灵活交流输电技术.docx

灵活交流输电技术( FACTS)的现状与展望黄江波1, 2, 俞集辉1( 1. 重庆大学 电气工程学院, 重庆 沙坪坝 400044; 2. 长江师范学院 物理学及电子信息工程系, 重庆 涪陵 408003 )摘 要介绍了灵活交流输电技术( FACTS)的概念, 阐述了FACTS 在提高电能质量和系统稳定性中的功能, 进一步研究了FACTS 需要解决的技术难题, 分析了FACTS 在电力系统的发展状况和应用前景.关键词灵活交流输电; 控制器; 保护装置; 主电路方案; 先进控制技术现在, 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. 因此, 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, 实现电网的“充足、可靠、优质、经济”供电和运行.灵活交流输电系统( Flexible AC Transmission System, FACTS )是现代电力电子技术和电力系统的阻抗控制元件、功角控制元件及电压控制元件(如串补电容、并联电容、电抗、移相器、电气制动电阻等)相结合的产物, 也是现代控制技术、计算机技术、通信技术取得巨大进展的结果. 该系统是一种全新的交流输电概念, 是“未来输电系统新时代的三项支撑技术(灵活交流输电系统、先进的控制中心、综合自动化技术)之一”, 或是“现代电力系统中的三项具有变革性影响的前沿性课题(灵活交流输电系统、智能控制、基于全球卫星定位系统( GPS)的新一代动态安全分析与监测系统)之一 1, 2 .1 FACTS技术发展现状1. 1 FACTS器件目前已获得成功应用的组合装置有: 可控串联补偿( Thyristor Controller Series Compensator, TCSC)、静止同步串联补偿( Static Synchronous Series Compensator, SSSC ) 、静止同步并联补偿器( Static Synchronous Compensator, STATCOM)、统一潮流控制器( Unified Power Flow Controller, UPFC ) 、可转换的静止补偿器( Convertible Static Compensator, CSC )、电压源转换器( Voltage Source Converter, VSC ) 、可控移项器( Thyristor Controlled Phase, TCPR )、超导储能系统( Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES) 、控制串联电抗器( Thyristor Controller Series Regulator, TCSR )等. 这些装置同微处理器的速度和精度一起运作, 为电网提供了前所未有的控制, 能够高效利用电网资源和电能, 预示着电网控制的未来 3, 4 .1. 2 FACTS技术的应用FACTS技术的发展及应用, 美国一直走在世界前列. 1982年, 美国在BPA 公司的500 kV 变电站中投运了一台8. 4MW、最大功率10MW 的超导磁能存储系统( SEME ) , 消除低频振荡, 效果良好.1986年10月, 由美国EPR I和西屋公司研制的 1Mvar静止无功补偿( STATCOM )投入运行, 这是世界上首台采用大功率GTO 作为逆变器元件的静止补偿器. 1991年, 美国AEP公司在一条345 kV输电线上的三相常规串补中一相做了可控串补( TCSC )工业试验, 次年就在Arizon 的一条300 km 、230kV、300MW的输电线上装设三相TCSC, 把输电能力提高到400MW , 效果显著. 至1993年, 美国EPI组织了八大电力公司进行了FACTS 技术协作性全面应用研究. 美国电力( AEP)、西屋公司及美国EPRI合作, 研制目前世界上唯一的UPFC统一潮流控制器, 并在Kenturky 东部的Inez变电站装设. 这是目前为止容量最大FACTS设备. 美国EPR I、西门子公司及许多电气公司在FACTS 领域长期合作研究, 推出了一种全新的可转换式静止补偿器( Convertible Static Compensator, CSC )的FACTS控制装置. 该装置结合了包括统一潮流控制器(UPFC )在内的现有串、并联控制器的研究成果和运行经验, 通过耦合变压器连接方式的改变实现对若干个电压源换流器的不同组合, 以优化控制器结构,灵活应对系统变化, 是灵活交流输配电系统中最新一代的控制器.2 FACTS在输电系统中的功能2. 