柔性输电技术介绍..

三、发展柔性交流输电系统的主要意义
1、能在较大范围有效地控制潮流，功率潮流可按事 先计划的线路流动； 2、线路的输送能力可增大至接近导线的热极限，从 而提高输送能力； 3、备用发电机组容量可从典型的18％减少到15％， 甚至更少； 4、电网和设备故障的危害可得到限制，防止线路串 级跳闸，以避免事故扩大； 5、易阻尼消除电力系统振荡，提高系统的稳定性。
解决远距离大容量输送电能问题的途径2条： 1.新建高压直流输电线路； 2.对已建成的交流输电线路进行技术改造，提高 其输送能力。 通常采用的就是FACTS技术。
FACTS技术的产生是解决输电系统 运行和发展中遇到的各种困难的客 观需要。 1、运行方面的主要困难有如下几项： 1) 输电的可控性很差（与发电、配 电和用电相比其可控性能是最差 的），功率分布中不可控的的自由 潮流变化很大。大电网运行中的这 一类问题长期困扰着运行调度人员， 并且在电网中造成大量电能损耗或 被迫降低输送能力；
• TCR支路由电抗器与两个背靠背连接的晶闸管相串联构 成，控制元件为晶闸管。 • 由于SVC是并联在系统的节点上，所以认为加在TCR上的 电压是正弦量，而流过TCR支路的电流由于阀的控制作 用而发生畸变. • 设阀的触发延迟角为[/2,]，则触发时刻为
TCR的控制原理
TCR的控制原理
• 显然．当两阀都关断时，电感电流为零，而在阀导 通期间，忽略电抗器的电阻，电感电流满足方程：
四、FACTS装置介绍
用于输电系统的FACTS装置包括： SVC（静止无功补偿器）、STATCOM （静态同步补偿器）、 TCSC（晶闸 管可控串补）、 TSSC（晶闸管开关 串联电容器）、UPFC（统一潮流控制 器）、TCPST（可控移相器）等。 分类: 柔性输电装置按其在系统中的联接方 式可分为串联型、并联型和综合型。 SVC和STATCOM是并联型； TCSC和 TSSC是串联型； UPFC 和TCPST是综 合型。
• 属于柔性输电技术范畴的现代静止无功 发生器 (Static Var Compensator) ：将 电力电子元件引入传统的静止并联无功 补偿装置，从而实现了补偿的快速相连 续平滑调节。理想的SVC可以支持所补偿 的节点电压接近常数。良好的动、静态 调节特性使SVC得到了广泛的应用。
SVC的原理示意图
SVC的原理(综合TCR与TSC)
• 综合 TCR 与 TSC ，可知 SVC 向系统注入的无 功功率为
• 可见，当 [0,/2] 时， SVC 向系统注入的无 功功率可以连续平滑地调节。 • SVC的等值电抗为
SVC的原理(综合TCR与TSC)
• SVC 的等值伏安特性由 TCR 与 TSC 组合而成。 当 从 0 增加到 /2 的过程中， SVC 的等值电 抗将从容性最大值连续地变为感性最大值。 SVC的控制信号通常为其所并联节点的电压。 • 考虑了SVC的稳态控制策略后，其伏安特性 为：
表1 常用的FACTS元件及其性能
表 1 常用FACTS元件及其性能
性能 FACTS元件
有功 控制
无功 控制
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电压 控制
电流 控制
无功 补偿
谐波 抑制
暂态 稳定
电压 稳定
抑制 故障 电流
SVC(静止无功补偿器)
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STATCOM(静止同步补偿器)
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SSSC(静止同步串联 补偿器)
TCSC(晶控串联电抗器)
2)输电网缺少快速控制手段，在 功率输送过程中常造成功率绕送 和功率倒流情况，此外还有大量 输电受限制的“瓶颈”环节；
3)开关动作速度慢，交流输电线 需要经常投切，以改变网络结构 或断开故障，但目前只能依靠机 械型断路器，而此类断路器速度 慢、维修量大，是影响暂态稳定 问题的重要因素。
