毕业设计（论文）-灵活交流输电系统的研究.doc

中北大学2009届本科毕业论文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。1.1.2 hvdc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hvdc lightplus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。1.1.3 facts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：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；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；在控制区域内可传输更多的功率，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，能够防止线路连锁跳闸；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1.2.1 facts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-ssr damper。（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dcfacts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】。2 facts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2.1 facts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：安装于输电线路的受电端（负荷侧）；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svcsvc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93000 mva,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temascal 400 kv变电站投入的可调容量为600 mvar(-300 mvar+300 mvar)的svc(tcr+tsc)。近期较为成功的应用是nam power公司在auas 400 kv变电站安装了一台abb公司生产的可调容量为330 mvar(-250mvar+80 mvar)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2.2 svc基本结构模型2）静止同步补偿器statcqmstatcom(static synchronous compensator)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10 mvar）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2.3 statcom 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ssgssg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瓦以上。4）静止无功发生吸收器svgsvg是一种静止的电气设备装置或系统，能够向电力系统输出可控的感性或者容性电流，从而发出或吸收无功功率。一般认为，svg包括并联的晶闸管控制投切电抗器（组）、晶闸管投切电容器组以及statcom等。svg是ieee定义的一个广泛意义上的静止无功电源，通过恰当的控制可以将其转化为具有特定功能或者多个功能的并联无功补偿器。因此，根据无功产生基本原理的不同，svg可分为两类:一类是变导纳类型的svg；另一类是开关换流器类型的svg。svc是变导纳类型的svg，statcom是开关换流器类型的svg。5）静止无功补偿系统svssvs是一种将不同的静止式以及机械投切式无功补偿装置的输出进行协调而构成的并联补偿系统。