柔性交流输电技术的发展及其应用

柔性交流输电技术的发展及其应用

摘要：根据世界上柔性交流输电技术的发展和应用现状，对其特点和功能进行了详细的论述和分类，从多方面叙述了它的先进性、可用性和重要意义，最后介绍了该项技术在世界上的应用情况。

关键词：柔性交流输电技术；有功潮流；无功潮流；潮流控制；稳定性

柔性交流输电技术(flexible alternative current transmission systems，FACTS)是将电力电子技术、微处理机技术和控制技术等高新技术集中应用于高压输变电系统，以提高输配电系统可靠性、可控性、运行性能和电能质量并获取大量节电效益的一种新型综合技术。早期受电力电子设备发展的限制，使FACTS技术在经济上和运行可靠性方面优势不明显。随着大功率高电压电力电子技术、微处理机技术和控制技术在近十几年的高速发展和日益成熟稳定，FACTS技术可靠性有了大大的提高，造价也不断降低，使直接对高电压大功率的输电系统进行可靠和快速控制已成为可能，而与电力电子元器件配套的驱动回路、保护和冷却等辅助技术也日趋完善，使FACTS技术逐步进入了实用阶段。

FACTS 技术的发展和现状

柔性交流输电系统的概念是由美国电力科学研究院N. G. Hingorani博士于1988年首先提出的，在此以前出现的静止无功补偿设备(static var com pensator, SVC)也属于此范筹。1997年IEEE PES冬季会议上正式对FACTS做了定义。从早期出现的SVC开始，FACTS技术的发展经历了20多年。按其性能和功能的不同可划分为以下三代，而是否含有常规电力器件(电容器和电抗器，抽头，抽头变压器等)可以说是FACTS技术发展的分界线。

a) 第一代FACTS技术

从20多年前就出现的SVC开始，主要由晶闸管开关快速控制的电容器和电抗器组成的装置，以提供动态电压支持，其技术基础是常规晶闸管整流器(semiconductor controlled rectifier,SCR)，后来出现的第一代FACTS装置是晶闸管控制的串联电容器(thyristor controlled series compensator,TCSC)，它利用SCR控制串接在输电线路中的电容器组来控制线路阻抗，从而提高输送能力。

b) 第二代FACTS 技术

这一代装置同样具有支持电压和控制功率等功能，但在外部回路中不需要加设大型的电力设备(指电容器和电抗器组或移相变压器等)。这些新装置如静止无功发生器(static compensator，STATCOM)和串联补偿器(solid state series compensator, SSSC)设备采用了门极可关断设备(gate turn off thristor, GTO；insulated gate bipolar transistor, IGBT)等一类全控型器件，起电子回路模拟出电容器和电抗器组的作用, 装置造价大大降低，性能却明显提高。c) 第三代FACTS 技术

将两台或多台控制器复合成一组FACTS装置，并使其具有一个共同的、统一的控制系统。如将一台STATCOM和一台SSSC复合而成的综合潮流控制器(unified power flowcontroller，UPFC)，它可以控制线路阻抗，电压或功角的方法同时控制输电线路的有功和无功潮流。调节双回路潮流的线间潮流控制器(inter phase power flow controller, IFPC)和可控移相器(thyristor controlled phase angle regulator, TCPR)都属于复合控制器。

FACTS技术用于配电领域也取得了显著进展，它主要用于改善配电网的电压和电流质量，包括有功、无功电压、电流的控制、高次谐波的消除，蓄能等应用。目前已开发的装置有SVC、配电静止补偿器(D STATCOM)、电池蓄能器(BESS)、超导蓄能(SMES)、有源电力滤波器(APF)、动态电压限制器(DVL)及固态断路器(SSCB)等。在此，主要介绍输电用的FACTS 技术。

技术的分类及其技术原理

FACTS技术按其接入系统方式可分为并联型，串联型和综合型。并联型FACTS设备包括SVC和STATCOM(SVG)，主要用于电压控制和无功潮流控制；串联型FACTS包括可控串补(TCSC)和基于GTO的串联补偿器(SSSC)，主要用于输电线路的有功潮流控制、系统的暂态稳定和抑制系统功率振荡；综合型FACTS设备主要包括潮流控制器(UPFC)和可控移相器(TCPR)，UPFC 适用于电压控制、有功和无功潮流控制、暂态稳定和抑制系统功率振荡，TCPR适用于系统的有功潮流控制和抑制系统功率振荡。各种类型设备的技术原理介绍如下：

