第二章 FACTS概述

FACTS技术就是在这种情况下应运而生。 从广义上说，它包括： （1）可控硅控制的串联电容补偿器
TCSC (Thyristor Controlled Series Compensation) （2）可控硅控制的移相器TCPS(Thyristor Controlled Phase Shifter) （3）统一潮流控制器UPFC (United Power Flow Controller) （4）高压直流输电(HVDC) （5）静止无功补偿器（SVC,ASVG）


i
j

UPFC的工作方式有多种形式，可分别或同时控 制节点电压、改变所在线路的阻抗和线路两端 的相角差。其调节功能如下： （1）电压调节 （2）移相调节 （3）串联补偿调节 （4）综合调节
2.3.1
电压调节
pq
UPFC的串联输出电压 u 与节点电压同相或反相 这样可改变线路两端电压幅值之差，但相位差不 变；这种调节方式主要改变线路的无功潮流、对 有功潮流影响较小。
u pq
ui


u pq

u pq

ui

以上分析了几种典型的FACTS装置的原理和功 能，下表给出几种FACTS装置对系统行为控制 效果的比较：
影响量 电压控制 潮流控制 暂态稳定
注：
SVC(ASVG) TCSC * **（***） -------** *** *（**）
***
TCPS * *** **
下图为一种UPFC的结构示意图：
T2
T1
i 并联变压器 串联变压器 j
变流器1
变流器2
图中变换器的每一个桥臂包括一个可关断 的可控硅和一个反向并联的二极管。 变换器1通过耦合变压器T1并联于交流系统 中，它通过直流电容向变换器2提供所需有 功功率，并产生或吸收无功功率来维持节 点i的电压，无功交换功率的大小和方向取 决于系统交流电压与变换器交流端电压的 幅值差。变换器2通过串联变压器向线路 i—j注入附加电势来控制线路的有功和无 功功率。 若把UPFC的并联部分和串联部分看作等 效电源，则可作出其等效电路如下图所示:
第二章 灵活交流输电系统 （FACTS）
2014年8月21日
一.FACTS的概念及其产生的背景
灵活交流输电系统 FACTS (Flexible AC Transmission System)这一概念是由美国电 力科学研究院的N.G.Hingorani博士于1986 年首先提出的。 IEEE的FACTS工作组在1997年的冬季会议 上将其定义为：装有电力电子型或其它静止 型控制器以加强可控性和增大电力传输能力 的交流输电系统。
4．通过FACTS设备的快速、平滑的调节，可方 便、快速地改变潮流分布。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为某些线路过负荷而 引发的连锁跳闸是十分有利的。 5．有利于建设全国统一的实时网络控制中心， 从而使全系统的安全性和经济性有一个大的提高。 由于以上显而易见的优越性，加之大功率可控硅 的造价日趋降低，目前世界上很多国家都在积极 开展FACTS设备制造或应用的研究。
TCPS电压相量图
uB
u BC


uA

uC

2.3
统一潮流控制器（UPFC）
前述几种FACTS装置，如TCSC、TCPS、 SVC等，其功能是单一的。统一潮流控制器 （UPFC）的基本思想是用一种统一的可控 硅控制装置，仅通过控制规律的变化，就能 分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相 等几种不同的作用。
u i u pq
ui





ui

u pq I ij

超前（感性）

u pq
滞后（容性）
2.3.4
综合调节
当UPFC同时实现上述三种调节功能（电压调节、 串联补偿及移相调节）时，它的串联输出电压 u pq 等效于前三种情况输出电压的向量和，这个结果 综合了前三种方式的调节作用。这是UPFC所特 有的，也是其受到广泛重视的主要原因。

2 0
1 LC
若取电容C为212 F (
)，电感L为 x 2 . 6 8.28mH( L )，则可作出TCSC一个单元 基频阻抗随触发角 变化的曲线如下图：
60 感性
xc 15
阻抗
()
容性 -60 90 触发角 （度） 143 180
由图可见，当TCSC在容性范 围内工作时减小 ，即增 加 ，使流过电抗器中的电 流增加时，容抗将增加；反 之，增加 ，使流过电抗器 中的电流减小时，容抗将减 小。在容性范围内，最低的 串补度出现在可控硅完全关 断时，即 =1800 （因为等 效电容为固定电容和可控电 容的串联）。
与传统的以固定或机械投切方式工作的相 应设备相比，FACTS具有以下显著优点： 1．由于采用电子式的开关操作，理论上可 以无限次操作而没有机械磨损，这就大大 提高了系统控制的灵活性。 2．可达到非常快速的控制（毫秒级），这 一点对暂态稳定性的提高是至关重要的。 3．被控系统参数既可以断续，也可以连续 地调节。利用这一点可设计附加控制器以 提高系统的阻尼，改善系统的动态稳定性。
vc

