靈活交流輸電技術(shù)

第19卷第3期電力系統及其自動(dòng)化學(xué)報Vol, 19 No.32007年6月Proceedings of the CSU EPSAJun.2007靈活交流輸電技術(shù)王樹(shù)文，紀延超，馬文川(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱150001)摘要:為了提高輸電系統的輸送能力和交流輸電運行整體控制能力以及開(kāi)辟高壓和超高壓交流輸電的新方向,對靈活交流輸電系統中的控制技術(shù)和幾種主要的控制器進(jìn)行了闌述,并重點(diǎn)分析了相間功率控制器技術(shù)的國內外研究現狀,認為,靈活交流輸電技術(shù)的不斷發(fā)展完善并在電力系統中大量的應用,將會(huì )為我國未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展和運行管理提供強有力的工具。同時(shí),指出了靈活交流輸電技術(shù)今后的發(fā)展趨勢及美好發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:靈活交流輸電;相間功率控制器;電力電子中團分類(lèi)號: TM72文獻標識碼: A文章編 號: 1003-8930(2007)03-0113- 05Survey of Flexible AC Transmission System TechnologyWANG Shu-wen, JI Yan-chao, MA Wen -chuan(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute ofTechnology, Harbin 150001 , China)Abstract: To improve the transimission capability and enhance integral control of AC transmission system,this paper discusses FACTS technology in detail ,and then some types of controllers and control technologiesare introduced. State of the art of interphase power controller at home and abroad is expounded. With FACTStechnology greatly used in power systems ,it will play an important role in future ,especially in China. Finally,the development trend and foreground of the technology are presnted.Key words : flexible AC transmission system(FACTS); interphase power controller ; power electronics理系統(energy management system, EMS)技術(shù)和1前言綜合自動(dòng)化技術(shù)-起預測,將其確定為“未來(lái)輸電靈活交流輸電(flexible AC transmission系統新時(shí)代的三項支撐技術(shù)”或是“現代電力系統systme,FACTS)技術(shù)是現代電力電子技術(shù)與傳統中三項具有變革性影響的前沿課題之- _[]”"。美國、的潮流控制相結合的產(chǎn)物。它可以用可靠性很高的日本和歐洲一些發(fā)達國家,以及我國，都已經(jīng)投入大功率可控硅元件代替傳統元件中的機械式高壓了大量的人力和物力,對此進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究,并取得開(kāi)關(guān),從而使電力系統中影響潮流分布的3個(gè)主要了一-定的成績(jì),很多裝置已經(jīng)投人了實(shí)際運行,在電氣參數可按照系統的需要迅速調整,以期實(shí)現輸電力系統中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。送功率的合理分配,電壓的合理控制，降低功率損2 FACTS 控制技術(shù)的發(fā)展耗和發(fā)電成本,大幅度提高系統穩定性,可靠性。此項技術(shù)是實(shí)現電力系統安全經(jīng)濟、綜合控制的重要FACTS控制技術(shù)經(jīng)數十年的不斷發(fā)展完善，手段[1.2]。實(shí)現的功能也日趨強大,FACTS家族也由最初的FACTS技術(shù)--經(jīng)提出立即受到各國電力工作幾種發(fā)展到現在的數10種。最初,FACTS控制技者的高度重視因,研究主要集中在潮流控制、提高術(shù)主中國煤化I構,這種技術(shù)的應穩定性、增強阻尼以及控制器的等方面。國內外一用主MHCN M H C聯(lián)補償器、可控些權威人士已經(jīng)將FACTS技術(shù)與先進(jìn)的能量管移相器、司控楊怕奮寺。隨有電刀電子技術(shù)的進(jìn)步,收稿日期:2006-04-20;修回日期:2006-07-31●114●電力系統及其自動(dòng)化學(xué)報2007年6月出現了門(mén)極可關(guān)斷(Gate Turn Off,GTO)電壓源十幾年,靜止同步補償器受到了國內外專(zhuān)家學(xué)者的換流器的新一代FACTS控制器,主要有串聯(lián)潮流普遍重視[8],已經(jīng)研究開(kāi)發(fā)出相應的實(shí)用裝置,我控制器、靜止移相器、高級無(wú)功補償器、靜態(tài)同步補國清華大學(xué)和河南電力局共同研制成功了一臺土償器、靜止同步串聯(lián)補償器統一潮流控制器,以及20Mvar的靜止無(wú)功補償器,并于1999年在河南洛最新一代新型控制器線(xiàn)間潮流控制器、廣義統一潮陽(yáng)朝陽(yáng)變電所投人運行(09]。