柔性交流输电技术的发展及其应用

柔性交流输电技术的发展及其应用

摘要：根据世界上柔性交流输电技术的发展和应用现状，对其特点和功能进行了详细的论述和分类，从多方面叙述了它的先进性、可用性和重要意义，最后介绍了该项技术在世界上的应用情况。

关键词：柔性交流输电技术；有功潮流；无功潮流；潮流控制；稳定性

柔性交流输电技术(flexible alternative current transmission systems，FACTS)是将电力电子技术、微处理机技术和控制技术等高新技术集中应用于高压输变电系统，以提高输配电系统可靠性、可控性、运行性能和电能质量并获取大量节电效益的一种新型综合技术。早期受电力电子设备发展的限制，使FACTS技术在经济上和运行可靠性方面优势不明显。随着大功率高电压电力电子技术、微处理机技术和控制技术在近十几年的高速发展和日益成熟稳定，FACTS技术可靠性有了大大的提高，造价也不断降低，使直接对高电压大功率的输电系统进行可靠和快速控制已成为可能，而与电力电子元器件配套的驱动回路、保护和冷却等辅助技术也日趋完善，使FACTS技术逐步进入了实用阶段。

FACTS 技术的发展和现状

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 com pensator, SVC)也属于此范筹。

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技术的发展经历了20多年。按其性能和功能的不同可划分为以下三代，而是否含有常规电力器件(电容器和电抗器，抽头，抽头变压器等)可以说是FACTS技术发展的分界线。

a) 第一代FACTS技术

从20多年前就出现的SVC开始，主要由晶闸管开关快速控制的电容器和电抗器组成的装置，以提供动态电压支持，其技术基础是常规晶闸管整流器(semiconductor controlled

rectifier,SCR)，后来出现的第一代FACTS装置是晶闸管控制的串联电容器(thyristor controlled

series compensator,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。

b) 第二代FACTS 技术

这一代装置同样具有支持电压和控制功率等功能，但在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)。这些新装置如静止无功发生器(static

compensator，STATCOM)和串联补偿器(solid state series compensator, SSSC)设备采用了门极

可关断设备(gate turn off thristor, GTO；insulated gate bipolar transistor, IGBT)等一类全控型器件，起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，性能却明显提高。c) 第三代FACTS 技术

将两台或多台控制器复合成一组FACTS装置，并使其具有一个共同的、统一的控制系统。如将一台STATCOM和一台SSSC复合而成的综合潮流控制器(unified power flowcontroller，UPFC)，它可以控制线路阻抗，电压或功角的方法同时控制输电线路的有功和无功潮流。调

节双回路潮流的线间潮流控制器(inter phase power flow controller, IFPC)和可控移相器(thyristor controlled phase angle regulator, TCPR)都属于复合控制器。

FACTS技术用于配电领域也取得了显著进展，它主要用于改善配电网的电压和电流质

量，包括有功、无功电压、电流的控制、高次谐波的消除，蓄能等应用。目前已开发的装置

有SVC、配电静止补偿器(D STATCOM)、电池蓄能器(BESS)、超导蓄能(SMES)、有源电力滤

波器(APF)、动态电压限制器(DVL)及固态断路器(SSCB)等。在此，主要介绍输电用的FACTS 技术。

技术的分类及其技术原理

FACTS技术按其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)，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：

2.1并联型FACTS装置

典型的并联型FACTS装置是SVC和STATCOM，它们代表了FACTS技术发展的两个阶段：是指由固定电容器组、晶闸管控制的电容器组(TSC)和电抗器组(TCR)组合成的无功补偿系统。通过调节TCR和TSC，使整个装置无功输出呈连续变化，静态和动态地使电压保持在一定范围内，提高系统的稳定性，但由于这种设备在电网电压的波动超出一定范围时表现出恒阻抗特性，因而在电网电压波动大时不能充分发挥其作用。

