FACTS技术

柔性交流输电技术（FACTS）
摘要：灵活交流输电系统(FACTS)可实现对电力系统的某个或多个参数进行控制，以提高系统的稳定性和传输容量。

本文介绍了柔性交流输电(FACTS)的概念,介绍了主要几种FACTS控制器的组成及其对电网的作用，给出了FACTS技术在电力系统稳态和动态中的具体应用，即可进行快速、连续、灵活的无功功率、电压和动态潮流控制，抑制系统低频振荡和次同步振荡，提高电网的动态性能和稳定水平。

关键词：柔性交流输电；低频振荡；次同步振荡；潮流控制；电力系统
FACTS Technology
Abstract:A flexible AC transmission system (FACTS) can realize control for certain parameter or multiple parameters of power system,so as to raise stability and transmission capacity of the system.The concept of Flexible AC Transmission System(FACTS) is presented.Introduction was made to the construction of several concrete FACTS controllersand its effect to the power gird. Actual application of FACTS technology was given in stable and dynamic status of power system.Reactive power, voltage and dynamic flow control could be carried out fast, continuously and fl exibly, which restricted the system’s low frequency oscillation and subsynchronous oscillation, to raise dynamic performance and stability level of power grid.
Key words:FACTS；low frequency oscillation; subsynchronous oscillation; flow control; power system
一、引言
近年来，随着大机组、大电厂、大电网、高电压、远距离及高度自动化为特征的大电力系统的形成，在获得益处的同时也面临了一些问题：潮流控制问题，在电网中自由潮流变化较大，造成了大量电能的损耗，难以实现最优潮流；电网缺少动态、连续的控制手段，难快速改善系统稳定性以提高传输容量；传统的机械控制方式速度较慢，对动态稳定的控制缺乏足够的能力。

而灵活交流输电系统
(FACTS) 技术的出现，为解决这些问题提供了条件，为建设智能电网提供了技术支持。

FACTS技术是现代电力电子技术与传统的潮流控制( 如阻抗控制, 功角控制等) 相结合的产物。

它可以用可靠性很高的大功率可控硅元件代替传统元件中的机械式高压开关, 从而使电力系统中影响潮流分布的三个主要电气参数( 电压、线路阻抗及功率角) 可按照系统的需要迅速调整, 以期实现输送功率的合理分配, 电压的合理控制, 降低功率损耗和发电成本, 大幅度提高系统稳定性,可靠性[1]。

此项技术是实现电力系统安全经济、综合控制的重要手段。

二、FACTS技术简介
柔性交流输电系统是指装有电力电子型或其他静止型控制器以加强系统可控性和增加功率传输能力的交流输电系统。

FACTS设备是FACTS家族中具体的成员,指用于提供一个或多个控制交流输电系统参数的电力电子系统或其他静止设备[2]。

FACTS技术是利用现代大功率电力电子技术改造传统交流电力系统的一项重大改革,被认为是21世纪初可以实施的技术改革措施,已成为当今先进国家电力界研究的热点。

FACTS技术已被国外的一些较权威性的输电技术研究者和工作组称为“未来输电系统新时代的三项支撑技术(FACTS技术、先进的控制中心和综合自动化技术)之一”[3],或是“现代电力系统中的三项具有变革性影响的前沿性课题(柔性输电技术、智能控制、基于全球卫星定位系统(GPS)的新一代动态安全分析与监测系统)之一”[4]。

FACTS技术是基于电力电子技术改造交流输电的系列技术,它对交流电的无功(电压)、电抗和相角可以进行控制,从而能有效提高交流系统的安全稳定性,使
传统的交流输电系统具有更高的柔性和灵活性,使输电线路得到充分利用,以满足电力系统安全、可靠和经济运行的目标。

自从美国电力科学研究院(EPRI) N.G.Hingo rani博士于1986年提出FACTS概念以来, FACTS技术就得到了极大的发展,相继出现了多种FACTS设备,如统一潮流控制器(unified power flow controller, 缩写为UPFC)、可控串联补偿、静止补偿器(static synchronouspensator ,缩写为STAT)等。

FACTS技术以电力电子设备为基础结合现代控制技术来实现对原有交流输电系统参数及网络结构的快速灵活控制，从而实现增强系统可靠稳定性和大幅提高线路的输送能力的目的。

下图为FACTS装置的基本模型，图中V S为发电机的端电压；Vm为FACTS装设点母线电压；Vr为无穷大母线电压；X1、X2为输电线路等效电抗；Iq为FACTS输出无功电流；Vpq为控制器作用产生的电压降。

三、主要FACTS控制器介绍
FACTS技术的核心是FACTS控制器，根据控制器在系统中的联接方式，可以将其分为：并联型、串联型和并联-串联组合型FACTS控制器。

（一）并联型FACTS控制器
SVC是一种静止的并联无功发生或者吸收装置，它包括晶闸管控制电抗器TCR、晶闸管投切电抗器TSR、晶闸管投切电容器TSC以及它们之间或与机械投切并联电容器MSC/电抗器MSR 构成的某种组合体。

