FACTS（概述发展历史、基本原理并比较各种元件的特性）.docx

武汉大学柔性交流输电系统（FACTS）技术综述专 业：电力电子技术姓 名：凡 念学 号：2009202070159电气工程学院2009 年 12 月 17 日0柔性交流输电系统（FACTS）技术综述学号：2009202070159姓名：凡念（武汉大学电气工程学院，湖北，武汉）摘要：介绍柔性交流输电系统（FATCS）的概念和基本原理以及其在电力系统中的发展状况和广阔的应用。对于现有的各种FACTS中的装置如TCSC、STATCOM、CSC、SSSC等的基本原理作了详细的介绍，同时把FACTS未来的发展趋势也作了简单的介绍。Review of FACTS TechnologyStuNo：2009202070159Name：FanNian（College of Electrical Engineering of WHU ，Hubei， Wuhan）Abstract: The concept and fundamental principle of Flexible AC Transmission System (FACTS) is presented, as well as its development and application prospect in power system. The basic principles of existing FACTS devices such as TCSC, STATCOM, CSC, SSSC, etc are introduced in detail, and made a brief introduction of trend of FACTS development in future.1 简介柔性交流输电系统(Flexible AC Transmissions System，简称FACTS)技术是一种将电力电子技术、微机处理技术、控制技术等高新技术应用于高压输电系统，以提高系统可靠性、可控性、运行性能和电能质量，并可获取大量节能效益的新型综合技术，世界各国电力界对这项具有革命性变革作用的新技术格外重视。FACTS技术发展的背景是基于输电线运行的需要、电力电子技术和元器件的发展支持、已有FACTS技术产品的研制和运行经验的积累等4个方面。FACTS具有控制交流输电系统相关参数的能力(如串联阻抗、相角)和抑制系统中出现的振荡，使输电线路运行在热稳定的额定范围内，并使电力潮流得到连续控制、增加控制区域内转换功率的能力。电力电子技术的发展是实现FACTS的关键。目前大容量的电力电子器件如GTO晶闸管已经商品化，它能在十几ms内切断和导通6000V电压、6000 A电流的功率，而其重量只有12 kg。电力电子器件配套的驱动、串并联、保护和冷却等技术日趋完善，使电力电子控制器组合的应用成为可能，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，简称TCSC)、静止同步并联补偿器(Static Synchronous Compensator，简称STATCOM)、静止同步串联补偿器(Static Synchronous Series Compensator，简称SSSC)、可转换的静止补偿器(Convertible Static Compensator，简称CSC)、统一潮流控制器Unified Power Flow Controller，简称UPFC)、电压源转换器(Voltage Source Converter， 简称VSC)、可控移项器(Thyristor Controlled Phase Regulator，简称TCPR)、超导储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage，简称SMES)等。这些装置同微处理器的速度和精度一起运作，为电力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。2 FACTS在输电系统中的应用(1)为了提高输电线路的输送容量采用FACTS技术可使输电线路的输送功率极限大幅度提高至接近导线的热极限，这样可减缓新建输电线路的需要和提高输电线路的利用率。FACTS的出现将对电网的建设规划和设计产生重大的影响。