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1、电力电子技术在输电系统中的应用 FACTS 技术Flexible AC transmission System,灵活交流输电系统或柔性交流输电系统 华北电力大学（北京）谭伟璞,输电系统,输电是用变压器将发电机发出的电能升压后，再经断路器等控制设备接入输电线路来实现。按结构形式，输电线路分为架空输电线路和电缆线路。架空输电线路由线路杆塔、导线、绝缘子、线路金具、拉线、杆塔基础、接地装置等构成，架设在地面之上。电缆线路主要是使用电缆，敷设在地下（或水域下）。电缆线路造价高，发现故障及检修维护等均不方便，多用于架空线路架设困难的地区，如城市或特殊跨越地段的输电。,输电系统,利用输电线路（包括配电网）
2、可以将发电厂与用户联通，联结成电力系统，输送电能，解决用户与动力资源(特别是水力发电)远距离的矛盾，从而提高经济性和供电的可靠性。输电线路在规定的工作条件下送端允许通过的有功容量值(MW)，称为输电能力或输送能力。输电能力是衡量输电系统性能的一个重要指标。输电系统的稳定性也是衡量输电系统性能的重要指标。任何电力系统，其安全性都是第一位的。输电控制技术：稳定控制、输送能力,输电系统,输电电压等级大约以两倍的关系增长。通常，输送电能容量越大，线路采用的电压等级越高。采用高压输电，可有效的减少线损，降低线路单位造价，少占耕地，使线路走廊得到充分利用。我国第一条世界上海拔最高的“西北750KV输变电示
3、范工程”青海官亭至甘肃兰州东750KV输变电工程，于2005年9月26日正式投入运行。“1000KV交流特高压试验示范工程”晋东南南阳荆门1000KV输电线路工程，于2006年8月19日开工建设。该工程起自晋东南1000KV变电站，经南阳1000KV开关站，止于荆门1000KV变电站，线路路径全长约650.677Km。,一、FACTS概述,80年代末，由美国电力研究院（EPRI）的Narain G.Hingorani先生提出FACTS的定义采用大功率电力电子装置和其他静止控制器改善控制性能并提高输送能力的交流输电系统。FACTS的核心内容：采用电力电子设备,1.1 电力系统中的FACTS设备,
4、1、电力电子无功控制设备2、可控串补装置3、统一潮流控制器等发电机电子励磁设备FACTS的核心思想：采用电力电子装置和控制技术对电力系统的主要参数，如电压、电流、相位差、功率和阻抗等进行灵活控制，最大限度地提高现有输电线路的稳定极限，增强系统的稳定性和安全性,1.2 FACTS产生的基础,1、输电网运行的需要2、直流输电的竞争3、电力电子技术和元器件的发展4、计算机控制技术的发展5、已有FACTS技术产品的研制和运行经验积累,1.2.1 输电网运行的需要,1、同发电、配用电相比，输电可控性能很差，功率分布中的自由潮流和负荷变化很大。美国东、西两个大互联网中的环流高达几十万千瓦，前苏联全国统一电
5、力系统中不可控的联络线功率振荡高达60至70万千瓦。大电网运行中的这类问题长期困扰着运行调度人员，并且在电网中造成大量电能损耗或被迫降低输送能力。,1.2.1 输电网运行的需要,2、由于输电网缺少快速控制手段，在功率输送过程中常造成“功率绕送”（走远道不走近道）和“功率倒流”（在主输送方向中存在着逆向输送）。此外，还有大量输电受限制的“瓶颈”环节。,1.2.1 输电网运行的需要,3、交流输电线路需要经常投切，以改变电网结构或断开故障，但目前只能依靠机械型断路器。而这种断路器速度慢、维修量大，是形成暂态稳定问题严重的重要因素。,1.2.1 输电网运行的需要,4、由于负荷和电力市场的需求以及环境问