svs是将svg与不用可控的机械投切式并联无功补偿设备组合而形成的较广泛意义上的并联无功补偿系统。6）无功补偿系统vcsvcs是将不同的静止式机械投切式和旋转式无功补偿装置的输出进行协调而构成的并联补偿系统。vcs是将svg不可控机械式和旋转式并联无功补偿设备组合而形成的最广泛意义上的并联无功补偿系统。2.3 串联型facts控制器2.3.1 串联补偿的特点电力系统串联补偿的基本思想是通过在传输线上传接入一定得设备，改变线路的静态和动态特性，从而达到改善电网运行性能的目的。广义的串联补偿包括变压器、断路器等电网设备，它们能改变线路的电压等级及其投运与退出状态，从而对电网结构和拓扑状态做出调整。狭义上的串联补偿是指在固定串联电容（fcs）和电感基础发展起来的补偿设备，目前主要是串联无功补偿，少数具有小范围的有功补偿作用。它们通常不改变线路的电压等级和基本拓扑结构，只是在等效意义上调整线路的阻抗和电压，从而达到改善电网运行特性的目的。此论文所涉及到的串联补偿仅限于狭义上的。串联补偿的特点与并联补偿的特点的比较：（1）并联补偿只需要电网提供一个节点，另一端为大地或悬空的中性点；而串联补偿需要电网提供两个接入点。相对而言，串联补偿装置比并联补偿装置的系统接入成本要高一些。（2）并联补偿装置通常只改变节点导纳矩阵的对角线元素，或者等效为注入电力系统的电流源；而串联补偿装置会改变导纳矩阵的非对角线元素，或者等效为注入的电压源。（3）并联补偿装置与所接入点的短路容量相比通常较小，主要通过注入或吸收电流来调节系统电压，进而改变电流的分布。由于正常运行时，系统电压允许变化的范围不大，实际传输的有功功率最终由线路的串联阻抗和线路两端电压的相位差决定。因此，并联补偿对节点电压和潮流的控制能力通常较弱。串联补偿能直接改变线路的等效阻抗或通过插入电压源来改变传输线的电压自然分布特性，从而调节电流分布，对电压和潮流的控制能力强。（4）并联补偿只能控制接入点的电流，而电流进入电力系统后如何分布由系统本身确定，因此并联补偿产生补偿效果后通常可以使节点附近的区域受益，适合于电力部门采用；而串联补偿可以针对特定的用户，实现潮流和电压调节，因而适合于对特定用户和特定输电走廊的补偿。（5）并联补偿装置需要承受全部的节点电压，其输出电流或是由所承受的电压决定（如svc），或是可以控制的（如statcom）；串联补偿装置需要承受全部的线路电流，其输出电压或是由所承载的电流决定(如tssc,gcsc,tcsc),或是可以控制的（如sssc）19。2.3.2 串联补偿的作用串联补偿可以改变传输线的等效阻抗或早线路中串入补偿电压，因此通过串联补偿可以方便地调节系统的有功和无功潮流，从而能有效地控制电力系统的电压水平和功率平衡。总体来说串联补偿对电力系统具有如下作用：（1）改变系统的阻抗特性；（2）进行潮流控制，优化潮流分配，减少网损；（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）加强电网互联，提高电网的传输能力；（6）控制节点电压和改善无功平衡条件；（7）调整并联线路的潮流分配，使之更合理；（8）通过控制潮流变化，阻尼系统振荡；（9）快速可控的串联补偿可以提高电力系统的暂态稳定性；（10）可控串补能提高线路补偿度，抑制次同步振荡；（11）可控串补（tcsc等）通过在短路瞬间串入电感减小短路电路；（12）在配电网中，采用串联容性补偿，可以解决一系列的电能质量问题，如部分抵消线路压降以提高末端电压，提高负载功率因数，可控串补可以抑制由于负荷变化引起的电压波动等；而且串联容性补偿会增大馈线的短路电流，使保护可靠和快速地动作17。串联补偿在输电网和配电网中都得到了广泛应用。在输电网中，其主要功能是进行潮流控制、提高系统稳定性和传输能力；在配电网中，其主要功能是提高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）。对比串联补偿和并联补偿能可见，它们在功能上具有很大的相似性。2.3.3 串联电容器的位置 从最有效使用串联容性电抗的角度看，单个电容器组的最佳位置是在输电线路的中央。早在开发串联补偿系统时，人们就已认识到了这一点，而且，作为实例，瑞典的某些装置就是利用这一概念设计的，加拿大也有一个把电容器安装在线路中央的案例，还有一些装置，尤其是在美国西部，人们更倾向于将电容器装在输电线端部，以利用现有土地和线路端部的人员服务。