2.1并联型FACTS装置

典型的并联型FACTS装置是SVC和STATCOM，它们代表了FACTS技术发展的两个阶段：是指由固定电容器组、晶闸管控制的电容器组(TSC)和电抗器组(TCR)组合成的无功补偿系统。通过调节TCR和TSC，使整个装置无功输出呈连续变化，静态和动态地使电压保持在一定范围内，提高系统的稳定性，但由于这种设备在电网电压的波动超出一定范围时表现出恒阻抗特性，因而在电网电压波动大时不能充分发挥其作用。

主回路主要是由大功率电力电子器件(如门极可关断晶闸管GTO)组成的电压型逆变器和并联直流电容器构成，是与传统SVC原理完全不同的无功补偿系统。这种装置脱离了以往无功功率概念的约束，不采用常规电容器和电抗器来实现无功补偿，而是利用逆变器产生无功功率。它所输出的三相交流电压V0通过变压器与系统电压Vs同步，并通过控制V0来调节无功功率的输出，当V0＞Vs时，输出容性无功功率；当V0＜Vs时，输出感性无功功率，因此，设备无功功率的大小都由它输出的电流来调整，而其输出的电流与系统电压基本无关，这些功能、原理上类似于同步调相机，但它是完全的静态装置，因此STATCOM又称为静止调相器，它的动态性能远优于同步调相机，启动无冲击，调节连续范围大，响应速度快，损耗小。由于采用了GTO，可以避免换相失败，直流侧的电容器只是用来维持直流电压，不需要很大容量，而且可以用直流电容器构成，因而装置体积小且经济。

2.2串联型FACTS装置

典型的串联型FACTS装置是可控串补(TCSC)和基于GTO的串联补偿器(SSSC)。

TCSC通常指采取晶闸管控制的分路电抗器与串联电容器组并联组成的串联无功补偿系统，通过改变晶闸管的触发角来改变分路电抗器的电流，使串联补偿器的等效阻抗大小能够连续平滑快速变化，因而TCSC可以等效成一个容量连续可变的电容器，其接入的输电线路的等效阻抗也可以连续变化，在给定的线路两端电压和相角情况下，线路的输送功率将可实现快速连续控制，以适应系统负载变化和动态干扰，达到控制线路潮流，提高系统暂态稳定极限的目的，也可以用于阻尼系统功率振荡和抑制次同步振荡。

SSSC是指采用大功率电力电子器件(如GTO)组成的电压型逆变器和并联直流电容器构成的串联补偿器，其基本结构和STATCOM类似，不同的是装置通过变压器串接入高压线路中，但原理与TCSC不同，TCSC在串入线路中可以等效成可变容抗，而串入的SSSC可以等效成电压源，其输出的是与串入线路的电流幅值基本无关的电压量，通过控制换流器，连续改变其输出电压的幅值和相位，从而改变线路两端的电压(幅值和相位)，实现对线路有功、无功潮流的控制和阻尼系统的功率振荡，提高系统暂态稳定极限的目的。

2.3综合型FACTS装置

典型的综合型FACTS设备是综合潮流控制器(UPFC)。

UPFC是将并联补偿的STATCOM和串联补偿的SSSC组合成具有一个共同统一的控制系统的新型潮流控制器，它结合了多种FACTS技术的灵活控制手段, 是FACTS技术中功能最强大的装置，它通过将换流器产生的交流电压串接入相应的输电线上，使其幅值和相角均可连续变化，从而控制线路等效阻抗，电压或功角，同时控制输电线路的有功和无功潮流，提高线路输送能力和阻尼系统振荡，它最基本的特点之一是注入系统的无功是其本身装置控制和产生的,但注入系统的有功必须通过直流回路由并联回路STATCOM传至串联回路SSSC，作为UPFC