6、题的日益严峻，获得能多送电力的新建输电线的走廊更加困难，使已有输电线的负担日益加重，输送能力不足的矛盾日益突出。输送能力主要受制于暂态稳定或动态稳定极限，因此，对提高输送能力的有关技术措施的需求日益迫切。,1.2.2 直流输电的竞争,1、直流输电一直有专有的应用领域：不同频率电网的互联、两个频率相同但调频控制规律不同的交流电网互联、以及一定长度的地下或水下电缆或管道输电。,1.2.2 直流输电的竞争,2、在长距离输电中，直流输电同交流输电在进行经济比较时有一个等价经济距离问题。随着电力电子器件和高压直流输电设备的改进和发展，这一距离在逐渐缩短，因此高压直流输电方式越来越体现出更大的竞争优势。,
7、1.2.2 直流输电的竞争,3、直流输电在正常稳态运行中的控制能力（运行切换控制和运行参数调节）比交流输电要强得多，而且更快速、更灵活。直流输电属电子控制以毫秒计，交流输电为机械控制一般以秒计。快速灵活的控制功能可为电网运行的灵活性和经济性创造更好的条件。,1.2.2 直流输电的竞争,4、直流输电的快速控制能力可提高相邻交流输电系统或整个电力系统的动态性能。如提高系统的暂态和动态稳定性能，平息振荡，改进振荡品质等，还可以隔离两个交流网中动态过程的相互影响，提高整个联网的抗干扰能力和运行可靠性。基于直流输电的优良运行性能，我国除三峡系统同华东系统联网采用纯直流方案，南网的直流输电工程发展迅速。,
8、1.2.2 直流输电的竞争,5、直流输电的核心技术和设备换流技术和换流阀，迅速发展。新型换流器可因器件参数的提高而体积缩小，并具有足够的控制容量和低损耗，不产生对无功功率的需求，造成的谐波量减少，不再发生换流失败的现象，具有高可靠性和高抗干扰能力。技术成熟、可靠性高、成本降低。,1.2.3 电力电子技术和元器件的发展,器件的容量增大、体积减小、控制简便、成本降低、可靠性高 1、功率电子开关器件（容量、可控性）2、集成电路芯片（功能、可靠性）3、控制保护技术（全面、快速、安全）4、电路拓扑结构（功能）5、控制算法（快速、精确、安全）,1.2.4 计算机控制技术的发展,1、速度更快2、功能更强3、
9、体积更小4、成本更低5、可靠性更高 以往一些难以实现的，成为现实,1.2.5 已有FACTS技术产品的研制和运行经验积累,70年代，静止无功补偿器（SVC）、静止调相器（STATCON）80年代，次同步振荡阻尼器（NGH）90年代，可控串联补偿（TCSC）研究工作在FACTS概念提出前开展，91年工业实验FACTS概念提出前的其他控制器：超导储能系统（SMES)、静止同步补偿器（STATCOM）等,二、FACTS对系统的主要作用,现代电力系统的特点：多种一次能源发电机组容量增大高电压、远距离大规模互联网输电自动化、集成化水平大大提高环境制约问题更为突出大停电事故会带来灾难性后果,二、FACTS
10、对系统的主要作用,互联网的特点：电能远距离传输的基础提高了供电可靠性大范围资源优化和规模经济效益潮流控制技术要求更高稳定性要求更严格高等级电压的相关问题,二、FACTS对系统的主要作用,输电网潮流控制：减少环流，实现最优潮流，降低网络损耗稳定性考虑输电线传输功率公式：,二、FACTS对系统的主要作用,潮流控制方法：1.提高输电电压等级2.增建新的传输线路3.串联补偿4.线路中间并联无功补偿5.采用移相器,二、FACTS对系统的主要作用,稳定性问题：1.小扰动稳定2.暂态稳定3.电压稳定稳定性的本质是功率平衡。稳定性是动态特性，要求快速的潮流控制调节。,二、FACTS对系统的主要作用,FACTS
