柔性交流输电系统

1、柔性交流输电系统柔性交流输电系统一 柔性交流输电系统的基本概念 柔性交流输电系统（FACTS）的英文表达为：Flexible AC Transmission Systems，是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。 上世纪八十年代中期，美国电力科学研究院（EPRI）N.G.Hingorani博士首次提出FACTS概念：应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流（系统 中所有运行参数的总体，包括各个母线电压的大小和相位，各个发电机和负荷的功率及电流，以及

2、各个变压器和线路等元件所通过的功率，电流和其中的损耗。也称系统中有规律波动的功率流动为潮流）等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制，从而大大提高电力系统的灵活性和稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。 柔性交流输电系统是大功率电力电子器件在高压领域直接完成电器智能化的典范。二 柔性交流输电系统的提出 电力系统容量的不断的增长和电压等级的一再提高，电网覆盖地域的日益扩大，大型电力系统所暴露出的问题和矛盾越来越突出，主要包括以下几个方面： 1，电力系统潮流的实时控制 电力生产中，由于发电能源（煤炭，石油，水力等）的分布不均匀发电中心与负荷中心往往不一致因此需要远距离输送大容量的电

3、力。现代互联电网中的功率流动常常出现“瓶颈”现象，使得潮流在电网中辗转，使损耗增加。另一方面，目前输电的稳定性极限也和潮流紧密相关，潮流得不到大幅度实时调节只是电网的稳定性极限很低，线路的传输容量得不到充分利用。依照目前的常规方法，人们难以达到电力潮流 的实时控制，实际的功率分布可能与理想分布想去甚远。人们必须寻找可以快速灵活调节系统参数和网络结构的方法，对电力系统的潮流进行实时控制。 2，短路电流水平的提高 随着电力系统容量的不断增大，电网之间的电气联系程度日趋紧密，电网的段路水平迅速提高。现有的机械式断路器越来越难以应付极具增大的断流容量要求，系统内的载流导体及各种电气设备也无法满足不断提

4、高的机械强度（动稳定性）和热容量等方面的要求。所以，电网容量增加时，运行中不满足上述要求的大容量电气设备就不得不更换，设备利用率大大降低，更大容量的机械式断路器的研制也越来越苦难。3，电力系统的稳定性问题随着用电需求的正佳和电力工业的不断发展，电网结构日益复杂；发电厂单机容量的不断增大也使系统稳定问题日益突出，系统安全运行的管理也日趋困难。目前尚缺乏适应现代化大型电力系统需求的有效控制手段。4，电力系统的控制速度目前的交流输电系统中，就其控制手段而言，归根结底仍然是机械式的，所谓的计算机监控也是靠机械式开关执行的。发电机的调速器，短路器，变压器无论是有载调压还是移相器，最终执行的都是机械动作。

5、而机械动作一般都不满足系统的控制要求。而且，机械动作可靠性差，器件寿命短也影响系统的运行可靠性。 5，电能质量问题 保证电能质量的根本在于无功功率的控制和谐波的治理。电网在向负荷提供一定有功功率的同时，还必须提供一定的无功功率。为了保证发电机和变压器等设备的正常运行，也必须存在无功功率。但发电厂输出的过多的无功功率会会恶化系统的稳定性。现有的无功功率源如并联电容器，其调节速度和能力均有限，难以适应现代电力系统的要求。谐波是伴随大功率电力电子器件应用的副产品，几年来对电能质量的影响日益严重，必须要进行治理。上述问题的共同点是：传统的运行控制手段不能满足电力系统飞速发展所产生的实际的需求，应用更快

6、，更灵活的控制手段是发展现代电力系统的必由之路。 电力电子技术是基于电力，电机，电器等应用领域的发展与需求，基于半导体技术的发展，融合了现代计算机技术和控制理论而发展起来的一门新技术。随着半导体制造工艺的不断提高，器件价格的降低，其越来越得到广泛的应用。 柔性交流输电的基本概念为： 在交流输电系统的主要部位，采用具有专门功能或综合功能的电力电子器件和现代自动控制装置或组合体，对输电系统的运行状态变量和参数如电压，相位差，电抗等以至网络结构进行调控，从而实时，灵活，快速地控制交流输电功率，以大幅度提高现有高压输电线路的输送能力，实现电功率的合理分配，降低功率损耗或发电成本，提高系统稳定运行的水平

