形和電流波形如下圖： TCR的控制原理 電感電流波形寬度為： TCR的控制原理 （1）由電流波形可見，如欲使在任何時刻總有 一個閥導通，則應(yīng)有 即當前一個閥關(guān)斷的時刻后一個閥瞬時開通?？?見， /2 。這種運行模式相當于將電抗 器直接并聯(lián)在系統(tǒng)中。 （2）由電流波形還可見，當觸發(fā)角從2增大 到時，閥的導通區(qū)間寬度將由下降到零。這時 在任何時到兩個閥都處在截止狀態(tài)。這種運行模 式即相當于將電抗器退出運行。 （3）另外，當小于2時，已經(jīng)處在導通狀態(tài) 的閥，其電流回到零點的時刻將大于尚未導通的 閥的觸發(fā)時刻，即。 TCR的控制原理 （3）另外，當小于2時，已經(jīng)處在 導通狀態(tài)的閥，其電流回

14、到零點的時刻將 大于尚未導通的閥的觸發(fā)時刻，在這種情 況下，當未導通的閥的觸發(fā)脈沖發(fā)出 時由于已導通的閥尚未關(guān)斷，故未導通 閥的閥電壓為零，因而不能被觸發(fā)而導通。 這樣，兩個閥中總有一個閥在任何時刻都 是截止狀態(tài)。這種狀態(tài)將導致電感電流中 的主要分量為直流分量。不允許！ 因而正常情況下，TCR的觸發(fā)角運行范 圍為 2, TCR的控制原理 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 流的峰值和導通區(qū)間的寬度。將電流進行博里葉分 解，其基波分量的幅值為 則基波分量瞬時值為 TCR的控制原理 這樣TCR支路的等值基波電抗為 由上式可見，TCR支路的等值基波

15、電抗是導通角 或者說是觸發(fā)角的函數(shù)。調(diào)整觸發(fā)角可以平滑 地調(diào)整并聯(lián)在系統(tǒng)的等值電抗。 TCR從系統(tǒng)中吸收的無功功率為 TSC的控制原理 TSC支路由由電容器與兩個反向并聯(lián)的晶 閘管相串聯(lián)構(gòu)成。同樣設(shè)加在TSC支路上 的系統(tǒng)電壓為正弦波。 TSC的控制原理 TSC中通過對閥的控制使電容器只有兩種運行 狀態(tài)：將電容器直接并聯(lián)在系統(tǒng)中或?qū)㈦娙萜?退出運行。 (1)切除投運狀態(tài)的電容器比較簡單，只要停止對 閥進行觸發(fā)即可。 (2)將電容器投入系統(tǒng)則應(yīng)注意投入時刻的選擇， 選樣觸發(fā)時刻的原則是減小電容器投入時刻電 容器中的沖激電流。注意到電容器上的電壓初 值，顯然應(yīng)在電源電壓與電容電壓相等的時刻， 根據(jù)

16、電壓初值的正負觸發(fā)兩閥中對應(yīng)的閥。這 樣，當電容器被投入之后電容電流的暫態(tài)分量 為零。 TSC的控制原理 實際中投入電容器時刻電源電壓與電容 電壓切值有可能并不完全相等，因而實 際的TSC支路中還串有一個小電感以減 小電容器的沖激電流。 TSC與機械式可投切電容器的關(guān)鍵區(qū)別 在于，TSC的投切由閥的控制快速地完 成，因此其動態(tài)特性可以滿足系統(tǒng)控制 的需要。 電容器在接通期間，向系統(tǒng)注入的無功 功率為 SVC的原理(綜合TCR與TSC) 綜合TCR與TSC，可知SVC向系統(tǒng)注入的無 功功率為 可見，當0,/2時，SVC向系統(tǒng)注入的無 功功率可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)。 SVC的等值電抗為 SVC的原理(