其结构如图1所示，SVC 是目前应用最为广泛的FACTS控制器之一，它主要通过调整其输出容性或者感性电流用以控制节点的电压水平。

SVC不仅用于输电网以提高传输可控性、系统稳定性和输送容量，还广泛应用于配电网用以提高供电可靠性、降低线损和改善电能质量。

STAT是一种并联的、能进行无功补偿的静止同步“发电机”，功能与SVC 基本相同，但是运行围更宽，调节速度更快。

一般STAT中的变换器可以采用电压型变换器VSC，如图2a)所示；也可以采用电流型变换器CSC，如图2b)所示。

目前基于VSC的STAT更常见，它通过调节其直流侧电容电压的幅值和(或)变换器的调制比，可以控制变换器交流输出电压的幅值，进而改变装置输出电流的极性(容性或感性)和大小，达到实现无功控制、电压控制、阻尼控制目的，以提高系统静态和暂态稳定性。

3）静止同步发电机SSG
SSG是通过在STAT直流侧引入电源或大容量储能系统的静止自换流开关式功率变换器，可与交流电力系统并网运行，通过调节其多相输出电压而达到与电网交换可独立控制的有功和无功功率的目的。

（二）串联型FACTS控制器
1）晶闸管控制串联电容器TCSC
TCSC是一种阻抗补偿设备，通过晶闸管控制来实现连续补偿度调节的线路串联补偿装置。

其结构如图3a)所示，通过控制TCR支路上晶闸管的导通角，可以在一定围连续调节TCSC提供的等效阻抗。

与其他串联补偿装置相比，TCSC
简单灵活能够弥补固定串补存在的不足，能够进行动态潮流控制、阻尼功率振荡、抑制次同步振荡、提高系统暂态稳定水平和增加输送能力、优化潮流分布和降低网损等[5]。

2）晶闸管控制串联电抗器TCSR
TCSR是一种感性补偿设备，串联在输电线路上用以提供连续可控的补偿感抗。

其结构如图3b)所示，工作原理与TCSC比较类似，也是采用晶闸管触发角控制。

3）静止同步串联补偿器SSSC
SSSC是一种不含外部电源的静止式同步无功补偿设备，串联在输电线路上并产生相位与线路电流正交、幅值可独立控制的电压，能通过增加或减少线路上的无功压降来控制传输功率的大小。

SSSC也可包含一定的暂态储能或耗能装置，通过调节线路上的有功压降而进行有功补偿，从而达到改善电力系统动态性能的目的[6]。

（三）并联-串联组合型FACTS控制器
1）统一潮流控制器UPFC
UPFC是由STAT和SSSC基于共同的直流链路耦合形成，并在无源的情况下即可同时进行无功功率和有功功率补偿的一种串联- 并联组合型FACTS控制器。

其单相结构如图4所示，UPFC综合了许多FACTS控制器的灵活控制手段，是
FACTS控制器中功能最强大的器件，具有全面的补偿功能，不但能提供独立可控的并联无功功率补偿，而且还可以通过向线路注入相角不受约束的串联补偿电压，同时或选择性的控制线路上的电压、阻抗和相角，可实现有功和无功的潮流控制，进而提高线路传输能力、稳定性及阻尼振荡。

2）晶闸管控制的移相器TCPST
TCPST是一种采用晶闸管开关调节、能提供快速可变相角的晶闸管控制移相器。

其单相结构如图5所示，每相包括一个并联和一个串联的变压器，并联绕组的原边连接到另外两相，产生一个相位与控制相电压垂直的电压相量，通过电力电子电路进行适当调节(即改变极性和幅值等)后叠加到控制相电压上，从而达到可控移相的目的。

TCPST通过调节相位能够有效的控制电网的潮流，提高暂态和中长期稳定性，阻尼功率振荡。

3）相间功率控制器IPC
IPC是一种可对有功功率和无功功率进行控制的组合型FACTS控制器，它的
每相包括一组并联的、分别从属于独立移相单元的容性和感性支路，通过采用机械式或电力电子电路来调整各支路的移相、阻抗，达到分别控制电网的有功或无功功率的目的。