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V0通过变压器与系统电压Vs同步，并通过控制V0来调节无功功率的输出，当V0＞Vs时，输出容性无功功率；当V0＜Vs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。

2.2串联型FACTS装置

典型的串联型FACTS装置是可控串补(TCSC)和基于GTO的串联补偿器(SSSC)。

TCSC通常指采取晶闸管控制的分路电抗器与串联电容器组并联组成的串联无功补偿系统，通过改变晶闸管的触发角来改变分路电抗器的电流，使串联补偿器的等效阻抗大小能够连续平滑快速变化，因而TCSC可以等效成一个容量连续可变的电容器，其接入的输电线路的等效阻抗也可以连续变化，在给定的线路两端电压和相角情况下，线路的输送功率将可实现快速连续控制，以适应系统负载变化和动态干扰，达到控制线路潮流，提高系统暂态稳定极限的目的，也可以用于阻尼系统功率振荡和抑制次同步振荡。

SSSC是指采用大功率电力电子器件(如GTO)组成的电压型逆变器和并联直流电容器构成的串联补偿器，其基本结构和STATCOM类似，不同的是装置通过变压器串接入高压线路中，但原理与TCSC不同，TCSC在串入线路中可以等效成可变容抗，而串入的SSSC可以等效成电压源，其输出的是与串入线路的电流幅值基本无关的电压量，通过控制换流器，连续改变其输出电压的幅值和相位，从而改变线路两端的电压(幅值和相位)，实现对线路有功、无功潮流的控制和阻尼系统的功率振荡，提高系统暂态稳定极限的目的。

2.3综合型FACTS装置

典型的综合型FACTS设备是综合潮流控制器(UPFC)。

UPFC是将并联补偿的STATCOM和串联补偿的SSSC组合成具有一个共同统一的控制系统的新型潮流控制器，它结合了多种FACTS技术的灵活控制手段, 是FACTS技术中功能最强大的装置，它通过将换流器产生的交流电压串接入相应的输电线上，使其幅值和相角均可连续变化，从而控制线路等效阻抗，电压或功角，同时控制输电线路的有功和无功潮流，提高线路输送能力和阻尼系统振荡，它最基本的特点之一是注入系统的无功是其本身装置控制和产生的,但注入系统的有功必须通过直流回路由并联回路STATCOM传至串联回路SSSC，作为UPFC 整体, 并不大量消耗或提供有功功率。

FACTS技术的作用及适用范围

FACTS技术由于采用具有单独或综合功能的电力电子控制装置，比常规的输电控制技术，如串并联电容电抗、PSS和同步调相机等具有优越的快速性能和灵活的控制能力，同时还具有良好的适应性。由于FACTS技术与现有的交流输电系统是并行发展的，并完全兼容，能在现有设备不做重大改动的条件下，采用合适有效的FACTS技术，充分发挥现有电网的潜力。因此，在电力系统中具有广泛而良好的应用前景。综合而言，应用FACTS技术的重要作用和意义体现在：

a) 为充分利用现有的输电线路的能力和资源。现行电力系统由稳定条件限定的输送功率的极限偏低，输电线路的能力远未被充分利用，而采用FACTS技术，理论上可使输电线路的输送功率极限大大提高，甚至接近导线的热稳极限，从而提高输电线路资源的利用率。
b) 提高电网和输电线路的安全稳定性、可靠性和运行经济性。FACTS技术的应用将有助于抑制功率振荡，提高系统的安全稳定水平；有助于控制电网中的潮流大小和方向，实现潮流的合理流动和电网的经济运行；有助于限制电网和设备故障的影响范围，减小事故恢复时间及停电损失。

c) 优化整个电网的运行状况。在电网中采用FACTS有助于建立全网统一的实时控制中心，实现全系统的优化控制。以提高全系统运行的安全性和经济性。

d) 将改变交流输电的传统应用范围。整套应用并协调控制的FACTS控制器将使常规交流输电柔性化，改变交流输电的功能范围，使其在更多方面发挥作用。由于应用FACTS控制器的方案常常比新建一条线路或换流站的方案更便宜，它甚至可以扩大到原属于直流输电专有的应用范围，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。

