柔性交流输电技术的应用和发展研究

孙绍林

SUN Shao-lin

（贵州大学，贵州 550001）

柔性交流输电技术的应用和发展研究

Flexible AC transmission system application and development research

孙绍林

SUN Shao-lin

（贵州大学，贵州 550001）

根据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，以及FACTS技术的作用及适用范围，最后介绍了电力电子型控制器的新发展。

柔性交流输电技术；有功潮流；无功潮流；潮流控制；稳定性

0 引言

柔性交流输电技术(flexible alternative current transmission systems，FACTS) 指应用于交流输电系统的电力电子装置，其中“柔性”是指对电压电流的可控性，它是将电力电子技术、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。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，寻求对潮流的控制，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）统一潮流控制器（UPFC）就是基于FACTS装置控制器。

1 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 compensator, 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。

1.1 第一代FACTS技术

较早的 静止无功补偿设备（SVC），主要是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。

1.2 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。

1.3 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 flow controller，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。

2 FACTS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。

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：

SVC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。

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

3 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：

1）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。

2）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。

3）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。

4）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。

4 电力电子型控制器的新发展

4.1 转换静止补偿器(CSC)

转换静止补偿器(convertible static compensator,CSC)标志着FACTS的直接控制对象从交流输电线扩展到交流电网。CSC和STATCOM，UPFC，SSSC］一样是基于GTO电压源换流器的控制器，但它除满足各种系统控制要求和对接线或运行变化具有适应能力外，还具有除分别提供上述3种FACTS控制器的功能之外的2种新型控制器的功能，即“线间潮流控制器(缩写为IPFC)”和“多线(multi-line)或广义(generalized)UPFC”的功能。

4.2 电压源矩阵换流器

国内外都有人设想过以FACTS技术研制出可代替背靠背直流输电的异步联网装置。现在几经改进完善、又经模型验证，成果已问世。这种称为电压源矩阵换流器(voltage source matrix converter)的装置，其额定总容量和一套背靠背GTO型直流输电装置相当，但却具有更多的功能。即除了具有改变两端频率、移相范围360°和双向传输有功功率的能力外，还有100%的阻抗补偿能力和在线路两端独立控制有功和无功的能力。其中共轭补偿阻抗的能力可显著提高同步功率，改进暂态稳定性能。

4.3 电力质量调整器(或调制器)，即PQC(或PQM)

精密加工工厂或质量标准高的高新技术产品的生产过程都对电能质量和供电可靠性提出了更高的要求，电力质量调整(制)器(power quality conditioner(or modulator),缩写为PQC或PQM)便应运而生。它们可快速补偿供电电压中的突降或突升，波动和闪变，谐波电流和电压，各相电压的不平衡以及故障时的短期电压中断。所以是一项具有综合功能的FACTS/CusPow控制器。

5 结束语

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。我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新技术应用取得了显著成就，可以断言，FACTS技术将大大改善供电和用电质量，对节约能源有不可估量的意义。

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1009-0134(2010)10(下)-0210-03

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2009-11-05

孙绍林（1976 -），男，贵州盘县人，讲师，工程硕士，研究方向为电力电子技术、通信技术。