灵活交流输电系统的研究.docx
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灵活交流输电系统的研究
1引言
随着国民经济的不断发展，社会对电力的需求越来越大，对电网的安全可靠性要求也越来越高。
针对电网的特点以及电力市场发展可能出现的“输电阻塞”等问题,我国制定了“西电东送、南北互供、全国联网”的电网发展战略，以推进跨区输电、跨区联网。
为此，保证电网稳定、安全运行是电网发展中要解决的重点，这就迫切需要一种灵活可靠的交流控制技术，实现电网“充足、可靠、优质、经济”供电和运行。
灵活交流输电系统（FACTS）是近年来出现的一项新技术，FACTS以其特有的大功率、高速、精确连续的控制技术，通过改变高压输电网的参数（相角、电压、线路阻抗）及网络结构对输电线路进行直接控制，它代替了传统的机械、电子及电磁的控制手段，使交流输电系统的功率有高度的可控性，降低了系统网损和发电成本,大幅度提高了系统的稳定性和可靠性。
1.1本课题的研究背景及意义
随着电力电子技术、计算机技术、控制技术的不断发展，电力工业技术也取得了许多新的进步，其中一个重大的成就就是灵活性交流输电系统（简称FACTS）的提出和应用。
灵活性交流输电系统技术是目前电力系统新技术中最引人注目的方向之一，它为解决电力系统中存在的经济运行和安全稳定问题提供了有效的手段【1-2】。
灵活性交流输电系统技术之所以出现来源于它的良好背景条件。
这些条件可以概括为电网互联运行的需要、来自HVDC的竞争压力、电力电子等技术的发展支持、已有FACTS技术产品的研制和运行经验的积累等四个方面。
其中前两个是发展FACTS的需求压力，是充分条件；后两个是支持性推动力，是必要条件【2】。
1.1.1输电线路的互联
世界上几乎所有的供电系统都是相互连接的，它除了与本地电网连接外，还延伸到地区级供电系统，进而与国家电网甚至与国际间的输电网相连。
现代电网通过互联，形成了越来越大的巨型电力系统。
1.电网互联带来的好处
（1）为能源的远距离传输奠定了基础
由于一次能源产地和负荷中心往往不在同一个地区，客观上存在大范围传输电能的要求，而电能传输的可靠性高﹑经济性好，是实现远距离能量传输的最佳方式。
（2）提高了供电可靠性
在发电电源和用户负荷之间，电网起着一个大容量“电源池”的作用，通过适当的控制措施，使得电池与负荷各自的变动（甚至故障）对彼此的影响大大减小。
就负荷而言，实现了多路供电，各个电源在紧急状况下可以相互支援，可大大提高供电可靠性和电能质量。
（3）可实现大范围的能源资源优化配置和规模经济效益
电网互联带来的经济性优势是多方位的。
首先，可以充分利用成本较低的发电资源和采用高效率的大型发电机组，达到发电成本的最小化；其次，可利用各地区间负荷时间特性上的差异，减小全网负荷峰谷差，实现地区间电力的平衡和经济调度；再者，可以减小系统整体必须得备用容量；此外，电网互联后，有利于安排机组的检修，提高系统的抗冲击能力和运行灵活性。
电网规模越大﹑自动化水平越高，其资源优化配置的能力和可获得规模经济效益就越大，这是推动电网互联最重要的推动力之一。
（4）互联电网是电力市场的物质基础
电网是电能的运载工具，也是电力市场的“物流通道”，电力的交易是通过电网来实现的，因此电力市场的前提之一是联通的电力传输网络。
可以说，电网有多大，电力市场的规模才可能有多大。
实现电网互联是电力市场化改革的必然要求。
（5）电网互联可以取得巨大的环保效益
目前世界上的电力主要来自于火电，但燃煤发电，会排放大量的CO2和SO2等有害废气，是造成“温室效应”和酸雨等环境问题的罪魁祸首。
电网互联后，通过更多采用水力发电﹑风力发电等相对清洁的发电方式，有利于降低环境污染【3】。
2.输电线路互联的重要性。
社会和经济的发展推动了电力工业的不断扩大和进步。
进入21世纪以来，世界各国的人均用电量正在不断攀升，电能的有效、合理的分配和利用已成为各国能源政策的焦点。
