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灵活交流输电技术 王树文 纪延超 马文川 哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院 哈尔滨150001 摘要 为了提高输电系统的输送能力和交流输电运行整体控制能力以及开辟高压和超高压交流输电的新方 向 对灵活交流输电系统中的控制技术和几种主要的控制器进行了阐述 并重点分析了相间功率控制器技术 的国内外研究现状 认为 灵活交流输电技术的不断发展完善并在电力系统中大量的应用 将会为我国未来电 网的发展和运行管理提供强有力的工具 同时 指出了灵活交流输电技术今后的发展趋势及美好发展前景 关键词 灵活交流输电 相间功率控制器 电力电子 中图分类号 TM 72 文献标识码 A 文章编号 100328930 2007 0320113205 Survey of Flexible AC Transm ission System Technology WAN G Shu2w en J I Yan2chao MA W en2chuan School of Electrical Engineering and A utomation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China Abstract To i mprove the transi m ission capability and enhance integral control of AC transm ission system this paper discusses FACTS technology in detail and then some types of controllers and control technologies are introduced State of the art of interphase power controller at home and abroad is expounded W ith FACTS technology greatly used in power system s itw illplay an i mportant role in future especially in China Finally the development trend and foreground of the technology are presnted Key words flexible AC transm ission system FACTS interphase power controller power electronics 1 前言 灵 活 交 流 输 电 flexible AC transm ission systme FACTS 技术是现代电力电子技术与传统 的潮流控制相结合的产物 它可以用可靠性很高的 大功率可控硅元件代替传统元件中的机械式高压 开关 从而使电力系统中影响潮流分布的3个主要 电气参数可按照系统的需要迅速调整 以期实现输 送功率的合理分配 电压的合理控制 降低功率损 耗和发电成本 大幅度提高系统稳定性 可靠性 此 项技术是实现电力系统安全经济 综合控制的重要 手段 1 2 FACTS技术一经提出立即受到各国电力工作 者的高度重视 3 研究主要集中在潮流控制 提高 稳定性 增强阻尼以及控制器的等方面 国内外一 些权威人士已经将FACTS技术与先进的能量管 理系统 energymanagement system EM S 技术和 综合自动化技术一起预测 将其确定为 未来输电 系统新时代的三项支撑技术 或是 现代电力系统 中三项具有变革性影响的前沿课题之一 4 美国 日本和欧洲一些发达国家 以及我国 都已经投入 了大量的人力和物力 对此进行开发研究 并取得 了一定的成绩 很多装置已经投入了实际运行 在 电力系统中发挥着重要的作用 2 FACTS控制技术的发展 FACTS控制技术经数十年的不断发展完善 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10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 可控串联补偿器 可控 移相器 可控移相器等 随着电力电子技术的进步 第19卷第3期 2007年6月 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 Proceedings of the CSU2EPSA Vol 19 No 3 Jun 2007 收稿日期 2006204220 修回日期 2006207231 出现了门极可关断 Gate Turn Off GTO 电压源 换流器的新一代FACTS控制器 主要有串联潮流 控制器 静止移相器 高级无功补偿器 静态同步补 偿器 静止同步串联补偿器 统一潮流控制器 以及 最新一代新型控制器线间潮流控制器 广义统一潮 流控制器和相间功率控制器 3 FACTS中的控制器及其原理 3 1 静止无功补偿器 静止无功补偿 器 static var compensator SVC 的 典 型 代 表 是 晶 闸 管 投 切 的 电 容 器 thyristor sw itched capacitor TSC 和晶闸管控制 的电抗器 thyristor controlled reactor TCR 如 果只是将这两种无功补偿器单独使用 它们都有各 自的缺点 单独的TCR只能吸收无功功率 而不能 发出无功功率 单独的TSC对于抑制冲击负荷引 起的电压闪变是不够的 为了解决这些问题 