另外，在有些情况下，串联电容器安装在两个位置，不在线路端部，而是将每组电容器装在距两个端部各13线路长度处。还有另一种方式，有些装置只用一组电容器，装在离线路端部13线路长度处。使用这种布置也有它的好处，也有人指出将串联电容器安装在母线上（在串联级线段之间）的好处，而且有些案例也使用了这种布置12。电容器组的位置很重要，其原因有：（1）作为电容器在线路位置上的函数，其“有效性”是变化的；（2）电容器位置影响输电线的电压分布；（3）线路和电容器保护受电容器位置的影响；（4）位置是电容器组可维护性的重要因素；（5）如果电容器使用金属氧化物限压器保护，则限压器的通流能力要求随电容器位置而变化。2.3.4 串联型控制器的类型1）晶闸管控制串联电容器tcsctcsc是一种阻抗补偿设备,tcsc直接串入输电线路,主要由一个串联电容和晶闸管控制电抗器(tcr)并联构成,如图2.4所示,通过控制晶闸管开关触发角，连续、快速、大范围地调整线路阻抗，以实现潮流控制、平息地区性功率振荡、提高系统暂态稳定、抑制次同步振荡(ssr),有效提高电力系统动态性能【17】。所以tcsc在未来的输电网改造中具有广阔的应用前景，再加上结构简单性价比高，越来越受到电力工业界的重视。图2.4 tcsc基本结构目前，tcsc已在国外许多工程上运行：ge公司承建的slatt变电站500 kv的tcsc实验工程、siemens公司制造的kayenta变电站220 kv先进串联补偿工程和abb公司改建的kanawha river变电站单相串补投切工程。我国东北冯屯500 kv输电系统也计划采用该装置。2）晶闸管控制串联电抗器tcsrtcsr是一种感性阻抗补偿设备，由电抗器和一个晶闸管控制的电抗器并联组成，串联在传输线上用以提供连续可控的补偿感抗。tcsr可以视为将tcsc中的串联电容换成串联电抗而得到一种facts控制器。它的工作原理与tcsc类似，都采用晶闸管触发角控制，当tcr支路完全关断时获得最大的感性补偿电抗。因此，tcsr也可以作为短路电流限制器使用：正常运行时，tcsr提供一个较小的感性补偿，对线路的整体压降影响较小；当输电线上发生短路时，控制tcr支路的晶闸管阀完全关断，tcsr快速提供一个很大的串联电抗，能大大降低短路电流。3）n.g.hingorani次同步谐振阻尼器ngh-ssrdamperngh-ssrdamper是由facts概念的提出人n.g.hingorani博士发明的一种用于阻尼次同步谐振ssr的串联型facts控制器，ieee没有对其进行严格的定义。采用固定串联电容器补偿的电网，特别是当补偿度较高时，在特定情况下会诱发ssr，影响系统的安全运行，ngh-ssrdamper的主要功能是阻尼ssr。它是由并联在串联电容器两侧的串联晶闸管链及其控制系统构成的。它能通过控制晶闸管阀在适当的时机开通和关断，抑制串联电容器上的直流电压偏置，将次同步电磁转矩进而机械转矩和轴振降低至最小，从而起到阻尼ssr的作用。4）静止同步串联补偿器ssscsssc是一种不含外部电源的静止式同步无功补偿设备，串联在输电线上并产生相位与线路电流正交幅值可独立控制的电压，能通过增加或减小线路上的无功压降而控制传输功率的目的。sssc也可以包含一定得暂态储能或耗能装置，通过在短时间内增加或减小线路上的有功压降而起到有功补偿的作用，从而达到改善电力系统动态性能的目的。简单地看，sssc就是将statcom串联在线路上使用的一种facts控制器。其结构如图2.5所示，由于sssc是串联在输电线路上，而通常注入的电压远小于线路电压等级，因此，sssc的对地绝缘要求很高，要么将整个装置都安装在与地绝缘良好的平台上，要么在其一次侧和二次侧之间设置足够的绝缘；而且接入变压器的两侧绕组和变换器要承受整个线路电流，如果在短路障碍时没有适当的旁路保护措施，它们还要承受很大的故障电流。这是sssc和statcom在实际应用时存在的区别。可sssc和statcom类似，也可以在sssc直流侧引入蓄电池和超导磁体等储能设备而构成功能更强的串联facts控制器，从而使其输出电压相量与线路电流相量之间成非线性关系，实现“四象限”串联补偿。 