FACTS装置在线路融冰中的应用

2015-02-06广西电网公司桂林供电局钟来胜周泽民

电子世界 2015年18期

广西电网公司桂林供电局钟来胜李俊肖宏周泽民

FACTS装置在线路融冰中的应用

广西电网公司桂林供电局钟来胜李俊肖宏周泽民

灵活交流输电（FACTS）技术调节速度快、性能可靠，对电力系统潮流优化分布、提高系统稳定性和输电能力等方面有很广泛的应用。随着智能电网的快速建设以及国内电网接线日渐复杂，电网的运行维护难度也越来越大，因此灵活交流输电（FACTS）技术的应用前景也越来越广。本文研究了FACTS装置在线路融冰中的应用，综合分析了静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）以及统一潮流控制器（UPFC）在输电线路融冰中的应用，并对几种装置进行了技术参数和特点的比较，综合对比了FACTS装置在线路融冰中的作用。

FACTS；融冰；SVC；STATCOM；UPFC

引言

输电线路覆冰会导致线路跳闸、断线，覆冰过重会导致杆塔倒塌、绝缘子闪络等事故，严重影响电网的安全运行，产生大面积的停电事故。线路覆冰常发生在冬季大雪天气，由于环境和交通问题，不能够及时完场抢修工作，因此，线路覆冰对电网的安全运行存在很大的影响架空导线除冰融冰方法及融冰装置的研究对减轻输电线路冬季受冰雪袭击具有重大意义[1]。

随着灵活交流输电（FACTS）技术应用日渐成熟[2-3]，许多FACTS装置被应用到输电线路融冰领域，文献[4]提出了兼具融冰功能的静止无功补偿器（SVC）融冰装置，SVC融冰装置应用较为成熟，但其无功补偿效果较差[5-6]，相比而言，静止同步补偿器（STATCOM）具有较好的无功补偿功能，且STATCOM的电压、电流谐波含量较低[7-8]。文献[9]研究了静止同步补偿器（STATCOM）在输电线路融冰中的应用，文献[10]研究了目前较为先进的统一潮流控制器（UPFC）在线路融冰中的应用。

本文针对FACTS装置在融冰领域的应用进行了研究，分析了静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）以及统一潮流控制器（UPFC）的工作原理，并研究给出了该类FACTS装置转变为融冰装置的切换原理及工作方案；最后本文对该类可兼具融冰功能的FACTS装置进行了对比分析。

1 FACTS装置工作原理

1.1 SVC工作原理

SVC的单项原理图如图1所示，常用的SVC为TCR型 SVC，这种装置一般由固定电容器（FC）与晶闸管控制电抗器（TCR）并联组成，如图1所示。SVC的工作原理是通过调节晶闸管的触发角α进而对SVC等值电抗的大小和性质进行调整，最终达到快速连续调整无功功率的输出的目的。

图1 SVC单相原理图

如图1所示，反向并联晶闸管Th1、Th2为反向并联晶闸管与电抗器组成晶闸管控制电抗器（TCR），其中电抗器的电抗为XL，XC为固定电容器（FC）的电抗，ISVC为通过SVC的电流。通过控制反并联晶闸管Th1、Th2的触发角大小，控制电流基波分量，从而可以改变电抗器的等效电纳值，最终得出连续可调的无功功率，这就是TCR的基本工作原理。反并联晶闸管Th1、Th2起半波交流开关的作用，以触发角α过电压零点为基准，触发角α在90°～180°之间部分导通，且电流基波分量随α的增大而变小，等效增强电抗器电抗来减小无功。通过调节α在90°～180°之间调节α可以控制电流值在0到额定值之间的变动。

1.2 STATCOM工作原理

根据直流侧采用的储能元件的不同可以将STATCOM分为电压型桥式和电流型桥式两种类型。目前应用较多的为电压型桥式STATCOM，因此本文对电压型桥式STATCOM工作原理进行了分析研究。如图2所示，该STATCOM装置需要通过在电压型桥式电路上串联连接电抗器以滤除装置产生的谐波，减轻对电网的冲击。

