大型电力系统中电力电子和FACTS装置
FACTS技术在配电系统中的应用
在 配 电 系统 中就 是 要 解 决 电 压 质 量 问 题 实 现 无 功 的 就 地平 衡
。
如 果 要 减 小 电压 波 动 和 闪 变 则 图
FA CT S
1
中的
。
设 备 进 行 无 功 补 偿 就 可 以 达 到 目的
2
一 些 工 业 负荷 以 及 日 常居 民 负荷 的 随 机
:
FA C T S
柔 性交 流 翰电系 统 ; A sV
G
CT
—
M O S 控 制 晶 闸管 , M O S F E T
功发 生 — 静 无功 率 场 效 应 晶 体管 次 报. — — —
.
止
舒 , sS R
SV C
— 脉 冲 宽度调制 止 无功 补偿 器
。
.
G I
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电
199 7
力
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动
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,
FA C T S
、
通过
目前 改 善 电压 质 量 的 方 法 有 用 传统 的
、 、
改变 输 电 系 统 的 运行 参 数 如 阻 抗 电压 相 位
差 等来 提 高 电力 系统 的输 电能 力 使 运 行 更 灵
,
、
减 小 电 压 波动 及 电压 不 对 称 用 机 械 投 切
,
。
的 电 容器 或 电 抗 器 消 除 电 压 不 平 衡 用 滤波 器 消 除谐波 但 这 些 措 施不 灵 活 基 于 在 高 压 输 电 系 统 中发 展 起 来 的 F A C T S 技 术 的 基 本 思 想
、
活 更可靠
,
、
。
FA C T S
第11章 FACTS技术及电力电子电器
二、静止调相器
三 、串补限流器
串补限流器
四、FACTS电器与传统机械式电器 的比较
优点主要有：
1. 动作速度快。机械触点开关的动作时间一般月几十毫秒， 而电力电子开关的动作时间一般仅需几十微秒。 2. 操作频率高，每分钟可动作100次以上。 3. 寿命高，仅有电老化问题而无机械寿命，而后者正是机械 式开关的寿命极限。 4. 无触点和外部放电，可在有机械振动、粉尘和有危险气体 中工作。 5. 操纵功率小，如MOS场效应关的控制几乎不取用信号电流。 6. 可实现模块化，提高质量和可靠性，降低成本。 7.便于实现数字化和智能化。 8. 可实现可控阻抗变换，连续可调，这对于两位式开关是根 本不可能的。
电力电子开关的弱点
1. 电力电子开关的总体价格比相应的传统开关高许多。 2. 电力电子开关在导通后有管压降，因此有一定的功 率损耗，为了散热往往加有大面积的散热体，从而 使开关的体积往往比同容量的有触点电器大许多。 3. 电力电子开关在关断后存在漏电流，不能实现理想 的电隔离。 4. 过载能力低，受工作温度的影响较大，抗干扰能力 较差。 5. 电子电器工作时产生许多谐波分量，是电力系统的 一个谐波污染源。
二、现代电力系统面临的困难
1. 2. 3. 4. 5.
