电力系统研究性报告

1、定义柔性交流输电系统技术（FlexibleACTransmi—sionSystems,简称为FACTS是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数（如线路阻抗）、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统 稳定水平，均衡电网潮流，充分发挥输电网络的利用率。谓“柔性控制”，主要是区别和相对于 原来交流电网中的常规“刚性控制”而言。这不仅是由于前者主要依靠电子型技术，后者常是机械型或机电型技术，更重要的差别在于其控制作用的快速性、精确性、连续性、柔韧性、有效性等。FAcrlls技术是可以灵活地控制输电系统的一项新的技 术，其中包含了几种技术，有：电力电子技术、微电子技术、通 信技术等。图1是系统等效电路，虽然它是稳态曲线而FACTS技术主要是关于系统的动态问题，但它可说明有三个影响电力系统性能的变量能直接被控制，这三个变量分别为电压、功角、阻抗。FACTS控制器就是对交流输电系统的这些参数进行控制而改善输电系统的性能。2、背景在电力系统的运行上，长期存在的巡回功率潮 流使系统容量相对减少，大系统的低频振荡也曾使系统耗费很大精力应付，而快速可控的电力电子装 置正是消除巡回功率和低频振荡的有力手段。 尤其在21世纪，输电系统运行将承担着更大的来自环境 和电力市场等方面的压力，特别是在发达国家，由于 土地征用困难和人们对高压电场的恐惧，目前修建新的输电线的阻力比以往大得多，这就要求电力公 司充分发挥已有输电线的潜力，使其运行趋近于稳 定和热极限。而提高动态和暂态稳定的最有效手段 是采用快速反应的可控电力电子装置。另外，电力 供应的市场化，使同一电网上不同公司、不同电厂的电能售价不同，用户购电有可能选择对他有利的电 力供应途径，这就要求系统有更可控的运行环境。上述的压力产生了增大输送能力、保持系统稳 定、优化系统运行等需求。针对上述压力和需求应运而生的FACTS从根本上改变了交流输电网过去 基本只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制和优 化技术措施的局面。FACTS装置为交流输电网提供 了空前快速、连续和精确的控制以及优化潮流功率 的能力，同时可以确保系统稳定性，并有助于在事故时防止连锁反应造成的大停电结局。FActs技术已经逐渐被大家所熟知，其产生背景可以概述 如下：（1）由于传统的交流电力系统的可控性较差； （2）在保证电力系统安全可靠的同时，需要提高输电能力； （3）由于资金短缺、环境限制等原因，建设新的输电线路日 益困难；(4)由于高压直流输电的快速发展促使FActs技术产生。3、 功能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。例如：一条500kV线路的安全送电极限为1000—2000kW，线路的热极限为3000kW，采用FACTS技术后，可使输送能力提高 50%〜100%。FACTS的出现对电网的建设规划和设计将产生重大的影响。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 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；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，减少事故恢复时问及停电损失。 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弓I起的连锁跳闸是十分有利的。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TOC\o"1-5"\h\z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中功能得到提高。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。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 、功率调制等。可归纳为：①较大范围地控制潮流；②保证输电线输电容量接近热稳定极限；③在控制区域内可以传输更多的功率，减少发电机的热备用；④依靠限制短路和设备故障的影响防止线路串级跳闸；⑤阻尼电力系统振荡。4、 特点：柔性交流输电技术能有效提高交流系统的安全稳定性。可以满足电力系统长距离、大功率、安全稳定输送电力的要求， 柔性交流输电技术从根本上改变了交流电网过去基本上只依靠缓慢、间断以及不精确设备进行机械控制的局面， 为交流输电网提供了控制快速、 连续和精确的控制手段以及输送优化潮流功率的能力， 保证了系统稳定性，有助于在事故发生时防止连续反应造成的大面积停电。柔性交流输电技术的经济性很好。首先，它完全能与原输电方式协调，无机械磨损，控制信号功率小、控制灵活性高，能快速、平滑调节，可灵活、方便、迅速地改变系统潮流分布，提高系统的稳定性。其次，采用柔性交流输电技术的线路， 输送能力可增大到接近导线的热极限，提高了送电线路的利用率。再次，柔性交流输电技术能够提高联络线的输电能力，减少发电机备用容量。最后，采用柔性交流输电技术，电网和 设备故障的影响可以得到有效的控制，防止事故扩大，减轻系统事故的影响。5、设备分类