t
iL
2
t
ic
t
iac
t
等值电路：
I m cos t
t0
C
L
基频阻抗表达 式为：
1 A 4A Z1 (2 sin 2 ) cos 2 ( KtgK tg ) C C C (2 K 1)
其中：
2 0 A 2 0 2
0 K
的电力系统元件在处理系统动态问题的能力上有
一个大的飞跃。
作为FACTS的技术支柱，大功率半导体技 术在过去的几十年内取得了长足的进步， 高压直流输电(HVDC)和静止无功补偿器 （SVC）就是应用这种新技术的范例。 静止无功补偿器（SVC）只能控制系统的 电压，而决定系统传输功率的主要电气参 数还有线路的阻抗和功率角。要想充分利 用现有网络的传输能力，提高系统运行的 灵活性，理想的解决方案还应包括能实时 快速地控制线路的阻抗和功率角。
2.2
可控硅控制的移相器（TCPS）
移相器的主要功能是通过改变输入端和输 出端之间的相位角来调整输电线路上的潮 流大小甚至潮流方向，这种调节是通过改 变移相器分接头的位置来实现的。
当输出端电压滞后于输入端电压时，称移 相器位于滞后分接头位置；反之，当输出 端电压超前于输入端电压时，称移相器位 于超前分接头位置。
FACTS的主要内涵是： 用大功率可控硅元件代替传统元件上的机械式 高压开关，从而使电力系统中影响潮流分布的三 个主要电气参数：电压、线路阻抗及功率角可按 照系统的需要迅速调整。在不改变网络结构的情 况下，使电网的功率输送能力以及潮流和电压的 可控性大为提高。 传统的提高电网的输送能力的设备是按照固定的， 机械投切的或分接头转换的方式进行设计，以优 化线路阻抗，减少电压波动，在静态或缓慢变化 的状态下来控制系统潮流。
下图为一种可控硅控制的移相器（TCPS）的电路 结构图：
A
串联变压器
A'
B C
并联变压器 9 3 1
同机械分接头移相器一样，可控硅控制的移相器
也是在线路上产生一个与线路电压相垂直的注入 电压，从而使首末端电压产生相移。该注入电压 的大小可通过触发角的控制连续变化，但其代价 是向系统注入谐波。为消除谐波，可采用不连续 的分级控制。 上图中只画出一相接线，为实现分级控制，并联 变压器次级每相采用三个匝数不同，比例分别为1： 3：9的绕组，每个绕组连接于一组四个可控硅开 关，每个可控硅开关由反向并联的两个可控硅组 成，
通过控制各可控硅开关的通断状态，可使每个绕
组所对应的可控硅开关组工作于三种不同状态。
即：
（1）输出端（上、下端之间）电压为零；
（2）输出该绕组的全电压；
（3）输出与该绕组电压反向的全电压。
这样每相采用12个可控硅开关，可得到27种不同
的总输出电压值。基本上可满足各种调节要求。
另外，对于TCPS，值 得注意的是如右图所 示的接法，若并联变 压器输入为 u BC ，则 注入电压正好与 u A 相差90度，即与 u A 垂直。
目前，灵活交流输电系统的开发应用在电力系统 潮流控制集中在下述两个方面： １.提高输电线路的传输功率极限。现行系统由稳 定条件限定的输送功率极限偏低，输电线路远未 被充分利用。采用 FACTS 技术可使输电线路的 输送功率极限接近导线的热极限（导线发热使弧 垂达允许极限值）。 FACTS 技术的应用可使线 路输电能力提高 50 ％一 100 ％。这将使输电线 路的输送能力得到充分利用。 ２.使输电线路的潮流功率能够u


x su
u

xur
pq
uj

UPFC
u 为串联变 图中 I 为并联变换器相应的电流源； 换器相应的电压源，是幅值、相位均可控的串联 u 为受端电压； 控制输出；u 为送端电压； xsu 为 xur 为UPFC与受 送端与UPFC之间的线路阻抗； 端间的线路阻抗。
u


pq
2.3.2
移相调节
当UPFC的串联输出电压 u pq与节点电压 u 相加后 改变电压的相位，而不改变幅值。则UPFC的调 节主要影响有功潮流而对无功潮流影响较小，这 种调节方式与TCPS相似。
i


2.3.3
串联补偿调节

当UPFC的串联输出电压 u pq与线路电流 iij 的相位固 定为超前或滞后90°时装置即等效为电感或电容， 起到类似于TCSC的作用。
**
UPFC *** *** ***