(2)优化输电网络的运行条件FACTS控制器有助于减少和消除环流或振荡，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；可以保证更合理的最小网损并可以减小系统热备用容量。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设备的快速、平滑的调整，可以方便、迅速地改变系统潮流分布。这对于正常运行方式下控制功率走向以充分挖掘现有网络的传输能力以及在事故情况下防止因某些线路过负荷而引起的连锁跳闸是十分有利的。(3)扩展了电网的运行控制技术FACTS控制器一方面可对已有常规稳定或反事故控制(如调速器附加控制、汽门快并控制、自动重合闸装置等)的功能起到补充、扩大和改进的作用。另一方面，电网的EMS系统必然要将FACTS控制器的作用综合进去，使得EMS中的AGC、EDC和OPF等功能的效益得到提高。有助于建设全网统一的实时控制中心，从而使全系统的安全性和经济性有一个大的提高。(4)改变了交流输电的传统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，但是换流站的一次投资很高。而应用FACTS控制器的方案常常比新建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。3 国内外的研究历史柔性交流输电系统的概念是由美国电力科学研究院N.G.Hingorani博士于1988年首先提出的，在此以前出现的静止无功补偿设备（Static Var Compensator， SVC）也属于此范畴。1997年IEEE PES 冬季会议上正式对FACTS做了定义。从早期出现的SVC开始，FACTS技术的发展经过了近30年，按其性能和功能的不同可分为以下三代，而是否含有常规的电力器件（电容器和电抗器，抽头和抽头变压器等）可以说是FACTS技术发展的分界线。第一代FACTS技术。从20世纪70年代出现的SVC开始，装置主要由晶闸管开关快速控制的电容器和电抗器组成，其技术基础是常规晶闸管整流器械(SCR)，后出现了晶闸管控制的串联电容器(TCSC)，它利用SCR控制串接在输电线路中的电容器组来控制线路阻抗，从而提高输送能力。第二代FACTS技术。装置的外部回路中不需要加设大型的电力设备(指电容器和电抗器组或移相变压器等)。如静止无功率发生器(SVG)和串联补偿器(SSSC)设备采用了门极可关断设备等全控制器件，其电子回路模拟出电容器和电抗器组的作用，装置造价大大降低，性能大大提高。第三代FACTS技术。将两台多台控制器复合成FACTS装置，并使其具有一个共同的、统一的控制系统。美国是FACTS的发源地，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EPRI和西屋公司研制的1Mvar静止无功补偿器(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、230 kV、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的FACTS设备。美国EPRI、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。近年来，中国电力工业发展迅速。随着新建电厂的不断并网发电，中国电力系统总装机容量上了新的台阶，然而整个电力系统出现了输电网络建设滞后于电厂建设的问题。许多长距离输电线输送的功率受到稳定极限的限制，这些输电线线路中间和受端由于缺乏强有力的电压支撑，其稳定极限大大低于其热稳定极限。这导致送端的发电厂窝电现象突出，发电厂的容量不能得到充分地应用。如何提高长距离输电线的稳定极限接近甚至达到其热稳定极限是一项有价值而且紧迫的工作。FACTS技术为增强输电系统提供了新的手段。安装在长距离输电线中间或受端的静止无功补偿装置(STATCOM)能够提供电压支撑从而能极大地提高长距离输电系统的稳定性。1985年，华北电力学院研制出了中国第一台基于晶闸管的新型静止无功发生器的实验样机。1994年，在中国电力部的支持下，清华大学与河南省电力局签订了合作研制中国首台20MVA STAT2COM工业装置的合同。