从经济的角度看，电能输送需要输电线路的相互连接，因为它除了能输送电能之外，输电互联网络的目的是共享发电厂和负荷中心，它能将总发电量和燃料的成本降到最低。
输电线路相互连接有利于充分利用多元化负荷，有效利用电力资源，并使发电厂的燃料成本能以最低价格，安全可靠地提供给用户。
如果输电系统是由各地区的各个发电厂呈辐射方式向用户提供电能的，各网之间没有相互连接，则在这种网络格局下，要保证供电的可靠性就要新建许多发电厂，以满足这些重要用户的需求，因而用户承受的电费也会很高。
根据这样一种思路，不论是大发电厂还是小发电厂组成的系统，结果将是输电容量越小，则需要的单位电力资源会越多，也造成资源的极大浪费。
鉴于这种情况，人们迫切希望架设一些新的输电线路，以保障能就近获得电能。
实际上，架设新的输电线路就是对电力资源的一种选择。
如果有一条主干输点线路，它将沿线一些小电站连接在一起，并形成了一个小电网那么一些小的分布式电站就能够在较为经济的方式下运行。
另一个问题是，如果有了网络互连，但系统设计者没能利用先进的分析方法将输电计划与发电／输电成本结合起来分析，那么这种系统也不能保证电力与传输之间有最适宜的平衡。
新建输电线路同样存在建设费用和线路损耗的问题，这也经常会限制电能的有效传输。
在很多情况下，要获得经济的资源或资源共享似乎会受到输送容量的限制，而且这种情况现在依然没有得到有效的解决。
在没有电力制约的电力服务环境下，有效的电力网络对营造可靠的电力服务竞争环境是至关重要的。
另一方面，随着电力传输的发展，电力系统的运行已变得更加复杂，系统在大故障后稳定运行的可靠性显著降低，导致大量电能不能得到适当控制。
过多的无功功率充斥着系统的不同部分，系统不同部分的动态波动会相互影响，并出现传输瓶颈等，所有这些都将导致不能充分发挥输电系统相互连接的潜力。
随着世界各国经济的不断发展，无论哪个输电网络上都承载了大量的负荷。
在电力市场机制的作用下，随着非常规运行发电机数量的增加，以及用户之间白热化的激烈竞争，这些需求还将继续增加，而且也很难获得一种有效途径来解决这些问题。
因此，传输容量的增加、缺乏长期规划、开通电力公司和消费者之间的沟通渠道等，所有这些均已构成供电安全性问题，并有可能造成供电质量的下降。
要缓解这种下降的趋势，FACTS技术是必不可少的。
灵活交流输电系统（FACTS）是近年来出现的一项新技术。
它“应用电力电子技术的最新发展成就以及现代控制技术实现对交流输电系统参数以至网络结构的灵活快速控制，以期实现输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性、可靠性”[1]。
此项技术已进人“成形期”，被专家预测为“现代电力系统中三项具有变革性的前沿课题之一”[2],也是实现电力系统安全、经济、综合控制的重要手段。
1.1.2HVDC与FACTS的关系
由于HVDC与FACTS都是基于大功率电力电子技术发展起来的，而且在很多方面（如电路结构功能等）具有相似性，因此在FACTS概念诞生之初，曾就HVDC与FACTS之间的关系展开过广泛的讨论。
目前一般认为，它们之间既存在一定得相通之处，又有明显的区别，互相补充，共同支撑着现代电力系统的可靠和高效运行。
虽然HVDC因汞弧阀的应用而诞生，比FACTS早，但现代电力工业中广泛应用的HVDC却是随着晶闸管的出现而发展起来的，而FACTS家族中最早的成员—SVC也差不多同时诞生；在这个意义上，可以说HVDC与FACTS同样具有悠久的历史。
电力电子的进步同时促进了HVDC与FACTS技术的发展，特别是大量可关断器件的出现，于HVDC，激发了全新的HVDCLight∕Plus概念；于FACTS，则促使各种FACTS控制器如雨后春笋般涌现，直接推动了FACTS作为一个崭新而具广阔前景的领域而被认同[4]。
可以看到，HVDC与FACTS的共同基石是大功率电力电子技术。
从最基本的开关器件到电路拓扑﹑到变换器技术乃至整体体系结构，它们之间都息息相通。
