孫紹林

SUN Shao-lin

（貴州大學(xué)，貴州 550001）

柔性交流輸電技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展研究

Flexible AC transmission system application and development research

孫紹林

SUN Shao-lin

（貴州大學(xué)，貴州 550001）

根據(jù)柔性交流輸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，對其特點和功能進(jìn)行了詳細(xì)的論述和分類，從多方面敘述了它的先進(jìn)性、可用性和重要意義，以及FACTS技術(shù)的作用及適用范圍，最后介紹了電力電子型控制器的新發(fā)展。

柔性交流輸電技術(shù)；有功潮流；無功潮流；潮流控制；穩(wěn)定性

0 引言

柔性交流輸電技術(shù)(flexible alternative current transmission systems，F(xiàn)ACTS) 指應(yīng)用于交流輸電系統(tǒng)的電力電子裝置，其中“柔性”是指對電壓電流的可控性，它是將電力電子技術(shù)、微處理機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)等高新技術(shù)集中應(yīng)用于高壓輸變電系統(tǒng)，以提高輸配電系統(tǒng)可靠性、可控性、運(yùn)行性能和電能質(zhì)量并獲取大量節(jié)電效益的一種新型綜合技術(shù)。如裝置與系統(tǒng)并聯(lián)可以對系統(tǒng)電壓和無功功率進(jìn)行控制，裝置與系統(tǒng)串聯(lián)可以對電流和潮流進(jìn)行控制；FACTS通過增加輸電網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量，從而提高輸電網(wǎng)絡(luò)的價值，F(xiàn)ACTS控制裝置動作速度快，因而能夠擴(kuò)大輸電網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行區(qū)域。在電力電子裝置最早用于直流輸電系統(tǒng)中并實現(xiàn)了對輸送功率的快速控制，由此人們想在交流系統(tǒng)中加裝電力電子裝置，尋求對潮流的控制，以獲得最大的安全裕度和最小的輸電成本，F(xiàn)ACTS技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，靜止無功補(bǔ)償器（SVC），靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）又稱作ASVG，晶閘管投切串聯(lián)電容器（TCSC），靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（Static Synchonous Series Compensator）統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）就是基于FACTS裝置控制器。

1 FACTS 技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

柔性交流輸電系統(tǒng)的概念是由美國電力科學(xué)研究院N. G. Hingorani博士于1988年首先提出的，在此以前出現(xiàn)的靜止無功補(bǔ)償設(shè)備(static var compensator, SVC)也屬于此范籌。1997年IEEE PES冬季會議上正式對FACTS做了定義。從早期出現(xiàn)的SVC開始，F(xiàn)ACTS技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了20多年。按其性能和功能的不同可劃分為以下三代，而是否含有常規(guī)電力器件(電容器和電抗器，抽頭，抽頭變壓器等)可以說是FACTS技術(shù)發(fā)展的分界線。

1.1 第一代FACTS技術(shù)

較早的 靜止無功補(bǔ)償設(shè)備（SVC），主要是由晶閘管開關(guān)快速控制的電容器和電抗器組成的裝置，以提供動態(tài)電壓支持，其技術(shù)基礎(chǔ)是常規(guī)晶閘管整流器(semiconductor controlled rectifier,SCR)，后來出現(xiàn)的第一代FACTS裝置是晶閘管控制的串聯(lián)電容器(thyristor controlled series compensator,TCSC)，它利用SCR控制串接在輸電線路中的電容器組來控制線路阻抗，從而提高輸送能力。

1.2 第二代FACTS 技術(shù)

這一代裝置同樣具有支持電壓和控制功率等功能，但在外部回路中不需要加設(shè)大型的電力設(shè)備(指電容器和電抗器組或移相變壓器等)。這些新裝置如靜止無功發(fā)生器(static compensator，STATCOM)和串聯(lián)補(bǔ)償器(solid state series compensator, SSSC)設(shè)備采用了門極可關(guān)斷設(shè)備(gate turn off thristor, GTO；insulated gate bipolar transistor, IGBT)等一類全控型器件，起電子回路模擬出電容器和電抗器組的作用， 裝置造價大大降低，性能卻明顯提高。

1.3 第三代FACTS 技術(shù)