可以 将TCR与并联电容器配合使用 这些组合而成的 SVC的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功 功率 可以对无功功率进行动态补偿 使补偿点的 电压接近维持不变 SVC的主要作用是电压控制 但采用适当的控制方式后 SVC也可以有阻尼系 统功率振荡和增加稳定性等作用 5 经过几十年的 发展 不仅将静止无功补偿器 用于输电系统的电 压控制 6 也用于配电系统的补偿和控制 还可用 于电力终端用户的无功补偿 2电压控制 例如电气 化铁路 电弧炉等负荷波动大 无功功率频繁变化 的场所 7 3 2 静止同步补偿器 静 止 同 步 补 偿 器 staticsynchronous compensator STA TCOM 也可以 称为 A SV G active static var generator 有源静止 无功发生器 它的基本原理是将自换相桥式电路通 过电抗器或者直接并联在电网上 适当调节桥式电 路交流侧输出电压的幅值和相位 或者直接控制其 交流侧电流 就可以使该电路吸收或发出满足要求 的无功电流 实现动态无功补偿 由于它将电压源 逆变技术应用于无功补偿领域 不需要大容量的电 容 电感等储能元件 因而大大地发展了传统的无 功控制概念 A SV G的重要特性是输出的无功功率 不受系统电压的影响 在任何系统电压的情况下 都能输出额定的无功功率 与SVC相比 在系统故 障的情况下静止同步补偿器维持系统电压 提高系 统暂态稳定性和抑制系统振荡的作用较明显 近二 十几年 静止同步补偿器受到了国内外专家学者的 普遍重视 8 已经研究开发出相应的实用装置 我 国清华大学和河南电力局共同研制成功了一台 20M var的静止无功补偿器 并于1999年在河南洛 阳朝阳变电所投入运行 9 3 3 并联蓄能系统 并联蓄能装置包括蓄电池蓄能系统 battery energy storage system BESS 和超导磁能存储器 superconductingmagneticenergystorage SM ES 等 是采用并联式电压源换流器的能量存 储系统 其换流器可通过快速调节向交流系统供给 或吸收电能 将SM ES用于两机系统的频率控制 可以有效地抑制两系统之间的频率偏移 也可将 SM ES与静止移相器相结合用于互联系统负荷频 率控制 10 3 4 晶闸管控制的串联电容器 晶 闸 管 控 制 的 串 联 电 容 器 thyristor controlled series capacitor TCSC 的模块主要由 串联电容和含有电抗 晶闸管开关的并联回路组 成 通过可控硅控制可以灵活 连续地改变补偿容 量 11 达到快速响应的效果 TCSC在改善电力系 统性能方面有很多优点 将TCSC用于高压输电系 统 可发挥现有系统的潜力 提高功率传输极限 灵 活地调节系统潮流 增加系统阻尼作用 保证超高 压电网安全稳定运行 TCSC技术已经引起各国研 究学者的重视 对TCSC的研究主要集中在提高暂 态稳定性 抑制次同步谐振 阻尼系统间功率振荡 避免电压崩溃等 12 而近几年对TCSC抑制次同 步谐振和暂态特性的研究较活跃 TCSC与其他FACTS装置相比 潮流控制功 能比较简单 所需的电容器和电抗器的数量大 占 地面积大 这些对它的广泛推广起到了一定的限制 作用 但TCSC在改善系统性能方面的优点 使得 它受到了GE ABB和Siemens这些大公司的关注 已经研制出实际的装置并投入系统运行 在美国有 3处已经安装了TCSC 并且运行良好 除美国外 瑞典 巴西等国家也相继将TCSC投入实际运行 另外 GE公司承担了Slatt变电站500 kV TCSC 试验工程 SIEM EN S公司制造的kanaw ha变电站 的200 kV先进串联补偿工程和ABB公司改造的 kanawha R iver变电站的单相串补投切工程 我国 在伊敏电厂至齐齐哈尔地区的冯屯变电站的双回 输电线上采用串联补偿技术 13 3 5 静止同步串联补偿器 411 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 2007年6月 静止同 步 串 联 补 偿 器 static synchronous series compensator SSSC 与静止同步补偿器在 结构上有类似之处 都是以DC AC逆变器为基本 结构 它的基本原理是向线路注入一个与电压相差 90 的可控电压 以快速控制线路的有效阻抗 从而 进行有效的系统控制 它在系统中的作用有些类似 于TCSC 但是 它控制潮流的能力远大于单方向 减少线路阻抗功能的TCSC控制器 并且谐波含量 小 14 3 6 晶闸管控制的移相变压器 晶 闸 管 控 制 的 移 相 变 压 器 thyristor controlled phase shifting transformer TCPST 是 利用可控硅开关控制移相角度从而改变线路两侧 的移相角来控制潮流的大小或方向 经过多年的理 论研究表明TCPST具有提高联络线传输潮流 抑 制小干扰 提高系统稳定性 阻尼功率振荡 母线电 压控制 规约联络线潮流等功能 15 晶闸管控制的 移相器的控制速度快 相角阶梯可以很小 甚至达 到无级调节 但晶闸管控制的移相器有一个缺点 它本身需要消耗无功功率 运行中一般需要与无功 补偿装置联合使用 并且谐波的含量较高 因此对 电能质量有一定的影响 3 7 统一潮流控制器 统 一 潮 流 控 制 器 unified powerflow controller U PFC 是一种从原有潮流控制装置的 基础上发展而来的新型潮流控制装置 它由一个并 联的换流器和一个串联的换流器通过公共侧的电 容耦合而成 仅仅通过控制量的变化就可以分别实 现并联补偿 串联补偿或移相器的功能 