FACTS技术[共63页]

1、FACTS技术,0. 引言,在一个联合电网中，有功功率和无功功率在某条输电线路中的传输受到线路阻抗、线路两端电压大小和相角差以及故障情况下这条线路在维持电网稳定性方面所起的作用的控制，总的说来，取决于以下三种水平： 热水平，这一固有的物理限制，决定于输电线路的载流容量； 不可控潮流的水平，自然潮流的强制限制，决定于功率传输的物理学定律，没有考虑动态过程的安全稳定。 稳定性水平，安全的、动态稳定的功率传输所要求的强制限制,在大多数联合输电系统中，功率传输受到暂态稳定、电压稳定和（或）功率稳定的约束。这些约束条件限制了输电走廊的充分利用。灵活交流输电系统(FACTS)是这样一种技术，它可以修正输电

2、功能使现有的输电系统得到充分的利用，从而使稳定性和热水平之间的差距缩短到最小。 FACTS技术是建立在高速电力电子、先进的控制技术、先进的微型计算机和功能强大的分析工具应用的基础之上。其关键在于可利用的电力电子开关器件可以转换兆瓦级的电力（kV和kA级）。FACTS控制器在输电系统恰当地点的成功实现，使输电电压、线路阻抗和相位角得到适当的修正，这必将导致,输电系统的充分利用，即完全控制点对点有功和无功潮流，没有循环和平行的流通路径，从而使很多地区流过更多的功率； 没有架设新的线路就减轻了输电瓶颈的压力,1. EPRI的FACTS计划,电力研究院（EPRI）发起一项FACTS的研究计划，包括软件

3、和硬件的开发。 1 软件开发计划 在软件计划中，建立了FACTS控制器的分析模型和数学模型。这些模型包含在EPRI的数字仿真软件包里面。这个软件包用于会员所在的电力系统进行应用型的研究。这些研究结果表明，FACTS控制器的实现将导致功率传输容量的增加，增加的百分数取决于输电网络的结构和相应的输电约束条件,对美国三个输电系统传输容量增加的部分些计算结果如下： 美国西南部的输电线，潮流从300MW提升到400MW（33%）； 美国南部和佛罗里达州的联络线，潮流从3400MW提升到4100MW（21%）； 纽约北部和纽约城之间的联络线，潮流从2600MW提升到3200MW（23,1. 硬件开发计划

4、这一计划已经发展到FACTS控制器实际装置的硬件展示，FACTS控制器可以动态控制功率传输参数：线路阻抗、母线电压和相位角。 已经开发的和正在开发的FACTS控制器的状况如下： 晶闸管控制的串联电容器（TCSC）“线路阻抗控制器”：208MvarTCSC安装在斯内特（Slatt）变电站（BPA）。 静止补偿器（STATCOM）“电压控制器”：Mvar STATCOM安装在苏利文（Sullivan）变电站（TVA）。 统一潮流控制器（UPFC）“所有的传输参数控制器”：MVA的并联和MVA的串联变换器安装在伊内兹（Inez）变电站（AEP）。 可转换静止补偿器（CSC）“灵活多功能补偿器”：MV

5、A的CSC安装在马西（Marcy）变电站,2.技术挑战,FACTS控制器的发展已经推进了电力电子和逆变器（inverter）拓扑领域的几项突破。 电力电子 固态开关的发展正在增加kV和kA的额定值。 图1显示了固态开关模块的结构特征，它已经用于TVAs STATCOM的Mvar逆变器和AEPs UPFC的MVA逆变器上。固态开关是额定值为4.5kV和4kA关断电流的门极可关断晶闸管（GTO,为了满足输电所需的高额定容量，若干个这种模块串联在一起构成“开关阀”。让具有关断能力的固态开关串联在一起将面临保证电压份额均匀分布的挑战，在稳态和暂态条件下，电压份额分布不均匀是由阀中个别模块引起的。这个问

6、题已经得到了解决，是通过了解每个阀中各GTO的特点，并根据它们各自不同的存储时间用电子仪器补偿门控指令，从而使一个阀中串联的各GTO同时关断。图2所示的是跨过由九个GTO串联组成的阀所测量到的电压分布,逆变器拓扑 STATCOM 、UPFC和正在开发的CSC FACTS控制器的构造模块是一个电压源型逆变器（VSI）。VSI将直流电压转换为三相交流电压。一6脉波逆变器及其典型的输出线电压波形如图3所示。 由图3所示的方波电压构造正弦电压波形代表着另一个主要的技术挑战。 面对这一挑战，可采用下面两种技术方案之一： （1）具有多重开关级别的多重6脉波桥； （2）具有脉冲宽度调制的单一6脉波桥,每一种

