智能电网的基础(一) 柔性交流输电系统

1、柔性交流输电系统(FACTS)：Flexible Alternative Current Transmission Systems，建立在电力电子或其它静止型控制器基础之上的、能提高可控性和增大电力传输能力的交流输电系统。现代电力系统遇到的很多问题都需要柔性交流输电设备来解决。1)输电线路输送容量瓶颈问题电力系统稳定性限制决定的传输容量极限小于其他因素，所以，电力系统稳定性的本质是功率平衡，需要通过快速的潮流调节来提高系统稳定性。2)大型火电厂远距离送电面临的SSR问题(次同步谐振)远距离(300公里及以上)、中高串补度(35%及以上)的大容量厂对网输电系统，即存在多模态SSR问题，威胁电网和

2、机组的稳定运行，需采取必要措施有效化解SSR风险，确保机网安全。3)互联电网动态稳定问题区域联网，阻尼减弱，引发甚低频或超低频区域间振荡。4)等大负荷中心区的暂态电压稳定问题京沪穗等大型负荷中心已建成500KV强受电网，抗功角稳定能力强，一般可经受环内N-2检验，但是抗暂态电压稳定的条件不断恶化。空调比例增加，负荷变化随机性加大，事故时的调节特性变坏。手动投切的电容比例过大，恶化严重故障时的电压支撑能力。各中心负荷区现有的动态无功补偿设备很少，较之发达国家相去甚远。5)电能质量问题我国配电系统普遍存在电能质量问题。二、柔性交流输电系统的作用原理1)提高传输容量，提高现有网络利用率FACTS装置

3、的一个巨大用途：提高系统稳定性，提高远距离输电的容量。相当于可以少建输电线路，提高目前已有线路和设备的使用效率。2)稳态与暂态的控制FACTS对潮流进行控制，提高网络利用率;FACTS使网络联系更紧密，更强壮，减少损耗。3)并联FACTS设备提高电压稳定性电压稳定运行点与负荷功率因数的关系如下。由上图可见：靠电容补偿功率因数在动态过程中由于其补偿能力大打折扣，而对电压稳定造成威胁。4)FACTS如何实现控制一张图简洁明了。控制线路阻抗X可有效控制线路的电流，它是控制潮流最有效的方法。当传输角(或功角)较小时，控制线路阻抗X或可有效控制有功功率。在输电线路中以串联方式注入一个电压源，并假定它的相

4、量垂直于线路电流，则对这个注入电压的控制可使线路电流幅值增大或减小，因而能显著改变有功功率的潮流(如静止同步串联补偿器，SSSC)。调节注入电压的幅值和它与端点电压之间相位，可控制线路电流的大小和相位。串联控制器的容量通常占线路传输容量很少的一个百分比。三、柔性交流输电系统分类里面几个比较重要的单独说一说。1)静止无功发生器(STATCOM)动态无功补偿的发展如下：STATCOM装置构成：STATCOM与SVC的特性比较：2)晶闸管控制串联电容器(TCSC)TCSC可以控制为合适的电容/电抗，从而通过调节传输线的阻抗来调节线路的功率潮流传输。也是最为成熟和使用最广的可控串联补偿实现方案。3)统

5、一潮流控制器(UPFC)统一潮流控制器综合许多FACTS装置的灵活控制手段，对线路的三大参数(电压、阻抗、相角)进行统一的控制，以达到潮流控制的目的。控制器可以平滑地从一种功能状态转换到另一种功能状态，比如从移相器转换到串联补偿。UPFC还具有无功平衡能力。4)几种FACTS装置接入后的系统功角特性对比5)各种FACTS装置性能比较简表四、柔性交流输电和电力系统举几个例子。1)苏利文变电站的STATCOM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。在日负荷增加期间，STATCOM调节161k

6、V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。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。2)伊内兹变电站的UPFC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。因此，需要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

7、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。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。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)输电系统的马西变电站获得。纽约州(NYS)系统的结构有两个界面，即“TotalEast”界面和

8、“CentralEast”界面。现在，跨越这两个界面传输的功率分别限制在6150MW和2880MW。强加这些限制是考虑到，危险事故时可能发生电压崩溃和系统阻尼缺乏的情况。CSC的结构示意图如图所示。这种结构将提供下列不同的和可交换的运行方式：200MvarSTATCOM;200MvarSSSC;100MvarSTATCOM，100MvarSSSC;100MVA，100MVA逆变器额定值的UPFC;100MVA，100MVA逆变器额定值的联络线功率控制器(IPFC)。CSC的期望收益从州的北部到州的南部增加240MW的传输功率;消除功率传输瓶颈;最大限度地利用NYS输电系统;消除各功率传输瓶颈;改善电压控制;减少系