现代电力系统中采用HVDC与FACTS的最终目标是一致的，即提高电力系统的整体运行性能[5]。
但作为两种不同的手段，HVDC与FACTS是存在一定得区别的，最主要的一点是：
前者基于直流传输原理，使用电力电子技术是为了能将所传输的直流功率交换到即有的交流电网中，并通过控制这种功率交换来达到改善电力系统性能的目标；而后者基于交流输电原理，使用电力电子技术是为了改变交流电网的参数，从而调节其功率传输并达到改善交流电网运行性能的目标。
1.1.3FACTS的主要作用
灵活交流输电技术是在现代交流输电系统的基础上，应用电力电子技术和现代控制理论，使电力系统中影响潮流分布的相角、电压以及线路阻抗这三个主要电气参数能得到迅速调整。
在不改变网络结构的前提下，FACTS使网络的功率传输能力以及对潮流和电压的可控性大为提高，能对系统运行参数中的一个或多个产生影响[6]。
也就是1.实现灵活的潮流控制；2.最大化电网的传输能力3.提高电网的稳定性。
1.根据FACTS作用，它的主要功能可归纳为以下几点：
①这项技术可以在很大程度上简化电网的复杂程度，并能够很好地控制电网的潮流，使之按指定路径流动；②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；③在控制区域内可传输更多的功率，因而能减少发电机的热备用；④在系统短路和设备故障情况下，能够防止线路连锁跳闸；⑤阻尼那些会损坏设备或限制输电容量的各种电力系统振荡[7]。
电力系统的潮流分布是输电线路阻抗送端和受端电压幅值，以及这两个电压之间的相位差的函数，只要控制其中一个或一组潮流变量，就可以实现对输电线路上的有功和无功潮流的控制。
2.输电系统中的潮流
一般而言，许多输电设施都会面临一个或多个限制电网运行的参数，这些设施也没有能力随意改变电力系统的潮流分布。
在交流系统中若存在一定得电能储备，无论储能多少，在任何时候它都会使系统产生的电能与负荷消耗的电能处于平衡状态。
从某种程度上讲，这是因为电力系统具有自身调节的能力。
如果发电量小于负荷消耗的电量，系统的电压和频率就会下降，接着负荷就会相应减少，直到它所消耗的电能等于系统的发电量减去输电线路损耗为止。
但这种自身调节系统的稳定裕量只有百分之几。
例如，电压由于无功功率的支撑得到了提高，那么负荷也随之增大。
若此时的输入功率保持不变，则频率就会下降，最后将导致系统崩溃。
换句话说，如果系统中的无功功率不是很合适，系统将会出现电压崩溃的危险[7]。
当电网中有适当的电能可利用时，有功功率潮流就会从富裕区向电能不足的区域流动。
流动的路径可以有多种不同的并行通道，它可以是超高压线路和∕或中压线路。
在这方面，通常总是以美国东北地区从加拿大的安大略水电站购买大量电能为例来说明这个问题。
该线路为PJM系统的长距离输电线路，它的特点是输电容量大，线路所承受的阻抗低，因而具有很高的输送效率。
事实上，任何输电系统中都存在一些重要回路和众多次要回路的潮流，还有一些不均匀潮流。
一般在长距离的输电线路上总会分布着许多负荷群和发电机组，本论文对潮流的控制将不进行具体说明。
1.2本课题国内外研究现状
1.2.1FACTS概念的定义
美国的N.G.Hingorani博士于1986年首次提出了FACTS概念[8]。
FACTS技术早期的明确定义为:
“FACTS就是基于晶闸管组件的控制器，其中包括移相器、静止无功补偿器、电气制动、串联电容调节器、带负荷抽头调节器、故障电流限制器以及其他一些尚未发明的控制器。
”显然这个定义有很大的局限性。
后来N.G.Hingorani博士在1994年的CIGRE会议上严肃声明:
“为了避免任何混淆，作为FACTS概念的创始者，我给它定义为:
除了直流输电以外的所有将电力电于技术用于输电的实际应用技术”[9-11]。
随着用户电力技术的发展，电气与电子工程师学会（IEEE）提出了一个有权威性的FACTS定义。
这个定义较“宽松”，甚至有些含糊，但为FACTS的新发展保留了充分余地。
