柔性交流输电系统的基本概念

柔性交流输电系统课程的主要内容柔性交流输电系统概述电压型变流器并联补偿与静止无功补偿器静止同步补偿器串联补偿器1.1现代电力系统概述1.2FACTS的功能和定义1.3FACTS控制器分类与简介1.4FACTS发展应用第一章柔性交流输电系统的基本概念1875年，比利时工程师格拉姆将改造后的发电机安装在法国巴黎北火车站发电厂，该厂是世界第一座火电厂，专供弧光灯用电一、电力系统发展概况1.1现代电力系统概况第一个完整电力系统由爱迪生在纽约城历史上有名的皮埃尔大街站建成。1882年9月投入运行，由1台蒸汽机拖动直流发电机经过110V地下电缆供给半径约1.5km面积内的59盏白炽灯。直流电力系统：发电机、电缆、熔丝、电表和负荷一、电力系统发展概况一、电力系统发展概况初期采用直流，其无法远距离送电的局限性显露出来，输电要高电压，而发用机电压低，需要采用基于交流的变压输电技术19世纪90年代交直流标准之争，爱迪生主张直流，西屋偏好交流，激烈辩论1888年，特斯拉获得了交流电动机、发电机、变压器和输电系统的若干专利1891年，第一条三相交流高压输电线路在德国运行，从拉芬镇到法兰克福全长178公里，电压15.2kV，输送功率200kW1889年，北美洲第一条单相交流输电线路在俄勒冈州的威拉姆特瀑布和波特兰之间建成并投入运行，输电电压为4kV，距离为21km到1995年世界上交流输电的最高电压已达了1150kV,输送距离最长为1900km，设计最大的单机容量为1300MW，但多降压运行高压交流（highvoltagealternativecurrent,HVAC)输电电压等级标准化，我国高电压等级为110kV、220kV和330kV，超高电压等级为500kV和750kV,特高压等级为1000kV一、电力系统发展概况50年代，随着半导体技术的发展，基于整流、逆变的远距离、大容量直流输电技术（highvoltagedirectcurrent,HVDC)得到了广泛应用瑞典于1954年在该国内陆与哥德兰岛之间建造的10-20MW直流输电系统1972年前后，首个采用晶闸管的全固态商业化HVDC，伊尔河背靠背（backtoback）工程投入运营。现时全球输电距离最长的高压直流输电系统，是位于我国境内的向家坝水电站至上海之间的±800kV，6400MW输电系统，全长2,071公里。2009年，瑞士ABB集团和西班牙Abengoa集团合作，开始建设连接巴西西北部两座新水电站和圣保罗的超过2500公里输电线路。该线路预计将在2012年建成，建成后将成为世界最长的高压直流输电系统。2004年，50年之际，全球HVDC工程95项，总传输容量高达70GW，同时加快了对更高电压等级（1000kV，1200kV)和轻HVDC（HVDClight）的研究一、电力系统发展概况特高压交流-直流输电多种一次能源

除传统火电、水电外，可再生能源发电技术日益完善，分布式发电系统在电网中所占比例逐渐上升机组容量增大

发电机组单机容量和大机组占总装机容量的比例不断提高，2004年世界上最大火电机组和水电机组达到1300MW和700MW，分别安装在美国的Cumberland电厂和我国的三峡水电站高电压、远距离和大规模互联电网输电

如美加联合电网和西欧联合电网，我国形成了东北、华北、华中、华东和南方五大区电网的交直流互联二、现代电力系统的特点更加重视电能质量精密加工工业、自动化生产线等对电能质量要求较高自动化水平大大提高

能量管理系统（energymanagementsystem/supervisorycontroldataacquisition,EMS/SCADA)，广域测量系统（wide-areameasurmentsystem,WAMS),区域稳定控制、管理信息系统（managementinformationsystem，MIS）等电力工业逐步引入市场化机制

我国十五期间的“厂网分开，竞价上网”大停电事故对社会的影响日益增大

二、现代电力系统的特点电网互联的优点合理利用能源，有利于各种资源的开发——西电东输、南北互供80％的水能资源分布在四川、云南西藏等西部地区煤炭资源保有储量的76％分布在山西、内蒙古、陕西、新疆等北部地区陆地风能主要集中在“三北”地区（东北、华北北部、西北）我国2/3以上的能源需求集中在东中部地区提高供电可靠性减少备用容量可安装大容量发电机组，有利于降低造价，单位电量能耗小有利于安排检修计划提高经济性二、现代电力系统的特点京津唐长江三角洲珠江三角洲北通道中通道南通道西电东送三、提高传输容量？电网的传输容量是指电网在一系列的约束条件下能够传输功率的能力。热稳定极限