7、和可靠性。三 电力电子在输电系统中的应用3.1 电力电子技术对输电系统的影响 电力电子技术对输电系统的影响首先是在输电方式上。电力电子器件的容量的大大提高以及价格的大幅度下降使目前的传输等级以及控制技术得到了很大的飞跃。 电力电子技术在输电系统中的应用将改变系统的组成结构和控制方式，因而将对电力系统的内在特性产生更深层次的影响。主要包括： 1，系统正常运行方式的可控性发生了巨大变化。 原来的功率流动的大小和方向只能靠远方电源的出力来加以控制，而现在的综合潮流控制可方便地就地控制。010203040功率容量功率容量MVA1990198019702000年年（）晶片直径（英寸）（）晶片直径（英寸）

8、晶闸管晶闸管2.5KV1KA(2)4KV1.5KA(3.5)12KV1KA(4)8KV4KA(6)GTO4.5KV2KA(2.5)4.5KV3KA(3)4.5KV4KA(3.5)6KV6KA(6)GCT4.5KV3KA(3.5)4.5KV4KA(4)6KV4KA(4)HVIGBT4.5KV0.9KA晶闸管晶闸管双向双向晶闸管晶闸管MOSFETGCTGTOIGBT(Discrete)IGBT MolduleIPM器件额定容量器件额定容量10k100M10M1M1k100k1001010工作频率工作频率(HZ)1M10k100k1k100电力电子器件正朝着容量越来越大、频率越来越高的方向发展。电力

9、电子器件正朝着容量越来越大、频率越来越高的方向发展。2，系统发生故障的影响程度减轻，故障恢复速度加快。由于电力电子开关动作迅速，加之故障电流限制器的作用，可大大减小故障对系统的冲击。自动重合器以及快速故障定位器的使用，也大大减少了故障恢复时间。3，系统的静态和动态特性发生了变化。系统同步运行稳定性，电压和频率的稳定性都得到了改善。3.2 典型的FACTS电器FACTS电器目前尚处在蓬勃发展的初级阶段，所包含的种类仍在不断增加，已知的属于FACTS的开发项目的具体装置约有20多种。目前已经报道在输电系统中应用的FACTS电器主要有:1,与系统并联连接的FACTS电器 静态无功补偿器 （Stati

10、c Var Compensator，SVC） 高级静态无功发生器（Advanced Static Var Generator， ASVG） 静态调相器（Static Condensor ，STATCON） 静态同步补偿器（Static Synchronous Compensator， SSC） 静态同步发电器（Static Synchronous Generator，SSG） 静态无功发生器或吸收器（ Static Var Generator or Absorber，SVG） 晶闸管投切的电容器组（Thyristor Switched Capacitors，TSC） 晶闸管投切的电抗器（ Th

11、yristor Switched Reactor，TSR） 无功补偿系统（Var Compensating System， VCS） 超导储能器（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES） 电池储能器（Battery Energy Storage System，BESS）2，与系统串联连接的FACTS电器 静态同步串联补偿器（Static Synchronous Series Compensator，SSSC）晶闸管控制的串联电容器组（Thyristor Controlled Series Capacitors，TCSC）晶闸管控制的串联电抗器（

12、Thyristor Controlled Series Reactor，TCSR）l串联型控制器相当于一个串联型控制器相当于一个可变阻抗可变阻抗，可以是电容，可以是电容器，电抗器等，也可以是一个由电力电子器件组器，电抗器等，也可以是一个由电力电子器件组成的可变阻抗。成的可变阻抗。l GCSC（GTO thyristor controlled capacitorGTO thyristor controlled capacitor）GTOGTO控控制串联电容器制串联电容器lTSSCTSSC（thyristor switched series capacitor,)thyristor switche

