第一章柔性交流输电系统基本概念
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容量大 开关频率低 损耗低 串联
IGBT、GTO和IGCT三种电力器件性能比较
特性 器件通态损耗 IGBT 100 GTO 70 IGCT 50
器件关态损耗 器件开通损耗 门级驱动功率 短路电流
du/dt吸收电路 di/dt吸收电路 承受高开关频率 能力
100 100 1 自身限制
3 FACTS解决的系统问题
提高输电线路的传输容量 优化输电网络的运行条件 扩展了电网的运行控制方式 改变了交流输电的传统应用范围 现代大电网互联
应用
电压 控制
系统的问题
负荷变化时电 压波动
解决原理
无功功率调 节
传统解决方法
采用FACTS解决方 法
投切并联电容器、 SSSC、SVC、TCSC、 电抗器；投切串 STATCOM、UPFC、 联电容器、电抗 CSR 器。
区域互联；紧 无功支持； 并联电容器、 密网ห้องสมุดไป่ตู้网络； 网络控制； 电抗器、重合 松散网状网络 发电机控制； 闸、快速响应 负荷控制 励磁、低电压 甩负荷、需求 侧管理
SSSC、SVC、 TCSC、STATCOM、 TCPAR、CSR
4 国外的发展情况
1 第一代FACTS装置：SVC和TCSC 随着大功率晶闸管的诞生和应用，在20 世纪70 年 代，出现了一系列晶闸管投切或控制的并联补偿设 备，如TSC、TSR、TCR及其综合体——SVC。 1977 年，基于晶闸管的SVC 装置首次在电力系 统投入商业运行，用于美国Nebraska 州西部的一 个115kV 电网，实现自动和连续的电压控制。 1992年，美国西部电力管理局在一条200km长线 路上安装了第一套可控串补装置。
无 无 有
100 80 100 外部限制
有 有 无
100 5 50 外部限制
无 有 有
开关芯片 二极管芯片芯片 封装
破坏后特性
分立 分立 焊接
开路
单片 单片 压接
短路
单片 单片 压接
短路
灵活输电家族
并联型：静止无功补偿器（SVC）、 静止 同步补偿器（STATCOM） 串联型：晶闸管控制串联电容器（TCSC）、 静止同步补偿器（SSSC）、故障电流限制 器（FCL） 混合型：统一潮流控制器（UPFC）
快速响应励磁、 SSSC、TCSC、 UPFC、TCPAR、 串联电容器、 HVDC 制动电阻、快 速汽门
阻尼振 荡 事故后 的电压 控制
快速响应励磁、 SVC、STATCOM、 SSSC、TCSC、 电力系统稳定 器 UPFC、TCPAR 并联线路
SVC、STATCOM、 SSSC、UPFC
电压稳 定
第一章柔性交流配电系统的基本概念
现代电力系统面临的挑战 灵活交流输电技术概述 灵活输电技术可以解决的系统问题 国外灵活交流输电技术的发展情况 我国灵活交流输电技术的发展及趋势
1 现代电力系统面临的挑战
现代电力系统是迄今为止最大和最复杂的 人造系统之一，它由发电厂、变电站、输电 系统、配电系统和各种用电负荷等组成。现 代电力系统的主要特点是： 超大容量机组、 超高压甚至特高压输电电压等级、远距离输 电、大规模交直流互联电网、极高的自动化 运行水平、市场化运营机制等。
中国电网划分
国家电网：华北、华东、华中、西北、东北 国家电网公司成立于2002年12月29日，是经国 务院同意进行国家授权投资的机构和国家控股公 司的试点单位，注册资金2000亿元。公司名列 2009年《财富》全球企业500强第15位，比 2008年上升了9位，是全球最大的公用事业企业。 经营区域覆盖26个省、自治区、直辖市，覆盖国 土面积的88%，供电人口超过10亿，管理员工超 过150万。
电力电子器件
半控器件：晶闸管 全控器件：GTO、GTR、IGBT、IGCT、 IGET
晶闸管
主要特点：开通可控、耐高电压、导通电流 大、通态电压低、过负荷能力强。
GTO
晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施 加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电 流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆 瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。 GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通 时饱和程度较浅。 GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱 和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶 闸管开通过程快，承受di/dt能力强。