设备上限温升对应的传输功率设备绝缘极限

设备的允许工作电压通常不超过额定值的10%理想线路的极限传输功率理想线路能流过的最大功率，静态稳定极限功率电力系统稳定性限制表现形式：电压稳定功角稳定频率稳定数学定义：小扰动电压稳定大扰动电压稳定时间上分：短期稳定中长期稳定三、提高传输容量？电力系统稳定性限制决定的传输容量极限小于其他因素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传统慢动态或者不能动态、连续调节的手段在提高稳定性方面的作用非常有限，如固定串联电容器、机械式投切并联电容器、调整移相器或变压器抽头最大功率振荡幅度达500MW（湖南五岗线）,波及湖南、湖北、河南3省电网，是目前华中电网WAMS监测到的覆盖面积最大的区域低频振荡，振荡频率为0.41Hz。2008年1月21日

FACTS

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。定义1986年，美国电力系统专家N.G.Hingorani博士提出一、FACTS设备的功能和定义

IEEEPESTaskForceoftheFACTSWorkingGroup1.2FACTS的功能和定义FACTS代表一种灵活性更好的交流输电系统，有别于以往的交流输电系统；FACTS结构基础是电力电子器件与其它(如电容器、电抗器之类)无源元件的组合；FACTS的目的是要提高输电系统的可控性、保证电能质量，并能增强系统传输能力。

一、FACTS设备的功能和定义

输电网：较大范围地控制潮流使之按指定路径流动。保证输电线的负荷可以接近热稳定极限，但不会出现过负荷。在控制的区域内可以传输更多的功率，因而能减少发电机的热备用。在系统短路和设备故障情况下，能够防止出现线路连锁跳闸的“骨牌效应”

。阻尼可能会损坏设备或限制输电容量的各种电力系统振荡

一、FACTS设备的功能和定义

配电领域：有效解决电能质量问题一、FACTS设备的功能和定义

设备名电压跌落造成的影响制冷电子控制器电压低于80%时，控制器动作将制冷机切除，产生巨大损失可编程控制器电压低于81%时，某些新型的PLC将停止工作精密机械工具精细作业的电机，电压低于90%，持续时间超过3个周波，电机会跳闸直流电机电压低于80%，直流电机跳闸影响对象谐波造成的影响电压波峰电压波形峰值处变平，依赖电压峰值工作的设备实效中线电流中性点电流增大，中性点对地电压升高，负荷电压下降供电变压器涡流损耗增加，降低变压器使用容量功率因数功率因数降低，增大供电变压器容量传统的电能质量控制设备一般都是由无源元件或是带有旋转部分的装置组成。传统的电能质量控制很多是通过调节发电机组的运行状态来实现。随着电力系统的迅速发展，完全依靠发电机组和无源元件完成电能质量的控制已经不太有效。FACTS技术的出现，使得电能质量控制的概念以及实现手段发生了根本性的变化（DFACTS设备：有源滤波器、静止无功补偿器、动态电压调节器、统一电能质量控制器、固态切换开关）FACTS装置所起到的作用大小，除了与控制技术有关外，很大程度上还取决于电力电子器件容量的大小。一、FACTS设备的功能和定义

010203040功率容量MVA1990198019702000年（）晶片直径（英寸）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晶闸管双向晶闸管MOSFETGCTGTOIGBT(Discrete)IGBTMolduleIPM器件额定容量10k100M10M1M1k100k1001010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。二、交流输电系统中的潮流控制

60Ω1280MW700MW60Ω715.2MW40ΩABC600MW115.2MW546.8MW700MW60/2Ω1280MW680MW60Ω570.8MW40ΩABC600MW29.2MW709.2MW增建新的电路，交流电路或者HVDC串联阻抗补偿串联无功电压补偿60Ω1280MW680MW60Ω697.7MW40ΩABC600MW97.7MW582.3MW-4.2Ω60Ω1280MW680MW60Ω697.2MW40ΩABC600MW97.2MW582.8MW4ΩB-C上采用感性串联补偿A-C上采用容性串联补偿二、交流输电系统中的潮流控制

60Ω1280MW680MW60Ω697.7MW40ΩABC600MW97.7MW582.3MW4Ω在A-C线路上采用移相器60Ω1280MW680MW60Ω698.4MW40ΩABC600MW98.4MW581.6MW40Ω在A-C线路中点处采用并联无功补偿二、交流输电系统中的潮流控制