1 优化输电网络的运行条件 5FACTS控制器有助于减少和消除环流或振荡等大电网痼疾, 有助于解决输电网中“瓶颈”环节的问题; 有助于在电网中建立输送通道, 为电力市场创造电力定向输送的条件; 有助于提高现有输电网的稳定性、可靠性和供电质量; 还有助于防止连锁性事故扩大, 减少事故恢复时间及停电损失. 通过对FACTS设备快速、平滑的调整, 可以方便、迅速地改变系统潮流分布, 大范围地控制潮流使之按指定路径流动, 依靠限制短路和设备故障的影响来防止线路串级跳闸, 阻尼那些会损坏设备或限制输电容量的各种电力振荡.2. 2 提高输电线路的输送容量采用FACTS技术可保证输电线输送容量接近热稳定极限而又不至于过负荷, 这样可减缓新建输电线路的需要, 提高输电线路的利用率. FACTS的出现对电网的建设规划和设计将产生重大影响.2. 3 改变交流输电的应用范围由于高压直流输电的控制手段快速灵活, 当输送容量与稳定的矛盾难以调和时, 有时可能通过建设直流线路来解决, 但换流站的一次投资很高. 应用FACTS控制器的方案常常比新建一条线路或换流站的方案投资要少, 整套应用并协调控制的FACTS控制器组将使常规交流电柔性化, 改变交流输电的功能范围, 使其在更多方面发挥作用, 甚至扩大到原属于HVDC 专有的那部分应用范围, 如定向传输电力、功率调制、延长水下或地下交流输电距离等.2. 4 促进电力市场的经济化在电力市场下提出输电网开放( Open Transmission Access, OTA ) , 即允许除输电网所有者之外的其它类型的公司, 如电力公司、独立发电厂、批发客户以及电力市场的参与者使用输电网的设备和输电能力进行批发交易. 在OTA 环境下, 大量的电力转运和频繁的输电交易要求获得输电网的实时状态信息, 来指导交易的顺利进行,因此必须对所有线路的输电极限进行频繁的计算, 并及时公布到电力市场中去. FACTS装置能提高电网的最大输电能力, 它不仅能指导系统调度员的操作, 保证系统安全、稳定、可靠地运行, 具有技术方面的价值; 同时, 输电能力也具有市场信号的作用, 能指导市场参与者的各种商业行为, 使系统在满足安全性和可靠性的前提下, 最大限度地满足电力市场各方的要求,从而形成市场化的竞争机制, 打破垄断经营.3 FACTS需要解决的问题3. 1 控制器的设计 5大多数FACTS设备是作为一种快速可控的电气元件(或参数), 通过串联或(和)并联的方式组合成多种控制元器件. 电力系统中, 影响潮流分布的3个主要的电气参数线电压、线路阻抗和功率角可以得到迅速的调节, 从而实现“灵活输电”. 但FACTS设备能否在电力系统中充分发挥其调节潮流、增强稳定、提高电网传输能力等方面的作用, 关键是其控制器的设计水平.3. 1. 1 控制器的外环设计在电力系统中, 从宏观上讲, FACTS设备常常被当作一个可控电气元件, 再给定该元件的指令值.比如, TCSC 或SVC 的等效阻抗给定、STATCOM 的输出无功电流给定等. 此控制环节即是FACTS控制器的外环. 控制器的外环设计关键是确定FACTS 装置的数学模型、控制律的设计和控制律的实现.3. 1. 1. 1 数学建模问题FACTS装置本身具有复杂的串并联结构, 对其进行描述考虑的因素很多, 如换流器、与系统相联接的变压器、串并联两个换流器之间的电气关系等, 特别是如何描述装置与系统之间的相互关系. 对装有控制器的电力系统而言, 无论是构造其本身的动力学模型还是构造其逆系统的动力学模型, 难度都很大.3. 1. 1. 2 控制律的设计问题由于电力系统本质上呈非线性, 而且FACTS装置中有些本身也是一个有多个控制变量的非线性子系统, 一般又安装在发电机远端, 这就使目前电力系统控制方法, 如PID 控制、线性最优控制方法、基于微分几何理论的非线性控制方法、人工智能的控制方法等, 难以解决电力系统的控制问题. 因此,必须发展新的控制理论和技术.3. 1. 1. 3 控制律的实现问题FACTS装置的控制律的实现在工程上有两个含义: 一是控制律中包含的物理量是否实时可测, 二是控制律能否保证FACTS装置快速、稳定地输出. 首先, 控制律中的所有量必须实时局部可测, 该控制律才能得以工程实现. 此外, FACTS装置一般装于远离发电机的输电系统上, 因此, 稳定控制需要的可表征系统稳定的发电机的端变量(如功角、转速、电磁功率等)对FACTS装置来说是不容易得到的.3. 1. 2 控制器的内环设计内环控制主要完成这样的功能: 使FACTS 装置跟随其外环控制器获得给定, 确定装置中电力电子元件的触发规则, 从而向系统体现出相应的电气参数(如阻抗、无功电流等) . 