1 现代电力系统面临的挑战
城市化建设速度加快 输电走廊受限，电磁环境问题关注 已有输电线路的输送能力主要受到系统暂态 稳定或动态稳定极限的限制 交直流混合输电方式的采用 电力市场环境下的需要有效地控制和调节手 段
1 现代电力系统面临的挑战
负荷结构发生重大变化 大功率电力电子设备越来越多 特高压技术
4 国外的发展情况
第二代：STATCOM 1991年日本将80MVAR STATCOM投入运 行 第三代：UPFC 美国电力公司，138kV，770MVA第一套 UPFC装置
5 我国的发展趋势
2004年，鞍山红一变100MVAR SVC投运成功， 中国电科院 2004年，甘肃碧成线220kV可控串补投运成功， 中国电科院 2007年，伊冯500kV可控串补投运成功，中国电 科院 1999年，基于GTO的STACOM（20MVAR），清 华大学 1999年，基于IGCT的STACOM（50MVAR）， 许继
中国电网划分
南方电网：为广东、广西、云南、贵州、海南
中国南方电网公司成立于2002年底，2009年， 公司完成售电量5239亿千瓦时，西电东送电量 1156亿千瓦时，营业收入3124亿元，公司资产 总额达4405亿元。2005年公司跻身全球500强 企业后，排名逐年上升，2010年列第156位。南 方电网供电面积100万平方公里，供电总人口2.3 亿人，占全国总人口的17.8%。
新型材料的电力电子器件
GaAs的高频整流二极管 Sic功率器件
国内器件发展水平
西安电力电子技术研究所 8kV/4kA的晶 闸管 IGBT被国外公司占据
今后发展重点
加速开发高档大容量晶闸管； IGCT 大容量的IGBT 大功率快速恢复二极管
FACTS中的的电力电子器件特点
表1 我国电网面临的主要技术问题
电力系统现状 大容量、远距离输电： 1 提高线路输电能力； 2 保证电网安全 满足用户对电能质量的要求： 1 供电可靠性 2 电能质量 节能降耗的要求: 1 降低网损 2 提高电力驱动设备效率 研究领域 电网安全 供需平衡 大容量输电 电能质量
节能降耗
2 灵活交流输电技术概述
FACTS概念：装有电力电子型和其他静止型控 制装置以加强可控性和增大电力传输能力的 交流输电系统。 装置的目的是通过利用大功率电力电子器件的 快速响应能力，实现对电压、有功潮流、无 功潮流等平滑控制，从而在不影响系统稳定 性的前提下，提高系统的传输功率能力，改 善电压质量，达到最大可用性、最小损耗、 最小环境压力、最小投资和最短的建设周期 的目标。
结
束
潮流调整
调整串联电 抗；调整相 角
网络重构； 使用发热限 制 限制短路电 流
串联电容器、电 抗器
串联电容器、电 抗器 串联电抗器、更 换开关、断路器
SSSC、TCSC、 TCPAR、
UPFC、TCPAR、 TCSC FCL、UPFC、SSSC、 TCSC
故障后的负荷 分配 短路水 平 故障电流越限
次同步 振荡
电力系统柔性输电技术
教学内容和教学时间安排
柔性输电基本概念 电力电子学基本知识 静止并联补偿器 静止无功功率发生器 静止串联补偿器 统一潮流控制器 短路电流限制器 高压直流输电
参考资料
程汉湘 柔性交流输电系统 机械工业出版 社 2009.1 中国电科院 灵活交流输电技术在国家骨干 电网中的工程应用 中国电力出版社 2008 http://www.sgcc.com.cn 国家电网 http://www.csg.cn/中国南方电网
汽轮机或发电 机轴损坏
阻尼振荡
投退串联电容器
SSSC、TCSC
应用 系 统 动 态 应 用 暂态稳 定性
系统的问题
解决原理
传统解决方法
采用FACTS解决方 法
松散网状网络 增加同步扭 矩；吸收能 量；潮流控 制
远方发电机、 阻尼低频振 放射状线路 荡 松散网状网络 动态电压支 持；动态潮 流控制；减 小故障冲击
故障后产生低 电压 系 统 潮流分 稳 布控制 态 应 用
提高无功功 率；防止过 负荷
降低过负荷
投切并联电容器、 SSSC、SVC、TCSC、 电抗器；投切串 STATCOM、TCPAR、 联电容器、电抗 CSR 器。
增加线路或变压 器、串联电抗器 SSSC、TCSC、 TCPAR、UPFC
线路或变压器 过负荷
原理图
IGBT
特点：1 开关速度快；2 安全区宽；3 通态 电压低；4 输入阻抗高
IGCT
IGCT特点： 开通能力强，不用缓冲电路实现可靠关断、 电 流大、电压高、开关频率高、可靠性高， 结构紧凑。瑞士ABB推出了产品： 4.5kV/4kA
功率集成电路
