柔性交流输电系统概述.ppt

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1、柔性交流输电技术,参考教材1、柔性交流输电系统的原理与应用 谢小荣 姜齐荣编著 清华大学出版社 2006.92、柔性电力技术电力电子在电力系统中的应用 韩民晓等编著 中国水利水电出版社 2007.103、高压直流输电与柔性交流输电控制装置-静止换流器在电力系统中的应用 加拿大)苏德|译者:徐政出版社：机械工业,第1章 柔性交流输电系统概述 1.1现代电力系统概述1.2输电网互联带来的挑战1.3传统解决方法及其局限性1.4新的解决方法FACTS的诞生1.5FACTS及其控制器概述1.6FACTS与HVDC1.7电能质量与电力用户,第1章 柔性交流输电系统概述柔性交流输电系统（flexible A

2、C transmission system，FACTS）的概念 20世纪80年代末期，随着电力电子技术、信息技术和控制理论的进一步发展和综合应用,出现了FACTS,它旨在提高交流电网的可控性，实现灵活的潮流控制和最大化电网的传输能力.,11 现代电力系统概述111 输电技术的发展历史 1831年法拉第发现电磁感应定律；1882年，托马斯爱迪生（Thomas Edson）在美国纽约建成世界上第一个完整的电力系统。这是一个直流系统，由一台直流发电机通过工110V地下电缆供给半径约为1.5km范围内的 59个用户，负荷全部是白炽灯。1886年研制出交流发电机和变压器，并在马萨诸塞州大巴灵顿建立了一个

3、由150个电灯构成的交流配电试验系统。,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,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，尼克拉特斯拉（Nikola Tesla）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

4、芬镇到法兰克福全长178公里，电压15.2kV，输送功率200kW,1889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（high voltage alternative current,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1000kV50年代，随着半导体技术的发展，基于整流、逆变的远距离、大

5、容量直流输电技术（high voltage direct current,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10-20 MW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（back to back）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，6400 MW输电系统，全长2,071公里。2009年，瑞士ABB集团和西班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。该线路成为世界最长的高压直流输电系统。2004年，50年

6、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（HVDC light）的研究,特高压交流-直流输电,直流与交流输电方式的辩论:低电压输电，距离发电厂越远，效率就越低，采用高电压直流输电，需要有高电压的直流发电机，而且还要根据不同情况，采用多台发电机串联运行的方式。而交流输电则可以利用简单高效的变压器升降电压，从而逐步确立优势地位。现在已普遍采用三相三线制的交流输电方式。在输电线路方面，直流输电比交流输电优点要多一些，而从发电、用电和电压升降的角度考虑，交流输电比较有利。所以，自然而然地会想到采用交流发电，用变压器升压，变

7、换成直流后输电，然后再变换成交流，通过变压器降低到适当的电压后送至用户这种组合方式。自从开发出高电压、大容量的水银整流器制成的交直流变换装置后，直流输电再度得到实用化。,直流输电的优点归纳如下：交流输电时，如果架空输电线路距离变长，线路电抗所引起的稳定性问题限制了输电功率，而直流输电只有电阻分量，没有稳定性问题。用电力电缆输电时，交流电对线路上的静电电容充电，充电电流和绝缘体的介质损失使输电功率和输电距离受到限制。跨海输电必须使用海底电缆，这时采用直流输电就极为有利。如果把两个交流的电力系统用直流输电相联网，就不会受不同频率或频率波动的影响，事故发生时应不使短路电流增加，从电力系统控制方面考虑

8、，也有很多优点。,柔性交流输电系统（flexible AC transmission system，FACTS）的概念 20世纪80年代末期，随着电力电子技术、信息技术和控制理论的进一步发展和综合应用,出现了FACTS,它旨在提高交流电网的可控性，实现灵活的潮流控制和最大化电网的传输能力.自20世纪50年代开始，随着汞弧阀换流技术的逐步成熟和应用,使得高压直流（high voltage direct current，HVDC）输电重新进入人们的视野,并和HVAC输电并肩发展。,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。核能发电，风能发