13、d series capacitor,)晶闸管晶闸管投切串联电容器投切串联电容器lTCSCTCSC（thyristor controlled series capacitor,)thyristor controlled series capacitor,)晶闸晶闸管控制串联电容器管控制串联电容器串联型控制器串联型控制器l并联型控制器可以是可变阻抗，可控电并联型控制器可以是可变阻抗，可控电流源，或者是它们的组合。流源，或者是它们的组合。l并联型控制器在并联连接点处给系统注入一个电流。只要该注并联型控制器在并联连接点处给系统注入一个电流。只要该注入电流与母线电压之间的相角差为入电流与母线电压之间的

14、相角差为9090，则并联控制器只能提，则并联控制器只能提供或吸收可变无功功率，任何其它的相位关系均涉及有功功率供或吸收可变无功功率，任何其它的相位关系均涉及有功功率的交换。的交换。lTCRTCR（ thyristor controlled reactor)thyristor controlled reactor)晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器lTSR(thyristor switched reactor),TSR(thyristor switched reactor),晶闸管投切电抗器晶闸管投切电抗器lTSCTSC（thyristor switched capacitor)thyristor

15、 switched capacitor)，晶闸管投切电容器，晶闸管投切电容器lSTATCOMSTATCOM（static synchronous compensator)static synchronous compensator)静止同步补偿器静止同步补偿器并联型控制器并联型控制器FACTS设备投入互联电力系统，增强了系统的控制手段，可以提高系统的静态，暂态稳定极限和电压稳定性，从而将输电线的输送容量提高至其热稳定极限。对于长距离输电线，可以用SVC，ASVG等补偿装置进行无功补偿，维持线路电压在正常的水平，改善系统阻尼；此外，SVC，AVSG，TCSC均可以改善系统的静态和暂态稳定性。 典

16、型柔性交流输电系统（FACTS）电器的 简介静止同步补偿器静止同步补偿器(STATCOM) (STATCOM) l电压型或者电流型电压型或者电流型l并联并联在系统上，可控在系统上，可控制其容性或感性输出电制其容性或感性输出电流，且流，且STATCOMSTATCOM的最大的最大容性或感性输出电流不容性或感性输出电流不依赖依赖交流系统电压。交流系统电压。lAPFAPF有源滤波器有源滤波器+ +- -静止无功补偿器静止无功补偿器(SVC) (SVC) 一种并联联接的静止无功发一种并联联接的静止无功发生器或吸收器，它的输出电生器或吸收器，它的输出电流可调节为容性或感性，以流可调节为容性或感性，以便保持

17、或控制电力系统的一便保持或控制电力系统的一些特定参数（典型参数一般些特定参数（典型参数一般为母线电压）。为母线电压）。 晶闸管控制的电抗器晶闸管控制的电抗器(TCR) 一种并联联接的晶闸管控制的电感，其有效电抗值由晶一种并联联接的晶闸管控制的电感，其有效电抗值由晶闸管以不断变化的部分导通方式来控制。闸管以不断变化的部分导通方式来控制。 晶闸管投切电抗器晶闸管投切电抗器 （TSR）一种并联联接的晶闸管切投电感，其有效电抗由晶闸一种并联联接的晶闸管切投电感，其有效电抗由晶闸管以全部导通或零导通的阶跃变化方式来控制。管以全部导通或零导通的阶跃变化方式来控制。 晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TS

18、C） 一种并联联接的晶闸管投切电容器，其有效电抗由晶闸一种并联联接的晶闸管投切电容器，其有效电抗由晶闸管以全部导通或零导通的阶跃变化方式来控制。管以全部导通或零导通的阶跃变化方式来控制。 晶闸管控制、投切型晶闸管控制、投切型TCR和和TSR的区别？的区别？ 静止无功发生器静止无功发生器(Static var generator/absorber SVG) 包括晶闸管控制包括晶闸管控制/投切的电容器、电抗器及投切的电容器、电抗器及STATCOM等，等，SVC和和STATCOM都属于此类都属于此类 静止补偿系统（静止补偿系统（static var system, SVS) 静止式及机械式的并联无功