KlFACTSXX分英类别中文名称英文K称朗联■博管控制串联电SS.IfrS同步串联补燃器TCSCSSSC井联和土无功补偿备静止无功发生器可控制动电阴SVCSTATCOMTCBRSMES里晶闸嘗桂利移相器UPFCTOPS6、原理6.1静态无功补偿器（SVC）6.1.1SVC的工作原理SVC主要通过晶闸管在电力系统中进行电感和电容的投切，实现无功补偿。目前电力系统中常用的SVC的主要结构包括晶闸管控制电抗器 （TCR）晶闸管投切电容器（TSC，滤波器和降压变压器，如图 2.1所示。滤波器主要用来吸收由于阀的作用缠上的谐波，降压变压器用来降低 SVC的工作电压并降低其成本。SVCSVC当通过晶闸管来控制TSC中的电容以及TCR中的电抗投切时，若SVC吸收无功时伏安特性为感性，若SVC发出无功，其伏安特性表现为容性。A1“VC—/十\/ —留22iSVC的伏安特性因此在电力系统中，可以将SVC等效为一个可控大小的电纳图23SVC等效fft路图作为电力系统中应用最为广泛的 FACTS设备，SVC通常用来提高电力系统电压稳定性以及抑制电力系统低频振荡。稳定电力系统电压。SVC通过晶闸管投切电容和电感，能够就地对电力系统中的无功不平衡部分进行补偿，从而为电力系统提供电压支撑。抑制电力系统低频振荡。通过 SVC的电压调制功能，能够有效电力系统低频振荡。6.2静止同步补偿器(STATCOM)STATCOM利用半导体换流技术实现电力系统无功补偿。随着电力电子技术的不断发展，STATCOM技术也在不断进步。由于STATCOM具有比SVC更好的补偿特性，因此日益受到学术界和工程借的重视。按照储能元件的不同， STATCOM的主电路的结构分为电流型桥式电路和的电流型桥式电路，如图2.4所示。电压型桥式电路中直流侧使用的储能元件是电容，而电流型桥式电路中直流侧储能元件为电感。电流型桥式电路 STATCOM由于发生短路故障时危害较大而且效率较低，实际工程中多采用电压型桥式电路STATCOM图24a电压型桥式电帰STATCOMb电汛型桥成电緡SUTCOM通过电力电子开关，STATCOM在工作时能够直流侧的电压转化为与交流侧同频率的电流，且电流幅值和相位都可控，因此可以将 STATCOM等效为一个电流幅值相位可控的直流电流源，并就地进行无功补偿。 STATCOM的伏安特性如图2.5所示。图25STATCOM伏安特性STATCOM同样是电力系统当中应用非常广泛的一种 FACTS装置，在电力系统当中的作用有：提高电力系统电压稳性。 STATCOM能够半导体换流技术实现就地补偿无功，为电力系统提供电压支撑。比起SVCSTATCOMM有更好的补偿特性。2.提高电力系统低频振荡阻尼。 STATCOM能够通过增加附加控制实现电压调制，抑制电力系统低频振荡。4可控串联补偿器(TCSC)4.1TCSC的工作原理TCSC1过补偿电容器对电力系统输电线路电抗进行补偿，能够缩短电气输电距离，并提高输电线的功率传输容量。另外，利用电力电子技术， TCSC能够调节补偿度大小，对输电线路阻抗以及传输功率进行灵活控制，从而通过功率调制来抑制电力系统低频振荡。TCSC勺基本结构如图2.6所示，其结构主要包括串联补偿电容 C和与其并联的晶闸管可控电抗器(TCR。此外TCSC的结构还包括旁路断路器和氧化锌避雷器(MOV)。MOV-TCR图2.6TCSC结构图通过改变晶闸管的触发角，能够改变通过电抗 L的电流大小，从而控制TCSC的补偿电容的大小，因此在电力系统中可以将 TCSC等效为可控串联补偿电容，如图2.7所示：图2,7TCSC5效电路TCSC乍为一种重要的FACTS装置，在电力系统当中起到了广泛的作用，主要包括：1.提高电力系统的功率传输能力。通过 TCSC减小输电线路的阻抗大小，能够增加该线路在稳态及动态情况下的稳定裕度，提高功率传输极限。2•控制电力系统潮流。通过改变线路阻抗， TCSC能够改变电力系统潮流分布，使电力系统实现最优潮流。抑制低频振荡。利用TCSC调节线路阻抗大小，可以功率功率调制来低频振荡。6.4统一潮流控制器(upFc)UPFC的原理结构如图2-1所示。图2-1中并联换流器的作用相当于静止同步补偿器(STATCOM,串联换流器的作用相当于静止同步串联补偿器( SSSC,两者通过直流电容上的电压提供电源，其中有功功率可以在 2个换流器的交流端向任一方向自由流动，并且可以在其交流输出端独立的发出或吸收无功功率。