9、电、太阳能发电、地热发电;新型电源，如光伏电池、燃料电池、超导储能和超级电容等;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，“西电东送”走廊的输电距离大部分在 1000km以上。,1.1.2 现代电力系统的主要特点,更加重视电能质量 自动化生产线、精密加工工业、计算机系统、机器人等先进技术的广泛使用，电能质量恶化带来的影响

10、加大，对电能质量要求不断提高。各种新型用电设备，尤其是电力电子设备应用于电网，带来了大量的谐波污染，使电能质量恶化。自动化水平大大提高 发、输、配和用电一般称为电力系统的一次侧，对应地，将对电网一次侧进行控制、操作的自动化和信息系统，称为二次侧。近半个世纪以来，随着计算机、通信技术和控制理论的发展与应用，电力系统二次侧得到了巨大的发展。能量管理系统（energy management system/supervisory control data acquisition,EMS/SCADA)，广域测量系统（wide-area measurment system,WAMS),区域稳定控制、管理信

11、息系统（management information system，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”,电力工业面对新的外部环境制约(火电厂)的环境污染;能源产地和主要利用能源的经济发达地区分布不平衡:“全国联网，西电东送”是我国能源政策的重要组成部分，预计到2020年，西电东送的总容量将达到约1亿kw，这对电网建设和安全运行提出了强大的挑战。电力设施占用土地资源：建设发电厂、输电走廊、变电站以及供电缆沟等，将占用更大量的土地资源；大停电事故将带来的灾难性后果，对社会的影响日益增大,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,12 输

12、电网互联带来的挑战12l 电网互联带来的优势和挑战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,电网互联带来的挑战：系统规划与资源配置的优化问题，互联电网的协调组织，运行与管理问题，大系统的动态行为与安全性分析问题，潮流控制问题，改善稳定性以提高传输容量的问题等。以下主要

13、讨论潮流控制和改善稳定性以提高传输容量两个问题，这也是FACTS技术所关注的核心问题。,122 输电网的潮流控制 1潮流控制的基本概念及其必要性 如图1-1所示，电网中的两个母线节点通过高压输电线路互联，在忽略线路损耗的情况下，线路上的有功潮流由下式决定：,在大型电网中，节点电压幅值受很多因素的制约（如负载和设备的耐压等），一般在额定值附近变化不大；如果不考虑电网中的无功补偿器、移相器等调节设备，电网的“自然”潮流分布将主要决定于功率注人的位置和大小，以及网络拓扑和参数。除了受制于线路载流能力而需要进行潮流调整以外，还有很多因素，使得对大电网的自然潮流分布进行控制成为必要，如：1）减少环流，实

14、现最优潮流，降低网络损耗 复杂电网中存在大量的电磁环网，参数设置不当会出现环流，增加损耗。同时，功率从一个节点流向另一个节点也会有多个通道，不同的潮流分布方式对应不同的网络损耗，如何实现损耗最小的潮流（最优潮流）成为潮流控制的重要目标之一。,2）稳定性考虑 通过潮流控制，使系统运行于最有利于稳定性的潮流模式下。同时在扰动发生后，通过对潮流进行动态控制，能大大提高系统的稳定性。3）电力交易市场化的基础 电网是电力交易的“物流平台”，电力市场进一步的发展将要求对潮流进行精确和灵活的控制。,2潮流控制的方法 电力系统的潮流是由电源、负载和网络三者共同决定的。其中负荷一般是不可控的；而大电源的布局是在

15、电网规划过程中，根据一次能源位置以及多种决定技术经济指标的因素来确定的，投人运行后，主要由系统调度和机组控制来动态调节其输出，能在一定程度上对电网潮流进行控制；分散发电电源，虽然其可控制性和灵活性较好，但相对来说，容量较小，对主于电网的潮流控制能力较弱。以下主要介绍通过对输电网的调节实现潮流控制的方法.,23 提高传输容量 1决定传输容量的因素 电网的传输容量（transfer capacity）是指电网在一系列的约束条件下能够传输功率的能力。限制电网传输容量的主要因素包括热稳定极限、设备绝缘限制、理想线路的极限传输功率和电力系统稳定性限制。,（1）热稳定极限 运行中的电力设备由于存在内部损耗