电力系统潮流的实时控制 短路电流水平的配合 电力系统的稳定性问题 电力系统的控制速度 系统电压和无功功率的控制
一般称系统中有规律波动的功率流动为潮流
三、电力电子技术的发展
四、电力电子技术对电力系统的影响
1．对输电方式的影响 21世纪将呈现交流、直流两种输电方式 并肩协调运行的良好局面。
各种FACTS控制器
带串补偿的故障电流限制器原理结构图
文章电能系统中的增能技术
文章电能系统中的增能技术
在电能系统中，增能技术是指提高电能系统运行效率和灵活性的技术手段。
以下是一些常见的增能技术：
1. 直流输电（HVDC）技术：HVDC技术通过将交流电转换为直流电进行输电，可以实现长距离输电线路的低损耗和高容量传输。
HVDC技术可以提高电能系统的输电效率和稳定性。
2. 柔性交流输电（FACTS）技术：FACTS技术利用先进的控制设备和电力电子装置，通过调整电力系统中的电压、电流和功率因数等参数，提高电力系统的稳定性和可控性。
FACTS技术可以有效调节电力系统的电压和频率，提高系统的传输能力和稳定性。
3. 储能技术：储能技术可以将多余的电能储存起来，以便在需求高峰时释放出来使用。
常见的储能技术包括电池储能、超级电容器储能、抽水蓄能等。
储能技术可以提供备用电源和调节能量供需平衡，增加电能系统的稳定性和可靠性。
4. 智能电网技术：智能电网技术（Smart Grid）利用信息通信技术和自动化技术，实现电力系统的智能化和优化运行。
通过实时监测和控制，智能电网技术可以实现对电力系统的高效管理，包括负荷调度、电能质量控制、故障检测等，提高电能系统的灵活性和效率。
5. 分布式发电技术：分布式发电技术将发电机设备分布式安装在用电端，减少了输电损耗和电网压力。
分布式发电技术可以利用可再生能源，如太阳能、风能等，提供环保的电力供应方案，并减少对传统发电厂的依赖。
这些增能技术的应用可以提高电能系统的可靠性、经济性和环境友好性。
随着技术的不断发展和创新，电能系统的增能技术将继续推动电力行业向高效、可持续发展的方向发展。
FACTS 、IEGT简介
FACTS、I E GT简介1、FACTS简介柔性交流输电系统是Flexible AC Transmission Systems中文翻译，英文简称FACTS，指应用于交流输电系统的电力电子装置。
利用大功率电力电子元器件构成的装置来控制调节交流电力系统的运行参数或网络参数，优化电力系统运行状态，提高交流电力系统线路的输电能力。
其中“柔性”是指对电压电流的可控性；如装置与系统并联可以对系统电压和无功功率进行控制，装置与系统串联可以对电流和潮流进行控制；FACTS通过增加输电网络的传输容量，从而提高输电网络的价值，FACTS控制装置动作速度快，因而能够扩大输电网络的安全运行区域；在电力电子装置最早用于直流输电系统中并实现了对输送功率的快速控制，由此人们想在交流系统中加装电力电子装置，寻求对潮流的可控，以获得最大的安全裕度和最小的输电成本，FACTS技术应运而生，静止无功补偿器（SVC），静止同步补偿器（STATCOM）又称作ASVG，晶闸管投切串联电容器（TCSC），静止同步串联补偿器（Static Synchonous Series Compensator）以及统一潮流控制器（UPFC）就是基于FACTS装置家族的成员。
2、I E GT ( 电子注入增强门极晶体管) 简介IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐压达4KV以上的IGBT 系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。
IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。
另外，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。
日本东芝开发的IECT利用了“电子注入增强效应”，使之兼有IGBT 和GTO两者的优点：低饱和压降，宽安全工作区(吸收回路容量仅为GTO的1/10左右)，低栅极驱动功率(比GTO低两个数量级)和较高的工作频率，器件采用平板压接式电极引出结构，可靠性高，性能已经达到 4.5KV/1500A 的水平。
FACTS新装置用于电力系统潮流分析
FACTS新装置用于电力系统潮流分析FACTS新装置用于电力系统潮流分析随着工业的发展，电力系统的重要性日益突出。
而对于电力系统的潮流分析，相信大家都有所了解。
电力系统潮流分析是电力系统中一种重要的运算方法。
它研究电力系统中电量的分配规律，计算各电力设备的参数，包括电流、电压、功率等等。
FACTS新装置是近年来应用于潮流分析的新型设备。
接下来，我们将详细介绍FACTS新装置及其在电力系统潮流分析中的作用。