定义如下:
所谓柔性交流输电系统（FACTS）即装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统，FACTS控制器是可提供一个或多个控制交流输电系统参数的电力电子型系统或其它静止设备[12]。
从这个定义可以看出，可列入FACTS控制器家族的装置应该是很多的，特别是定义中的“其他静止控制器”还将包括更多电力电子器件在电力系统中应用的内容。
事实上也可理解为，“凡是利用电力电子器件或其他静止控制器使电力系统的电能质量和输送能力得到提高的装置”，都称为FACTS装置。
因此，可认为FACTS是包含下列三层含义的新型输电系统：
（1）FACTS代表的是一种交流输电系统，不过它的灵活性更好，有别于以往的交流输电系统；
（2）FACTS结构基础是电力电子器件与其他（如电容器﹑电抗器之类）无源元件的组合；
（3）FACTS的目的就是要提高输电系统的可控性﹑保证电能质量，并能增强输电线路的传输能力[2]。
1.2.2国内外FACTS装置的工程应用情况
（1）20世纪60年代初期，晶闸管的发明标志着电力电子技术的诞生。
（2）20世纪70年代初，FACTS控制器家族中的第一个成员—采用晶闸管控制电抗器的静止无功补偿器（SVC）在电力系统中得到应用。
（3）1980年，日本三菱电机公司研制出第一台基于晶闸管的静止同步补偿器（STATCOM），容量为±20Mvar。
（4）1981年，N.G.Hingorani博士发明了以他的名字命名的FACTS控制器NGH-SSRdamper。
（5）1986年，N.G.Hingorani博士首次完整公开地提出FACTS概念。
（6）1986年，美国西屋公司和EPRI合作研制出首台基于可关断晶闸管的STATCOM，容量为±1Mvar。
（7）1992年，德国西门子公司研制并在美国西部电力局投运第一台晶闸管控制串联电容器装置。
（8）1997年，美国电力公司﹑西屋公司和EPRI合作研制容量为±320MV.AD的统一潮流控制器（UPFC）。
（9）1997年,IEEE/PES成立专门的DC＆FACTS分委会，设FACTS工作组，旨再规范FACTS技术的术语定义和应用标准。
（10）1999年，清华大学和河南省电力局合作研制了我国首台工业化STATCOM，容量为±20Mvar。
（11）2001年，美国纽约电力局投运其可转换静止补偿器的第一阶段，即±20Mvar的STATCOM。
FACTS技术深入发展和广泛应用，使其成为解决现代电网诸多挑战的重要手段之一【11】。
2FACTS控制器
在电力系统中,FACTS可以实现功率潮流调节,提高有效传输功率,阻尼电力系统振荡,能在输电设备的热极限不被超过的前提下,使系统网损减小,稳定度增加,提高系统暂态稳定性[13]。
基本的FACTS控制器模型框图如图2.1所示,实际控制器可由独立的串联元件构成,也可由独立的并联元件或串联元件与并联元件协调控制而构成随着不同类型的FACTS控制器的出现,所实现的功能也不完全一致,这就必然涉及到最优配置问题（采用何种类型控制器、采用多大容量控制器、控制器的最佳放置地点等等）。
在已有的文献中,专家们对FACTS元件的最优配置进行了大量的研究并针对各种目标（阻止环流、输电阻塞、提高经济运行、获得期望运行要求等）提出了相应的FACTS控制器。
FACTS控制器的最优配置主要取决于电网的具体特点、期望结果、经济成本、电网未来升级等四个方面[14]。
FACTS控制器的最优配置不仅具有重要的经济意义,而且对电力系统的可靠性和稳定性也有重大影响。
图2.1基本FACTS控制器模型框图
2.1FACTS控制技术的发展
FACTS控制技术经数十年的不断发展和完善,实现的功能也日趋强大,FACTS家族也由最初的几种发展到现在的数十种。
最初,FACTS控制技术主要采用反并联晶闸管控制结构,这种技术的应用主要有静止无功补偿器（SVC）、可控串联补偿器（TCSC）、可控移相器（TCPS）等。