60Ω1280MW680MW60Ω695.2MW40ΩABC600MW95.2MW548.8MW40Ω二、交流输电系统中的潮流控制

方法控制参数技术经济性建设HVDC/HVAC线路线路等效阻抗投资达、建设周期春能够，受输电走廊的限制，运行和控制简单，可靠性最高采用串联阻抗补偿器线路等效阻抗投资小、运行和控制相对复杂采用移相器相角差采用并联补偿器节点电压采用综合型潮流控制器多个参数采用综合潮流控制的方法IPFCU2∠d2U1∠d1DULI=∆UL/x相位滞后∆UL90°

I12U1∠d1U2∠d2P&QIx相对于端点电压来说，线路压降∆UL很小，且相位角d也很小。三、FACTS技术在输电网中的潮流控制中的应用U1处有功电流：

Ip1=(U2sind)/xU1处无功电流：

Iq1=(U1-U2cosd)/xU1处有功功率：

P1=U1(U2sind)/xU1处无功功率：

Q1=U1(U1-U2cosd)/xU1U2U1sindU1cosdU2sinddIq1=(U1-U2cosd)/x(U1-U2cosd)U2cosdIp1=U2sind/xIf1f1U2sind

=Ixcosf1=Ip1xU1-U2cosd

=Ixsinf1=Iq1x

三、FACTS技术在输电网中的潮流控制中的应用Pmax180°90°PowerP=——sindU1U2X0°dIU2U1U1-U2注入电压IU1-U2U2U1I三、FACTS技术在输电网中的潮流控制中的应用FACTS设备改变线路潮流的基本方式控制线路阻抗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d（或功角）较小时，控制线路阻抗X或d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的相位，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、FACTS技术在输电网中的潮流控制中的应用1.3FACTS控制器的分类与简介FACTS控制器串联型控制器并联型控制器串并组合型控制器串串组合型控制器一、FACTS设备的基本类型

串联型控制器相当于一个可变阻抗，可以是电容器，电抗器等，也可以是一个由电力电子器件组成的可变阻抗。

GCSC（GTOthyristorcontrolledcapacitor）GTO控制串联电容器TSSC（thyristorswitchedseriescapacitor,)晶闸管投切串联电容器TCSC（thyristorcontrolledseriescapacitor,)晶闸管控制串联电容器一、FACTS设备的基本类型

串联型控制器串联型控制器也能以可控串联电压源（基于电压型变流器）的形式接入线路，只要该串联电压与流过它的线路电流正交，串联控制器只能提供或吸收可变的无功功率，在其它任何相位关系时，则此串联电压都会涉及到有功功率的交换。

SSSC(staticsynchronousseriescompensator）静止同步串联补偿器一、FACTS设备的基本类型

串联型控制器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。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90°，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的交换。TCR（thyristorcontrolledreactor)晶闸管控制电抗器TSR(thyristorswitchedreactor),晶闸管投切电抗器TSC（thyristorswitchedcapacitor)，晶闸管投切电容器STATCOM（staticsynchronouscompensator)静止同步补偿器并联型控制器一、FACTS设备的基本类型

该类控制器是单个并联和串联控制器的组合，这些独立的控制器之间能够相互协调工作UPFC（unifiedpowerflowcontroller），统一潮流控制器组合的并联和串联控制器一般是用并联部分给系统注入电流；用串联部分在线路上注入一个电压。直流连接串并联组合型控制器一、FACTS设备的基本类型

这类控制器可以是各自独立的串联控制器的组合。此类控制器中，串联控制器能独立地对各自所控制的线路进行串联无功补偿控制，也可通过直流侧的连接与交流系统交换有功功率IPFC（interlinepowerflowcontroller）,线间潮流控制器直流连接串串组合型控制器一、FACTS设备的基本类型

根据电力电子元件特性及其控制器主电路中的作用晶闸管控制、投切型（thyristorcontrolledorswitchedtype)

基于变换器型（converter-basedtype），可控型器件（开通或者关断）一、FACTS设备的基本类型

电压源型变流器电流源型变流器+-二、并联型设备的定义

基于变换器型（converter-basedtype）电压型设备占有较大的市场，成为绝大多数FACTS设备变流器的基本组成部分静止同步补偿器(STATCOM)电压型或者电流型并联在系统上，可控制其容性或感性输出电流，且STATCOM的最大容性或感性输出电流不依赖交流系统电压。APF有源滤波器+-基于变换器型（converter-basedtype）电池储能系统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统进行快速的有功功率和无功功率的交换锂电池、铅酸电池、超导储能