一、FACTS新装置的概念及分类FACTS全称为灵活交流输电系统（Flexible Alternating Current Transmission Systems），是一种用于调节电力输电过程中的电压和潮流的控制系统。
FACTS新装置通过调节输电线路的阻抗，来改变输电线路的电阻、电感与电容等参数，从而控制电力系统中的潮流和电压的分布。
其目的是调节电力系统中的潮流和电压，提升电力系统的运行效率和可靠性。
FACTS新装置通常分为四大类：静态无功补偿（STATCOM）、静态同步补偿（SSSC）、灵活交流输电系统（FACTS Controller）和灵活交流输电系统（UPFC）。
其中，静态无功补偿和静态同步补偿主要负责干扰低频的电压波动。
灵活交流输电系统（FACTS Controller）和灵活交流输电系统（UPFC）则用于提高电力系统的从容性、降低线路的损耗和提高输电能力。
二、FACTS新装置在电力系统中的作用FACTS新装置在电力系统中有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 控制输电系统中的电压和潮流FACTS新装置的主要作用是调节输电线路的阻抗，从而控制电力系统中的潮流和电压的分布，提升电力系统的运行效率和可靠性。
2. 降低线路的损耗使用FACTS新装置能够降低电力系统中的损耗，并减少输电线路的电阻和电容的耗能。
这样可以降低输电损耗，提高电力系统的经济性。
3. 提高电力系统的稳定性和安全性使用FACTS新装置能够提高电力系统的稳定性和安全性，避免电力系统中的过电流和过电压等风险。
FACTS装置在电力系统中的应用
ＦＣＳ Ａ Ｔ 技术 不 仅 可 以降低 输 配 电 系统 功 率 损耗 ，降 低 单
位 电 能 的 综 合 生 产 运 行 成 本 ， 同 时 可 以 大 幅 度 提 高 电 力
系统 运行 稳 定性 、可 靠 性 ，保 障其 高 效 稳定 、节 能经济
的运营 发展 。 Ｆ Ｃ Ｓ 术 主 要通 过增 加 输 配 电网络 的传 输 容 量 ， Ａ Ｔ技
中 图分 类 号 ：ＴＭ７ ４ ４ 文 献标 识码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ — ３ ４ （ ０ １）１ Ｏ｛ １ ｔ ０９ ２７ ２ １ ３一 ２ ．： ｝
柔 性 交 流 输 电 （ Ｘ ｂｌ Ａ Ｔ ａ ｍｉ ｉ ｎ Ｆｌ ｉ ｅ Ｃ ｒ ｎ ｅ Ｓ Ｓ Ｏ Ｓ
力 ， 同时还 可 以保 障整 个 系 统安 全 稳定 的运 行 ，有 效 防 止输 电系 统 中连锁 反应 造成 的大 面积 停 电事 故发生 。
中 ， 以实现 对 直流输 电 网络输 送 功 率 的快速 准 确控 制 。
随 着 输 送 功 率 控 制 技 术 研 究 的 不 断 加 深 ，许 多 研 究 学 者 又 想 借 助 直 流 网 络 输 送 功 率 快 速 控 制 平 台 ， 将 其 控 制 技
术 引 入 到 交 流 输 电 网络 中 ，通 过对 系 统 潮 流 特 征 电参
高效 稳 定的运 行 。
（ ） 高输 电网络 电能 输送 的 安全 裕度 和输 电 容量 二 提
采 用 Ｆ Ｃ Ｓ 术 后 ， 可 以 利 用 电 力 电 子 极 限 开 断 功 Ａ Ｔ技 能 ， 保 证 整 个 输 电 网 络 在 接 近 热 稳 定 极 限 ， 又 不 至 于 出 现 过 负 荷 跳 闸 的 输 送 容 量 工 况 条 件 下 安 全 运 行 。 这 样 可
应用于高压大功率场合的FACTS控制方案
S C IENC 〔 & T 〔 HNO L O OY } 厂 RM A T IO N C 闪 O
工 业 技 术
根据使用变流器类型不同， 这种方案也分 电压型与电流型两种拓扑。 (1)电流型拓扑 文献【 提出应用于有源滤波的电流型多 ] 1 重化电路拓扑及控制方法( 图1 所示) 。有源 滤波器的主体由N 个电流型变流器并联构成 组合变流器， 再通过 L C 滤波电路并人电网。 那么， 每个单独的变流器的容量只有装置总容 量的 1/ N 。控制变流器的输出电流使其跟踪 负载谐波电流。控制方法上采用载波移相 (Carr erPhas 一 i e shift)PWM技术， 每个变流 即 器的给定信号相同， 而用于比较的三角载波则 在相位上依次相差2 7 / N(对于双极性载波调 T 制)或7 / N(对于单极倍频载波调制)， T 这样， 各 变流器单元输出叠加后形成的组合变流器总 输出波形的等效开关频率相当于提高到载波 频率的N倍或ZN倍， 谐波得到了有效的抑制。 (2 电压型拓扑 ) 文献[ 提出了 l 2 应用于有源滤波的电 压型多 重化电路拓扑及控制方法( 图3 所示) 。其拓 扑结构与电流型的方案基本相同。 控制的指令电流进行均流分配处理， 即各 PWM变流器 输出 的补偿电 计算出 流为 的指令