17、綜合TCR與TSC) SVC的等值伏安特性由TCR與TSC組合而成。 當從0增加到/2的過程中，SVC的等值電 抗將從容性最大值連續(xù)地變?yōu)楦行宰畲笾怠?SVC的控制信號通常為其所并聯(lián)節(jié)點的電壓。 考慮了SVC的穩(wěn)態(tài)控制策略后，其伏安特性 為： SVC的原理(綜合TCR與TSC) 當系統(tǒng)電壓在SVC的控制范圍內(nèi)變化時， SVC可以看成電源電壓為Vref和內(nèi)電抗為Xe 的同期調(diào)相機: 式中：xe即是SVC伏安特性圖中直線AB的 斜率；V及Isvc分別為SVC的端電壓及端電 流。當系統(tǒng)電壓的變化超出SVC的控制范圍 時，SVC即成為固定電抗，即Xsvc,min或 Xsvc,max。 在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

18、分析和控制問題中，SVC 可以看成并聯(lián)在系統(tǒng)中的一個可變電納，其 電納值由SVC的控制器決定。 六、STATCOM的工作原理與數(shù)學模型 STATCOM稱為靜止無功發(fā)生器(Advanced Static Var Generator，ASVG) 其功能與SVC基本相同但是運行范圍更覽、 調(diào)節(jié)速度更快。 SVC的控制元件為晶閘管。晶閘管是半控型 器 件 ， 只 能 在 閥 電 流 過 零 時 關(guān) 斷 。 STATCOM是用全控型器件實現(xiàn)的，其控制 元件為全控型閥元件GTO。理想的GTO開關(guān) 持性為：當閥有正向電壓且在門極加正向控 制電流時，閥即時開通。閥在導通狀態(tài)下閥 電阻為零。當在門極加負向控制電

19、流時閥即 時關(guān)斷。閥在關(guān)斷狀態(tài)下閥電阻為無窮大。 顯見，GTO與普通品閘管的關(guān)鍵區(qū)別是其關(guān) 斷時刻是由門極控制而并不要求閥電流過零。 六、STATCOM的工作原理與數(shù)學模型 SVC是通過調(diào)整其中的電感接入系統(tǒng)時間的 長短來改變自身的等值電抗，STATCOM則 是通過調(diào)整其交流輸出電壓的幅值與相位。 STATCOM送進系統(tǒng)的無功功率為 角度是STATCOM的逆變器輸出電壓相量滯 后系統(tǒng)電壓相量的角度，大于零對應(yīng)于正 號， 小于零對應(yīng)于負號。 六、STATCOM的工作原理與數(shù)學模型 可以得到STATCOM的運行特性如下圖為一 近似矩形。其中電壓、電流最大值的約束源 于STATCOM的容量；控制電壓

20、定值由控制 策略設(shè)定。將下圖與SVC的倒三角形運行特 性圖相比較，顯見STATCOM的運行范圍更 大。 六、STATCOM的工作原理與數(shù)學模型 在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制問題中， STATCOM可以表示成并聯(lián)在系統(tǒng)中的一個 受控電流源，其幅值和相位由STATCOM的 控制器決定。 七、TCSC的工作原理與數(shù)學模型 TCSC可以快速、連續(xù)地改變所補償?shù)妮旊?線路的等值電抗，因而在一定的運行范圍內(nèi)， 可以將此線路的輸送功率控制為朗望的常數(shù)。 交暫態(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。 TCSC的原理結(jié)構(gòu)如下圖所示： 七、TCSC的工作原理與數(shù)學模型 TCSC中的TCR(與S

21、VC中的TCR的運行 條件大不相同) 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)運行 條件的物理約束使得流過TCSC的電流 即線路電流為正弦量。這樣，由于閥 的控制作用，當流過TCR支路的電流 發(fā)生畸變時，與其并聯(lián)的電容電壓必 發(fā)生畸變而成為非正弦量。 在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制問題中， TCSC可以表示成串聯(lián)在線路中的一個 可變電抗，其容抗值由TCSC的控制器 決定。 八、SSSC的工作原理與數(shù)學模型 TCSC是用半控型電力電子元件實現(xiàn)的 串聯(lián)補償。 SSSC則是采用全控型元件GTO實現(xiàn)的 電壓型逆變器構(gòu)成的串聯(lián)補償。 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。 八、SSSC的工作原理與數(shù)學模型 忽略線路對地支路時，SSSC的原理接 線如下圖所示。 八、SSSC的工作原理與數(shù)學模型 SSSC的等值電路如下圖所示。 在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制問題中， SSSC也表示成串聯(lián)在線路中的一個電 壓源，其幅值與相位由SSSC的控制器 決定。當純無功補償時，電壓源的相 位總與