浅谈灵活交流输电系统(FACTS)控制技术的发展和现状

浅谈灵活交流输电系统（FACTS）控制技术的发展和现状
【摘要】对灵活交流输电系统（FACTS）的概念和作用进行了概述，详细讨论了FACTS控制技术的发展历程，分析了几种FACTS控制器的原理、优点、缺点以及在电力系统中的应用情况，并对今后的发展趋势进行了探讨。

【关键词】FACTS；电网；控制器；补偿器
1.前言
灵活交流输电系统（FACTS）是近年来出现的一项新技术，FACTS以其特有的大功率、高速、精确连续的控制技术，通过改变高压输电网的参数（相角、电压、线路阻抗）及网络结构对输电线路进行直接控制，它代替了传统的机械、电子及电磁的控制手段，使交流输电系统的功率有高度的可控性，降低了系统网损和发电成本，大幅度提高了系统的稳定性和可靠性。

2. FACTS控制技术的发展
FACTS的概念是由美国电力科学研究院电力专家Hingorani 1986最初提出的。

FACTS控制技术经数十年的不断发展和完善，实现的功能也日趋强大，FACTS家族也由最初的几种发展到现在的数十种。

最初，FACTS控制技术主要采用反并联晶闸管控制结构，这种技术的应用主要有静止无功补偿器（SVC）、可控串联补偿器（TCSC）、可控移相器（TCPS）等。

随后，随着电力电子技术的进步，出现了基于GTO 电压源换流器（VSC）的新一代FACTS控制器，主要有串联潮流控制器（SPFC）、静止移相器（SPS）、高级无功发生器（ASVG）、静态同步补偿器（STATCOM）、静止同步串联补偿器（SSSC）、统一潮流控制器（UPFC）等，以及最新一代新型控制器：线间潮流控制器（IPFC）、广义统一潮流控制器（GUPFC）和可转换静止补偿器（CSC）等。

下面对应用较广的部分FACTS控制器进行比较和说明。

（1）SVC、ASVG
静止无功补偿器（SVC）可应用于输电系统补偿和负荷补偿，从SVC实际投入运行来看，SVC主要作用是为系统提供无功支持从而来抑制闪变和维持系统电压恒定，提高输电能力和系统安全。

但也存在着电网电压波动时不能充分发挥其作用以及对系统产生较多的谐波电流的缺点。

SVC基本结构是控制两个反并联的晶闸管将电容器或电抗器并入到电网上或从电网中断开，以实现发出或吸收无功功率。

其基本结构有：晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管控制的高阻抗变压器（TCT）、晶闸管投切电容器（TSC）、TCR+ TSC装置、TCR+固定电容器（FC）、机械投切电容器（MSC）。

ASVG不需储能元件来达到与系统交换无功的目的，使用直流电容来维持稳定的直流电源电压，成本较低，在改善系统电压质量，提高稳定性方面具有明
显的优点。

（2）TCSC
晶闸管控制的串联电容补偿器（TCSC）又称带有晶闸管控制阻抗的先进串联补偿器（ASC），TCSC直接串入输电线路，主要由一个串联电容和晶闸管控制电抗器（TCR）并联构成，通过控制晶闸管开关触发角，连续、快速、大范围地调整线路阻抗，以实现潮流控制、平息地区性功率振荡、提高系统暂态稳定、抑制次同步振荡（SSR），有效提高电力系统动态性能。

目前，TCSC 已在国外许多工程上运行：GE公司承建的Slatt 变电站500 kV的TCSC实验工程、SIEMENS公司制造的Kayenta 变电站220 kV先进串联补偿工程和ABB 公司改建的Kanawha River 变电站单相串补投切工程。

我国东北—冯屯500 kV 输电系统也计划采用该装置。

（3）STATCOM、SSSC
静止同步补偿器（STATCOM）概念于20世纪80年代提出，实际应用主要集中在90年代，主要应用有：日本的±80 Mvar（1991年）、美国的±100 Mvar （1995年）、丹麦基于4500/ 3000 A GTO的±8 Mvar（1997 年）的STATCOM，我国首台±20 Mvar的STATCOM也于1999 年在河南省洛阳市朝阳变电站投入运行，为我国研究FACTS控制技术迈出了重要的一步。

STATCOM一般由电压源型逆变器构成，其功能是调节输电系统的某点电压，改变逆变器输出电压和系统电压间的相位差来控制其无功的输出，提高系统传输能力。

具有启动无冲击、调节连续、响应快速、占地面积小、谐波含量少，在系统欠电压条件下无功调节能力强等优点。

与STATCOM一样，静止同步串联补偿器（SSSC）也是基于同步电压源原理的FACTS装置，基本结构是通过一个耦合变压器串联接入到输电线路中，并通过向输电线路注入一个串联可调电压（与线路电流正交），以控制输电线路的输送功率或节点电压，这可使电网功率传输能力以及对潮流和电压的可控性大为提高。

（4）UPFC
统一潮流控制器（UPFC）的概念最早是1992年美国西屋科技中心L. Gyugyi 博士提出的，其主要由两个电压型逆变器构成，分别通过耦合变压器并联和串联接入输电线路中，两个逆变器直流侧通过直流电容器连接。

逆变器2产生一个幅值和相角可调（改变m和θ）的补偿电压Vpq 叠加到系统电压上，控制有功和无功潮流，以实现线路无功补偿、串联补偿和移相控制。

逆变器1本身与系统可以进行无功交换，控制与之相连的母线电压，同时也可吸收母线上有功功率并对直流电容充电，对逆变器2提供有功支持。

目前世界上第一台UPFC装置是由AEP公司于1998年在INEZ变电站投入运行的，由两个±160 MV A电压源逆变器构成，安装在138 kV的高压传输线路上，期望实现逆变器间有功功率交换达到80 MW。

UPFC集多种不同控制功能于一身，具有综合控制各种电力系统基本量的能力，已成为FACTS技术发展史上的一个重要的里程碑。

（5）IPFC、CSC、GUPFC
IPFC、GUPFC概念于1999年提出，以实现多线路潮流的灵活控制，IPFC 将多个换流器通过耦合变压器各自串入输电线路中，不但能够独立提供无功补偿，还可通过直流侧电容的连接，实现线路间的有功功率的传输，从过载线上向欠载线上传输有功，补偿线路的电阻性压降和相应的无功，增加系统抗动态干扰的能力。

还可以优化整个电网的配置，平衡多线路有功和无功。

GUPFC是比UPFC功能更为强大的FACTS装置，它由多个换流器、多个耦合变压器组成，不同于IPFC的是在母线侧并入了一个换流器，最简单的GUPFC是由3 个换流器组成的，其中1 个与节点并联，另外2个与输电线路串联，它拓展了UPFC对节点电压和单条线路潮流的控制，可同时控制多条线路或系统中的某一子网络潮流。

3.结束语
随着电力市场的日益发展，在带来巨大经济效益的同时，也会出现影响系统的运行管理、电压质量等诸多问题，新一代的FACTS控制器实现了电力系统中多目标协调控制的目的，且控制对象扩展到了整个电网。

它不但可以解决电力市场环境下产生的各种问题，而且还可以进一步降低输电成本，有效增加现有输电线路的传输容量，提高线路的利用率，这将会为我国未来电网的发展规划和运行管理提供强有力的支持，且具有非常广阔的应用前景。

参考文献：
[1]孙元章，刘前进.FACTS控制技术综述—模型、目标与策略【J】. 电力系统自动化，1999，23（6）：1- 7.
[2]赵遵廉.中国电网的发展与展望【J】.中国电力2004，37（1）：1- 6.。