11、对系统的作用，按控制目的划分：安全性、稳定性、经济性具体到控制目标：功率：有功、无功 有功：最大限度传输；最小限度损耗 无功：线路中流动的无功越少越好电压：幅值、相位 对应于功率、稳定,二、FACTS对系统的主要作用,FACTS对系统的主要作用，可以概括为五个方面：1、控制输电联络线的潮流2、使输电线路在接近其热稳定极限处运行3、减少控制区域内的备用发电容量4、限制故障设备的影响，避免造成连锁反应和事故的扩大5、阻尼导致设备故障和影响输电能力的功率振荡 提高输电系统安全、稳定、经济的运行性能,三、FACTS的发展现状及前景,FACTS概念提出前存在的FACTS控制器1、静止无功补偿器（SVC）
12、2、静止调相器（STATCON）3、次同步振荡阻尼器（NGH）4、可控串补（TCSC)5、静止同步补偿器（STATCOM）形式上：串联、并联。,3.1 静止无功补偿器（SVC）,静止无功补偿器(SVC)对系统的主要作用是连续、快速地进行电压控制。第一台输电用静止无功补偿器(SVC)装置于70年代中期投运（77年，GE公司），它用晶闸管快速投切并控制与线路并联的电抗器或电容器组，也可与机械开关控制的电容器组配合运行，为系统提供无功支持。世界上已投运的输电用静止无功补偿器(SVC)约200台左右，我国运行于500kV输电系统的静止无功补偿器(SVC)也有几台。,3.2 静止同步补偿器（STATCO
13、M）,静止同步补偿器（STATCOM）的基本结构是由可关断晶闸管构成的电压源型DC/AC逆变器，它可发出与系统电压同频率、三相对称且幅值和相位可快速调节控制的正弦电压，与系统即可进行无功交换也可进行有功交换；且进行无功交换时，即可向系统发出无功，也可从系统吸收无功。我国在静止同步补偿器（STATCOM）方面的研究工作也开展了多年，更多地称有源静止无功发生器（ASVG）。,3.3 静止调相器（STATCON）,结构上与静止同步补偿器（STATCOM）相同，由可关断晶闸管构成电压源型DC/AC逆变器，发出与系统电压同频率、同相位且三相对称且幅值可快速调节控制的正弦电压，与系统只进行无功交换；且进行
14、无功交换时，即可向系统发出无功，也可从系统吸收无功。70年代中期就已应用。,3.4 次同步振荡阻尼器（NGH）,N.G.Hingorani研制的第一台次同步振荡阻尼器（NGH）85年投运。控制器基本结构与可控串补（TCSC）相同，由晶闸管双向开关与电感和电阻串联后，再与输电线路上的串联补偿电容器并联。抑制串联补偿度较高时可能激发的低于工频频率的次同步振荡。提高了串补度，既提高了线路的输送能力。,3.5 可控串补（TCSC),基本原理是由晶闸管双向交流开关控制输电线路上的串联补偿量，可连续改变串联在线路中的容抗的大小，甚至变容抗为感抗。控制输电线路中的潮流，提高线路的输送功率，抑制次同步振荡，提
15、高系统稳定性。92年，Arizona投运第一台可控串补，线路为300km、230kV，输送功率300MW。安装后，输送能力提高到400MW。,3.6 其他FACTS控制器,1、电池储能系统（BESS）2、超导储能系统（SMES）3、可控快速制动(TCBR)4、可控移相器(TCPST)5、相间功率控制器(IPC)6、线间潮流控制器(IPFC)7、固态串联补偿器(SSSC)8、统一潮流控制器(UPFC),3.7 FACTS的前景,FACTS技术对提高高压交流输电性能意义重大1、提供了“升流”的输电途径2、对输电网和输电线运行的良好作用3、对输电网其他运行控制技术的促进4、改变交流输电的传统应用范围