接口储能设备-+带有储能的STATCOM基于变换器型（converter-basedtype）蓄电池组柜正面超级电容器组柜正面30kVA储能用PCS基于变换器型（converter-basedtype）30kVA电池储能用PCS基于变换器型（converter-basedtype）30kVA电池储能用PCS静止无功补偿器(SVC)一种并联联接的静止无功发生器或吸收器，它的输出电流可调节为容性或感性，以便保持或控制电力系统的一些特定参数（典型参数一般为母线电压）。

晶闸管控制、投切型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（TSR）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。

晶闸管投切电容器（TSC）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。

晶闸管控制、投切型静止无功发生器(Staticvargenerator/absorberSVG)包括晶闸管控制/投切的电容器、电抗器及STATCOM等，SVC和STATCOM都属于此类静止补偿系统（staticvarsystem,SVS)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，SVG与机械式无功补偿设备的组合晶闸管控制的制动电阻一种并联联接的晶闸管投切电阻器，用于增强电力系统的稳定性控制，当系统出现扰动时能减小发电机组的加速功率。

静止同步串联补偿器（SSSC）一种静止型无外部电能支撑的串联同步补偿器，其输出电压与线路电流相量正交，且输出电压的控制与线路电流无关，能实现增加或减小整条线路阻抗上的电抗性电压降，从而达到控制传输功率的目的.线路+-三、串联型设备的定义

基于变换器型（converter-basedtype）线路接口电路储能设备+-带有储能的SSSC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功功率的交换，而且还能进行有功功率的交换。基于变换器型（converter-basedtype）晶闸管控制串联电容器（TCSC）一种容性电抗补偿器，它由串联电容器组与晶闸管控制的电抗器并联组成，以提供平滑变化的容性串联电抗。

线路晶闸管投切串联电容器（TSSC）一种容抗补偿器，由串联电容器组与晶闸管投切电抗器并联组成，以提供串联容抗的分段控制。晶闸管控制、投切型晶闸管控制串联电抗器（TCSR）一种感抗补偿器，由串联电抗器与晶闸管控制的电抗器并联组成，以得到平滑变化的串联感性电抗。线路晶闸管投切串联电抗器（TSSR）一种感抗补偿器，由串联电抗器与晶闸管控制电抗器并联组成，以得到串联感抗的分段控制。晶闸管控制、投切型线间潮流控制器(IPFC)由两个或多个静止同步串联补偿器组成的控制器，它们的直流侧互联在一起，以利于每条线路的有功功率在不同SSSC的交流端子之间双向流动，各SSSC能独立地提供无功补偿、调节每条线路上的有功功率潮流，并维持所希望的潮流分布，或者能控制各线路间的无功功率潮流。四、串串组合型设备的定义

线路n线路2线路1变流器2变流器1变流器n光纤连接直线母线控制＋－＋－＋－变电站旁路设施包含n个变流器的线间潮流控制器每个变流器可以从各自控制的输电线路向公共直流母线提供有功功率，因而可以用轻载线路传送过负荷线路的有功功率。统一潮流控制器

将STATCOM和SSSC的直流侧连接在一起的组合装置。它容许有功功率在SSSC的串联输出端和STATCOM的并联输出端之间双向流动。在没有外部储能的条件下，能提供串联线路有功和无功电流补偿。通过注入相角没有限制的串联电压，UPFC可以有选择地控制线路上的有功和无功功率潮流。UPFC也可独立地提供可控并联无功补偿。STATCOMSSSC直流连接统一潮流控制器（UPFC）各种控制器的控制特征

序号FACTS控制器控制特征静止同步补偿器(STATCOM无储能电源)电压控制、无功补偿、阻尼振荡、电压稳定性静止同步补偿器(STATCOM有储能电源BESS、SMES、大容量电容器)电压控制、无功补偿、阻尼振荡、暂态、动态稳定性、电压稳定性、自动增益控制电压控制、无功补偿、阻尼振荡、电压稳定性、暂态和动态稳定性静止无功补偿器（SVC、TCR、TSC、TSR）阻尼振荡、暂态和动态稳定性晶闸管控制的制动电阻器（TCBR）2134静止同步串联补偿器（SSSC无储能电源）电流控制、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性、故障电流限制静止同步串联补偿器（SSSC有储能电源）电流控制、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性电流控制、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性、故障电流限制晶闸管控制的串联电容器（TCSC、TSSC）电流控制、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性、故障电流限制晶闸管控制的串联电抗器（TCSR、TSSR）6578晶闸管控制的移相变压器(TCPST或TCPR)有功功率控制、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性9统一潮流控制器（UPFC）有功和无功功率控制器、电压控制、无功补偿、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性、故障电流限制暂态和动态电压限制晶闸管控制的电压限制器(TCVL)无功功率控制、电压控制、阻尼振荡、暂态和动态稳定性、电压稳定性晶闸管控制的电压调节器(TCVR)101112线间潮流控制器(IPFC)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13APF(Activepowerfilter)有源电力滤波器五、DFACTS设备