电 流的1/ N。 将通过分配电 路后的指令电流
输出到各个模块， 通过各个模块中的电流跟踪 控制电路， 控制各模块的主电路产生所需的补 偿电流 。电流跟踪控制 电路采用跟踪 型 P WM 控制方式。使用的是定时比较方式。 将变流器的基准时钟相位错开， 即对输入到各 PWM 变流器的基准时钟在相位上依次拖后 2 T 7 / N 。各PWM 变流器的基准时钟分配原 理图见图2 。这样就使整个系统的等效开关 频率提高到各PWM变流器电力电子器件开关 频率的 N 倍。 多重化主电路的控制思路均是采用多个 单独的变流器并联组合， 一方面提高装置容 量， 这点与多台独立小容量装置并联使用并无 区别; 另一方面可以提高等效的开关频率， 降低损耗及谐波产生量。存在的问题是， 上 面的电流型与电压型两种方案由于都是变流 器直接接人系统， 系统电压直接加在每个单独 变流器上， 因此不适合较高电压的场合， 而且 前者采用电流型变流器， 存在着损耗大， 对开 关器件要求高的问题， 因此目 前并不常用。 技术方案2: 级联型主电 路及电流控制方
FACTS新装置用于电力系统潮流解析
FACTS新装置用于电力系统潮流分析汪玉凤，李姿，宋巍，赫飞（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105）摘要：介绍FACTS装置的定义和功能、发展过程, 对最新发展的GUPFC和IPFC装置进行了阐述，并对二者在电力系统潮流分析中的应用做了分析。
GUPFC和IPFC装置为进一步提高电力系统潮流分析的控制性和稳定性提供了强有力的工具。
关键词：FACTS；电力系统；潮流分析；GUPFC；IPFC中图分类号：TM711 文献标识码：A0 引言随着我国国民经济的快速发展，电力工业在各方面都取得了辉煌的成就。
但是，电力系统的快速发展也暴露出了一定的缺陷，这就给电力系统的控制技术和安全防御技术提出了很大的挑战。
新型控制技术FACTS 的诞生是提高复杂电力系统运行和经济效益的新型强大工具，它已成为大型电力系统中不可或缺的控制技术，也为电力系统潮流分析的新发展提供了技术上的保障。
1 FACTS装置FACTS（Flexible Alternating Current Transmission System），即灵活交流输电系统，是美国著名电力专家N.G.Hingorani博士于1986年提出的，FACTS技术在电力系统中已显出极为广泛的应用前景。
它应用电力电子技术的最新成就，以实现输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性、可靠性。
2 FACTS装置的换代发展FACTS装置发展的背景是基于输电线的需要、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装置逐步发展成多种多样，其发展示意图如图1所示。
第一代FACTS装置是从20多年前出现的SVC开始的。
第一代FACTS装置是晶闸管控制的串联电容器（TCSC），它利用SCR 控制串接在输电线中的电容器组，以控制线路阻抗，提高输送能力；第二代FACTS装置包括STATCOM和SSSC，同样具有第一代装置具有的支持电压和控制功率等功能，但在外部回路中不需要大型的电力设备，以电子回路模拟出电抗器或电容器的作用；第三代FACTS装置是将两台或多台控制器复并联联接，串并联联接图1 主要输电型FACTS控制器的运行功能和换代发展示意图Fig. 1 Main FACTS controller function and its update development schematic drawing合成一组FACTS装置，并使其具有一个共同的统一的控制系统。
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Ø
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图形编辑
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运行监控
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表格输出－稳态开关电流统计
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大型电力系统中电力电子和ＦＡＣＴＳ装置 仿真软件包ＥＭＴＰＥ的研究与开发
林集明、陈珍珍
中国电力科学研究院 ２００３．９
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１．研究背景