图2.5 sssc基本结构5）线间潮流控制器ipfcipfc是一种相对较新的facts控制器，ieee尚无定义。简单的说ipfc是由两个或多个sssc基于共同的直流链路而组合起来各sssc的交流端有功功率可双向流动并提供独立可控无功功率补偿的一种facts控制器，具有调节两回或多回输电线之间的有功和无功功率分配的功能。ipfc在结构上好可以包括statcom，使之连接到ipfc的公共直流链路上，用以提供无功功率补偿，并产生或吸收有功功率以维持组合sssc上有功潮流的整体平衡。ipfc属于串联-串联组合型facts控制器，由两个sssc组合构成事物ipfc的基本结构，将statcom和ipfc组合构成了的多回路串联-并联统一式facts控制器的结构。2.4 并联-串联组合型facts控制器2.4.1 统一潮流控制器upfc统一潮流控制器(upfc)的概念最早是1992年美国西屋科技中心l.gyugyi博士提出的，图2.6给出了upfc结构原理图，其主要由两个电压型逆变器构成，分别通过耦合变压器并联和串联接入输电线路中,两个逆变器直流侧通过直流电容器连接。逆变器2产生一个幅值和相角可调(改变和)的补偿电压vpq叠加到系统电压上，控制有功和无功潮流，以实现线路无功补偿、串联补偿和移相控制。逆变器1本身与系统可以进行无功交换，控制与之相连的母线电压，同时也可吸收母线上有功功率并对直流电容充电，对逆变器2提供有功支持20。 图2.6 简化原理图upfc在灵活交流输电系统中是最具代表性的。upfc集多种不同控制功能于一身，具有综合控制各种电力系统基本量的能力。其他facts装置都只能调节影响电力线输送功率的三个参数中的一个，而upfc可以同时补偿线路参数、调节节点电压幅值和节点电压相位，实现并联补偿、串联补偿和移相等基本功能以及这些基本功能间的相互组合作用。世界上第一台，也是迄今惟一的大容量工业化upfc是美国电力公司西屋公司与epri联合研制的，采用基于gto的vsc。它的并联部分为160 mvar statcom,于1997年完成；串联部分为160 mvar sssc（也是世界上首台大容量工业化sssc装置），于次年完成。statcom和sssc可各自独立运行，也可以组合成一个整体，即320mva的upfc运行。该upfc装设在美国肯塔基州东部的inez变电站。2.4.2 晶闸管控制移相变压器tcpsttcpst是一种采用晶闸管开关调节、可提供快速可变相角的移相变压器，也称为晶闸管控制相位调节器tcpar或晶闸管控制移相器tcps。一般而言，移相士通过在原有电压上叠加一个相位约与其垂直的电压相量来实现的，这个电压相量通常是从与另外两相电压相连的变压器得来的。tcpst每相包括一个并联和一个串联的变压器绕组，二者之间通过一个基于晶闸管的电力电子拓扑电路连接起来，并联绕组的原边连接到另外两相，产生一个相位与控制相电压垂直的电压相量，它通过电力电子电路进行适当调节（即改变极性和幅值等）后叠加到控制相电压上，从而达到可控移相的目的。2.4.3 晶闸管控制电压调节器tcvrtcvr是一种晶闸管控制的变压器，可以通过连续控制提供可变的同步电压。在实际应用中，ctvr有两种结构形式。一种是在普通的待载调压变压器中采用晶闸管控制抽头技术；另一种采用晶闸管控制的交-交电压变压器。每相包括一个并联和一个串联的变压器绕组，二者之间通过一个基于晶闸管的电力电子拓扑电路连接起来，并联绕组产生一个同步的电压相量，它通过电力电子电路进行适当调节后叠加到同相的电压上，从而达到控制电压的目的。tcvr通过调节线路上的电压能有效地控制电网中的无功潮流。2.4.4 相间功率控制器ipc是一种可对有功和无功功率进行控制的组合型facts控制器，它的每相包括一组并联的、分别从属于独立移相单元的容性和感性支路，通过采用常规（机械式）或电力电子电路来调整各支路的相移或和阻抗，达到分别控制线路有功和无功功率的目的。ipc更多地被视为一种能创新出不同结构和实现更多功能的潮流控制技术，而不是一种具有固定结构的facts控制器，它的结构通常是每相包括并联的容性和感性支路，分别由容（感）性阻抗与独立的移相单元串联构成，即包括2个阻抗和2个相移共4个可控单元，它们的参数可按具体运行条件进行设计，从而形成具有不同结构不同特性乃至不同名称的各种ipc。同时，其移相单元可以采用不同的方式，如传统的移相变压器pst或者电力电子电路来实现。