图2 电压型桥式电路

图2中，电阻R和电感L分别表示装置损耗和线路电抗及连接变压器漏抗，C为直流电容，电路中的器件可采用GTO、IGBT或IGCT等。

STATCOM基本工作原理是通过控制电力半导体开关将直流侧电压转换成与电网同频率的交流侧输出电压，工作原理图如图3所示。

图3 STATCOM工作原理图

图3中VI为STATCOM的逆变器输出电压有效值，Vs为系统电压有效值。在不考虑连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗的情况下，STATCOM的工作原理为：首先将VI与Vs同步，然后通过调节VI的幅值改变VI与Vs的电压差，可以实现对装置的无功吸收或者输出的控制。调节VI，当VI＞Vs时，STATCOM处于超前运行状态，此时装置发出无功功率，可以作电容器使用；当VI＜Vs时，STATCOM处于滞后运行状态，此时装置吸收无功功率，可以作电抗器的使用；当VI=Vs时，STATCOM与系统无无功交换。当仅考虑基波频率时，STATCOM可以等效视为幅值和相位均可控的一个与电网同频率的交流电压源，它通过交流电抗器与电网相连。

1.3 UPFC工作原理

如图4所示，统一潮流控制器UPFC由两个共用直流回路的电压源换流器（VSC）组成，换流器VSC1连接中间变压器IT1和耦合变压器T1串联接入输电线路，换流器VSC2经由中间变压器IT2和耦合变压器T2并联接入线路，直流侧电容维持电压不变。UPFC的主要工作原理是：通过换流器VSC1向线路输入一个幅值和相位可调节的交流电压，从而控制装置的有功和无功输出。其中，换流器VSC1提供的无功功率由自身产生，有功功率由换流器VSC2通过直流回路提供，整个UPFC装置既不产生也不吸收有功功率，因此换流器VSC2从系统吸收的有功功率等于换流器VSC1注入线路的有功功率。换流器VSC2可以利用剩余的容量独立的向置入节点提供无功功率以控制节点电压。

图4 UPFC的结构及一次接线图

同时，统一潮流控制器UPFC还有一个优点就是当其中一个设备发生故障时，另一部分仍可独立运行。具体为：当换流器VSC1发生故障时，断开直流侧开关，此时换流器VSC2可作为STATCOM使用；当换流器VSC2故障时，断开直流侧开关，换流器VSC1仅输出无功，可作为SSSC使用。

选择 [Spatial Analyst 工具]→ [地图代数]→[栅格计算器]，在对话框中输入公式：＂backl2＂* ＂dem _ buildings＂，计算建筑物背光面轮廓高度，如图7所示。同理，获得在时刻13∶00和14∶00的建筑物背光面轮廓及轮廓高度数据 dem _13 和 dem_14。

2 FACTS装置融冰设计

2.1 SVC装置融冰原理

TCR型直流融冰兼SVC装置的主电路原理如图5所示。该装置在SVC模式与直流融冰模式的主电路拓扑结构与控制方式有所不同，因此该装置切换操作相对复杂且对可靠性有影响。

图5 TCR型直流融冰兼SVC装置主电路原理结构

如图6所示，可控整流器型直流融冰兼SVC装置主要由整流阀、交流滤波器组、平波电抗器、工频滤波器及隔离闸刀等构成，通过对隔离闸刀进行控制可以使装置在两种运行模式下切换运行。如图6，当GD断开、GM闭合时，装置作为融冰装置使用，工频滤波器具有滤波作用，可以减少对装置的运行控制的干扰。

图6 可控整流器型直流融冰兼SVC装置原理结构

当GD闭合、GM断开时，装置作为SVC使用，此时整流阀基本上只消耗无功功率（有功损耗很小），因此可等效为感性无功源，其与固定容量的容性无功源（交流滤波器组等效）联合，构成连续可调无功补偿装置。该装置既可以发出无功（整流桥吸收无功量小于滤波器组补偿无功量），又可以吸收无功（整流桥吸收无功量大于滤波器组补偿无功量），从而起到对系统进行无功补偿的目的。