7、可选择的方案都有它技术和经济方面的优点、限制和缺点，对这两种方案进行全面的比较已超出了本文的范围。然而，为满足输电所需的高额定容量，并考虑到GTO晶闸管可利用的kV和kA额定值，第一种方案是最合适的。因此，过去在开发TVA的STATCOM和AEP的 UPFC时采用了具有多重开关级别的多重6脉波桥。正弦电压波形是通过作为磁接口的连接变压器而获得的，磁接口为各6脉波桥的输出电压提供适当的移相，其概念性示意图如图4所示,AEP的 UPFC选择了四重6脉波桥、三级开关阀的设计方案，这种设计方案可以产生48脉波电压波形。图5所示为单相三级开关桥的基本电路。图6所示为 48脉波、三级电压源型逆变器的拓扑结

8、构和AEPs UPFC的并联逆变器与传输系统的示意性连接,3. UPFC3.1 基本原理,UPFC的主要特征是两个背靠背的电压源型变换器（inverter），这两个变换器的直流端接有一个电容器，如图1所示。这样排列它就起到一个理想的交流到交流（ac-to-ac）的功率转换器的作用。在这个功率转换器里面，有功功率在两个变换器之间可以自由地双向流动，变换器1和变换器2如图1所示。控制变换器2，即串联变换器，使其在输电线路中串联插入一组同步电压。插入电压的大小和相位是完全可控的,变换器1，即并联变换器，具有供给和吸收连接于公共直流联络线的变换器2所需的有功功率的作用。直流联络线的功率通过一并联连接的

9、变压器转换成交流并送到输电线路。变换器1也可以起到静止同步补偿器（STATCOM）的作用，即它可以独立地提供无功功率补偿。注意下面这一点是很重要的，那就是如果有一条闭合的直通路径让协商好的有功功率（插入的串联电压引起的）通过变换器1和变换器2返回输电线路，那么相应的无功功率也将通过当地的变换器2进行交换（产生或吸收,这些基本原理揭示了两台变换器的运行需求以及它们的额定视在功率在应用上是相互依赖的，并且通常是不同的。变换器2提供主要的潮流，它的额定视在功率只由线路电流和最大插入电压的乘积确定。变换器2产生无功功率的能力是UPFC运行的基本需求。变换器1的最小额定视在功率则由变换器2因串联插入电压

10、引起而交换的最大有功功率确定，它的典型值在变换器2总的额定视在功率的20%50%之间。然而，当变换器1在提供可控的无功功率时，它总的额定视在功率由下面的公式确定,是变换器2额定视在功率的最大实部分量，变换器2 的额定视在功率是线路电流和最大插入电压的乘积,是变换器1提供的最大无功功率,3.2 功能的灵活性,UPFC可以实现电力传输的三个基本补偿，即相位角控制、并联和串联无功补偿。这些多重补偿是通过控制串联插入电压 的大小和相位角而实现的，其补偿作用如图2所示，现描述如下,1.电压控制类似于变压器分接头改变，具有无穷小的级数。插入电压 ，并与 同相位。 2.线路阻抗控制类似于串联电容（或电感）补

11、偿。插入电压 ，相位超前（或滞后）线路电流 四分之一周期。 3. 相位角控制类似于移相变压器。插入电压 ，相位与 相差四分之一周期。 4.多功能控制是同时进行终端电压控制、线路阻抗控制和相位角控制的组合。插入电压,这一功能上的灵活性，为解决电力工业面临的诸多问题提供了巨大的潜力。UPFC有功功率和无功功率特性是通过协调串联和并联变换器产生的电压来确定的,3.3 UPFC控制,UPFC具有串联和并联变换器这一结构，为控制所有的电力传输参数，如输电电压、输电阻抗和输电相位角等提供了巨大的灵活性。这一灵活性是由于串联和并联变换器产生的输出电压其大小和相位角是可控的，并可以提供多种运行方式。并联变换器

12、的运行方式既可以是无功控制，也可以是自动电压控制。串联变换器的运行方式取决于与插入电压相关的相位角，可以是直接电压插入方式、移相方式、线路阻抗控制方式或这三种方式的组合（为了实现自动潮流控制,通常的运行方式是，并联变换器运行在自动电压控制方式，串联变换器运行在自动潮流控制方式。图3和图4分别给出了并联变换器运行在自动电压控制方式、串联变换器运行在自动潮流控制方式的概念性框图,3.4 UPFC模型,这一装置对电力系统的影响可以用综合性的稳定性仿真软件，如EPRI的电力系统分析软件包（PSAPAC）进行研究。在这样的一个软件包中，通常，正序公式考虑到了绝大部分网络以及动态元件。这又为系统范围内的现

