靈活交流輸電技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

靈活交流輸電(FACTS)技術(shù)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)與傳統(tǒng)的潮流控制相結(jié)合的產(chǎn)物。它采用可靠性高的大功率可控硅元件代替機(jī)械式高壓開關(guān)，使電力系統(tǒng)中影響潮流分布的三個(gè)主要電氣參數(shù)(電壓、線路阻抗及功率角)可按照系統(tǒng)的需要迅速調(diào)整，以期實(shí)現(xiàn)輸送功率的合理分配，電壓的合理控制，降低功率損耗和發(fā)電成本，大幅度提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，可靠性。

此項(xiàng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)、綜合控制的重要手段。

FACTS技術(shù)一經(jīng)提出立即受到各國電力工作者的高度重視，國內(nèi)外一些權(quán)威人士已經(jīng)將靈活交流輸電、綜合自動(dòng)化和EMS技術(shù)一起預(yù)測將其確定為“未來輸電系統(tǒng)新時(shí)代的三項(xiàng)支撐技術(shù)”。美國、日本等發(fā)達(dá)國家，以及我國都投入了大量的人力和物力對(duì)此進(jìn)行開發(fā)研究，很多裝置已經(jīng)投入了實(shí)際運(yùn)行，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。

FACTS中的控制器

1、靜止無功補(bǔ)償器SVC

靜止無功補(bǔ)償器的典型代表是晶閘管投切的電容器(TSC)，和晶閘管控制的電抗器(TCR)。實(shí)際應(yīng)用中，將TCR與并聯(lián)電容器配合使用，根據(jù)投切電容器的元件不同，可分為TCR與固定電容器配合使用的靜止無功補(bǔ)償器，和TCR與斷路器投切電容器配合使用的補(bǔ)償器，以及TCR與TSC配合使用的無功補(bǔ)償器。這些組合而成的SVC的重要特性是它能連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的無功功率，進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使補(bǔ)償點(diǎn)的電壓接近維持不變，但SVC只能補(bǔ)償系統(tǒng)的電壓，其無功輸出與補(bǔ)償點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓的平方成正比，當(dāng)電壓降低時(shí)其補(bǔ)償作用會(huì)減弱。SVC的主要作用是電壓控制，采用適當(dāng)?shù)目刂品绞胶螅琒VC也可以有阻尼系統(tǒng)功率振蕩和增加穩(wěn)定性等作用。目前，SVC技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國外從60年代就已經(jīng)開始應(yīng)用SVC，七十年代末開始用于輸電系統(tǒng)的電壓控制，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，不僅將靜止無功補(bǔ)償器，用于輸電系統(tǒng)的電壓控制，也用于配電系統(tǒng)的補(bǔ)償和控制，還可用于電力終端用戶的無功補(bǔ)償一電壓控制。

2、靜止同步補(bǔ)償器STATCOM

靜止同步補(bǔ)償器也可以稱為ASVG——有源靜止無功發(fā)生器。它的基本原理是將自換相橋式電路直接或者通過電抗器并聯(lián)到電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，就可以使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。ASVG根據(jù)直流側(cè)采用的電容和電感兩種不同的儲(chǔ)能元件，可以分為電壓型和電流型。它可以通過控制其容性或感性電流，與系統(tǒng)交換無功，在任何系統(tǒng)電壓的情況下，都能輸出額定的無功功率，與SVC相比，在系統(tǒng)故障的情況下靜止同步補(bǔ)償器維持系統(tǒng)電壓，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和抑制系統(tǒng)振蕩的作用較明顯;近二十幾年，靜止同步補(bǔ)償器受到了國內(nèi)外專家學(xué)者的普遍重視，日本從1980年研制出第一臺(tái)20Mvar的強(qiáng)迫自換相的橋式ASVG，1991年又投入了一臺(tái)±80Mvar的ASVG成功地運(yùn)行在154kV的輸電線路上，而美國于1995年投入了一臺(tái)±100Mvar的ASVG。我國清華大學(xué)和河南電力局共同研制成功了一臺(tái)±20Mvar的靜止無功補(bǔ)償器，并于1999年在河南洛陽朝陽變電所投入運(yùn)行。

3、并聯(lián)蓄能系統(tǒng)

并聯(lián)蓄能裝置包括蓄電池蓄能系統(tǒng)(BESS)和超導(dǎo)磁能存儲(chǔ)器(SMES)等，是采用并聯(lián)式電壓源換流器的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其換流器可通過快速調(diào)節(jié)向交流系統(tǒng)供給或吸收電能。將SMES用于兩機(jī)系統(tǒng)的頻率控制，可以有效地抑制兩系統(tǒng)之間的頻率偏移。也可將SMES與靜止移相器相結(jié)合用于互聯(lián)系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制。但這種超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置不但技術(shù)要求高，而且在目前的條件下投資費(fèi)用比較昂貴，大量投入系統(tǒng)運(yùn)行還存在一定的困難。