16、5、促进了电力电子器件业的发展,3.8 FACTS的优越性,FACTS技术给电网带来的好处1、按需控制电网潮流2、提高电网的传输容量3、提高系统的稳定性4、降低系统总备用装机容量及发电成本5、减小环流降低网损6、良好的经济效益,3.8 FACTS的优越性,FACTS技术的技术优势1、更快的响应速度2、更频繁的控制3、连续控制能力4、综合灵活的控制功能5、有功补偿能力,四、FACTS的电力电子技术基础,FACTS技术中的电力电子技术1、交流电子开关2、换流器 AC/DC变换器整流 DC/AC变换器逆变3、逆变技术：方波逆变 SPWM逆变,四、FACTS的电力电子技术基础,常用器件：晶闸管SCR，
17、可关断晶闸管GTO换流器主要类型：1、电压型 2、电流型 注意：选用的器件及器件组合 负载的特性,四、FACTS的电力电子技术基础,三相换流器数学分析内容：方波的傅立叶分解 谐波占有率 总畸变率,五、并联无功补偿设备,两大类：无源无功补偿器：SVC 静止无功补偿器 有源无功补偿器：SVG（STATCOM）静止无功发生器 SVC与SVG的具体结构形式及工作原理见电力电子技术在配电网中应用部分。,五、并联无功补偿设备,并联无功补偿特点：1.一个接入系统点，另一端接地或为悬浮中性点，投切方便；2.不改变系统主要结构，控制并联补偿量，在系统正常运行时，做到无冲击投切；3.并联补偿的分析计算简便；（电流
18、源，对角线）4.并联补偿适合电流补偿，对接入点附近效果显著，最适合电力部门；5.并联补偿承受接入点全部电压，输出补偿量受接入点系统电压控制。,五、并联无功补偿设备,对系统的作用：1.向系统注入或吸收无功，改变系统阻抗特性；2.提高系统静态稳定性；3.提高系统动态稳定性；（快速补偿控制）4.给系统提供电压支持；（电能质量）5.改善系统动态特性；6.通过控制潮流，阻尼系统振荡；主要功能：潮流控制，提高系统稳定性，提高系统的输送能力。安装位置：受电端；长输电线中间。,五、并联无功补偿设备,设线路始末端及中点电压数值相等：则：补偿装置：,五、并联无功补偿设备,五、并联无功补偿设备,结论：线路中点是输电
19、线电压幅值下降的最大点。线路中点并联无功补偿可以最大限度地提高线路的输送能力，前提是补偿装置能提供快速和大量的无功功率以维持补偿点处的电压。补偿点不在中点处，由输电线分段长度大的一侧决定输送容量。如果在输电线上等分设置补偿点，线路输送能力提高倍数理论上近似为线路分段数。,五、并联无功补偿设备,系统动态指标：1.过渡过程时间ts：给定允许偏差（0.005pu）2.超调：过渡过程偏离稳态值的最大3.振荡次数：ts时间内的振荡次数系统输送功率：P=UsUrsin/X,Italien,Rom,Athen,伦敦,2003年8月28日,S/DK,2003年9月23日,罗马,2003年6月26日,2003年
20、断电事件,Florianopolis,吉隆坡,2003年10月31日,2003年9月1日,伯明翰,2003年9月5日,五、并联无功补偿设备,美加大停电事故原因：,在复杂的大电网中，事故前主要是输电线路潮流 过重，接近稳定运行的极限；局部事故（自动化系统失效、调度和控制缺乏协 调等）时的重要电源或多回输电线相继停运；造成潮流短时间内大范围转移和剧烈振荡，进而 大量机组和线路跳闸、系统解列、重要负荷点 电压崩溃，最终导致大面积停电事故！,五、并联无功补偿设备,美加大停电事故的启示：,受端无功短缺以及在线路相继开断过程中仍在运 行的线路上无功电流的大幅度上升是出现保护动 作、线路跳闸的一个重要原因；
21、俄亥俄州北部无功储备的缺乏是这次大停电事故 的重要因素；如果俄亥俄州当时拥有充足的无功储备，那么在 短路引起的前几条线路断开后，仍然有可能借助 充足的无功储备，维持俄亥俄州北部电压，从而 避免电压崩溃发生！,五、并联无功补偿设备,当受端电压降低8%时，送端系统向受端多提供24Mvar的无功时，就要求送端多送226Mvar。,发电区域,负荷区域,5条500kV线路，自然传输功率时I=1kA，线路阻抗75,当I=1kA，停运一条线时，整个 断面无功损耗增加了281Mvar；当I=1.5kA，停运一条线时，整 个断面无功损耗增加了633Mvar；当第二、三回线停运时，无功损 耗增加更可观。,例1,例