13、象，如潮流运行方式的改变进行稳态和动态分析作好了准备。 安装有这类装置的电力系统的综合分析可能包括几种稳态和动态分析，并要求模型可变，如图5所示。图5也画出了进行这种研究所用的一种简化模型,3.5 潮流研究,潮流研究包括稳态电压、支路负载和有功功率（无功功率）供给的仿真。其结果有助于确定最有效的UPFC安装地点及其最佳额定值；也为动态研究提供了所需的初始条件。为了在潮流研究中实际地表示UPFC，其模型的建立具有以下特点,1.通过串联元件设定理想的支路有功和无功潮流：正常控制范围； 2.通过并联元件设定理想的终端电压（无功功率）：正常控制范围； 3.不计损耗，设定整个装置的净有功功率为零：装置原

14、理； 4.强制限制串联元件插入交流电压的大小：标称额定值； 5.强制限制线路侧电压（可以通过限制串联元件插入交流电压的相位角来实现）：最大和最小稳态值； 6.当有功（无功）潮流不可控时，强制限制串联元件的交流电流：稳态热定额； 7.强制限制并联元件的交流电流：稳态热定额； 8. 强制限制串、并联元件之间的有功功率转换：最大稳态值,3.6 电压稳定性研究,电压稳定性研究的目的是为了确定与电压不稳定的接近程度、容易失去稳定的区域、导致不稳定的元件和危险事故。这将为正确选择UPFC的安装地点、确定UPFC的大小尺寸提供附加的信息。电压稳定性研究中UPFC的模型类似于潮流计算中的模型,3.7 暂态稳定

15、性研究,暂态稳定性研究包括与大干扰下电力系统功角稳定性有关的非线性时域仿真。仿真时间一般从2到5秒。建模中必须计及UPFC的下列特点:： 1.串联和并联元件的理想控制器：通常控制支路有功和无功潮流、终端电压以及功率摇摆阻尼（如果可能的话）； 2. 整个装置的净瞬时功率为零（不计损耗和存储）：通常通过用并联元件维持直流电压,3.限制串联元件插入交流电压的大小：暂态额定值（或在低线路电流时更小） 4.限制线路侧电压（可以通过限制串联元件插入交流电压的相位角来实现）：最大和最小暂态值； 5.串联元件的旁路保护：暂态电流额定值； 6.限制并联元件的交流电流：暂态过负荷值（或低终端电压时更小）； 7.限

16、制串、并联元件之间的有功功率转换：最大暂态值； 8. 极低电压时装置断电（和再次恢复）：严重故障期间的状况,3.8 长过程稳定性研究,时域稳定性仿真可以扩展到中过程或长过程，时间范围从几十秒到几小时。基本的建模要求与暂态仿真相似。然而，随着时间的增加，限制条件必须从暂态值逐步减小到稳态值。还应该包括UPFC的附加保护功能,3.9 小信号稳定性研究,小信号稳定性研究包含用线性化模型方法分析局部的和跨区域的功率摇摆振荡模型。特征值、特征相量、参与因子、传递函数的零点、留数、可观性因子、可控性因子和频率相应等都是为包括UPFC在内的整个系统的有效分析和控制设计作准备。这些信息也有助于确定UPFC的安

17、装地点。基本的建模要求与时域稳定性仿真相似，但由于系统在某一初始运行点附近线性化，所以排除了限制条件和保护作用,3.10 较高频率稳定性分析,稳定性仿真可以扩展到超过0.1到2.0赫兹的常规机电频率范围，直至次同步或超同步频率范围。例子就是扭转的相互作用、次同步谐振（SSR）和谐波不稳定。 建立适当模型的关键是发电机轴系的多质量表达式和交流网络的动态特性。需要UPFC变压器漏抗和直流侧储能元件（如：维持电压的电容器和电流限制电感的变化率）的动态表达式，以及考虑机电现象的UPFC建模特点。象减轻次同步谐振SSR（如果能应用的话）一类的特殊控制也必须建模,4. FACTS的应用和所获得的收益,4.

18、1 苏利文变电站的STATCOM 安装在TVA电力系统苏利文变电站的一Mvar静止同步补偿器（STATCOM）是一个很好的分析例子。 （1）输电系统情况 苏利文变电站是TVA电力系统的几个变电站之一，它可以利用STATCOM输出无功的整个范围（纯容性到纯感性）。苏利文变电站位于田纳西州东北部TVA供电区域的边缘，它由一500kV电网供电，500kV电网通过一1200MVA的变压器组与四条161kV线路相连。苏利文变电站给七个批发商和一个大型的工业用户供电。其单线图如图7所示,2）安装的技术特点 TVA STATCOM的安装包括下列装置的主要部件： 一48脉波、两级电压源型逆变器，将8个6脉波三