16、，通常会发热并升温，而且发热量随着载流量的增大而增加，一旦载流量过大、温升达到其上限，就会破坏设备本身的机械和物理特性，使其不能正常工作。对应该上限温升值的传输功率即称为设备的热稳定极限。在电网中，主要是架空线的热容量限制传输容量。规划输电线路时，一般是在比较保守的基础上，即考虑（统计意义上的）最恶劣环境下，根据其在电网中承担的功率设计物理参数，实际运行时的传输容量一般远低于热稳定极限，存在较大的冗余。,（2）设备绝缘限制 电力设备的耐压值都是有限的，必须保证设备工作在允许的电压限值以内（如不超过额定值的10）。（3）理想线路的极限传输功率（或静态稳定极限功率，static stabllty

17、limit）一条无损的理想线路上能流过的最大功率称静态稳定极限功率.（4）电力系统稳定性限制 交流互联电网能实现功率传输的基本条件是系统稳定，即运行于正常条件下的平衡状态在遭受干扰后能够恢复到容许的平衡状态。对于发电机，稳定是维持同步运行的问题，即系统中所有的同步发电机在满足一定的电压、频率约束下能彼此保持同步运行；对于负荷，稳定是维持电压在其正常范围之内，避免负荷电压的崩溃。,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,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

18、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,2电力系统稳定性概述 l）转子角稳定性（rotor angle stability）转子角度稳定性是电力系统中互联的同步发电机保持同步运行的能力。根据干扰特性，又分为小信号（小扰动）稳定和暂态（大扰动）稳定两种（1）小干扰稳定（smallsignal or smal

19、ldisturbance rotor angle stability）是电力系统在小扰动下保持同步运行的能力。小扰动稳定可能产生两种形式的不稳定现象，即由于缺乏足够的同步转矩使转子角持续增加而失去稳定，以及由于缺乏 足够的阻尼转矩使转子角增幅振荡而失去稳定（称为失去振荡稳定性）,振荡稳定性又分为本地模式、区间模式、扭振模式和控制模式。本地模式：即一个发电厂的机组与系统中其余机组的摇摆模式，振荡频 率通常在0.72.0HZ范围内。区间模式：即系统中一个机群对另一个机群的摇摆模式，通常是由于紧密连接的两组或多组电机通过弱联络线互联而造成的，振荡频率一般在0.10.7HZ范围内。本地和区间模式又常统

20、称为低频振荡、功率振荡或机电振荡。扭振模式：即与汽轮发电机轴系转动部件相关的振荡模式，轴系扭振与励磁控制、调速器、HVDC和串联电容器补偿的线路等相互作用可能引起扭振模式的不稳定。控制模式：与系统控制装置相关的模式，未调整好的励磁装置、调速器、直流换流器和串并联无功补偿器等造成的不稳定模式。,（2）暂态稳定（transient or largedsturbance rotor angle stability）暂态（大扰动）稳定是电力系统遭受严重暂态扰动下保持同步运行的能力。主要取决于初始运行工况、扰动的严重程度和系统对扰动的响应方式。,在稳定情况（曲线1）下，转子角增加到最大值后开始减少并减幅

21、振荡直至达到稳定状态；曲线2情况下转子角持续增加并最后失去同步;曲线3情况下第一摆是稳定的，但由于振荡幅度逐渐增大而最终失去稳定性;,2）电压稳定性（voltage stability）电压稳定性是电力系统在正常运行条件下和遭受扰动之后系统所有母线都持续保持可接受电压的能力。可分为小扰动和大扰动两种。（1）小扰动电压稳定性（smalldisturbance voltage Stability）指系统在给定工况下响应负荷缓慢变化等小干扰时控制系统电压的能力。,（2）大扰动电压稳定性（largedisturbance voltage Stability）大扰动电压稳定性是指系统在发生故障、切机等大