(1)电力电子技术包括直流输电(HVDC)和灵活 交流输电(FACTS)技术,在我国电力系统中发 挥越来越大的作用。 (2) 现有的仿真软件如EMTP、PSCAD (EMTDC)、 NETOMAC、 SABER、SPICE 、MATLAB等很难全面满足大型电力系统中 电力电子与FACTS 发展的要求
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(3)PMC模块在FACTS仿真中的应用
----关键技术之四(续2)
ＥＭＴＰＥ仿真： 天广ＴＣＳＣ阻 天广 抗阶跃控制 响应图
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３．５ 操作过电压下的闪络率计算模块
----关键技术之五
在操作过电压ｕ作用下，单个绝缘的闪络率为：
（１）发现现有ＥＭＴＰｓ在电力电子仿真中出现 问题的主要原因之二
Ø 在模拟大型电力电子器件电路中，出现不
应有的时延
如有Ｎ个电力电子开关在动作上互为因果关 系，如开关Ｓ１动作导致Ｓ２动作… … ； 而在时间 上，这Ｎ个开关是同时动作的。 ＥＭＴＰｓ 中，它们在动作上存在 （Ｎ－１）？△ｔ （步长）时延，这对于电力电子仿真是不可接受的 。
３．８．１可控串联补偿电容器（ＴＣＳＣ）仿真
(1)TCSC主电路示意
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（２）ＴＣＳＣ阻抗调节特性仿真
伊冯 TCSC阻抗均匀 调节特性比较 调节 1— 命令容抗； 2 — 闭环控制容抗； 3— 开环控制容抗
伊冯ＴＣＳＣ阻抗阶跃 响应特性比较 响应
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3.4 研发FACTS仿真中的相量测量及控制模块
----关键技术之四
(1) 相量测量及控制模块(PMC)在FACTS仿 真中的作用
FACTS 主要控制电力系统相量 :电压电流基波 有效值及相位、基波阻抗、有功及无功功率等 均为基波相量或相量的运算结果，但EMTPs只 能给出离散的瞬时值，难以满足FACTS 仿真要 求。
----关键技术之二
（１）发现现有EMTPs在电力电子仿真中出 现问题的主要原因
Ø 无法近似模拟电力电子电路中出现冲激
函数
当电力电子器件关断电感电路或对电容 器突然充电，均可能出现类似于冲激函数的 情况。
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冲激函数定义
δ (t − t 0 ) 定义为： 对于 t = t0 时刻的单位冲激函数 单位
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2.研究目的 研发出功能强大的、大型电力系统 中电力电子和FACTS装置电磁暂态仿 真软件包EMTPE (ElectroMagnetic Transient & Power Electronics)
由国家自然科学基金会和原国家电力公司资助
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EMTPE应具备下列的功能
⑴能模拟各种电力电子器件的控制特性； ⑵能模拟大型电力系统网络中各种常规元件； √ ⑶具有准确、稳定的电力电子电磁暂态计算功能； ⑷满足ＦＡＣＴＳ仿真要求的相量测量及控制模块； ⑸适用于中文的视窗化工作平台和图形界面； ⑹能进行各种电力电子及ＦＡＣＴＳ装置的数字仿真
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普通晶闸管(EMTP有)
Ø 开发出大量全控型电力电子器件
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（２） 新增的全控型电力电子器件模型
----关键技术之三(续1)
（１） 可关断晶闸管（ＧＴＯ） （２） Ｐ沟道ＭＯＳ控制晶闸管（ＰＭＣＴ） （３） Ｎ沟道ＭＯＳ控制晶闸管（ＮＭＣＴ） （４） 静电感应晶闸管（ＳＩＴＨ） （５） 集成门极换向关断晶闸管（ＩＧＣＴ） （６） 大功率开关晶体管（ＧＴＲ） （７） 功率场效应管（ＰＭＯＳ） （８） 绝缘门极双极晶体管（ＩＧＢＴ） （９） 静电感应晶体管（ＳＩＴ） （１０） ＭＯＳ关断晶闸管（ＭＴＯ） （１１） 发射极关断晶闸管（ＥＴＯ）
∞ ∫− ∞ δ (t − t0 ) dt = 1 (当t ≠ t0 ) δ (t − t0 ) = 0
当 t = t0 ， d(t − t0 ) → ∞ 冲激函数是从实际 中抽象出来的理论化信号 模型。能否足够精确地模 拟冲激函数，对电力电子 装置的仿真是非常重要的
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(1) 四重化三相桥STATCOM 结构— 之一
总结构示意图