FACTS技术的应用情况

世界上第一台SVC设备由GE公司制造，于1977年在Tri-State GT系统投入运行，到目前为止，世界上已投运的SVC已超过180台，我国广东江门、郑州小刘、东北沙窝、湖南云田和武汉凤凰山等500 kV变电站也有6台投运。

世界上第一台SVG设备 (20 Mvar) 于1980年在日本投入运行，该装置采用了晶闸管强制

换流的电压型逆变器；世界上首台采用大功率GTO作为逆变器元件的STATCOM(±1 Mvar)于1986年10月在美国投入运行；1996年容量为±100 Mvar STATCOM在美国500 kV Sullivan变电站投入运行；清华大学与河南电力局联合研制的20 Mvar STATCOM也于1999年投入现场运行。日本最近也在联合研制用于275 kV系统的容量为300 Mvar STATCOM 装置，这是目前容量最大的STATCOM设备。

1991年12月，世界上第一台容量为131 Mvar的晶闸管投切部分串联电容补偿装置在AEP公司的345 kV线路上投入运行，将该线路的输送能力从950 MW提高到1 450MW。世界上第一个可控串补工程项目则是1992年在美国西部的一条230 kV线路上安装的165 Mvar TCSC装置,其后，1994年美国西北部的Slatt变电站500 kV线路上安装了208 Mvar的TCSC 装置投入工业运行。世界上第一台GTO-CSC设备也已在美国的161 kV的电网中运行。

我国东北电力系统将首次在伊敏—冯屯输电线路冯屯侧安装TCSC，以解决伊敏电

厂两台500 MW和两台600 MW发电机经双回500 kV线路向东北电网主网送电时存在严重暂态稳定问题。目前西电东送的主交流通道——天生桥—平果双回线装设了40%固定串补和10%可控串补TCSC设备，以充分利用已有的交流线路，尽可能输送更多功率到广东。

在综合型设备方面，1998年世界上首台大容量的UPFC装置(±320 MVA，由160 MVA的SSSC和160 MVA的STATCOM组成)在美国500 kV Inez变电站运行；可控移相器TCPR 首次应用在美国中西部的230 kV联络线上，提高了线路的动态稳定性和暂态稳定性，使中西部联络线交换功率增加200 MVA。

和常规的补偿电容器电抗器比较，目前FACTS设备的设计制造较复杂，成本也高。即使相对采用常规电容器和电抗器的SVC和TCSC来说，制造成本也略高。但随着电力电子技术的飞速发展，其设计制造将越来越模块化，成本也将迅速降低。可以预料到FACTS设备的成本将迅速降到和同容量的SVC成本相当或更低的水平。

根据加拿大Manitoba高压直流研究中心提供的信息看，以常规并联电容器造价为基准单位，常规串联电容器是它的2.5倍，SVC，TCSC是它的5倍, STATCOM 是它的6.25倍，包括了所有相关的无功功率可控设备部分，如晶闸管阀体，控制和保护，交流断路器和变压器等，可见各种设备的单位容量造价差距明显，这些数据只是与设备有关的投资，实际上FACTS 技术的选择与确定要根据应用系统的实际情况，根据系统的重要性、供电的可靠性灵活性和稳定性要求、环境条件等进行综合全面的考虑。

FACTS技术是目前电力系统输配电技术的最新发展方向，对电网规划建设和运行将带来重要的影响。国内部分高校和科研单位已经做了大量的研究工作，部分地区的电力部门已经在FACTS新技术应用方面走在前面，但广东电网在FACTS新技术的研究和应用方面仍然是空白。目前广东电网在规划建设和运行中碰到的众多问题，实际上都可以采用FACTS技术来解决，因此，在广东电网开展对FACTS技术的应用研究是极其迫切的。