2.5 对四种主要功能控制器的性能比较表2.1 对四种主要装置性能的比较装置控制电压暂态稳定阻尼功率振荡无功补偿控制潮流一般性评价svc采用tcr加fc结构时可以连续控制tsr和tsc的控制时有级差的statcom即使在电压降低时也能输出所需要的无功功率，因此比svc具有更好的电压支撑作用比svc的响应更快tcsc本质上时一个级差型的tcsc，即串联电容器是用晶闸管电路投入或者切除upfc本质上是一个背靠背连接的statcom-sssc组合，这样就结合了功率控制（通过相角）和电压控制（通过无功功率）的能力，因此采用了术语“统一”2.6 facts技术未来的发展近几年,随着最新一代的facts装置可转换静止补偿器(csc)、线间潮流控制器(ipfc)和广义统一潮流控制器(gupfc)的提出和应用，标志着facts的直接控制对象从交流输电线扩展到交流电网。它不但可以解决电力市场环境下产生的各种问题，而且还可以进一步降低输电成本，有效增加现有输电线路的传输容量，提高线路的利用率，这将会为我国未来电网的发展规划和运行管理提供强有力的支持，且具有非常广阔的应用前景。当代facts技术的发展趋势是朝着提高响应速度和电压质量、优化性能、抑制谐波及实现动态平滑调节的方向发展，针对这样的目标，研制一种新型的用于facts控制器是目前专家们正在研究的重要课题，以便适应未来facts技术发展的需要。3 dfacts与用户电力技术3.1 现代社会对供电质量提出的新挑战电能质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形等参量距规定值的偏差。历史上，电力系统中许多机电设备都能在上述参量相对较大的变化范围内正常地工作。但是在近510年，随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器控制的用电设备和电力电子设备在系统中大量投入使用，他们对系统干扰比机电设备更加敏感，因此对供电质量的要求也更高。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障或停运，重则造成整个系统的损坏，由此带来的损失是难以估量的。另一方面，大量为提高生产效率、节约能源和减小环境污染而采用的基于电力电子技术的现代化设备正成为产生电能质量问题的主要来源。以电气化铁路机车牵引式负荷为例，他属于整流负荷，是典型的谐波源；他采用工频单相式交流供电，又是典型的负序源；同时他又具有波动性和不确定性，是典型的电压波动源和闪变源。普通用户中大量使用的开关式电源，公共照明系统中荧光照明负荷正逐渐成为配电系统中主要的谐波源和波动源20。可以说，在这些新技术成功解决实际生活环境中的污染问题的同时，如不加防范则会造成电力系统中新的污染问题。因此，现代社会的电能质量问题具有一系列新的特点。3.2 dfacts技术是未来提高供电质量的有效手段为了保证用户的供电质量，一方面要加强输电系统的输送能力和运行安全性，保证对配电系统的供电可靠性，另一方面应抑制或消除各种（包括来自系统侧的和用户侧的）干扰对电能质量的污染。基于电力电子技术的facts技术通过控制系统的基本参数来灵活控制系统潮流、突破静稳瓶颈，使输送容量更接近线路的热稳极限，是提高输电系统输送容量的有效措施4。作为facts技术在配电系统应用的延伸-dfacts技术已成为改善电能质量的有力工具，该技术的核心器件-绝缘门极双极型晶体管igbt比门极可关断晶闸管gto具有更快的开关频率，并且关断容量已达mva级，因此dfacts装置具有更快的响应特性，是解决电能质量问题的有效工具。目前主要的dfacts装置有：有源电力滤波器（active power filter，apf），动态电压恢复器（dynamic voltage restorer，dvr），固态断路器等20。其中apf是补偿谐波的有效工具；而dvr通过自身的储能单元，能够在毫秒级时间内向系统注入正常电压与故障电压之差，因此是抑制电压跌落的有效装置。 3.2.1 配电静止无功补偿器（distribution statcom，dstatcom）dstatcom是采用pwm技术的与电力系统并联的电压源变换器。dstatcom能替代常规的电压和无功控制元件、有载分接开关、电压调整器和自动投切电容器。他由igbt（