22、扰动或故障之后控制系统电压、维持正常运行的能力。这种能力是由系统一负荷特性、连续和离散的保护和控制的相互作用所决定的。大扰动稳定性的判定需要在足够长的时间（数秒到数十分钟）内分析系统的非线性动态特性以及带载调压变压器和机组励磁电流限制器等控制装置的相互作用关系，检查所有的母线电压是否达到可接受的水平。电压崩溃（voltage collapse），它是指系统在某运行工况下遭受特定的大扰动后，系统的电压发生大幅度跌落，造成事故后电压低于可接受的下限值。电压崩溃通常会引起局部乃至大范围的停电（blackout）。,注意：电压不稳定并不总是以其单纯的形式发生，而经常与转子角不稳定同时发生。,3）中期和

23、长期稳定性（midterm and longterm stability）引入这两个概念是为了研究电力系统遭受严重扰动后的动态响应及其导致的稳定性问题。严重的扰动会造成系统潮流、电压和频率产生大幅度的偏移，进而引起保护和控制动作，以及诸多慢过程动态（如火电厂的热力系统），这些在一般的暂态稳定性分析中是不考虑的，需要采用合适的中期和长期稳定性研究的模型和方法。,长期稳定性主要是伴随大规模系统扰动而产生的较慢的、长期的现象，及其所引起的大的、持续的发电与用电之间的功率不平衡问题。关心的动态过程包括火电机组的锅炉动态，水电机组的进水管和导管动态，自动发电控制,保护控制作用，变压器饱和，负荷和网络的非

24、正常频率效应等。中期响应是介于短期和长期响应之间的系统过渡过程。中期稳定性的研究，主要在于发电机之间的同步振荡，包括一些较慢现象的作用以及大的电压或和频率偏移等问题。一般典型的时段范围是：短期（或暂态）对应0105，中期对应10s至数分钟，长期对应数分钟至数十分钟。然而应该注意到，短期、中期和长期的划分首要是根据所分析的现象和所采用的系统描述，特别是所关注的系统暂态和机组振荡的描述，而不是单纯地根据时段范围。,3提高电网传输容量的方法 以单回500kV交流输电线路为例，其自然功率、热稳定极限和受稳定性约束的实际运行功率分别约为1000MW、3000MW和6001700MW（美国平均在1000M

25、W及以上，国内平均约为800MW）因此，提高系统稳定性是提高电网传输容量的首要内容，其最终目标是将电网传输容量提高到热稳定和绝缘极限。改善稳定性的方法:首先需要在规划阶段合理安排电源和网络，如建设适当数量的输电线路、建立联系更紧密的电网、合理布置变电站、采用更快速的断路器等。对于已建成电网，主要是通过在运行过程采用各种控制手段来提高其稳定性，包括增设一些新的控制设备。,几个重要参数整定的说明,控制线路阻抗X可有效控制线路的电流。当传输角d（或功角）较小时，控制线路阻抗X或传输角可有效控制有功功率。,线路阻抗X的控制,传输角的控制,传输角的改变能显著控制端点电压。在传输线中以串联方式注入一个电压

26、源，这个注入的串联无功功率补偿电压可有效控制线路电流，改变有功功率的潮流。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只需设计为占线路传输容量很少的一个百分比。当相角较小时，可通过线路的互连来控制无功功率潮流。将串联控制器与并联连接的电压调节器结合起来，就可构成另一种形式的阻抗控制器，它能有效的控制两个系统间的有功和无功功率潮流。,13 传统解决方法及其局限性在大容量电力电子技术得到应用以前，进行潮流控制和提高系统稳定性的共同基点，即机械开关。如在控制潮流方法中，采用固定串联电容器（Fixed series capacitor，FSC）机械式投

27、切并联电容器（mechanically switched capacitor，MSC）机械式投切并联电抗器（mechanically switched reactor，MSR）调整移相器；变压器；,传统的机械式控制方法的局限性：、速度慢。操作时间一般为2080ms；传统方法基本上只能 在静态情况下控制系统潮流，对动态稳定的控制缺乏足够的能力。为解决系统的动态稳定问题，一般留有较大的稳定储备，导致电网的输电能力没有得到充分利用。2、不能短时间频繁操作，严重制约了对系统进行连续快速控制 的能力。3、机械装置老化快，寿命有限。总之，传统的机械式解决方法，制约了潮流控制的灵活性和系统稳定性的提高，难以