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曲折变压器示意图
(2)四重化三相桥STATCOM 结构 — 之二
GTO组成的四重化三相二电平逆变器 接线图
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－－－－ 关键技术之五（续）
（１）采用ＥＭＴＰＥ随机仿真计算出的实际过电压概率 分布密度 g (u ) 计算闪络率 (2) 采用极数 计算绝缘放电的累计概率
F ( u ) = F (t ) = 1 2π
F (u)
∫
t
−∞
e
−
t2 2
dt
采用级数取代数值积分，减少小概率下误差：
1 1 F (u ) = F (t ) = + 2 2π (−1) k t 2 k +1 ∑ 2 k ⋅ (2k + 1) ⋅ k! k =0
(3)新老算法比较 --算例 2
(续1)
电容器电流 iC 的仿真结果（ ICDA-OFF, SRP-OFF）
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(3)新老算法比较
--算例 2
(续2)
电容器电流 iC 的仿真结果（ ICDA-ON, SRP-ON）
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(3)新老算法比较 --算例 1
ｉＤ１ 、ＶＴ１ 仿真结果 使用方法 : SRP-ON ICDA-ON
(续4)
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(3)新老算法比较
--算例 2
t = 0.005s 时，GTO S1断开 —V34 —> 1 V 时，电压控制开关 S2 闭合
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3.2 计算方法研究小结
----关键技术之二
小
结
对比计算表明，在许多电力电子仿真中， 只有同时采用ＩＣＤＡ 及 ＳＲＰ 法才能得到正确 的结果。
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3. 3电力电子开关器件模型的开发
----关键技术之三
(1) EMTPE中的电力电子器件模型
Ø 二极管 (EMTP有) Ø 半控型电力电子器件 :
∞
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３．６ 研发可视化工作平台和图形界面
－－－－ 关键技术之六
Ø Ø
采用可视化面向对象新技术和新方法； 开发适合中文Ｗｉｎｄｏｗｓ版的工作平台和图形接口与 分析软件； 提供了多任务、多窗口、多方式、多功能的人机界 面和操作环境； 集输入数据编辑、仿真计算、运行监控、结果处理 、图形输出与分析等多种功能于一体，方便用户使 用。 是本项目中工作量最大的二部份之一
3.关键技术
3.1 在常规元件方面, 采用EMTP (public domain) 的技术
Ø 利用其强大的电力系统常规元件仿真能力,减少
不必要的重复,保证研究工作的高起点
Ø 着重解决电力电子仿真中的关键问题，提高电力
电子仿真能力
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3.2 进行电力电子仿真计算方法研究
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3.2电力电子仿真计算方法研究
----关键技术之二（续）
(2)提出适用于电力电子仿真的新算法
Ø
提出改进的数值临界阻尼法(ICDA)解决冲 激函数的仿真问题。 提出同步响应法(SRP)解决电子开关响应中 的时延间题。 新算法不仅适用于电力电子也适用于常 规元件的电磁暂态仿真
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３．８形成大型电力系统中ＦＡＣＴＳ及电力电子 装置的数字仿真模型
－－－ 关键技术之七（续）
Ø Ø Ø Ø
可控串补TCSC 静止无功发生器 STATCOM 统一潮流控制器 UPFC 高压直流输电HVDC等
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(3)新老算法比较 --算例 1
ｉＤ１ 、ＶＴ１ 仿真结果 使用方法 : SRP-OFF ICDA-ON
(续2)
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(3)新老算法比较 --算例 1
ｉＤ１ 、ＶＴ１ 仿真结果 使用方法 : SRP-ON ICDA-OFF
(续3)
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