22、2,1500MW,322km,500kV,Qs,Vs,Vr,Qr,五、并联无功补偿设备,无功不能远距离传送!,五、并联无功补偿设备,2003年全世界系列停电事故又一次给世界电力行业敲响了警钟:电压崩溃事故仍然是世界范围内威胁电网安全稳定运行的最大隐患之一；电网要从规划、运 行各个层面研究电压和无功控制技术，以避免发生恶性的连锁性崩溃事故。大事故扰动下电网的动态无功支持能力不仅成为互联电网送电能力的重要约束，而且能够影响到联网系统的电压稳定水平和电压安全裕度。,六、串联无功补偿设备,串联补偿的基本思想是在输电线上串联接入设备，以改变线路的静态和动态特性，达到改善电网运行性能的目的。串联补偿普遍应
23、用的是无功补偿，一般是在线路中串入固定电容或电感。随着电力电子技术的发展，可控串补技术越来越多地投入实际应用，串联接入线路的电容或电感可根据运行需要调整补偿量。电力电子技术的发展推动了基于DC/AC逆变技术的串联补偿器的研究，串联补偿不仅可以补无功，还可以补有功，而且补偿量是可控的。串补不改变线路电压等级和拓扑结构，只改变阻抗。,六、串联无功补偿设备,串联补偿与并联补偿的区别：1.并补只需系统提供一个节点，另一端为大地或悬空；串补需要系统提供两个节点。2.并补只改变节点导纳阵的对角线元素，或等效为注入系统的电流源。3.并补装置的容量相对较小，通过注入或吸收电流来调节系统电压，进而改变潮流分布。
24、系统正常运行时，系统电压基本恒定，输送的有功功率由线路两端的电压矢量及线路阻抗决定，所以，并补的电压调节和潮流控制能力较弱。串补直接改变线路阻抗或通过插入电压源来改变线路的电压分布，从而调节电流分布，因而其电压调节和潮流控制能力强。,六、串联无功补偿设备,串联补偿与并联补偿的区别：4.并补只控制接入点电流，电流进入系统后如何分布由系统本身决定，因而并补使接入点附近区域受益，适合电力部门采用。串补可针对特定的用户，实现潮流控制和电压调节，适合于对特定用户和特定输电线路走廊的补偿。5.并补装置要承受全部节点电压，输出电流由所承受电压及并补装置的等效阻抗决定。串补装置需承受全部线路电流，其输出电压由
25、所承受电流及串补装置的等效阻抗决定。6.在同电压等级及相近输送容量的电路上，所安装的并补装置与串补装置，设备容量差异很大。,六、串联无功补偿设备,串联补偿的作用：1.改变系统的阻抗特性；2.进行潮流控制，优化潮流分布，减少网损；3.提高系统静态稳定性；4.改善系统动态特性；5.提高系统传输能力；6.控制节点电压，改善无功平衡条件；7.阻尼系统震荡，抑制次同步振荡；8.快速可控串补提高系统暂态稳定性；9.短路瞬间减小短路电流。,六、串联无功补偿设备,可控串补控制器FACTS串联补偿器以晶闸管投切串联电容器（TSSC：Thyristor swithed series capacitor）和晶闸管控
26、制串联电容器（TCSC：Thyristor controlled series capacitor）应用最广。有学者基于TCR的原理，提出可关断晶闸管控制串联电容器方案（GCSC：GTO controlled series capacitor）。TCSC最有代表性，常简称可控串补。,六、串联无功补偿设备,可控串补的结构图,TCSC 的原理接线图,六、串联无功补偿设备,TCSC的功能可概括为六个方面:1.可以连续调节等值串联电容的容抗，进行潮流控制。2.可提高输电线的输电容量或提高互连电网的传输能量。3.可缓解系统中某个支路的过负荷问题，可控串补比普通串补更能适应多种系统情况。4.可以阻尼由于系