2、输电系统发展方面的主要困难概括起来有如下几项： 1)由于环境和地域因素，很多国家建造新的架空线路 已很难获得批准，因此电力公司不得不将现有电网运 行在更高的负荷水平上，但是更高的负荷水平增加了 功率损耗并降低了可靠性，使运行更加困难； 2)电力系统市场化改革后，未来的发电模式是不确定 的，导致了对输电设施投资的困难； 3)低水平的负荷增长率使投资建设新的输电线路变得 不合算，而能少量增加现有网络容量以满足低水平负 荷增长需要的技术具有很大的优势。
TSC的控制原理
• TSC支路由由电容器与两个反向并联的晶 闸管相串联构成。同样设加在TSC支路上 的系统电压为正弦波。
TSC的控制原理
• TSC中通过对阀的控制使电容器只有两种运行 状态：将电容器直接并联在系统中或将电容器 退出运行。 (1)切除投运状态的电容器比较简单，只要停止对 阀进行触发即可。 (2)将电容器投入系统则应注意投入时刻的选择， 选样触发时刻的原则是减小电容器投入时刻电 容器中的冲激电流。注意到电容器上的电压初 值，显然应在电源电压与电容电压相等的时刻， 根据电压初值的正负触发两阀中对应的阀。这 样，当电容器被投入之后电容电流的暂态分量 为零。
更详细地，FACTS是应用大功率、高性能 的电力电子元件制成可控的有功或无功电 源以及电网的一次设备等，以实现对输电 系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流 等的灵活控制，将原基本不可控的电网变 得可以全面控制。从而大大提高电力系统 的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输 电线路的输送能力大大提高。
• 注意在阀触发时刻电感电流为0。 • 解得电感电流
TCR的控制原理
• TCR的电压波形和电流波形如下图：
TCR的控制原理
• 电感电流波形宽度为：
TCR的控制原理
（1）由电流波形可见，如欲使在任何时刻总有 一个阀导通，则应有
即当前一个阀关断的时刻后一个阀瞬时开通。可 见， ＝/2 。这种运行模式相当于将电抗 器直接并联在系统中。 （2）由电流波形还可见，当触发角从／2增大 到时，阀的导通区间宽度将由下降到零。这时 在任何时到两个阀都处在截止状态。这种运行模 式即相当于将电抗器退出运行。 （3）另外，当小于／2时，已经处在导通状态 的阀，其电流回到零点的时刻将大于尚未导通的 阀的触发时刻，即。
其中串联补偿装置，如 TCSC、TSSC等， 能使输电线路的阻抗变小，从而相当于缩 短了输电线路的长度，因此是提高系统输 送容量和增强暂态稳定性的重要手段； 而并联补偿装置如STATCOM，通过与系统 进行无功功率交换，以维持线路电压恒定， 因此是抑制系统电压波动、闪变、不对称 和提高系统稳定性的有力工具； UPFC则综合了串、并联补偿的功能，能对 线路电压、阻抗和相位进行控制，从而实 现控制潮流、阻尼振荡和提高输电能力等 多种功能。 表1列出了常用的FACTS元件及其性能
• 图4－19为这种SVC的原理示意图。为了降低SVC的造价， 大多数SVC通过降压变压器并入系统。由于阀的控制作 用， SVC将产生谐波电流，因而为降低SVC对系统的谐 波污染，SVC中还应设有滤波器。对基波而言，滤波器 呈容性，即向系统注入无功功率。
TCR和TSC的控制原理
• SVC的构成形式有多种，但基本元件为晶间管控制的电抗器 (ThyristorContro11ed Reactor)和晶间管投切的电容器 (Thyristor Swiched Capacitor)。掌握这种结构的SVC的工作 原理则不难理解其他类型的SVC。 • 图4—20(a)、(b)分别表示TCR和TSC支路。下边我们分别分析 TCR和TSC的控制原理。
研究生学位课：
现代电力系统分析
任课教师：王守相
第六章 柔性输电系统
一、概述
FACTS(Flexible AC Transmission System) 柔性输电系统或灵活交流输电系统 1986年由美国电力研究中心(EPRI)的工程师 N.G.HINGORANI首次提出FACTS概念。 1995年IEEE对FACTS作了如下定义：FACTS是应 用电力电子技术及其它静态控制器，增加系统 可控度与提高输电容量的交流输电系统。 也可定义为：综合电力电子技术、微处理和微 电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于 灵活快速控制交流输电的新技术。