因此, 在电力电子器件及装置控制技术中可能遇到的问题在FACTS 装置内控制中都会遇到, 而且FACTS控制还有其自身特有的难点.3. 1. 2. 1 同步及精确脉冲发生问题FACTS装置直接的控制量是电力电子器件的触发脉冲角度, 即触发脉冲与同步参考信号之间的相角差. FACTS的控制精度与工作稳定性在很大程度上依赖于触发脉冲发生器所检测的同步信号的准确性及所产生的触发信号相位的均匀性, 特别是对于大容量的FACTS. 显然, FACTS 设备只有首先与系统保持同步才有可能发挥正常的作用, 而同步的实质是精确测定系统频率的问题.3. 1. 2. 2 非线性控制问题内环控制的最终目的是实现对外环给定快速跟随. 采用何种控制策略实现由外环给定电气参数到电力电子元件触发角(最终控制量)的映射是内环控制器设计需要解决的另一个重要问题.3. 2 保护装置的设计FACTS保护系统的主要难点在故障的快速检测, 保护的快速动作及重新投入所需要条件的快速识别. 由于FACTS装置所具有的重要作用, 一方面, 希望其能在系统异常甚至故障的情况下尽可能发挥作用; 而另一方面, 大功率点电力电子器件热容量小和易损坏等特点又要求保护系统具有非常高的灵敏度和很快的动作速度. FACTS装置如何在充分发挥其作用的同时实现有效的自我保护是发展柔性交流输电技术必须解决的技术问题.3. 3 主电路方案设计FACTS装置的设计要根据系统和线路的具体结构、规模、复杂程度、稳定性要求等情况做出综合的分析, 抓住亟待解决的主要问题、主要矛盾, 综合考虑可靠性、经济性等要求. 总之, FACTS装置的设计本身是一个涉及甚广、比较复杂的过程, 设计过程中遇到一些问题和困难也是难免的. 只要设计人员对系统需求有准确的认识, 对设计过程有较好的把握, 就能设计出比较好的FACTS装置.3. 4 先进控制技术的普及问题FACTS装置可以使电网运行稳定, 提高能源利用效率. 随着科学技术的发展, 许多研发者都在采用先进的控制理论来改进FACTS装置, 提出了不少智能控制理论. 但由于电力部门不敢大胆运用先进的控制理论, 使FACTS技术在发展过程中受到阻碍. 其主要矛盾是工程造价比常规的解决方案高.因此, 只有在常规技术无法解决的情况下, 用户才会求助于FACTS技术. 目前, FACTS技术的应用还局限于个别工程, 大规模应用FACTS装置还需要解决一些全局性的技术问题. 虽然理论和实验都具有可行性、准确性、稳定性, 但用于庞大的电网中能否保证其正常运行, 还有待进一步验证. 因此, 如何让先进的FACTS控制装置普及于电网中, 促进FACTS技术的快速发展, 还有待于人们共同研究 7 .4 FACTS的展望柔性交流输电系统将是21世纪电力系统的主要特征和现代电力系统发展的方向, 这已是在国际上被广泛接受的观点. FACTS技术由美国科学家倡导, 并在国际上一直领导着这一领域的研究与开发.鉴于FACTS的广阔发展前景及它对未来输电技术发展、电力建设和运行可能产生的重大影响, 目前, 我国和美国、法国、日本、德国、巴西、印度等国的电力部门均在积极研究在超高压输电工程中应用TCSC 及其它FACTS技术的可行性和具体实施方案, 包括对现行电网的评估、硬件设备开发及FACTS装置在各电力公司的协调配置等, 已取得了许多可喜的成果 8, 9 . 国际大电网会议( C IGRE )也于1990年成立了相应的专门研究小组, 多次召开专门的国际学术性会议. 这些有力推动了在改进交流输电运行性能和提高交流输电网的可控性方面, 开发和应用电力电子设备的工作.我国电力系统发展迅速, 目前所发电量已居世界前列. 据估计, 世界未来10年新建电站总容量的1 /4在我国. 实施什么技术能够节约材料、能源和减少污染, 也是必须从长远考虑的3个全局性问题.FACTS技术正是解决这些问题的重要措施. 但我国电网的控制手段缺乏, 水平低, 电网稳定性的问题也很突出. 利用最新的电力电子技术和计算机实时控制及通讯技术提高输电系统的可靠性、可控性和运行效率是极为重要的, 对今后各国联合电网的形成、建设和运行, 具有重要的意义. 我国的经济正在腾飞, 积极跟踪、参与这一高新技术的研究与开发, 并争取在一些方面处于领先地位, 对我国电力经济的持续、稳定发展, 有着极为重要的战略意义 10 .参考文献 1 Gyugui L, RietmanTR. The unified power flow contler: A now approach to powermmsmlssion contnfl J. IEEE Traneacti