27、统阻尼不足或由于系统扰动引起的低频功率振荡,提高动态稳定性。5.可提高电力系统的暂态稳定性。在系统受到大的扰动时,可迅速调整晶闸管的触发角,改变串联电容的补偿度。6.可抑制次同步振荡。在发生次同步振荡时,迅速调整串联电容至最小值,对于次同步频率,TCSC呈感抗,这样便会对SSR起很强的阻尼作用。,当IcIL，即XcXl时，线路电流与电容电流同相位，电容电压滞后线路电流90，并联阻抗呈容性，相量图如图。电容电流由两部分组成，一是线路电流，一是电抗支路电流。因此电容两端的电压，比只有线路电流流过电容时的电压高。电抗器支路电流越大，电容电压也越高，即并联后的等效容抗变大。,六、串联无功补偿设备,当I
28、cXl时，线路电流与电抗器电流同相位，电容电压超前线路电流90，并联阻抗呈感性，相量图如图。如果在电抗支路中串联晶闸管开关，对电抗进行相控，当改变晶闸管的触发角时，就可改变支路电抗的电流，即改变并联阻抗的大小与性质。因此只要对晶闸管导通角进行精确控制，就可以对TCSC的等值电抗快速、连续、平滑地调节，从而为系统提供可控串联补偿。,六、串联无功补偿设备,可控串补的基频阻抗表达式：式中：为工频角频率。为电容器和电抗器环路的谐振角频率。,六、串联无功补偿设备,可控串补的控制原理是根据各种控制目的(系统稳定控制、恒功率控制、恒阻抗控制等)，得出要求串补输出的基波阻抗值，再根据图中所示的曲线得到与该阻抗
29、值对应的触发角。,六、串联无功补偿设备,六、串联无功补偿设备,可控串补的缺点:1.需要一个容量大的电容器；2.由于吸收的无功功率是电容器和电感器相互抵消的结果，在吸收或发出较小的无功功率时，电容器与电抗器实际上都吸收了较大的无功功率，都会有很大的电流流过；3.串联补偿将使短路电流增大，可能引起继电保护误动。,六、串联无功补偿设备,可控串补的工程应用:最早的串联补偿是1928年美国纽约电网33kV系统的串联电容补偿器，用于均衡潮流。20世纪50年代初,苏联在古比雪夫向莫斯科送电的1000km 400kV线路，瑞典由北部水电站群向南部负荷中心送电的多回长距离重载400kV线路，北美西部系统若干条5
30、00kV长距离输电线路等都采用了串联电容器补偿装置。我国1966年华东电网220kV、1972年西北电网330kV投运第一套串联电容补偿装置，现退出运行。,六、串联无功补偿设备,可控串补的工程应用:2003年国家电网公司批准了“甘肃碧口至成县220kV系统可控串补工程可行性研究报告”，并被列为国家发改委“十五”重大装备研制项目和国家电网公司重大科研项目。这是我国第一个国产化可控串补装置工程220千伏成碧可控串补装置工程。2004年12月22日，在甘肃省陇南地区成县变电站，我国第一个国产化可控串补工程甘肃碧口至成县220kV可控串补工程一次投运成功，经过4天各种系统运行条件的考验，各项技术指标均达到设计要求，并于12月26日正式投入运行。,六、串联无功补偿设备,可控串补的工程应用:成碧可控串补工程动态投资6196万元。与新建一回220kV线路相比较，安装可控串补减少投资1亿元，并且能改善系统动态稳定性，抑制低频振荡。成碧可控串补工程的顺利投运，使我国成为继美国、德国和瑞典之后第四个可以制造可控串补的国家。可控串补装置在220千伏成碧线的成功应用，有效降低了成碧线的线损，改善了陇南电网的电压质量，使成碧线的输送功率提高近129mw，经济效益和社会效益十分显著。,七、其他FACTS设备,典型FACTS设备:1.2.3.4.5.6.,The end,