四、FACTS控制器在电力系统稳态运行中应用
（一）电力系统的无功功率和电压控制
在电力系统电压稳定中，无功功率起到了决定电压稳定性的关键作用。

电力系统中的无功功率主要是在电气设备中建立和维持磁场，完成电磁能量的相互转换，为系统提供电压支撑。

如果无功功率严重不足，则可能引起电压失稳，特别是当系统故障需求的无功功率大幅增加时，网络无功功率缺乏和电压下降相互影响，形成恶性循环，将会导致电压崩溃的发生。

如果电网无功功率不足，就需要进行无功功率的分层、分区、就地补偿。

SVC、STAT、UPFC等静止无功补偿装置比传统的固定电容器、同步调相机等补偿装置能更快速、连续、灵活地补偿电力系统的无功功率。

同时还可以利用这些F A C T S装置进行无功优化管理，使系统的无功潮流达到最优分布。

这对于提高系统电压质量，减少电能损耗，保证系统安全、可靠和经济运行有重要的意义。

（二）电力系统的潮流控制
电网中的潮流通常是不能精确控制的，这就给电网带来了一些问题：电网环流、功率的倒送与绕送、系统的功角与电压的不稳定。

串联和并联补偿器可以增加电网的传输功率，进而增加电网的静态稳定性。

另外电网堵塞管理对当前电力市场来说是相当重要的，因为如果功率不能外送，就会影响发供电企业的利润，
阻碍电能的实时交易。

而通过FACTS 控制器，如TCSC、SSSC、TCPST、UPFC 等，可以实现对电网潮流精确控制及电网堵塞管理。

避免功率倒送与绕送现象的产生，消除供电瓶颈，减少电能损耗，增加电网的传输能力，提高电网的动态性能和稳定水平。

五、FACTS控制器在电力系统动态控制中应用
（一）阻尼低频振荡
当系统受到一个小扰动后，发电机之间的转子角度、频率、电功率以及电压都将产生一定频率的振荡。

振荡频率与系统的容量、网络结构、运行方式等因素有关，通常在0.2～2Hz的低频围。

低频震荡一般发生在重负荷电网中，对电网的安全运行影响很大。

由于电力系统的规模在不断扩大，超高压、远距离输电系统、弱联系统、快速励磁系统均有可能使系统产生负阻尼而发生低频振荡。

解决低频振荡普遍采用减少有功功率的送出和安装电力系统稳定器PSS两种措施。

但是减少有功功率的外送必然影响发供电企业的效益，而针对某一振荡模式设计的PSS会对其他模式产生负作用，从而影响系统的稳定性。

所以仅依赖于减少输送功率和安装PSS是不能彻底消除系统低频振荡现象的存在。

而SVC、STAT、TCSC、SSSC等FACTS控制器具有调节迅速、灵活的特点，可以抑制系统的低频振荡，对改善系统的稳定性能具有良好的作用[7]。

（二）抑制次同步振荡
次同步振荡SSR是由于输电系统中串入电容补偿，处于平衡状态下的系统受到扰动后，在发电机与电力网络之间可能以系统的一个或数个低于同步频率的自然频率交换数量相当可观的能量，在特定的条件下与串联装置发生谐振的一种
现象，其危害性极大。

次同步谐振时，发电机部会产生次同步的旋转磁场，进而产生差频振荡转矩，有可能在机械与电气系统之间发生谐振，破坏发电机的轴系统。

采用STAT进行电力系统的无功补偿，不仅可以稳定电力系统的电压，还可以抑制电力系统发电机轴系之间的扭振现象、阻尼次同步振荡现象的产生。

对于不同的运行工况和需要解决的问题，STAT控制器可根据现场需要作相应的调整。

（三）提高暂态稳定性
暂态失稳是由于电力系统受到大的干扰所引起的，如输电线路或发电机的断开等。

FACTS控制器能够在电网发生或者即将发生故障时提供快速响应来进行动态潮流控制和电压支持，排除故障。

FACTS控制器具有快速灵活的控制能力，在减轻或者避免电网潜在的堵塞，进行动态无功补偿，支持系统电压，防止电压崩溃等方面作用明显，大大提高了系统的暂态运行性能。

六、FACTS在中国的发展现状
随着FACTS控制器的发展，解决了我国电网发展进程中出现的短路过电流、高压线路容性充电功率偏高等问题，FACTS技术得到了大力发展。

2006年9月在省忻都开关站成功投运500kV分级可控并联电抗器（SCSR），次年同时间在江陵换流站成功投运500kV磁控并联电抗器（MCSR），这些设备都是我国自主研发的。

故障电流限制器现已完成样机研制。

我国电网公司于2008年8月开始研究柔性直流输电关键技术，并实施一个容量20MVA、电压±30kV的示工程，计划于2010年完成并挂网运行于上汇风电场。

当前待建成的柔性直流工程还有预计容量100MW、电压±100kV的传统高压直流输电改造工程；容量500MW、电压±250kV 用于市联网的示工程；预计容量200MW、电压±150kV金门岛供电工程。

电网互联是未来世界电网发展的必然趋势，我国相对薄弱的电网结构亟待强化，因此必须深入研究FACTS技术并予以试验应用。

先进FACTS技术能调节电网的潮流分配、增强网架结构、提升电网自适应水平，而我国电网架构日渐庞大，自然灾害频发，实现大电网的安全可靠运行问题日益凸显。

另一方面，为配合特高压战略和智能电网的实施和发展，我国必须大力研究FACTS技术，提高电网安全稳定性能，更好地维持经济社会的不断发展。

主要将集中于SSSC、UPFC、WAMS 等方面的FACTS协调控制技术研究。

七、结束语
FACTS技术的产生是解决电力系统运行和发展中各种局限性的客观需求，它使得对大型互联电网的控制能够更加快速、频繁、连续、综合和灵活，能实现对电网潮流的精确控制并大大提高电网的动态性能和稳定水平以及传输容量，从而将传统的纯粹依赖机械开关的交流输电系统提升为融合电力电子技术、最新的信息处理技术和先进的控制技术在的柔性交流输电系统。

参考文献
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