也可以将 三者的功能结合起来以实现一定的控制目的 通过 不同控制策略的设计 U PFC不但可以用于控制母 线电压 线路潮流 提高系统动态和暂态稳定性 抑 制系统振荡 而且可以快速地转换工作状态以适应 系统的紧急状态的需要 16 3 8 可转换式静止补偿器 可 转 换 式 静 止 补 偿 器 convertible static compensator CSC 是FACTS控制器的一种新产 品 它是美国EPR I公司 西门子公司及许多电气 公司研制的成果 实际上是将基于同步变流器的串 并联补偿器技术 通过在结构上实现柔性化 使其 可以更加灵活地应对不断变化的电力系统要求 CSC可以提供静止同步无功补偿器 静止同步串联 无功补偿器 统一潮流控制器和线间潮流控制器4 种基本控制方式 17 3 9 线间潮流控制器和广义统一潮流控制器 近几年 最新一代的FACTS装置线间潮流控 制器 interline power flow controller IPFC 和广 义统一潮流控制器 generalized unified pow er flow controller GU PFC 的 提 出 和 应 用 标 志 着 FACTS直接控制对象从交流输电线扩展到了交流 电网 IPFC可以实现多线路潮流的灵活控制 不但 能够独立提供无功补偿 还可通过直流侧电容的连 接 实现线路间的有功功率的传输 从过载线上向 欠载线上传输有功 补偿线路的电阻性压降和相应 的无功 增加系统动态抗干扰能力 可以优化整个 电网配置 平衡线路有功和无功 18 GU PFC是比U PFC功能更为强大的FACTS 装置 它拓展了U PFC对节点电压和单条线路潮流 的控制 可同时控制多条线路或系统中某一子网络 潮流 19 不同种类的FACTS控制器在系统的暂态 稳 态控制等方面都有各自的特点 综合起来这些 FACTS装置有3个主要的特点 1 电力电子技术的发展 各种开关器件应用 到FACTS控制器作为开关可以延长器件的使用 寿命 提高经济效益 2 对影响潮流分布的系统参数进行灵活控 制 控制联络线上的传输功率 使潮流流向指定的 线路 改善系统中的潮流分布 减少大电网中的环 流 3 阻尼功率振荡 改善系统的动态稳定性 保证输电线上传输的功率可以接近热稳定极限 但 又能满足安全经济运行的要求 当代FACTS技术的发展趋势是朝着加快响 应速度 提高电压质量 性能优化 抑制谐波和动态 平滑调节的方向发展 4 IPC的国内外研究现状 相 间 功 率 控 制 器 interphasepow er controller IPC 作为灵活交流输电系统的一种装 置 具有潮流控制的鲁棒性和限制事故电流 消除 事故波及的优良性能 4 1 IPC国外研究概况 继加拿大奎北克能量技术革新的专家提出相 间功率控制器的概念以来 近几年 国外不少电力 专家相继开展了IPC的研究工作 IPC是一个具有 鲁棒性的串联控制器 两条并联支路的移相电压可 511 第19卷第3期 王树文等 灵活交流输电技术 以由具有机械或电子转换开关的移相装置提供 并 且从相量图的角度对相间功率控制器的功率特性 进行了分析 指出可以根据系统需要 调节相间功 率控制器的控制参数 改变通过IPC的潮流方向和 幅值 文献 20 的作者对相间功率控制器的基本工 作原理进行了详细的阐述 并假设IPC装于两无穷 大母线之间的联络线上 研究漏抗 终端电压和不 同导纳对功率特性的影响 指出对外表现为电流源 的相间功率控制器具有的特点 在魁北克研究院制 造了一台仿真器来研究IPC的稳态 暂态特性 证 实了IPC的过电压保护和控制策略的有效性 确定 在开路状态下装置的最大承受能力以及IPC有功 功率和无功功率对系统变量 如电压和频率等 变 化量的灵敏程度 文献 21 提出了将电容支路类 似于TCSC直接连在两母线之间 而电感支路通过 一有固定移相角的变压器连接的相间功率控制器 这种IPC除具有其他IPC的基本特征外 它的功角 特性能随着传输功率水平的变化而移动 比较能适 应网络运行条件的变化 为了满足电压约束还可独 立的调节无功功率 该文还将IPC与相角调整器和 串联补偿器进行了对比分析 指出IPC是如何在没 有控制行为的条件下直接进行有功功率调节以及 如何产生和吸收无功功率 这种IPC对电感 电容 的容量要求较低 损耗也较小 迄今为止 国外对相 间功率控制器的研究已经发展到研制出相间功率 控制器的实际装置并将其应用到实际电网中 4 2 IPC国内研究概况 文献 22 借助移相器的共同性质建立了IPC 的通用电路模型及数学关系 提出了在保持常规潮 流网络结算结构不变的情况下处理网络中含多个 IPC的潮流计算方法 分析了IPC与负荷相连时的 特性 文献 23 将IPC各元件参数与电网参数紧 密的联系起来 从一般电路理论上分析相间功率控 制器的优良特性 探讨各种参数对运行状况的影 响 提出了控方主导的概念 阐述了相间功率控制 器通过控方主导来实现鲁棒潮流控制的机理 指出 IPC实行短路故障隔离需要在高阻效应的条件下 这将与多种制约因素相冲突 基于IPC的通用结构 模型对相间功率控制器的稳态特性以及电磁暂态 特性进行了相关研究 24 相间功率控制器作为FACTS家族的一员 与 以上介绍的灵活输电系统控制器比较有一个独到 的性质 即可以实现互联的两电网之间的短路故障 隔离作用 避免造成连锁反应和事故扩大 发展电网 实现各区电网之间的互联 对系统 的可靠性要求更高 小电力系统发生事故造成的停 电是局部的 有限的 而大型互联电网一旦发生事 故 特别是不可控的恶性连锁反应时 停电波及的 范围会更大 停电时间更长 后果更严重 互联电网 愈大 这种波及程度也愈大 为了保证互联大电网既能发挥很好的经济效 益 又能安全稳定运行 必须很好地解决这种事故 波及情况 