图7 电压源型直流融冰装置拓扑图

图8 STATCOM主电路拓扑结构图

2.2 STATCOM装置融冰原理

图7、图8分别为STATCOM融冰装置在融冰模式和STATCOM模式的装置拓扑图。将STATCOM扩展为电压源型融冰装置的切换原理是：在融冰工作模式下，有功功率从换流桥交流侧流向直流侧，通过在直流电容并联覆冰输电线路，使传输的功率对线路进行融冰，并通过SPWM控制技术，使得交流侧电压和电流保持同相位，尽量使得无功功率消耗为0，实现融冰装置单位功率因数运行状态；在非融冰模式下，通过改变部分接线，使得装置作为STATCOM运行，此时无功功率从直流侧流向交流侧，几乎不传输有功功率。并且根据接入交流侧的母线电压变化，控制换流阀的开关动作，改变调制波的控制相位，实现交流母线感性无功和容性无功的选择性补偿，以提高STATCOM接入点的电压稳定性。

由上述切换原理可知，融冰装置和STATCOM除了部分接线需要切换外，最重要的是实现两者控制策略的切换。下面给出电压源型直流融冰装置控制系统的切换原理。电流内环可以用一个惯性环节来代替，因此融冰装置的控制框图可以用图9来表示，该控制的原理是根据融冰负载的不同确定不同的直流电压，通过电压外环控制，在保持直流电压恒定的同时，给出有功功率的参考值，即给出q轴电流的参考值，再经过电流内环控制使得换流桥交流侧输出电流和交流电压相位保持一致，实现单位功率因数运行，因此该控制的最终目标是实现换流桥交流侧电流和电压同相位，实现全有功功率传输，基本不传输无功功率。

图9 电压源型融冰装置控制结构框图

2.3 UPFC装置融冰原理

统一潮流控制器UPFC融冰的主要原理为：UPFC融冰为交流融冰，结合UPFC具有功率传递功能的特点，通过UPFC增加覆冰线路上传输的功率，加大线路损耗造成线路发热，从而达到融冰的效果。

UPFC装置进行融冰原理图如图10所示。系统1和系统2模拟2个电网，线路AB段即为要进行融冰的线路。通过调节UPFC装置，使线路AB段传输的功率增加，流过的负载电流随之增大，达到融冰所需电流值，覆冰就开始融化。待线路覆冰融化，即可调节UPFC，不再进行功率传递，恢复原来的运行方式。

图10 UPFC装置进行融冰的结构

UPFC融冰是一种基于增加无功电流的融冰方法，这种方法在不改变负荷正常供电的情况下，降低功率因数，使线路传送更多的无功功率，从而增大线路上的电流发热。

3 FACTS装置融冰对比分析

3.1 融冰方式对比

3．1．1 UPFC融冰方式

UPFC融冰方式为交流带负荷融冰方式。UPFC融冰作为一种基于增加无功电流的融冰方法，在进行融冰时，对无功功率的控制难度较大，同时，改变了系统无功功率分布，因此对系统稳定影响较大，所以此方法实用性有待进一步提高。该融冰方式为交流带负荷融冰方式。

表1 STATCOM融冰与SVC融冰的比较

3．1．2 STATCOM及SVC融冰方式

STATCOM及SVC融冰为直流短路融冰方法，直流短路法通过将交流电流通过大容量电力电子设备转化为直流电流来加热覆冰线路。由于直流融冰时导线仅与线路的电阻有关，所以线路不消耗无功，仅直流换流器自身消耗无功，因此直流短路法可以对各个电压等级的线路融冰，而无须考虑线路中无功补偿不足的问题，具有一定的应用性

3.2 STATCOM融冰与SVC融冰对比

基于SVC的直流融冰装置，在非融冰期间作为SVC对电力系统进行无功补偿，起到了节省成本和稳定系统的作用。同样作为重要FACTS装置的静止同步补偿器（STATCOM）是自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流。其无功补偿能力，谐波性能，以及占地面积等均优于SVC。SVC与STATCOM兼融冰的对比如表1所示。

从表1可以看出，在同样的融冰需求下，SVC和STATCOM装置的容量相近，但由于前者需要整流变压器、滤波装置和无功补偿装置，因此占地面积比较大，且模式切换较复杂，运行维护性较差。STATCOM融冰的性能较好，无需其他的辅助装置，且模式切换简单，适合长期运行。