將兩臺或多臺控制器復(fù)合成一組FACTS裝置，并使其具有一個共同的、統(tǒng)一的控制系統(tǒng)。如將一臺STATCOM和一臺SSSC復(fù)合而成的綜合潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)，它可以控制線路阻抗、電壓或功角的方法同時控制輸電線路的有功和無功潮流。調(diào)節(jié)雙回路潮流的線間潮流控制器(inter phase power flow controller,IFPC)和可控移相器(thyristor controlled phase angle regulator, TCPR)都屬于復(fù)合控制器。

FACTS技術(shù)用于配電領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，它主要用于改善配電網(wǎng)的電壓和電流質(zhì)量，包括有功、無功電壓、電流的控制、高次諧波的消除，蓄能等應(yīng)用。

2 FACTS技術(shù)的分類及其技術(shù)原理

FACTS技術(shù)按其接入系統(tǒng)方式可分為并聯(lián)型，串聯(lián)型和綜合型。并聯(lián)型FACTS設(shè)備包括SVC和STATCOM(SVG)，主要用于電壓控制和無功潮流控制；串聯(lián)型FACTS包括可控串補(bǔ)(TCSC)和基于GTO的串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)，主要用于輸電線路的有功潮流控制、系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定和抑制系統(tǒng)功率振蕩；綜合型FACTS設(shè)備主要包括潮流控制器(UPFC)和可控移相器(TCPR)，UPFC適用于電壓控制、有功和無功潮流控制、暫態(tài)穩(wěn)定和抑制系統(tǒng)功率振蕩，TCPR適用于系統(tǒng)的有功潮流控制和抑制系統(tǒng)功率振蕩。

2.1 并聯(lián)型FACTS裝置

典型的并聯(lián)型FACTS裝置是SVC和STATCOM，它們代表了FACTS技術(shù)發(fā)展的兩個階段：

SVC是指由固定電容器組、晶閘管控制的電容器組(TSC)和電抗器組(TCR)組合成的無功補(bǔ)償系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)TCR和TSC，使整個裝置無功輸出呈連續(xù)變化，靜態(tài)和動態(tài)地使電壓保持在一定范圍內(nèi)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但由于這種設(shè)備在電網(wǎng)電壓的波動超出一定范圍時表現(xiàn)出恒阻抗特性，因而在電網(wǎng)電壓波動大時不能充分發(fā)揮其作用。

STATCOM主回路主要是由大功率電力電子器件(如門極可關(guān)斷晶閘管GTO)組成的電壓型逆變器和并聯(lián)直流電容器構(gòu)成，是與傳統(tǒng)SVC原理完全不同的無功補(bǔ)償系統(tǒng)。這種裝置脫離了以往無功功率概念的約束，不采用常規(guī)電容器和電抗器來實現(xiàn)無功補(bǔ)償，而是利用逆變器產(chǎn)生無功功率。它所輸出的三相交流電壓Vo通過變壓器與系統(tǒng)電壓Vs同步，并通過控制Vo來調(diào)節(jié)無功功率的輸出，當(dāng)Vo＞Vs時，輸出容性無功功率；當(dāng)Vo＜Vs時，輸出感性無功功率，因此，設(shè)備無功功率的大小都由它輸出的電流來調(diào)整，而其輸出的電流與系統(tǒng)電壓基本無關(guān)，這些功能、原理上類似于同步調(diào)相機(jī)，但它是完全的靜態(tài)裝置，因此STATCOM又稱為靜止調(diào)相器，它的動態(tài)性能遠(yuǎn)優(yōu)于同步調(diào)相機(jī)，啟動無沖擊，調(diào)節(jié)連續(xù)范圍大，響應(yīng)速度快，功耗小。由于采用了GTO，可以避免換相失敗，直流側(cè)的電容器只是用來維持直流電壓，不需要很大容量，而且可以用直流電容器構(gòu)成，因而裝置體積小且經(jīng)濟(jì)。

2.2 串聯(lián)型FACTS裝置

典型的串聯(lián)型FACTS裝置是可控串補(bǔ)(TCSC)和基于GTO的串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)。 TCSC通常指采取晶閘管控制的分路電抗器與串聯(lián)電容器組并聯(lián)組成的串聯(lián)無功補(bǔ)償系統(tǒng)，通過改變晶閘管的觸發(fā)角來改變分路電抗器的電流，使串聯(lián)補(bǔ)償器的等效阻抗大小能夠連續(xù)平滑快速變化，因而TCSC可以等效成一個容量連續(xù)可變的電容器，其接入的輸電線路的等效阻抗也可以連續(xù)變化，在給定的線路兩端電壓和相角情況下，線路的輸送功率將可實現(xiàn)快速連續(xù)控制，以適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)載變化和動態(tài)干擾，達(dá)到控制線路潮流，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定極限的目的，也可以用于阻尼系統(tǒng)功率振蕩和抑制次同步振蕩。