19、相逆变桥结合在一起，每个桥的额定值为12.5MVA； 一 接法的降压变压器将逆变器连接到161kV输电线路； 一闭环液体冷却系统，包括一个抽吸滑道和一个风机冷却，液体到气体的热交换器单元。 一个具有操作界面的中心控制系统,STATCOM系统安装在一标准化商业设计的大楼内，大楼的墙和屋顶由金属构成，尺寸为。所有的STATCOM逆变器和相关的控制装置都安装在大楼内，而将STATCOM连接到161kV输电线路的主变压器则安装在大楼外。图9所示为STATCOM的磁场性能。 STATCOM的中心控制系统与数据收集及监控系统（SCADA）接口，基于常规，它将受制于SCADA系统,3）所获得的收益 在日负荷

20、增加期间，STATCOM调节161kV母线电压，尽量减少连接两个系统的变压器组的分接头改变。STATCOM调节母线电压已经将分接头调整的次数从每月250次减少到每月25次。分接头调整装置容易产生故障，每次故障的损失估计约为$1M. 苏利文变电站还装备了可开断84Mvar电容器组的机械开关，使STATCOM的有效范围扩展到184Mvar容性无功到100Mvar感性无功。在冬季高峰负荷期间，若苏利文变压器组断开，在这种事故情况下，电容器组直接受控于STATCOM,如果发生这种事故，161kV母线电压将下降10%15%。STATCOM和固定电容器组的快速协调控制将解决这一问题，使电压维持在合理的水平

21、上，直到这一地区其它变电站的并联电容器组通电。 没有STATCOM，TVA将被迫在苏利文安装第二组变压器或者建造第5条161kV输电线路，这两种选择都是不经济的。STATCOM已经推迟了TVA使用大量投资费用的时间,4.2 伊内兹变电站的UPFC,UPFC应用得很好的一个例子是安装在AEP的伊内兹变电站。 （1）输电系统情况 伊内兹地区的负荷需求接近2000MW，由距离长、负荷重的138kV输电线路供电。这意味着，在正常功率传输期间，为系统故障所留有的电压稳定性裕度很小。在这一地区发生单一故障将对138kV系统造成不利的影响，在某些情况下，发生第二种故障是不能容忍的，将导致大面积停电,因此，要

22、保证对伊内兹地区可靠供电，就需要有效的电压支撑和附加的有功电源设备。系统研究已经确定出一个加强性的计划，它包括下列系统的更新： 从大桑迪到伊内兹变电站建设一条新的双回路、高容量138kV输电线路； 在伊内兹变电站安装FACTS控制器以提供动态电压支撑和保证新的高容量输电线路得到充分的利用。UPFC满足所有的这些需求，可以独立地提供输电电压以及有功和无功潮流的动态控制,2）安装的技术特点 UPFC的安装包括： 两个典型的、3级48脉波、160MVA的电压源型逆变器连接到两套直流电容器组上。 两个逆变器通过两个“中间”变压器与交流系统连接，一组磁耦合的绕组用于构造48脉波的正弦波形。 两个典型的并

23、联降压变压器和一个串联变压器。这些变压器通过母线操作（buswork）和手动操作隔离开关与逆变器相连，简化的单线图如图10所示,在这种结构下，可能有以下一些运行方式： 逆变器1与两台并联的主变压器中的任意一台一起可作为STATCOM运行，而逆变器2作为静止同步补偿器 （SSSC）运行。 作为选择，逆变器2可以连接到备用的并联变压器，作为附加的STATCOM运行。对于这后一种结构，有MVA的充足的并联无功容量可以利用，这是伊内兹地区发生某些事故时的电压支撑所需要的。 在正常运行情况下，安装成UPFC的结构，即两个逆变器在直流侧相连。 一台逆变器发生事故不能正常工作，另一台可通过直流开关断开后独立

24、运行，并提供无功功率支援。 图11所示的是整个UPFC的安装视图,3）已安装的UPFC的期望收益 伊内兹变电站发生双重输电故障时，为了防止电压崩溃，提供动态的电压支撑。 新建的大桑迪到伊内兹138kV高容量（950MVA热额定值）输电线路有功和无功潮流的灵活、独立控制。 现有输电系统的优化使用。 为逐年的负荷增长释放了输电容量。 减少了超过24MW的有功损耗，相当于每年减少了85000吨二氧化碳。 图12所示为UPFC对伊内兹变电站功率传输和电能质量影响的定量表示：传输的功率增加了100MW以上，伊内兹母线电压获得了很好的支撑。 图13所示的是UPFC动态特性的一个例子，此处，UPFC控制大桑迪到伊内兹输电线的有功潮流的大小，而无功潮流保持为一常数，伊内兹母线电压保持为1pu,4.3 马西变电站的CSC,可转换静止补偿器（CSC）的运行经验可以从纽约电力局（NYPA）输电系统