PIC是将功率器件及其驱动电路、保护电路、 检测电路、接口电路等外围电路集成在一个 整体器件上。
IGBT、GTO和IGCT三种电力器件性能比较
特性 器件通态损耗 IGBT 100 GTO 70 IGCT 50
器件关态损耗 器件开通损耗 门级驱动功率 短路电流
du/dt吸收电路 di/dt吸收电路 承受高开关频率 能力
100 100 1 自身限制
3 FACTS解决的系统问题
提高输电线路的传输容量 优化输电网络的运行条件 扩展了电网的运行控制方式 改变了交流输电的传统应用范围 现代大电网互联
应用
电压 控制
系统的问题
负荷变化时电 压波动
解决原理
无功功率调 节
传统解决方法
采用FACTS解决方 法
投切并联电容器、 SSSC、SVC、TCSC、 电抗器；投切串 STATCOM、UPFC、 联电容器、电抗 CSR 器。
区域互联；紧 无功支持； 并联电容器、 密网ห้องสมุดไป่ตู้网络； 网络控制； 电抗器、重合 松散网状网络 发电机控制； 闸、快速响应 负荷控制 励磁、低电压 甩负荷、需求 侧管理
SSSC、SVC、 TCSC、STATCOM、 TCPAR、CSR
4 国外的发展情况
1 第一代FACTS装置：SVC和TCSC 随着大功率晶闸管的诞生和应用，在20 世纪70 年 代，出现了一系列晶闸管投切或控制的并联补偿设 备，如TSC、TSR、TCR及其综合体——SVC。 1977 年，基于晶闸管的SVC 装置首次在电力系 统投入商业运行，用于美国Nebraska 州西部的一 个115kV 电网，实现自动和连续的电压控制。 1992年，美国西部电力管理局在一条200km长线 路上安装了第一套可控串补装置。
无 无 有
100 80 100 外部限制
有 有 无
100 5 50 外部限制
无 有 有
开关芯片 二极管芯片芯片 封装
破坏后特性
分立 分立 焊接
开路
单片 单片 压接
短路
单片 单片 压接
短路
灵活输电家族
并联型：静止无功补偿器（SVC）、 静止 同步补偿器（STATCOM） 串联型：晶闸管控制串联电容器（TCSC）、 静止同步补偿器（SSSC）、故障电流限制 器（FCL） 混合型：统一潮流控制器（UPFC）
快速响应励磁、 SSSC、TCSC、 UPFC、TCPAR、 串联电容器、 HVDC 制动电阻、快 速汽门
阻尼振 荡 事故后 的电压 控制
快速响应励磁、 SVC、STATCOM、 SSSC、TCSC、 电力系统稳定 器 UPFC、TCPAR 并联线路
SVC、STATCOM、 SSSC、UPFC
电压稳 定
第一章柔性交流配电系统的基本概念
现代电力系统面临的挑战 灵活交流输电技术概述 灵活输电技术可以解决的系统问题 国外灵活交流输电技术的发展情况 我国灵活交流输电技术的发展及趋势
1 现代电力系统面临的挑战
现代电力系统是迄今为止最大和最复杂的 人造系统之一，它由发电厂、变电站、输电 系统、配电系统和各种用电负荷等组成。现 代电力系统的主要特点是： 超大容量机组、 超高压甚至特高压输电电压等级、远距离输 电、大规模交直流互联电网、极高的自动化 运行水平、市场化运营机制等。
中国电网划分
国家电网：华北、华东、华中、西北、东北 国家电网公司成立于2002年12月29日，是经国 务院同意进行国家授权投资的机构和国家控股公 司的试点单位，注册资金2000亿元。公司名列 2009年《财富》全球企业500强第15位，比 2008年上升了9位，是全球最大的公用事业企业。 经营区域覆盖26个省、自治区、直辖市，覆盖国 土面积的88%，供电人口超过10亿，管理员工超 过150万。
电力电子器件
半控器件：晶闸管 全控器件：GTO、GTR、IGBT、IGCT、 IGET
晶闸管
主要特点：开通可控、耐高电压、导通电流 大、通态电压低、过负荷能力强。
GTO
晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施 加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电 流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆 瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。 GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通 时饱和程度较浅。 GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱 和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶 闸管开通过程快，承受di/dt能力强。