该项目代表了中国在工程应用领域正式研制FACTS技术装置的新开端。该项目作为电力部的重大攻关项目获得了中国电力工业界普遍的关注。1996年，作为第一阶段的成果，基于GTO的300 kVA STATCOM模型样机在河南省郑州孟砦变电站投入运行。现场测试获得的良好的静态和动态特性表明STATCOM装置在提高系统性能方面的有效性和装置本身设计的正确性。1999年3月，20MVA STATCOM工业装置成功地在河南省洛阳朝阳220 kV变电站投入运行，这标志着中国FACTS技术发展进入了一个新的阶段。该项目在2000年6月通过由中国电力部组织的鉴定。4 FACTS技术的分类和技术原理FACTS接入系统方式可分为并联型，串联型和综合型。并联型FACTS设备包括SVC和STATCOM（SVG），主要用于电压控制和无功潮流控制；串联型FACTS包括可控串补TCSC和基于GTO的串联补偿器SSSC，GCSC，晶闸管投切串联电容补偿器TSSC，主要用于输电线路的有功潮流控制、系统的暂态稳定和抑制系统功率振荡；综合型FACTS设备主要包括潮流控制器UPFC和可控移相器TCPR，UPFC适用于电压控制、有功和无功潮流控制、暂态稳定和抑制系统功率振荡，TCPR适用于系统的有功潮流控制和抑制系统功率振荡。各种类型设备的技术原理介绍如下：4.1 并联型FACTS装置典型的并联型FATCS装置是SVC和STATCOM，它们代表了FATCS技术发展的两个阶段。三相并联型补偿控制器的拓扑结构如所示，与系统并联连接等效为一个受控电流源，主要适用于电流源型感性负载，向系统注入或者吸收电流，进行有功功率的控制和无功功率的补偿，还可以调节补偿器直流侧的电压。并联型补偿控制器是通过耦合变压器(或者直接)并联在系统上的，不会对系统的运行造成影响，具有投切方便、灵活以及各种保护简单的优点，但是并联补偿器的容量一般较大。SVC(Switching Var Converter)静止无功补偿器。SVC使用晶闸管来快速调整并联电抗器的大小及投切电容器组，使得整个装置的无功输出呈现连续变化，并可兼有事故时的电压支持作用，维护电压水平，消除电压闪变、平息系统振荡等。可以静态或动态地使电压保持在一定范围内，从而提高电力系统的稳定性。常用的SVC装置有TCR(Thyristor-controlled Reactor)晶闸管控制电抗器，TSC(Thyristor Switching Capacitor)晶闸管投切电容器，及它们的组合装置。TCR的基本电路图如图 1所示，通过相控调节晶闸管开通，改变加在晶闸管两端的等效电压，达到改变电感注入电网的无功的大小。图 1 TCR基本电路图TSC的基本电路图如图 2所示，通过相控调节，与TCR不同的是，由于电容两端的电压不能突变，电容的接入必须注意只有在电网电压与电容两端电压相同时才能投入，否则将引起冲击电流的产生。图 2 TSC基本电路图STATCOM(Static Synchronous Compensator)静止无功同步补偿器，主回路主要是由大功率电力电子器件（如门极可关断晶闸管GTO）组成的电压型逆变器和并联直流电容器构成，是与传统SVC原理完全不同的无功补偿系统。这种装置脱离了以往无功功率概念的约束，不采用常规电容器和电抗器来实现无功补偿，而是利用逆变器产生无功功率。它所输出的三相交流电压通过变压器与系统电压同步，并通过控制来调节无功功率的输出，当时，输出容性无功功率；当时，输出感性无功功率，因此，设备无功功率的大小都由它输出的电流来调整，而其输出的电流与系统电压基本无关，这些功能、原理上类似于同步调相机，但它是完全的静态装置，因此STATCOM又称为静止调相器，它的动态性能远优于同步调相机，启动无冲击，调节连续范围大，响应速度快，损耗小。由于采用了GTO，可以避免换相失败，直流侧的电容器只是用来维持直流电压，不需要很大容量，而且可以用直流电容器构成，因而装置体积小且经济。典型的STATCOM的结构如图 3所示。图 3 STATCOM的拓扑结构图4.2 串联型的无功补偿装置 GCSC(GTO Thyristor-Series Capacitor)GTO控制串联电容器，由Karady在1992年提出，它的电路图如图 4所示，它由一个固定的电容器与GTO管并联组成，通过GTO的开通于关断，短接电容器或者向系统中投入电容器，从而改变串联在线路中的电容值的大小。