随后,随着电力电子技术的进步,出现了基于GTO电压源换流器（VSC）的新一代FACTS控制器,主要有串联潮流控制器（SPFC）、静止移相器（SPS）、高级无功发生器（ASVG）、静态同步补偿器（STATCOM）、静止同步串联补偿器（SSSC）、统一潮流控制器（UPFC）等,以及最新一代新型控制器:
线间潮流控制器（IPFC）、广义统一潮流控制器（GUPFC）和可转换静止补偿器（CSC）等[15]。
下面将介绍多种控制器，并联型控制器、串联型控制器以及串并联型控制器。
并针对主要的控制器即SVC、STATCOM、TCSC、UPFC等进行说明。
2.2并联型FACTS控制器
2.2.1并联补偿的特点
电力系统补偿可按接入方式分为并联补偿串联补偿和串并联混合补偿三种，而并联型FACTS控制器是并联补偿设备的主要成员。
由于并联补偿方式的接入和退出都很方便，因此在电力系统中得到广泛的应用[16]。
电力系统并联补偿具有如下特点：
（1）只需要电网提供一个接入节点，另一端为大地或悬空的中性点，因此接入电网很方便。
（2）接入方式简单，不会改变电力系统的主要结构；而且通过调节并联补偿输出，可以再系统正常运行时接入系统，并将接入造成的影响减到最小，甚至可以做到无冲击投入运行和无冲击退出运行。
（3）并联补偿设备要么只改变系统节点导纳矩阵的对角线元素，要么可等效为注入电网的电流源，因此并联补偿的投入对电力系统的复杂程度增加不多，便于分析。
（4）并联补偿设备与所接入点的短路容量相比通常较小，并联补偿对节点电压的补偿或控制能力较弱，它主要是通过注入或吸收电流来改变系统中电流的分布。
因此，并联补偿适合于补偿电流。
（5）并联补偿只能控制自身注入的电流，而电流进入电网后如何分布则由系统状况决定，因此并联补偿通常能使节点附近的一定区域均受益，适合于电力部门采用；而串联补偿可以针对特定的用户采用，更适合于特定用户的补偿。
基于此，电流源性质的装置比电压源性质的装置更加适合于并联补偿。
（6）并联补偿设备需要承受全部的节点电压，其输出电流要么是由接入点电压决定的，要么是可控的，因此并联补偿设备的输出通常受系统电压的限制。
2.2.2并联补偿的作用
并联补偿可以向系统中注入电流或改变系统导纳矩阵的对角元素，因此采用并联补偿可以方便的向系统注入或从系统吸收无功和∕或有功功率，进而可以控制电力系统的无功功率和∕或有功功率的平衡[17]。
正是并联补偿的这种能力，使得它对电力系统具有如下作用：
（1）向电网提供或从电网吸收无功和∕或有功功率；
（2）改变电网的阻抗特性；
（3）提高电力系统的静态稳定性；
（4）改善电力系统的动态特性；
（5）维持或控制节点电压；
（6）通过控制潮流变化阻尼系统振荡；
（7）快速可控的并联补偿可以提高电力系统的暂态稳定性；
（8）负荷补偿，提高电能质量等。
并联补偿在输电网和配电网中都得到广泛应用。
在输电网中，其只要功能是改善潮流可控性﹑提高系统稳定性和传输能力；而在配电网中，其主要功能是提高负荷电能质量和减小负荷对电网的不利影响（如不对称性﹑谐波等）。
2.2.3并联补偿设备的安装位置
在电网中，并联补偿设备可以根据需要灵活布置，常见的方式有两种：
①安装于输电线路的受电端（负荷侧）；
②在长传输线中间增加变电站（即线路分段）并布置并联补偿设备[18]。
2.2.4并联型控制器的类型
1）静止无功补偿器SVC
SVC是一种并联连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的目的（典型参数一般为母线电压）。
世界上第一台SVC是美国公司制造的用于输电系统补偿的，是于1978年投网使用的。
经过近30年的发展，目前，世界上安装的SVC总容量已超过了93000MVA,用于超高压输电电压控制的SVC已有200多台。
有记载的容量最大的SVC装置是1982年墨西哥Temascal400kV变电站投入的可调容量为600Mvar（-300Mvar～+300Mvar）的SVC（TCR+TSC）。