28、充分利用电力设备的输电能力。,1.4 新的解决方法一FACTS的诞生 1.4.1 FACTS出现的背景及其必然性 最早是由美国电力科学院（Electric Power Research Institute，EPRI）副总裁 Narain GHingorani博士在 1986年的美国电力科学院杂志（EPRI Journal）上提出来的，并于 1987年7月在旧金山举行的电气和电子工程师协会电气工程协会（Institute of Electric and Electronics EngIneersPower Engineering Society，IEEEPES）夏季会议及1988年4月在芝加哥举

29、行的美国电力第50届年会上公开宣讲，其中后者的文稿被公开发表在 IEEE Power Engineering Review杂志上。国际学术组织（如CIGRE，IEEE，EPRI，IEE等）皆设立委员会或工作组开展工，相继召开国际性的和地区性的专题国际会议，探讨FACTS技术并促进其发展。,IEEE：电气与电子工程师学会；CIGRE：国际大电网会议；IEE：国际电气工程师学会EPRI：美国电力研究院,（1）FACTS技术的产生是解决输电网运行和发展中各种困难的客观需要。现代电力系统已经发展成为大规模的交直流互联电网，受系统结构复杂、运行任务繁重、电能质量要求高以及市场和环保等多种条件制约，对输电

30、网的可靠经济运行提出了越来越高的要求。但传统的机械式控制方法具有明显的局限性，造成输电的可控性差、系统的稳定水平低，导致输送电力难以灵活调节，传输设备不能充分利用。而FACTS作为一种新的解决方法，在控制电网潮流、提高系统稳定性以及传输容量方面带来了前所未有的契机，从而得到广泛认可和迅速发展。,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,IEEE PES Task Force of the FACTS Working Group,FA

31、CTS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。,输电领域：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,配电领域：有效解决电能质量问题,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

32、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。,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,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,60,1280MW,680MW

33、,60,697.7MW,40,A,B,C,600MW,97.7MW,582.3MW,-4.2,60,1280MW,680MW,60,697.2MW,40,A,B,C,600MW,97.2MW,582.8MW,4,B-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,60,1280MW,680MW,60,697.7MW,40,A,B,C,600MW,97.7MW,582.3MW,4,在A-C线路上采用移相器,60,1280MW,680MW,60,698.4MW,40,A,B,C,600MW,98.4MW,581.6MW,40,在A-C线路中点处采用并联无功补偿,二、交

34、流输电系统中的潮流控制,60,1280MW,680MW,60,695.2MW,40,A,B,C,600MW,95.2MW,548.8MW,40,二、交流输电系统中的潮流控制,采用综合潮流控制的方法IPFC,U2d2,U1d1,DUL,I=UL/x 相位滞后UL90,I,1,2,U1d1,U2d2,P&Q,I,x,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-U2c

35、osd)/x,U2sind=Ixcosf1=Ip1xU1-U2cosd=Ixsinf1=Iq1x,三、FACTS技术在输电网中的潮流控制中的应用,I,U2,U1,三、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

36、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技术在输电网潮流控制中的应用,1.4.2 FACTS的历史、现状与前景 20世纪60年代初期，晶闸管（thyristor）的发明标志着电力电子技术的诞生。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（TCR）的静止无功补偿器（SVC）在电力系统中得到应用。它是历史最悠久、目前应用最广的FACTS控制器。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），容量为士20Mvar。1981年，NGHingorani博士发明了以他的名字命名

37、的FACTS控制器 NGH-SSR damper.,1986年，NGHingorani博士首次完整公开地提出FACTS 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（GTO）的 STATCOM，容量为士 1Mvar。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（TCSC）装置。1997年，美国电力公司、西屋公司和EPRI合作研制容量为士320MVA的统一潮流控制器（UPFC），这是采用可关断电力电子器件构成的容量较大的FACTS控制器。1997年，IEEEPES成立专门的 DC FACTS分委会，设 FACTS作组，旨在规范FACTS技术