19、补偿装置的输出进行协调而构静止式及机械式的并联无功补偿装置的输出进行协调而构成的并联补偿系统，成的并联补偿系统，SVG与机械式无功补偿设备的组合与机械式无功补偿设备的组合ASVG（高级静止无功发生器）通过精确控制GTO逆变器的触发角的相位，将储能电容侧的直流电压变为交流电压，而且交流电压的值的大小和相位由控制的GTO逆变器的触发角来决定。从而达到控制功率流动的目的。晶闸管控制串联电容器晶闸管控制串联电容器（TCSCTCSC） 一种容性电抗补偿器，它由一种容性电抗补偿器，它由串联电容器组与晶闸管控制串联电容器组与晶闸管控制的电抗器并联组成，以提供的电抗器并联组成，以提供平滑变化平滑变化的容性串联

20、电抗。的容性串联电抗。 线路线路晶闸管投切串联电容器晶闸管投切串联电容器（TSSCTSSC） 一种容抗补偿器，由串联电一种容抗补偿器，由串联电容器组与晶闸管投切电抗器容器组与晶闸管投切电抗器并联组成，以提供串联容抗并联组成，以提供串联容抗的的分段分段控制。控制。 晶闸管控制串联电抗器晶闸管控制串联电抗器（TCSRTCSR） 一种感抗补偿器，由串联一种感抗补偿器，由串联电抗器与晶闸管控制的电电抗器与晶闸管控制的电抗器并联组成，以得到抗器并联组成，以得到平平滑变化滑变化的串联感性电抗。的串联感性电抗。线路线路晶闸管投切串联电抗器晶闸管投切串联电抗器（TSSRTSSR） 一种感抗补偿器，由串联一种感

21、抗补偿器，由串联电抗器与晶闸管控制电抗电抗器与晶闸管控制电抗器并联组成，以得到串联器并联组成，以得到串联感抗的感抗的分段分段控制。控制。线路线路接口电路接口电路储能设备储能设备+ +-带有储能的带有储能的SSSC静静止同步串联补偿器止同步串联补偿器通过储能设备（如电池储能系统）通过储能设备（如电池储能系统）与串联控制器相连，就能控制注与串联控制器相连，就能控制注入电压与线路电流之间的相位，入电压与线路电流之间的相位，因而它不仅能与交流系统进行无因而它不仅能与交流系统进行无功功率的交换，而且还能进行有功功率的交换，而且还能进行有功功率的交换。功功率的交换。电池储能系统电池储能系统 带有化学储能系

22、统的并联式电压带有化学储能系统的并联式电压型变流器，该变流器可与交流系型变流器，该变流器可与交流系统进行快速的有功功率和无功功统进行快速的有功功率和无功功率的交换率的交换锂电池、铅酸电池、超导储能锂电池、铅酸电池、超导储能 接口接口储能设备储能设备- -+带有储能的带有储能的STATCOM各种控制器的控制特征各种控制器的控制特征 序号序号 FACTS 控制器控制器 控制特征控制特征 静止同步补偿器静止同步补偿器(STATCOM 无储能电源无储能电源) 电压控制、无功补偿、阻尼振荡、电压控制、无功补偿、阻尼振荡、电压稳定性电压稳定性 静止同步补偿器静止同步补偿器(STATCOM有储能电源有储能电

23、源 BESS、SMES、大容量电容器大容量电容器) 电压控制、无功补偿、阻尼振荡、电压控制、无功补偿、阻尼振荡、暂态、动态稳定性、电压稳定性、暂态、动态稳定性、电压稳定性、自动增益控制自动增益控制 电压控制、无功补偿、阻尼振荡、电压控制、无功补偿、阻尼振荡、电压稳定性、暂态和动态稳定性电压稳定性、暂态和动态稳定性 静止无功补偿器（静止无功补偿器（SVC、TCR、TSC、TSR） 阻尼振荡、暂态和动态稳定性阻尼振荡、暂态和动态稳定性 晶闸管控制的制动电阻器晶闸管控制的制动电阻器（TCBR） 2134静止同步串联补偿器静止同步串联补偿器（SSSC 无储能电源）无储能电源） 电流控制、阻尼振荡、暂态