IPC的优良特性对减轻交流互联电网事 故范围的扩大有一定的作用 国外对IPC的研究已 经进行了十多年 而我国对它的研究才刚刚起步 由于将在20世纪展开全国的大联网 因此 跟上国 外先进技术的发展步伐 加强对IPC新技术的研究 与开发 为我国电网的互联提供先进的装备 在我 国开展对相间功率控制器的研究更有重要的现时 意义 5 结语 FACTS技术将发展迅速 应用广泛的大功率 电力电子器件应用于电力系统中 新实现了电力系 统中多目标协调控制 且控制对象扩展到整个电 网 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 有效地增加 现有输电线路的容量 提高线路利用率 同进还可 进一步提高我国电力系统地经济运行效益 这一技 术将会为我国未来电网的发展和运行管理提供强 有力的工具 它具有非常广阔的应用前景 参考文献 1 武 守 远 周 孝 信 赵 贺 等 W u Shouyuan Zhou Xiaoxin Zhao He et al 电力系统最新技术 灵活交流输电系统的发展及研究 N ew technology inpowersystem developmentandstudyof flexible AC transm ission system J 电网技术 Power System Technology 1996 20 5 1 3 2 Ge Shaoyun Chung T S Opti mal active power flow incorporatingFACTSdevices w ithpowerflow control constraints J International Journal of Electrical Power and Energy System s 1998 20 5 321 326 3 徐 琰 李 乃 湖 陈 绗 Xu Yan L i N aihu Chen Heng 基于FACTS技术的互联电力系统潮流控制 Powerflow controlininterconnected power system sbasedonflexibleACtransm ission 611 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 2007年6月 system s J 电 力 系 统 自 动 化 A utomation of Electric Power System s 1998 22 5 37 40 4 何大愚 He Dayu 柔性交流输电系统概念研究的新 进展 On the new progress extended in the FACTS concept J 电 网 技 术 PowerSystem s Technology 1997 21 2 9 14 5 彭辉 樊庆玲 刘会金 Peng Hui Fan Q ingling L iu Huijin 配电网中TCSC和SVC的联合补偿 Hybrid compensation of TCSC and SVCin distribution system J 电力系统及其自动化学报 Proceedings of the CSU2EPSA 2002 14 4 16 18 6 Pam ianiM Irarani M R Voltage control stability and dynam ic interaction phenomena of static VAR compensators J IEEE T rans on Power System s 1995 10 3 1592 1597 7 刘凡 杨洪耕 叶茂清 L iu Fan Yan Honggeng Ye M aoqing 静止无功补偿器对提高电铁电压稳定水 平 的 研 究 Research ofi mprovingthe voltage stability of electrical railway transm ission system w ith static var compensator J 继电器 Relay 2003 31 5 30 32 8 纪延超 刘庆国 骆济涛 Ji Yanchao L iu Q ingguo L uo Jitao 新 型 无 功 补 偿 电 源 的 仿 真 和 实 验 Si mulation and experi ment of a novel reactive power compensating source J 中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE 1993 13 2 37 42 9 王 仲 鸿 姜 齐 荣 沈 东 W ang Zhonghong Jiang Q irong Shen Dong 关于新型静止无功发生器模型 参数及暂态控制模型选择的讨论 Determ ination of the model and parameters of the static reactive compensator in controller designing J 电力系统 自动化 A utomation of Electric Power Ststem s 1999 23 24 43 45 10 N gam roo I M itani Y T suji K Application of SM ES coordinated w ith solid2state phase shifter to load frequencycontrol J IEEET rans onpplied Superconductivity 1999 9 2 322 325 11 Clark K Fardanesh B A