38、的术语定义和应用标准。,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，容量为士20Mvar。2001年，美国纽约电力局投运其可转换静止补偿器（CSC）的第一阶段，即士200Mvar的STATCOM；在FACTS概念形成以前，取得广泛应用的FACTS控制器基本上只有SVC；目前已发明了近20种FACTS控制器，部分已经商业化并取得良好的成效，如 SVC、STATCOM、TCSC、UPFC。到 2004年，已经投运的 FACTS和用户电力工程已有上千个，总容量达到100GVA（其中SVC占绝大部分），使其成为解决现代电网诸多挑战的重要手段之一。,15 FACTS及其控制

39、器概述1.5.1 FACTS基本概念 NGHinsorani博士最早（1988年）对FACTS的定义是：柔性交流输电系统，即 FACTS，是基于晶闸管的控制器的集合，包括移相器、先进的静止无功补偿器、动态制动器、可控串联电容、带载调压器、故障电流限制器以及其他有待发明的控制器。从FACTS概念诞生到20世纪90年代中期，由于大量新的FACTS设备相继出现，对它们的命名出现了一定的混乱，IEEEPES成立专门的DCFACTS 分委会，设 FACTS工作组，旨在规范 FACTS的术语定义和应用标准。1997年，FACTS工作组发布了“FACTS的推荐术语和定义”文本。,电力传输的柔性灵活性（fle

40、xibility of electric power transmission）指电力传输系统在维持足够稳态和暂态稳定裕度的条件下适应电网及其运行方式变动的能力。柔性灵活交流输电系统（FACTS）指具有基于电力电子技术的或其他静态的控制器以提高可控性和传输容量的交流输电系统。FACTS控制器（FACTS controller）指基于电力电子技术的系统或其他静态的设备，它能对交流输电系统的某个或某些参数进行控制。,1.5.2 FACTS控制器的基本类型,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,串联型控制器与线路串联，相当于一

41、个可变阻抗，如晶闸管投切或控制的电容器、电抗器；GCSC（GTO thyristor controlled capacitor）GTO控制串联电容器TSSC（thyristor switched series capacitor,)晶闸管投切串联电容器TCSC（thyristor controlled series capacitor,)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

42、功率的交换。通过调节该电压源的幅值和相位，即可改变其输出无功甚至有功功率的大小，起到直接改变线路等效参数（阻抗）的目的。SSSC(static synchronous series compensator）静止同步串联补偿器,一、FACTS设备的基本类型,串联型控制器,串联型 FACTS控制器的作用：串联型控制器对工作电压、电流和功率潮流有直接的影响。增加或减少串联型控制器的串联电压可改善电压质量。串联型控制器。调节线路等效阻抗，从而直接影响电网中电流和功率的分布以及电压降，在实际应用中对于控制潮流、提高暂态稳定性和阻尼振荡等具有非常好的效果。设计和控制中需解决的重要问题：串联型FACTS控制

43、器能必须设计成能够承受意外故障电流和动态过负荷电流，并且能够通过或旁路掉短路电流。,并联型FACTS控制器与能量流动的方向呈垂直（并联）关系。它可是一个并联可变阻抗，如晶闸管投切或控制的电容器、电抗器；或者是基于电力电子变换器的可控电流源。所有的并联控制器都相当于一个在连接点处向系统注人的电流源，通过改变该电流源输出电流的幅值和相位，即可改变其注入系统的无功甚至有功功率的大小，起到调节节点功率和电压的作用，进而达到间接调节电网潮流的目的。潮流控制方面的效果不如串联型FACTS控制器明显；但并联型FACTS控制器在维持变电站母线电压方面更具性价比。,并联型控制器,一、FACTS设备的基本类型,并

44、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。,TCR（thyristor controlled reactor)晶闸管控制电抗器TSR(thyristor switched reactor),晶闸管投切电抗器TSC（thyristor switched capacitor)，晶闸管投切电容器STATCOM（static synchronous compensator)静止同步补偿器,并联型控制器,一、FACTS设备的基本类型,并联型 FACTS控制器的作用：并联型控制器可对电压进行有效的控制，并起到阻尼电压振荡的作用。并联型控制器在维持变电站母线电压质量方面非常有效。并联控制器只针