IVbIVsl4IVbIVsl4图2-1UPFC勺原理结构并联换流器在公用直流联结处提供或吸收串联换流器所需要的有功能量， 经换流后到交流端送入与输电线路并联的变压器，因此在稳态时，不考虑自身损耗， UPFC的两侧有功功率相等，直流电容器既不发出也不吸收有功功率，电压 保持恒定。同STATCOM原理相同,并联换流器能够可控的产生或吸收无功功率，当系统需要时，可为线路提供动态无功补偿；串联换流器可控制保持为0和以内，并且使相角保持在0和之间，并通过串联变压器将电压叠加到线路电压上。通过控制 的幅值和相角，UPFC就可实现传统的电力传输中的串联补偿和移相等功能。2.2UPFC的功能UPFC是由串联补偿的SSS(和并联补偿的STATCOM有机结合构成的新型潮流控制装置，能同时调节线路阻抗、节点电压幅值和相位，仅通过控制规律的改变，就能实现并联补偿、串联补偿和移相等多种功能，达到优化系统潮流分布、最大化电网传输能力、改善系统动态响应性能等目的。(c)(d)(a)(b)(c)(d)(a)(b)图2-2为UPFC的各种控制功能。图2-2(a)为电压调节功能，即UPFC串联注入电压与送端电压的方向相同或相反，即只调节电压的幅值，不改变电压的相位。图 2-2(b)为串联补偿功能，补偿电压与线路电流的相位垂直。图 2-2(c)为相角调节功能，即不改变电压的幅值，只改变电压的相角，此时UPFC产生的补偿电压在图中所示的弧线上， 相当于移相器。图2-2（d）为自动潮流控制功能，此时UPFC是前面三种功能的综合。UPFC的控制器可以根据系统的需求，选择一种或多种功能的组合作为其控制目标。UPFC不同于其它FACTS装置之处在于，它能同时控制母线电压、线路有功和无功潮流。在电网中应用UPFC第一，能够合理控制线路潮流，实现经济运行；第二，有助于实现无功优化，提高系统电压稳定性；第三，施以合适的控制， UPFC能够改善系统阻尼，提高功角稳定性。7、当前局限性1“升流”能力有局限性 FACTS控制器的功能的确较好，但超高压长距 离重载线路的其他约束条件（如线损、压降、弧垂、事故后影响等）能否允许这样输送还是一个未知数，尤其是它的可靠性。所以起码在 FACTS初期发展的这10余年内，其输送能力只允许提高到一定水平，而很难应用它达到热极限而取代下一级输电电压。4.2FACTS控制器的造价FACTS控制器的结构、功能等各异，造价也不 一。像已有的SVC或Station的造价基本还可为电力公司所接受，但串联型的TCSC或正在研制的综合潮流控制器（UPFC的造价则高得多。这些产品 要广泛应用于电力公司，必须进一步降低造价。4.3FACTS对现有研究和试验工具提出了新要求为了适应FACTS应用的研究，所有成熟的电力系统分析软件包（包括运行分析程序包、规划程序软件、EMTP等）和各种试验工具（动态模型、数字仿真试验室、交直流输电模型等）都需要补充FACTS控制器的附加模型和相应算法或子程序，并能适应其动态动作的要求。4.4需预防FACTS控制器与电力设备及其他控 制器之间的不良作用 目前的FACTS控制器大多仍属于晶闸管控制型的，它必然会产生高次谐波甚至谐波谐振等类问题。FACTS控制器之间，FACTS控制器与按分散控制理论设计的已有快速控制器之间， FACTS控制器与常规机械操作型控制器之问，各种装置的相互管制或相互作用必须认真研究。国外对这些快速动作装置的协调控制或分层控制的方法作了探讨，也提出了一些建议，但还只是初步的工作。4.5FACTS控制器对一些辅助性支持技术将提出新要求当FACTS应用较普遍时，其对新的支持技术的需要，如高分辨率的时间系统、相角值的远方传送和测量等，将逐渐显现出来。更为重要的是，作用的快速性和准确性将对计算或启动条件等所需参数的准确性提出新的要求。4.6切换用的电力电子断路器（SSCB近期内难以实现输电线的切换操作和事故快速断开、重开等开关设备是提高输电线和输电网可控性能的重要器件，它的电力电子化的意义重大。但是，SSCB和TCSC可控串联补偿）相比，SSCB的高压和断流部件还有很长的一段路程要走，这与技术上和造价上的困难是密切相关的。8、未来和在中国的发展鉴于FACTS的广泛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，美国、日本、巴西以及德国、瑞典、意大利、英国等欧洲一些发达国家已投入大量的资金和人力对此进行研究和开发，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，并已取得了许多可喜成果。1991年12月，世界上第1台晶闸管控制的串联电容已在美国投入运行。国际大网络会议（CIGRE也于1990年成立了相应的专门