第一章 FACTS概念和传输系统

1 1概念 1 2电能质量的基本概念 1 3传输线路的互连 1 4并行线路中的功率潮流 1 5什么限制负荷容量 1 6传输网络互联的潮流和动态稳定 1 7几个重要参数整定的说明 1 8FACTS控制器的基本类型 1 9FACTS控制器的定义和功能简介 1 10FACTS技术的优势 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 11高压直流输电 HVDC 与FACTS的前景 1 1概述 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 下页 返回 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以接近热稳定极限 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 FACTS主要功能 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 电力系统潮流分布 传输线阻抗 发送端和接收端电压幅值 以及这两个电压相位之间相角差的函数 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 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 FACTS传输系统 FACTS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的目的一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 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 2电能质量的基本概念 电能质量 电压质量 实际电压与理想电压的偏差 电流质量 实际电流与理想电流的偏差 功率质量 电压质量和电流质量的综合 电源质量 包括电压质量的技术部分和非技术部分的 服务质量 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 电磁兼容 一个设备或一个系统在它的电磁环境中能够满意工作的能力 同时它不会对该环境中的任何其它设备造成难以容忍的电磁干扰 电压质量 可以看成是电源质量的补充 也可以看成是电流质量再加上用户的一些信用质量 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 3传输线路的互连 1 3 1为什么传输线路要互连 传输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 使发电厂的燃料成本以最低价格 安全 可靠地提供给用户 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 3 2FACTS的机遇 电力工业的不断进步 超高压 大容量 远距离输电已成为现代电力系统的重要标志 发电资源分布不均匀 需要高电压长距离输送大量的电能 随着国民经济的不断发展 电力负荷也持续增加 必须提高输电线路的输送能力 充分利用输电线路 降低输电成本的提高 减少经济损失 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 FACTS技术能够为现有的电能控制开辟一个新的途径 使现有设备的容量得到有效利用 FACTS控制器可以控制传输系统运行中相互关联的参数 使传输线路上输送的功率接近线路的热容设定值 FACTS是多个控制器的集合体 可以用来克服指定传输线路或通道的特殊限制 用FATCS改善线路传输能力 一般只需增加必要的投资FACTS技术就能不断扩展线路的传输限制 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 4交流输电系统中的功率潮流 1 4 1并行线路中的功率潮流 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 4 2网孔潮流 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 5什么限制负荷容量 限制负荷容量 热量 电介质 稳定性 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 稳定性 暂态稳定性 动态稳定性 稳态稳定性 频率崩溃 电压崩溃 次同步谐振 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 6传输网络互联的潮流和动态稳定 I UL x相位滞后UL90 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 U1处有功电流潮流 Ip1 U2sind xU1处无功电流潮流 Iq1 U1 U2cosd xU1处有功功率 P1 U1 U2sind xU1处无功功率 Q1 U1 U1 U2cosd x U2处有功电流潮流 Ip2 U1sind xU2处无功电流潮流 Iq2 U2 U1cosd xU2处有功功率 P2 U2 U1sind xU2处无功功率 Q2 U2 U2 U1cosd x 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 因P1和P2相同 所以 P U1 U2sind x 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 采用FACTS技术改善潮流的基本方式 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 7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 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 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 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 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 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 8FACTS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 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 串联型控制器 串联型控制器相当于一个可变阻抗 可以是电容器 电抗器等 也可以是一个由电力电子器件组成的可变阻抗 在主频 次同步和谐波频率 或它们的组合 变化时满足所希望的要求 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 串联型控制器以注入串联电压的形式接入线路 只要该串联电压与流过它的线电流正交 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功率的交换 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 并联型控制器 并联型控制器可以是可变阻抗 可变电源 或者是它们的组合 并联型控制器在并联连接点处给系统注入一个电流 只要该注入电流与线路电压之间的相角差为90 则并联控制器只能提供或吸收可变无功功率 任何其它的相位关系均涉及有功功率的交换 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 串串组合型控制器 这类控制器可以是各自独立的串联控制器的组合 也可以是一个统一控制器 此类控制器中 串联控制器能独立的对各自所控制的线路进行串联无功补偿控制 也可通过直流侧连接的线路与交流系统交换有功功率 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 统一串串型控制器转换的有功功率能使线路中的有功潮流和无功潮流得到平衡 并能最大限度地利用传输系统 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 串并组合型控制器 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 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 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 当并联和串联控制器在统一协调工作时 相互连接的串 并联控制器的直流侧一般都会涉及到有功功率的交换 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 特点 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 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 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 