图 4 GTO控制串联电容器TSSC(Thyristor-Switch Series Capacitor)晶闸管投切串联电容器的基本电路如图 5所示，它由多个并联了晶闸管的电容器所串联组成，它与GCSC的工作方式十分相似，但是由于串联在一起它由很多不一样的功能，图 5 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，是Vithayathil与他人一起在基于快速自适应网络的理论的基础上提出的，其电路如图 6所示图 6 晶闸管控制串联电容器SSSC(The Static Synchronous Series Compensators)静止同步串联补偿器（图 7）可以等效为一个受控电压源，主要是抑制电压型谐波和系统侧电压的波动及闪变等，消除电压波动对敏感负载的影响。串联型补偿控制器可以消除系统不平衡、改善配电网的稳定性、削弱系统阻尼振荡，通过控制受控电压源的幅值、相位，可以对系统进行有功功率的控制和无功功率的吸收或者注入。图 7 串联补偿器的拓扑结构图4.3 综合型FACTS设备UPFC(Unified Power Flow Controller)是柔性交流输电系统(FACTS)技术中最引人注目、最有应用前景的一种电力补偿装置，其应用非常广泛。图 8 统一潮流控制器的拓扑结构图UPFC主要用于输电网，控制有功潮流和吞吐无功功率，能够实现串联补偿、并联补偿、移相控制、阻抗模拟和实时控制传输线路潮流等，从而提高线路的传输能力和稳定性，还可以抑制阻尼振荡。UPFC的拓扑结构如图 8所示，其主电路是由串联变流器和并联变流器组合而成。串联变流器向线路注入一个幅值和相位均可调的串联电压，控制线路的有功、无功功率，从而起到潮流控制调节的作用；并联部分可以控制UPFC内部有功功率的平衡，并提供部分无功功率补偿，可以看作是可控的并联静止无功补偿器。混合型有源电力滤波(APF)图 9 混合型有源电力滤波器的拓扑结构图目前，有源电力滤波器被认为是最具潜力的谐波抑制方式，是近年来电力电子技术领域的研究热点，具有很多优点：1)可对谐波和无功功率进行动态控制，响应速度快；2)受电网侧阻抗等参数的影响不大，不容易发生谐振；3)可对任意谐波、多个谐波进行补偿，补偿灵活性高、效果好。根据接入电网的方式，有源电力滤波器可以分为串联型、并联型和混合型，混合型有源电力滤波器如图 9所示。电力电子器件出现以前，常用无源方式进行谐波抑制和无功补偿，应用比较成熟，具有结构简单、容易设计、成本低廉等优点，但是其控制效果在很大程度上依赖于系统的阻抗特性，并容易受到温度漂移、元件老化及负载变化的影响，控制效果往往不够理想，有的时候还容易引发谐振等问题。近几十年来，随着电力电子器件的迅猛发展及PWM技术的成熟应用，采用有源方式控制谐波和补偿无功功率获得了极大的发展。有源控制方式具有响应速度快、控制方式灵活、效果好的优点，广泛地应用于电力系统的各个领域。无源滤波器的成本低，但是控制效果不理想，而有源电力滤波器的控制效果好，但是成本比较高，混合型滤波器综合了二者的优点，使用非常普遍。其中LC无源滤波部分消除了大量的低次谐波，因而有源滤波部分的容量可以做到很小(负荷容量的5%左右)，大幅度的减小了有源电力滤波器的体积和成本。5 一种新的PWM算法在FACTS控制上的应用作为现代电力电子技术中最基本的核心内容之一，PWM(Pulse Width Modulation)技术在近几十年获得了深入的研究和广泛的应用，涉及静止无功补偿、有源电力滤波、统一潮流控制、超导储能、高压直流输电、电气传动、新型UPS以及可再生能源的并网发电等各个电力领域。电力电子器件在大功率(MW级)场合（FACTS装置多为使用此类器件）的工作频率一般低于1000Hz，为了得到良好的控制效果，必须对PWM输出波形的所有独立开关时刻进行优化处理。在选择性谐波消除技术基础之上发展起来的非对称优化PWM方法拥有比选择性谐波消除(Selective Harmonic Elimination)方法多一倍的开关角自由度，在电力电子器件工作于低频状态的前提下，可以同时控制PWM输出波形中基波、谐波的幅值和相位，对于降低电力电子装置本身的开关损耗和电磁干扰，控制系统的谐波、有功功率和无功功率有重要的意义。