SSSC是指采用大功率電力電子器件(如GTO)組成的電壓型逆變器和并聯(lián)直流電容器構(gòu)成的串聯(lián)補(bǔ)償器，其基本結(jié)構(gòu)和STATCOM類似，不同的是裝置通過變壓器串接入高壓線路中，但原理與TCSC不同，TCSC在串入線路中可以等效成可變?nèi)菘?，而串入的SSSC可以等效成電壓源，其輸出的是與串入線路的電流幅值基本無關(guān)的電壓量，通過控制換流器，連續(xù)改變其輸出電壓的幅值和相位，從而改變線路兩端的電壓幅值和相位，實現(xiàn)對線路有功、無功潮流的控制和阻尼系統(tǒng)的功率振蕩，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定極限的目的。

2.3 綜合型FACTS裝置

典型的綜合型FACTS設(shè)備是綜合潮流控制器(UPFC)。UPFC是將并聯(lián)補(bǔ)償?shù)腟TATCOM和串聯(lián)補(bǔ)償?shù)腟SSC組合成具有一個共同統(tǒng)一的控制系統(tǒng)的新型潮流控制器，它結(jié)合了多種FACTS技術(shù)的靈活控制手段，是FACTS技術(shù)中功能最強(qiáng)大的裝置，它通過將換流器產(chǎn)生的交流電壓串接入相應(yīng)的輸電線上，使其幅值和相角均可連續(xù)變化，從而控制線路等效阻抗，電壓或功角，同時控制輸電線路的有功和無功潮流，提高線路輸送能力和阻尼系統(tǒng)振蕩，它最基本的特點之一是注入系統(tǒng)的無功是其本身裝置控制和產(chǎn)生的，但注入系統(tǒng)的有功必須通過直流回路由并聯(lián)回路STATCOM傳至串聯(lián)回路SSSC，作為UPFC整體， 并不大量消耗或提供有功功率。

3 FACTS技術(shù)的作用及適用范圍

FACTS技術(shù)由于采用具有單獨或綜合功能的電力電子控制裝置，比常規(guī)的輸電控制技術(shù)，如串并聯(lián)電容電抗、 PSS和同步調(diào)相機(jī)等具有優(yōu)越的快速性能和靈活的控制能力，同時還具有良好的適應(yīng)性。由于FACTS技術(shù)與現(xiàn)有的交流輸電系統(tǒng)是并行發(fā)展的，并完全兼容，能在現(xiàn)有設(shè)備不做重大改動的條件下，采用合適有效的FACTS技術(shù)，充分發(fā)揮現(xiàn)有電網(wǎng)的潛力。因此，在電力系統(tǒng)中具有廣泛而良好的應(yīng)用前景。綜合而言，應(yīng)用FACTS技術(shù)的重要作用和意義體現(xiàn)在：

1）為充分利用現(xiàn)有的輸電線路的能力和資源。現(xiàn)行電力系統(tǒng)由穩(wěn)定條件限定的輸送功率的極限偏低，輸電線路的能力遠(yuǎn)未被充分利用，而采用FACTS技術(shù)，理論上可使輸電線路的輸送功率極限大大提高，甚至接近導(dǎo)線的熱穩(wěn)極限，從而提高輸電線路資源的利用率。

2）提高電網(wǎng)和輸電線路的安全穩(wěn)定性、可靠性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。FACTS技術(shù)的應(yīng)用將有助于抑制功率振蕩，提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平；有助于控制電網(wǎng)中的潮流大小和方向，實現(xiàn)潮流的合理流動和電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；有助于限制電網(wǎng)和設(shè)備故障的影響范圍，減小事故恢復(fù)時間及停電損失。