近期较为成功的应用是NamPower公司在Auas400kV变电站安装了一台ABB公司生产的可调容量为330Mvar（-250Mvar～+80Mvar）的SVC（TCR），通过控制系统较好地解决了电网谐振问题[19]。
从SVC实际投入运行来看,SVC主要作用是提供随机调相功能；调整系统电压；提高系统的静态稳定性和暂态稳定性；并且可以提供阻尼力矩以抑制系统的功率振荡等。
SVC基本结构是控制两个反并联的晶闸管将电容器或电抗器并入到电网上或从电网中断开,以实现发出或吸收无功功率。
其基本结构有:
晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管控制的高阻抗变压器（TCT）、晶闸管投切电容器（TSC）、TCR+TSC装置、TCR+固定电容器（FC）、机械投切电容器（MSC）,它属于基于晶闸管控制∕投切型FACTS控制器。
其结构模型如图2.2所示。
图2.2SVC基本结构模型
2）静止同步补偿器STATCQM
STATCOM（StaticSynchronousCompensator）是综合静止无功补偿、电压源逆变、大功率门极可关断晶体管（GTO）的控制与保护等技术而形成的无功补偿新概念，是FACTS家族中重要的成员。
STATCOM是出现较早的FACTS控制器之一，早在1980年，日本三菱电机公司与关西电力公司合作研制了世界上首台STATCOM，它采用了晶闸管强制换相得电压型变换器，容量为±20Mvar。
1986年，由美国西屋公司和EPRI合作研制了世界首台基于可关断器件（GTO）的（±1Mvar）STATCOM。
1999年中国也投运了其首台工业化STATCOM，容量为±20Mvar。
为我国研究FACTS控制技术迈出了重要的一步。
目前世界上最大容量的STATCOM已经达到±200Mvar。
STATCOM是FACTS控制器家族中发展最快和应用较广的成员之一，到2004年底，世界上已有超过20个大型（容量超过10Mvar）的STATCOM工程投入运行，并取得良好的应用效果[18]。
STATCOM一般由电压源型逆变器构成,如图2.3所示,其功能是调节输电系统的某点电压,改变逆变器输出电压和系统电压间的相位差来控制其无功的输出,提高系统传输能力。
具有启动无冲击、调节连续、响应快速、占地面积小、谐波含量少,在系统欠电压条件下无功调节能力强等优点。
图2.3STATCOM基本结构
STATCOM既可向系统提供感性无功，也可向系统提供容性无功，而且它向系统提供的容性无功不像SVC那样受系统电压的影响，可以在任何系统电压条件下，输出额定的无功功率。
所以，与SVC相比，STATCOM给系统提供电压支持、提高系统稳定性的作用要更有效，尤其在系统故障的情况下，STATCOM进行电压维持、防止电压崩溃、提高系统暂态稳定性和抑制系统振荡的作用效果较SVC就更加明显。
3）静止同步发电机SSG
SSG是一种由适当电源供电的静止自换流开关式功率交换器，可与交流电力系统并网运行，通过调节其多项输出电压而达到与电网交换可独立控制的有功和无功功率的目的。
SSG是通过在STATCOM直流侧引入电源或大容量储能系统而发展出来的一种广义并联控制器，即是STATCOM和一个既能吸收又能放出能量的储能设备的组合体，其中储能设备可能是电池﹑超导体﹑飞轮﹑超级电容组，或者是另外的整流设备；在电源和变换器之间采用一定的能量接口电路，如斩波器，即可使电源不断地补充直流电容∕电感上的能量，使主变换器与并网的交流系统持续交换可控的有功和无功功率，进行四象限补偿。
SSG的两个子集为将蓄电池与STATCOM组合构成的电池储能系统（BESS）和将超导体与STATCOM组合构成的超导体储能系统（SMES）。
它们是目前取得实际应用和发展最快的两种SSG，使用容量已达到了数十兆
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