TSC的控制原理
• 实际中投入电容器时刻电源电压与电容 电压切值有可能并不完全相等，因而实 际的 TSC 支路中还串有一个小电感以减 小电容器的冲激电流。 • TSC 与机械式可投切电容器的关键区别 在于， TSC 的投切由阀的控制快速地完 成，因此其动态特性可以满足系统控制 的需要。 • 电容器在接通期间，向系统注入的无功 功率为
TCR的控制原理
（ 3 ）另外，当 小于 ／ 2 时，已经处在 导通状态的阀，其电流回到零点的时刻将 大于尚未导通的阀的触发时刻，在这种情 况下，当未导通的阀的触发脉冲发出 时．由于已导通的阀尚未关断，故未导通 阀的阀电压为零，因而不能被触发而导通。 这样，两个阀中总有一个阀在任何时刻都 是截止状态。这种状态将导致电感电流中 的主要分量为直流分量。不允许！ 因而正常情况下，TCR的触发角运行范 围为 [／2,]
我国静止无功补偿器制造技术是在90年代发展起来的， 但仅限于大型工业企业中的应用。在一些高等学校和 科研单位对TCSC、STATCOM以及UPFC有所研究，但多 限于数学或物理模型的研究。近年来，随着新建电厂 的不断并网发电，我国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， 使其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。
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TCPST(晶控移相器)
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UPFC(统一潮流控制器)
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五、SVC的工作原理与数学模型
• 电压分布与系统中的无功潮流分布密切相关 • 并联无功补偿是调整系统电压的常用措施。 • 1动态并联无功补偿：同步调相机在历史上曾作为并联 无功补偿的—个重要手段,但是由于调相机是旋转元件， 其运行维护十分复杂 • 2静止并联无功补偿 • 传统的静止并联无功补偿：是在被补偿的节点上安装 电容器、电抗器或者它们的组合以向系统注入或从系 统吸收无功功率。并联在节点上的电容器和／或电抗 器通过机械开关按组投入或退出。因此，这种补偿方 法有二个重要缺点；一是其调节是离散的；二是其调 节速度缓慢，不能满足系统的动态要求；三是其电压 负特性，即当节点电压降低(升高)时，并联电容注入 系统的无功功率也降低(升高)。尽管如此，由于其造 价低和维护简单的突出优点，系统中仍大量地采用这 种补偿措施。
TCR的控制原理
由于阀的控制作用，电抗器中流过的电流发生 畸变而不再是正弦量。调整触发角的大小将改变电 流的峰值和导通区间的宽度。将电流进行博里叶分 解，其基波分量的幅值为
则基波分量瞬时值为
TCR的控制原理
这样．TCR支路的等值基波电抗为
由上式可见，TCR支路的等值基波电抗是导通角 或者说是触发角的函数。调整触发角可以平滑 地调整并联在系统的等值电抗。 TCR从系统中吸收的无功功率为
二、FACTS发展现状
大功率可控半导体器件制造及微电子控制技术的发展， 使FACTS技术的推广应用成为可能；而大型互联电网 运行对电力系统潮流及其稳定性控制的需求，是该技 术发展的原动力。 FACTS技术最具代表性的项目，是90年代起开发的可 控串联电容补偿(TCSC)和新型静止无功补偿器 (STATCOM)。美国已有三个TCSC试验工程，其中用于 500KV输电工程的一个TCSC为6组全控型，于1993年投 入试运行，而100Mvar的STATCOM也于1996年初试运。 许多国家投入相当的人力物力，研究开发新型的静止 补偿器、可控移相器、统一潮流控制器(UPFC)、电气 制动器等。