DVR(Dynamicvoltageregulator)动态电压调节器1.4FACTS的发展应用FACTS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(如SVC，上个世纪70年代首先由美国通用电气公司投入商业运行)。电压型变流器（VSC）用于电力系统是日本最早起步的，1980年第一个基于晶闸管的电压型STATCOM在日本诞生，容量为20MVA。1991年，第1个基于GTO的80MVA的STATCOM在日本投入运行。第一个串联型控制器—次同步振荡阻尼器，由Hingorani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1984年在加利福尼亚对它的性能进行了论证。世界上第一个三相TCSC由ABB公司于1992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30％。1995年在沙利文电站建成的STATCOM，是美国历史上第一个采用GTO的大型FACTS装置，容量为100MVA,它是FACTS发展史上的一个重要里程碑.日本关西电力犬山开关站199180MVASVG或

STATCOM装置种类应用单位

投入年度容量

日本东京电力新信浓变电站

199250MVA美国田纳西州沙利文电站

1995

100MVA美国肯塔基州艾内兹电站1997160MVA英国白金汉郡克莱登电站

199775MVA丹麦瑞赖斯比/海德(配电)

1998

8MVA

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199880MVA中国河南电力局*

199920MVA

美国－墨西哥交界

200036MVA美国埃塞克斯电站2001＋133/－40MVA

美国纽约奥克代尔电站

2002200MVA

美国特勒嘎电站

2003100MVA具有标志性的主要实用化的FACTS装置

美国电力公司卡若瓦河/西弗吉尼亚1991345kV系统，线路阻抗补偿从0～60%，晶闸管控制分相组合的串联电容器TSSC装置种类应用单位投入年度容量美国西部电力局凯恩塔/亚利桑那1992500kV系统，267MVATCSC美国邦维尔电力局斯莱特电站1993巴西因佩拉特里斯电站

1999230kV系统，50MVAUPFC

1998SSSC138kV,160MVA;STATCOM160MVA;GTO6kV/4kA美国肯塔基州电力公司艾内兹电站韩国刚金电站2004154kV，80MVA澳大利亚黑墙电站约1999300MVASVC或RSVC装置种类应用单位投入年度容量200MVASTATCOM，200MVASSSC100MVASTATCOM,100MVASSSC两个100MVA逆变器两个100MVAIPFC运行CSC美国纽约马西山电站2003澳大利亚布雷马电站约1999230MVA美国纽约奥克代尔电站2001200MVASTATCOM，135MVA电容器组STATCOM除了应用于输电系统外，还成功应用于发电和配电系统中。发电系统：如用STATCOM或SVC改善风电场的电能质量；1998年丹麦利用8Mvar的STATCOM改善24MW的风电场的电能质量。配电系统：如用D-STATCOM解决碾碎机电动机、电弧炉的电压闪烁问题。1999年，三菱公司安装了它在美国的第一台5Mvar/4.16kV的D-STATCOM

，用于抑制西雅图钢铁公司的电压闪变。我国FACTS装置的发展和应用情况1994年，由河南省电力局和清华大学共同研制了20Mvar的STATCOM，1999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里程碑。上海电网黄渡分区西郊站50Mvar的STATCOM示范工程，该STATCOM是一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FACTS技术在国内的应用进入了一个新的阶段。由中国电力科学研究院和甘肃省电力公司合作开发的220kV甘肃成碧输电线路TCSC示范工程，于2004年投入运行，标志着我国是世界上第4个拥有TCSC技术的国家，成碧可控串补是我国第一个国产化的可控串补工程和世界上的第七个可控串补工程。鞍山红一变是东北电网的枢纽变电所，肩负为鞍山钢铁公司的供电任务，无功补偿采用调相机，2001年辽宁省电力公司确定采用100Mvar的SVC替代调相机。鞍山红一变100Mvar的SVC示范工程于2004年顺利投运，标志着