事实上，非对称优化PWM方法能够应用在任何需要同时对基波、谐波的幅值和相位进行控制的场合，例如有源电力滤波、柔性交流输电、可再生能源的并网发电等等。在需要同时对基波、谐波的幅值和相位进行控制的大功率场合，目前的各种PWM技术都存在一定的局限性。非对称优化PWM方法是一种可以应用于大功率场合的PWM技术，其电力电子器件工作在低频状态，能够大幅度减小开关损耗及电磁干扰。与其他的PWM技术相比，在对基波、谐波获得相同控制效果的前提下，非对称优化PWM方法的工作频率最低。从SHE PWM技术的提出及其发展历程来看，其目标是控制输出波形的基波幅值，同时消除某些特定谐波，常常用作逆变电源的PWM控制技术。虽然SHE PWM技术可以对系统进行基波无功补偿，但是在需要同时对基波、谐波的幅值和相位控制的场合，SHE PWM技术并不适用。例如，在有源电力滤波器中，其主电路要求产生幅值和相位皆可控制的电压或电流以消除线路中的谐波电流；在统一潮流控制器中，对系统的有功和无功进行控制，也需要产生幅值和相位皆可控制的电压或电流。SHE PWM技术从原理上有其固有的局限性，为了弥补它的不足，放弃SHE PWM技术输出波形的1/4周波对称特性，保留其1/2周波反对称特性，通过傅立叶分析可知，PWM输出波形不含有直流分量和偶次谐波，而基波和奇次谐波也同时拥有幅值和相位信息，称为非对称优化PWM方法。相应的，非对称优化PWM方法比SHE PWM技术要多一倍的独立开关角。很明显，SHE PWM技术是非对称优化PWM方法的特例，所以非对称优化PWM方法具有SHE PWM技术的某些特点。非对称优化PWM方法的工作频率低，可以广泛地应用在大功率有源电力滤波、电力系统无功补偿等任何需要同时控制基波、谐波的幅值和相位的场合，对于减小装置的开关损耗、提高工作效率、降低电磁干扰等具有巨大的经济意义。总的说来，非对称优化PWM方法具有许多的优点：1) 能够同时对基波、谐波的幅值和相位进行控制，具有广阔的应用前景；2) 在低的工作频率下，可以获得较高控制质量的PWM输出波形；3) 较低的工作频率适用于大功率场合，而绝大多数PWM技术的工作频率都高于2kHz，不太适合在大功率场合的应用；4) 可以采用过调制方式提高直流电压利用率；5) 电力电子器件工作在低频状态，有利于减小和浪涌电压，降低电力电子器件的开关损耗和电压应力，提高装置的工作效率，减小电磁干扰；6) 顺应数字化控制的趋势，可以有效地将各种保护、控制集成在一个微处理芯片中，后续产品的功能改进不需要大量增加硬件成本，装置的二次开发效率更高；特别是近年来，数字电子技术的发展为非对称优化PWM方法的实际应用提供了更好的条件：1) 高性能、多功能微处理器的出现；2) 大容量存储芯片成本的降低；事实上，由于非对称优化PWM方法可以同时控制基波、谐波的幅值和相位，所以从理论上讲非对称优化PWM方法可以应用于任何抑制谐波和控制有功功率、无功功率的场合，而且低的工作频率带来较小的电磁干扰和开关损耗，尤其适用于大功率场合。关于非对称优化PWM方法的具体原理和调制方式，有兴趣可以参考相关文献，这里不具体介绍。6 智能电网和FACTS智能电网要广泛应用先进的设备技术，极大地提高输配电系统的性能。未来的智能电网中的设备将充分应用在材料、超导、储能、电力电子和微电子技术方面的最新研究成果，从而提高功率密度、供电可靠性和电能质量以及电力生产的效率。未来智能电网将主要应用三个方面的先进技术：电力电子技术、超导技术以及大容量储能技术。通过采用新技术和在电网和负荷特性之间寻求最佳的平衡点来提高电能质量。通过应用和改造各种各样的先进设备，如基于电力电子技术和新型导体技术的设备，来提高电网输送容量和可靠性。配电系统中要引进许多新的储能设备和电源，同时要利用新的网络结构，如微电网。经济的FACTS装置将利用比现有半导体器件更能控制的低成本的电力半导体器件，使得这些先进的设备可以广泛的推广应用。分布式发电将被广泛地应用，多台机组间通过通信系统连接起来形成一个可调度的虚拟电厂。超导技术将用于短路电流限制器、储能、低损耗的旋转设备以及低损耗电缆中。先进的计量和通信技术将使得需求响应的应用成为可能。大力发展FACTS技术，将是未来电网发展的趋势。7 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。国际大电网会议(CIGRE)也于1990年成立了相应的专门研究小组，多次