1 现代电力系统面临的挑战
城市化建设速度加快 输电走廊受限，电磁环境问题关注 已有输电线路的输送能力主要受到系统暂态 稳定或动态稳定极限的限制 交直流混合输电方式的采用 电力市场环境下的需要有效地控制和调节手 段
1 现代电力系统面临的挑战
负荷结构发生重大变化 大功率电力电子设备越来越多 特高压技术
4 国外的发展情况
第二代：STATCOM 1991年日本将80MVAR STATCOM投入运 行 第三代：UPFC 美国电力公司，138kV，770MVA第一套 UPFC装置
5 我国的发展趋势
2004年，鞍山红一变100MVAR SVC投运成功， 中国电科院 2004年，甘肃碧成线220kV可控串补投运成功， 中国电科院 2007年，伊冯500kV可控串补投运成功，中国电 科院 1999年，基于GTO的STACOM（20MVAR），清 华大学 1999年，基于IGCT的STACOM（50MVAR）， 许继
中国电网划分
南方电网：为广东、广西、云南、贵州、海南
中国南方电网公司成立于2002年底，2009年， 公司完成售电量5239亿千瓦时，西电东送电量 1156亿千瓦时，营业收入3124亿元，公司资产 总额达4405亿元。2005年公司跻身全球500强 企业后，排名逐年上升，2010年列第156位。南 方电网供电面积100万平方公里，供电总人口2.3 亿人，占全国总人口的17.8%。
新型材料的电力电子器件
GaAs的高频整流二极管 Sic功率器件
国内器件发展水平
西安电力电子技术研究所 8kV/4kA的晶 闸管 IGBT被国外公司占据
今后发展重点
加速开发高档大容量晶闸管； IGCT 大容量的IGBT 大功率快速恢复二极管
FACTS中的的电力电子器件特点
表1 我国电网面临的主要技术问题
电力系统现状 大容量、远距离输电： 1 提高线路输电能力； 2 保证电网安全 满足用户对电能质量的要求： 1 供电可靠性 2 电能质量 节能降耗的要求: 1 降低网损 2 提高电力驱动设备效率 研究领域 电网安全 供需平衡 大容量输电 电能质量
节能降耗
2 灵活交流输电技术概述
FACTS概念：装有电力电子型和其他静止型控 制装置以加强可控性和增大电力传输能力的 交流输电系统。 装置的目的是通过利用大功率电力电子器件的 快速响应能力，实现对电压、有功潮流、无 功潮流等平滑控制，从而在不影响系统稳定 性的前提下，提高系统的传输功率能力，改 善电压质量，达到最大可用性、最小损耗、 最小环境压力、最小投资和最短的建设周期 的目标。
结
束
潮流调整
调整串联电 抗；调整相 角
网络重构； 使用发热限 制 限制短路电 流
串联电容器、电 抗器
串联电容器、电 抗器 串联电抗器、更 换开关、断路器
SSSC、TCSC、 TCPAR、
UPFC、TCPAR、 TCSC FCL、UPFC、SSSC、 TCSC
故障后的负荷 分配 短路水 平 故障电流越限
次同步 振荡
电力系统柔性输电技术
教学内容和教学时间安排
柔性输电基本概念 电力电子学基本知识 静止并联补偿器 静止无功功率发生器 静止串联补偿器 统一潮流控制器 短路电流限制器 高压直流输电
参考资料
程汉湘 柔性交流输电系统 机械工业出版 社 2009.1 中国电科院 灵活交流输电技术在国家骨干 电网中的工程应用 中国电力出版社 2008 http://www.sgcc.com.cn 国家电网 http://www.csg.cn/中国南方电网
汽轮机或发电 机轴损坏
阻尼振荡
投退串联电容器
SSSC、TCSC
应用 系 统 动 态 应 用 暂态稳 定性
系统的问题
解决原理
传统解决方法
采用FACTS解决方 法
松散网状网络 增加同步扭 矩；吸收能 量；潮流控 制
远方发电机、 阻尼低频振 放射状线路 荡 松散网状网络 动态电压支 持；动态潮 流控制；减 小故障冲击
故障后产生低 电压 系 统 潮流分 稳 布控制 态 应 用
提高无功功 率；防止过 负荷
降低过负荷
投切并联电容器、 SSSC、SVC、TCSC、 电抗器；投切串 STATCOM、TCPAR、 联电容器、电抗 CSR 器。
增加线路或变压 器、串联电抗器 SSSC、TCSC、 TCPAR、UPFC
线路或变压器 过负荷
原理图
IGBT
特点：1 开关速度快；2 安全区宽；3 通态 电压低；4 输入阻抗高
IGCT
IGCT特点： 开通能力强，不用缓冲电路实现可靠关断、 电 流大、电压高、开关频率高、可靠性高， 结构紧凑。瑞士ABB推出了产品： 4.5kV/4kA
功率集成电路
PIC是将功率器件及其驱动电路、保护电路、 检测电路、接口电路等外围电路集成在一个 整体器件上。