dapa R Thyristor control2 led series compensation application study2control interaction considerations J IEEE T ranson Power Delivery 1995 10 2 1031 1037 12 王勇 毕胜春 顾丹珍 W ang Yong Bi Shengchun Gu Danzhen 用TCSC改善阳城至淮阴输电系统 送电能力 的 研 究 I mprovement of transm ission ability of Yanchegn2Huaiyin transm ission system by mechod TCSC J 电力系统及其自动化学报 Proceedings of the CSU2EPSA 2001 13 5 43 45 13 刘晓冬 朱子述 陈陈 L iu Xiaodong Zhu Zishu Chen Chen 500 kV线路串补电容器上过电压研 究 Study of overvoltages on series capacitor of 500 kVtransm ission lines J 上海交通大学学报 Journal of Shanghai Jiaotong U niversity 1997 31 2 142 147 14 何大愚 He Dayu 柔性交流输电技术及其控制器 研制 的 新 发 展 TCPST IPC和SSSC FACTS technologe and new progress in the development of its controllers TCPST IPC TC IPC and SSSC J 电力系统自动化 A utomation of electric power system s 1997 21 6 1 6 15 W ang H F Damping function of unified power flow controller J IEEProceedings Generation T ransm ission and D istribution 1999 146 1 81 87 16 李岩松 郭家骥 刘君 L i Yansong Guo Jiaji L iu Jun 应用U PFC控制电力网络潮流的研究 The studyoncontrollingpowerflowofnetwork applying U PFC J 电力系统及其自动化学报 Proceedings of the CSU2EPSA 2000 12 4 4 8 17 苏玲 陈建业 Su L ing Chen Janye 可转换式静止 补偿器 一种新型FACTS控制器 Convertible staticcompensators anewkindofFACTS controllers J 国际电力 International Electric Power for China 2003 7 1 21 23 18 陈兵 陈延明 Chen Bing Chen Yanm ing 浅谈灵 活 交 流 输 电 系 统 控 制 技 术 发 展 和 现 状 The development and present status of flexible AC transm ission system s control technology J 电力 电容器 Power Capacitor 2005 7 1 29 34 19 刘盛松 王敏 侯志俭 等 L iu Shensong W ang M in Hou Zhijian et al 含广义统一潮流控制器 的 最 优 潮 流 模 型 和 算 法 研 究 Study on mathematical model andalgorithmof opti mal power flow w ith generalized unified power flow controller J 中国电力 Electric Power 2004 37 2 35 39 20 Brochu J Pellectier P Beauregard F The interphase power controller a newconcept for managing power flow w ithin AC networks J IEEE T rans on Power Delivery 1994 9 2 833 841 下转第121页 711 第19卷第3期 王树文等 灵活交流输电技术 化 与 质 量 The Standardization and Q uality of M echanization Industry 2002 105 24 26 4 翁利民 W eng L i m in 电压暂降及其抑制 Voltage sagandits control J 电 工 园 地 Popular U tilization of Electricity 2003 9 26 27 5 郝江涛 刘念 幸晋渝 Hao Jiangtao L iu N ian Xing Jinyu 电力系统中间谐波的来源及危害 The source and harm of inter2harmonics in the electric power system J 四川电力技术 Sichuan Electric Power Technology 2005 2 11 14 6 黄明华 周耀坤 HuangM inghua Zhou Yaokun 电 磁兼容在集成电路中的设计应用 The design and 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