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 综合控制器是集功率潮流 电流潮流和线路电压控制于一体的有效控制器 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 FACTS控制器结构中有由直流转变成交流电的变流器 可实现与交流系统有功及无功功率的交换 在保证输出所需的电压或电流的前提下 变流器储能大小应支撑交流工作周期的十分之几的时间 具体时间应视控制器结构而定 一些其它的储能装置均可通过电力电子器件的接口方式 提供或补充变流器的直流储能 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 以变流器为基础的串联型 并联型或串并组合型控制器具有电储能的部分 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 9FACTS控制器的定义和功能简介 1 9 1FACTS的功能简介 电压源型变流器 电流源型变流器 基于电压源和电流源变流器的静止同步补偿器 STATCOM 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 带有储能的静止同步补偿器 晶闸管控制的制动电阻器 TCBR 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 静止无功补偿器 SVC 静止无功发生器 SVG 静止无功系统 SVS 晶闸管控制的电抗器 TCR 晶闸管投切电容器 TSC 和晶闸管投切电抗器 TSR 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 电力传输的柔性 在电力传输系统的不同变化或不同运行条件下 输电系统的自适应能力 以及在此条件下维持足够稳态和瞬态稳定裕量的能力 柔性交流输电系统 以电力电子器件或其它静止控制器来增强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 FACTS控制器 用来控制一个或多个交流传输系统参数的电力电子器件构成的系统或其它静止装置 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 9 2并联型控制器 静止同步补偿器 起静止无功补偿器作用的一种静止同步发生器 它并联在系统上 可控制其容性或感性输出电流 且控制与系统电压无关 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 静止同步发生器 一种静止自换相电力变流器 它由一个适当的电源提供电能 并能产生一组幅值可调的多相交流输出电压 这种变流器可与交流系统连接 以达到独立交换可控的有功和无功功率的目的 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 电池储能系统 一种带有化学储能系统的并联式电压型变流器 该变流器可快速调节提供给交流系统或从交流系统吸取的电能 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 超导磁能存储器 一种含有电力电子变流器的超导电磁储能装置 它可快速输出或吸收有功或无功功率 或者在交流系统中能动态地控制潮流 静止无功补偿器 一种并联联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 典型参数一般为母线电压 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 晶闸管控制的电抗器 一种并联联接的晶闸管控制的电感 其有效电抗值由晶闸管以不断变化的部分导通方式来控制 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 晶闸管投切电抗器 一种并联联接的晶闸管切投电感 其有效电抗由晶闸管以全部导通或零导通的跳变方式来控制 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 晶闸管投切电容器 一种并联联接的晶闸管投切电容器 其有效电抗由晶闸管以全部导通或零导通的阶跃变化方式来控制 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 静止无功发生器或吸收器 一种静止型电气装置 设备或系统 它可从电力系统吸收可控的容性和 或感性电流 或是发出或吸收无功功率 通常它是由并联联接的晶闸管控制电抗器 组 和晶闸管投切电容器组构成 静止无功系统 由各种静止和机械开关组成的无功补偿器 其输出可相互协调配合 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 晶闸管控制的制动电阻 一种并联联接的晶闸管投切电阻器 用于增强电力系统的稳定性控制 当系统出现扰动时能减小发电机组的加速功率 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 9 3串联型控制器 静止同步串联补偿器 一种静止型无外部电能支撑的串联同步补偿器 其输出电压与线路电流矢量正交 且输出电压的控制与线路电流无关 能实现增加或减小整条线路阻抗上的电抗性电压降 从而达到控制传输功率的目的 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 SSSC亦可包括瞬态额定储能或能量吸收设备 通过附加的瞬态有功功率的补偿 能增强电力系统的动态性能 并可短暂性的增大或减小整个传输线路有功 电阻性的 电压降 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 线间潮流控制器 由两个或多个静止同步串联补偿器组成的控制器 它们的直流侧互联在一起 以利于每条线路的有功功率在不同SSSC的交流端子之间双向流动 各SSSC能独立地提供无功补偿 调节每条线路上的有功功率潮流 并维持所希望的潮流分布 或者能控制各线路间的无功功率潮流 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 晶闸管控制的串联电容 一种容性电抗补偿器 它由串联电容器组与晶闸管控制的电抗器并联组成 以提供平滑变化的容性串联电抗 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 晶闸管控制的串联电抗器 一种感抗补偿器 由串联电抗器与晶闸管控制的电抗器并联组成 以得到平滑变化的串联感性电抗 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 晶闸管投切串联电容器 一种容抗补偿器 由串联电容器组与晶闸管投切电抗器并联组成 以提供串联容抗的分段控制 晶闸管投切串联电抗器 一种感抗补偿器 由串联电抗器与晶闸管控制电抗器并联组成 以得到串联感抗的分段控制 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 9 4串并联组合型控制器 线间潮流控制器 将静止同步补偿器 STATCOM 和静止同步串联补偿器 SSSC 的直流侧连接在一起的组合装置 它容许有功功率在SSSC的串联输出端和STATCOM的并联输出端之间双向流动 在没有外部储能的条件下 能提供串联线路有功和无功电流补偿 通过注入相角没有限制的串联电压 UPFC可同时或有选择地控制传输线路的电压 阻抗和传输角 还可以有选择地控制线路上的有功和无功功率潮流 UPFC也可独立地提供可控并联无功补偿 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 晶闸管控制的移相变压器 通过晶闸管投切进行调节的移相变压器 它能提供快速可变的相角 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 相间功率控制器 一种串联联接的有功和无功功率控制器 在每一相中包含感性和容性支路 且各支路分别对应各自的相移电压 利用机械或电力电子开关调节相移位置和 或支路阻抗 可独立地设置线路上的有功和无功功率 在特定情况下 当感性和容性阻抗形成共轭关系时 IPC就成为由其它端子上电压控制的无源电流源 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 9 5其它控制器 晶闸管控制的电压限幅器 一种由晶闸管投切的金属氧化物变阻器 MOV 在瞬态条件下能限制该变阻器两端的电压 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 晶闸管控制的电压调节器 晶闸管控制的变压器 可持续控制变化的被控相的电压 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 1 9 6FACTS的发展历史与应用简介 FACTS的概念之前 已出现一些电力电子控制器了 它们现都已融入FACTS技术行列之中 第一个串联型控制器 次同步振荡阻尼器是一个小功率的串联电容阻抗控制器 1995年在沙利文电站建成的StatCom 是美国历史上第一个采用GTO的大型FACTS装置 它是FACTS发展史上的一个重要里程碑 近十多年来FACTS的应用得到了长足地发展 下页 上页 返回 第一章柔性交流输电系统 FACTS 的基本概念 几个主要实用化的FACT