4、晶閘管控制的串聯(lián)電容器TCSC

晶閘管控制的串聯(lián)電容器的模塊主要由串聯(lián)電容和含有電抗、晶閘管開關(guān)的并聯(lián)回路組成，通過可控硅控制可以靈活、連續(xù)地改變補(bǔ)償容量，達(dá)到快速響應(yīng)的效果。TCSC在改善電力系統(tǒng)性能方面有很多優(yōu)點(diǎn)，將TCSC用于高壓輸電系統(tǒng)，可發(fā)揮現(xiàn)有系統(tǒng)的潛力，提高功率傳輸極限，靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)潮流，增加系統(tǒng)阻尼作用，是保證超高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要措施。

TCSC與其它FACTS裝置相比，潮流控制功能比較簡單，受到了GE、ABB和Siemens等大公司的關(guān)注和重視。在美國有三處已經(jīng)安裝了TCSC，并且運(yùn)行良好，瑞典、巴西等國家也相繼將TCSC投入實(shí)際運(yùn)行。我國在伊敏電廠至齊齊哈爾地區(qū)的馮屯變電站的雙回輸電線上采用串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)。

5、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器SSSC

靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器是以DC/AC逆變器為基本結(jié)構(gòu)，它的基本原理是向線路注入一個(gè)與電壓相差90的可控電壓，以快速控制線路的有效阻抗、從而進(jìn)行有效地系統(tǒng)控制。它在系統(tǒng)中的作用有些類似于TCSC，但是，它控制潮流的能力遠(yuǎn)大于單方向減少線路阻抗功能的TCSC控制器，并且諧波含量小。

6、晶閘管控制的移相變壓器TCPST

晶閘管控制的移相變壓器是利用可控硅開關(guān)控制移相角度從而改變線路兩側(cè)的移相角來控制潮流的大小或方向。移相器的發(fā)展比較早，早在三十年代第一臺(tái)移相器已經(jīng)在美國投入運(yùn)行，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，70年代開始各國電力專家將晶閘管與移相器相結(jié)合開始進(jìn)行晶閘管控制的移相器TCPST的研究。經(jīng)研究表明TCPST具有提高聯(lián)絡(luò)線傳輸潮流，抑制小干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，阻尼功率振蕩，母線電壓控制，規(guī)約聯(lián)絡(luò)線潮流等功能，晶閘管控制的移相器的控制速度快，相角階梯可以很小，甚至達(dá)到無級(jí)調(diào)節(jié)，但晶閘管控制的移相器有一個(gè)缺點(diǎn)，它本身需要消耗無功功率，運(yùn)行中一般需要與無功補(bǔ)償裝置聯(lián)合使用，并且諧波的含量較高，因此對(duì)電能質(zhì)量有一定的影響。

7、可轉(zhuǎn)換式靜止補(bǔ)償器CSC

可轉(zhuǎn)換式靜止補(bǔ)償器是近兩年推出的FACTS控制器的一種新產(chǎn)品，它實(shí)際上是將基于同步變流器的串并聯(lián)補(bǔ)償器技術(shù)，通過在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)柔性化，使其可以更加靈活地應(yīng)對(duì)不斷變化的電力系統(tǒng)要求。CSC是由2臺(tái)電壓源換流器、一個(gè)與輸電線并聯(lián)的變壓器和2個(gè)串聯(lián)的變壓器組成。通過開關(guān)的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償器的不同運(yùn)行工作狀態(tài)，根據(jù)控制目標(biāo)的不同，CSC可以提供靜止同步無功補(bǔ)償器，靜止同步串聯(lián)無功補(bǔ)償器、統(tǒng)一潮流控制器和線間潮流控制器4種基本控制方式。

8、統(tǒng)一潮流控制器UPFC

UPFC的概念是由美國西屋科技中心的L.Gyugyi于1992年首次推出的，統(tǒng)一潮流控制器是一種從原有潮流控制裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型潮流控制裝置，它由一個(gè)并聯(lián)的換流器和一個(gè)串聯(lián)的換流器通過公共側(cè)的電容耦合而成，僅僅通過控制量的變化就可以分別實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償或移相器的功能，也可以將三者的功能結(jié)合使用。通過不同控制策略的設(shè)計(jì)，UPFC不但可以用于控制母線電壓。線路潮流、提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)振蕩，而且可以快速地轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)以適應(yīng)系統(tǒng)的緊急狀態(tài)的需要。它被認(rèn)為是FACTS家族中最有代表性、功能最強(qiáng)大和技術(shù)最復(fù)雜的成員。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種開關(guān)器件應(yīng)用到FACTS控制器作為開關(guān)可以延長器件的使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。FACTS技術(shù)的應(yīng)用可以使互聯(lián)電網(wǎng)之間互為備用，減少冷熱備用容量，對(duì)影響潮流分布的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行靈活控制，控制聯(lián)絡(luò)線上的傳輸功率，使潮流流向指定的線路，改善系統(tǒng)中的潮流分布，減少大電網(wǎng)中的環(huán)流，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，保證輸電線上傳輸?shù)墓β士梢越咏鼰岱€(wěn)定極限，但又能滿足安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。