3）優(yōu)化整個電網(wǎng)的運(yùn)行狀況。在電網(wǎng)中采用FACTS有助于建立全網(wǎng)統(tǒng)一的實時控制中心，實現(xiàn)全系統(tǒng)的優(yōu)化控制。以提高全系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4）將改變交流輸電的傳統(tǒng)應(yīng)用范圍。整套應(yīng)用并協(xié)調(diào)控制的FACTS控制器將使常規(guī)交流輸電柔性化，改變交流輸電的功能范圍，使其在更多方面發(fā)揮作用。由于應(yīng)用FACTS控制器的方案常常比新建一條線路或換流站的方案更便宜，它甚至可以擴(kuò)大到原屬于直流輸電專有的應(yīng)用范圍，如定向傳輸電力，功率調(diào)制，延長水下或地下交流輸電距離等。

4 電力電子型控制器的新發(fā)展

4.1 轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器(CSC)

轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器(convertible static compensator,CSC)標(biāo)志著FACTS的直接控制對象從交流輸電線擴(kuò)展到交流電網(wǎng)。CSC和STATCOM，UPFC，SSSC］一樣是基于GTO電壓源換流器的控制器，但它除滿足各種系統(tǒng)控制要求和對接線或運(yùn)行變化具有適應(yīng)能力外，還具有除分別提供上述3種FACTS控制器的功能之外的2種新型控制器的功能，即“線間潮流控制器(縮寫為IPFC)”和“多線(multi-line)或廣義(generalized)UPFC”的功能。

4.2 電壓源矩陣換流器

國內(nèi)外都有人設(shè)想過以FACTS技術(shù)研制出可代替背靠背直流輸電的異步聯(lián)網(wǎng)裝置?，F(xiàn)在幾經(jīng)改進(jìn)完善、又經(jīng)模型驗證，成果已問世。這種稱為電壓源矩陣換流器(voltage source matrix converter)的裝置，其額定總?cè)萘亢鸵惶妆晨勘矴TO型直流輸電裝置相當(dāng)，但卻具有更多的功能。即除了具有改變兩端頻率、移相范圍360°和雙向傳輸有功功率的能力外，還有100%的阻抗補(bǔ)償能力和在線路兩端獨立控制有功和無功的能力。其中共軛補(bǔ)償阻抗的能力可顯著提高同步功率，改進(jìn)暫態(tài)穩(wěn)定性能。

4.3 電力質(zhì)量調(diào)整器(或調(diào)制器)，即PQC(或PQM)

精密加工工廠或質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高的高新技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程都對電能質(zhì)量和供電可靠性提出了更高的要求，電力質(zhì)量調(diào)整(制)器(power quality conditioner(or modulator),縮寫為PQC或PQM)便應(yīng)運(yùn)而生。它們可快速補(bǔ)償供電電壓中的突降或突升，波動和閃變，諧波電流和電壓，各相電壓的不平衡以及故障時的短期電壓中斷。所以是一項具有綜合功能的FACTS/CusPow控制器。

5 結(jié)束語

FACTS技術(shù)是目前電力系統(tǒng)輸配電技術(shù)的最新發(fā)展方向，對電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行將帶來重要的影響。我校和科研單位已經(jīng)做了大量的研究工作，部分地區(qū)的電力部門已經(jīng)在FACTS新技術(shù)應(yīng)用取得了顯著成就，可以斷言，F(xiàn)ACTS技術(shù)將大大改善供電和用電質(zhì)量，對節(jié)約能源有不可估量的意義。

[1] Hingorani N G.用戶電力技術(shù)(Custom Power)介紹.河南省電力局柔性交流輸電技術(shù)專輯,1997,

[2] 何大愚.柔性交流輸電技術(shù)及其控制器研制的新發(fā)展——TCPST,IPC(TCIPC)和SSSC[J].電力系統(tǒng)自動化,1997,21(6).

[3] Ooi B T,Kazerani M.Voltage-Source Matrix Converter as a Controller in FACTS.IEEE Trans on Power Delivery,1998, 13(1)：247-253.

[4] Povh D.Power Quality Improvement of Power Systems. In：The 2nd International Conference on Control and Simulation of the Power System. Beijing： 1998

[5] 何大愚.柔性交流輸電系統(tǒng)概念研究的新進(jìn)展[J].電網(wǎng)技術(shù),1997,21.

TH166

A

1009-0134(2010)10(下)-0210-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(下).66

2009-11-05

孫紹林（1976 -），男，貴州盤縣人，講師，工程碩士，研究方向為電力電子技術(shù)、通信技術(shù)。