24、和动态稳电流控制、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性、故障电流限制定性、电压稳定性、故障电流限制 静止同步串联补偿器静止同步串联补偿器（SSSC 有储能电源）有储能电源） 电流控制、阻尼振荡、暂态和动电流控制、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性态稳定性、电压稳定性 电流控制、阻尼振荡、暂态和动态稳电流控制、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性、故障电流限制定性、电压稳定性、故障电流限制 晶闸管控制的串联电容晶闸管控制的串联电容器（器（TCSC、TSSC） 电流控制、阻尼振荡、暂态和动态稳电流控制、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性、故障电流限制定性、电压稳定性、故障电流限制 晶闸

25、管控制的串联电抗晶闸管控制的串联电抗器（器（TCSR、TSSR） 6578晶闸管控制的移相变压晶闸管控制的移相变压器器(TCPST 或或 TCPR) 有功功率控制、阻尼振荡、暂态有功功率控制、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性和动态稳定性、电压稳定性 9统一潮流控制器统一潮流控制器（UPFC） 有功和无功功率控制器、电压控制、有功和无功功率控制器、电压控制、无功补偿、阻尼振荡、暂态和动态稳无功补偿、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性、故障电流限制定性、电压稳定性、故障电流限制 暂态和动态电压限制暂态和动态电压限制 晶闸管控制的电压限晶闸管控制的电压限制器制器(TCVL) 无功功率控制、

26、电压控制、阻尼振荡、无功功率控制、电压控制、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性暂态和动态稳定性、电压稳定性 晶闸管控制的电压调晶闸管控制的电压调节器节器(TCVR) 101112线间潮流控制器线间潮流控制器(IPFC) 无功功率控制、电压控制、阻尼振荡、无功功率控制、电压控制、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性暂态和动态稳定性、电压稳定性 13APF(Active power filter)有源电力滤波器五、五、DFACTSDFACTS设备设备DVR(Dynamic voltage regulator)动态电压调节器1.4 FACTS的发展应用的发展应用4 FACTS的概念之前，已出现

27、一些电力电子控制器了，它们现都已融入的概念之前，已出现一些电力电子控制器了，它们现都已融入FACTS技术行列之中技术行列之中(如如SVC，上个世纪，上个世纪70年代首先由美国通用电气公司投年代首先由美国通用电气公司投入商业运行入商业运行)。4 电压型变流器（电压型变流器（VSC）用于电力系统是日本最早起步的，）用于电力系统是日本最早起步的，1980年第一个基年第一个基于晶闸管的电压型于晶闸管的电压型STATCOM在日本诞生，容量为在日本诞生，容量为20MVA。1991年，第年，第1个个基于基于GTO的的80MVA的的STATCOM在日本投入运行。在日本投入运行。4 第一个串联型控制器第一个串联

28、型控制器次同步振荡阻尼器，由次同步振荡阻尼器，由Hingorani博士发明，是一个博士发明，是一个小功率的串联电容阻抗控制器，西门子公司于小功率的串联电容阻抗控制器，西门子公司于1984年在加利福尼亚对它的年在加利福尼亚对它的性能进行了论证。性能进行了论证。4 世界上第一个三相世界上第一个三相TCSC由由ABB公司于公司于1992年在美国凯恩塔电站投入运行，年在美国凯恩塔电站投入运行，它使该条线路的输送容量几乎增加了它使该条线路的输送容量几乎增加了30。4 1995年在沙利文电站建成的年在沙利文电站建成的STATCOM，是美国历史上第一个采用，是美国历史上第一个采用GTO的的大型大型FACTS