45、对母线上的节点，不会对母线电压的控制造成负面的影响。并联型控制器无论在何种情况下，都不能控制整条线路的潮流。,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（unified power flow controller），统一潮流控制器将串联型和并联型FACTS控制综合成一个整体，兼具二者的优点，能更好地控制电网潮流、提高系统稳定性和进行电压调节。,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。,串并联组合型控制器,一、FACTS设备的基本类型,串联一并联组合型 FACTS控制器的两种实现方式 由独立的串联和并联控制器

46、组合而成，通过适当的控制使其协调工作如图a；通过将串联型和并联型FACTS控制器的直流侧连在一起构成 UPFC（统一潮流控制器）如图b。串联一并联组合型FACTS控制器：并联部分向系统注人电流，串联部分向系统注人电压；并联和串联部分通过直流环节连接起来，可以在它们之间交换有功功率。,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（interline power flow controller）,线间潮流控制器，其串联部分提供无功补偿，通过调节直流环节之间的有功功率传输，又

47、可在各输电回路之间交换有功功率，从而能够同时平衡多回输电线路上的有功和无功潮流，实现输电系统的优化控制。,串串组合型控制器,一、FACTS设备的基本类型,交流系统,由以上 4种基本类型还可以发展出更复杂的 FACTS控制器，如图所示的多回路串联一并联统一式FACTS控制器。,根据电力电子元件的开关特性及其在控制器主电路中的作用，将FACTS控制器分为两类：基于晶闸管控制投切型（thyristor controlled or switched type）主要采用晶闸管这种单向（开通）可控型电力电子元件作为功率开关器件代替传统的机械开关，从而获得更灵活的控制特性，它本质上秉承了传统的机械开关投切型

48、补偿器的基本原理。基于变换器型（converter-based type）通常采用双向（开通和关断）可控型电力电子元件构成能量变换器，获得一个可控的电压源或电流源，通过串联或并联在电网中调节其输出的幅值和相位，来达到对电网进行灵活和快速控制的目的，它与传统的机械开关投切式补偿器存在本质上的不同。,电压源型变流器,电流源型变流器,1.5.3主要FACTS控制器的定义一、并联型FACTS控制器,基于变换器型（converter-based type）,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,1、静止无功补偿器静止无功发生器（SVC）：一种静止的并联联接无功发生或者

49、吸收装置，可以调整其输出为容性或感性电流从而达到控制电力系统参数（通常是母线电压）的目的。晶闸管控制电抗器（TCR）晶闸管控制的并联电感，通过对晶闸管阀进行部分导通控制，可连续调节其有效电抗。对基于晶闸管构成的交流开关阀采用触发角控制方式来控制阀体在每个周波的导通时间，从而控制流过并联电抗器的电流，进而改变其等效的基波电抗，达到调节补偿功率的大小.,1.5.3 主要FACTS控制器的定义一、并联型FACTS控制器,晶闸管控制、投切型,晶闸管投切电抗器（TSR）一种并联的晶闸管投切的电感，通过对晶闸管阀进行全导通或全关断控制，可阶梯式改变其等效电抗。通常由几个并联的电感支路组成，每个电感支路都由

50、设有触发角控制的晶闸管阀来投切，从而达到阶梯式改变所消耗的无功功率的目的。对晶闸管阀不使用触发角控制可以降低成本和损耗，其缺点是不能连续控制有效电抗。晶闸管投切电容器（TSC）一种并联的晶闸管投切的电容器，通过对晶闸管阀进行全导通或全关断控制，可阶梯式改变其等效容抗。通常由多个并联的电容器支路组成，每个支路都由设有触发角控制的晶闸管阀来投切，从而达到阶梯式改变注入系统无功功率的目的。与并联电抗器可以在任意时刻通过开通晶闸管阀投入运行不同，并联电容器必须在适当的时机开通晶闸管阀而投人运行，否则可能因为过大的冲击电流而损坏设备。,SVC是最早出现的FACTS装置，它包括TCR、TSR、TSC以及它