29、装置，容量为装置，容量为100MVA,它是它是FACTS发展史上的一个重要里程碑发展史上的一个重要里程碑.日本关西电力犬山开关站日本关西电力犬山开关站 1991 80MVA SVG或或 STATCOM 装置种类装置种类 应用单位应用单位 投入年度投入年度 容量容量 日本东京电力新信浓变电站日本东京电力新信浓变电站 1992 50MVA 美国田纳西州沙利文电站美国田纳西州沙利文电站 1995 100MVA 美国肯塔基州艾内兹电站美国肯塔基州艾内兹电站 1997 160MVA 英国白金汉郡克莱登电站英国白金汉郡克莱登电站 1997 75MVA 丹麦瑞赖斯比丹麦瑞赖斯比/海德海德(配电配电) 199

30、8 8MVA 美国华盛顿州西雅图钢铁公司美国华盛顿州西雅图钢铁公司 20005MVA 德克萨斯某一电弧炉补偿德克萨斯某一电弧炉补偿 199880MVA 中国河南电力局中国河南电力局* 199920MVA 美国墨西哥交界美国墨西哥交界 200036MVA 美国埃塞克斯电站美国埃塞克斯电站 2001133/40MVA 美国纽约奥克代尔电站美国纽约奥克代尔电站 2002200MVA 美国特勒嘎电站美国特勒嘎电站 2003100MVA 具有标志性的主要实用化的具有标志性的主要实用化的FACTSFACTS装置装置 美国电力公司卡若美国电力公司卡若瓦河瓦河/西弗吉尼亚西弗吉尼亚 1991 345kV系统，

31、线路阻抗补偿系统，线路阻抗补偿从从060%，晶闸管控制分，晶闸管控制分相组合的串联电容器相组合的串联电容器 TSSC 装置种类装置种类 应用单位应用单位 投入年度投入年度 容量容量 美国西部电力局凯美国西部电力局凯恩塔恩塔/亚利桑那亚利桑那 1992500kV系统，系统，267MVA TCSC 美国邦维尔电力局美国邦维尔电力局斯莱特电站斯莱特电站 1993巴西因佩拉特里斯电站巴西因佩拉特里斯电站 1999230kV系统，系统，50MVA UPFC 1998SSSC 138kV, 160MVA; STATCOM 160MVA; GTO 6kV/4kA 美国肯塔基州电力美国肯塔基州电力公司艾内兹电

32、站公司艾内兹电站 韩国刚金电站韩国刚金电站2004154kV，80MVA澳大利亚黑墙电站澳大利亚黑墙电站 约约1999 300MVA SVC或或RSVC 装置种类装置种类 应用单位应用单位 投入年度投入年度 容量容量 200MVA STATCOM，200MVA SSSC100MVA STATCOM, 100MVA SSSC两个两个100MVA逆变器逆变器两个两个100MVA IPFC运行运行 CSC 美国纽约马西山美国纽约马西山电站电站 2003澳大利亚布雷马电站澳大利亚布雷马电站 约约1999 230MVA 美国纽约奥克美国纽约奥克代尔电站代尔电站 2001 200MVA STATCOM，1

33、35MVA电容器组电容器组 我国我国FACTS装置的发展和应用情况装置的发展和应用情况n1994年，由河南省电力局和清华大学共同研制了年，由河南省电力局和清华大学共同研制了20Mvar的的STATCOM，1999年在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，是中国年在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，是中国FACTS研究领域的一个重要的研究领域的一个重要的里程碑。里程碑。n上海电网黄渡分区西郊站上海电网黄渡分区西郊站50Mvar的的STATCOM示范工程，该示范工程，该STATCOM是一是一套拥有完全自主知识产权的国产化装置，于套拥有完全自主知识产权的国产化装置，于2006年投入运行标志着年投入运行标志着FACTS技技术在国内的应用进入了一个新的阶段。术在国内的应用进入了一个新的阶段。n由中国电力科学研究院和甘肃省电力公司合作开发的由中国电力科学研究院和甘肃省电力公司合作开发的220kV甘肃成碧输电线甘肃成碧输电线路路TCSC示范工程，于示范工程，于2004年投入运行，标志着我国是世界上第年投入运行，标志着我国是世界上第4个拥有个拥有TCSC技术的国家，成碧可控串补是我国第一个国