流控制器和相間功率控制器。3.3并聯(lián)蓄能系統并聯(lián)蓄能裝置包括蓄電池蓄能系統(battery3FACTS中的控制器及其原理energy storage system ,BESS)和超導磁能存儲器3.1 靜止無(wú)功補償器(superconducting magnetic energy storage,靜止無(wú)功補償器(static var compensator，SMES)等,是采用并聯(lián)式電壓源換流器的能量存SVC)的典型代表是晶閘管投切的電容器儲系統,其換流器可通過(guò)快速調節向交流系統供給(thyristor switched capacitor ,TSC)和晶閘管控制或吸收電能。將SMES用于兩機系統的頻率控制，的電抗器(thyristor controlled reactor ,TCR)。如可以有效地抑制兩系統之間的頻率偏移。也可將果只是將這兩種無(wú)功補償器單獨使用,它們都有各SMES與靜止移相器相結合用于互聯(lián)系統負荷頻自的缺點(diǎn),單獨的TCR只能吸收無(wú)功功率,而不能率挖制(0。發(fā)出無(wú)功功率;單獨的TSC對于抑制沖擊負荷引3.4晶閘管控制的串聯(lián)電容器起的電壓閃變是不夠的。為了解決這些問(wèn)題,可以晶閘管控制的串聯(lián)電容器(thyristor將TCR與并聯(lián)電容器配合使用。這些組合而成的controlled series capacitor,TCSC)的模塊主要由SVC的重要特性是它能連續調節補償裝置的無(wú)功串聯(lián)電容和含有電抗、晶閘管開(kāi)關(guān)的并聯(lián)回路組功率，可以對無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補償，使補償點(diǎn)的成,通過(guò)可控硅控制可以靈活、連續地改變補償容電壓接近維持不變.SVC的主要作用是電壓控制，量1,達到快速響應的效果.TCSC在改善電力系但采用適當的控制方式后,SVC也可以有阻尼系統性能方面有很多優(yōu)點(diǎn),將TCSC用于高壓輸電系統功率振蕩和增加穩定性等作用65]。經(jīng)過(guò)幾十年的統,可發(fā)揮現有系統的潛力,提高功率傳輸極限,靈發(fā)展,不僅將靜止無(wú)功補償器，用于輸電系統的電活地調節系統潮流,增加系統阻尼作用,保證超高壓控制[0],也用于配電系統的補償和控制，還可用壓電網(wǎng)安全穩定運行.TCSC技術(shù)已經(jīng)引起各國研于電力終端用戶(hù)的無(wú)功補償-電壓控制,例如電氣究學(xué)者的重視,對TCSC的研究主要集中在提高暫化鐵路、電弧爐等負荷波動(dòng)大、無(wú)功功率頻繁變化態(tài)穩定性、抑制次同步諧振、阻尼系統間功率振蕩、的場(chǎng)所”。避免電壓崩潰等[2。而近幾年對TCSC抑制次同3.2 靜止同步補償器步諧振和暫態(tài)特性的研究較活躍。靜止同步補償器(static synchronousTCSC與其他FACTS裝置相比，潮流控制功compensator ,STATCOM)也可以稱(chēng)為能比較簡(jiǎn)單,所需的電容器和電抗器的數量大,占ASVG(active static var generator)--有 源靜止地面積大,這些對它的廣泛推廣起到了一定的限制無(wú)功發(fā)生器。它的基本原理是將自換相橋式電路通作用,但TCSC在改善系統性能方面的優(yōu)點(diǎn),使得過(guò)電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上,適當調節橋式電它受到了GE、ABB和Siemens這些大公司的關(guān)注，路交流側輸出電壓的幅值和相位,或者直接控制其已經(jīng)研制出實(shí)際的裝置并投入系統運行。在美國有交流側電流,就可以使該電路吸收或發(fā)出滿(mǎn)足要求3處已經(jīng)安裝了TCSC,并且運行良好。除美國外，的無(wú)功電流,實(shí)現動(dòng)態(tài)無(wú)功補償。由于它將電壓源瑞典、巴西等國家也相繼將TCSC投人實(shí)際運行。逆變技術(shù)應用于無(wú)功補償領(lǐng)域,不需要大容量的電另外,GE公司承擔了Slatt 變電站500 kV TCSC容,電感等儲能元件,因而大大地發(fā)展了傳統的無(wú)試驗工程,SIEMENS公司制造的kanawha變電站功控制概念。ASVG的重要特性是輸出的無(wú)功功率的20中國煤化工ABB公司改造的不受系統電壓的影響,在任何系統電壓的情況下，kana\YHCNMHG補投切工程，我國都能輸出額定的無(wú)功功率,與SVC相比,在系統故在伊敏電廠(chǎng)至齊齊哈爾地區的馮屯變電站的雙回障的情況下靜止同步補償器維持系統電壓、提高系輸電線(xiàn)上采用串聯(lián)補償技術(shù)[13]。統暫態(tài)穩定性和抑制系統振蕩的作用較明顯;近二3.5靜止同步 串聯(lián)補償器.第19卷第3期王樹(shù)文等:靈活交流輸電技術(shù)●115.靜止同步串聯(lián)補償器(static synchronous3.9線(xiàn) 間潮流控制器和廣義統一潮流控制器series compensator ,SSSC)與靜止同步補償器在近幾年,最新一代的FACTS裝置線(xiàn)間潮流控結構.上有類(lèi)似之處,都是以DC/AC逆變器為基本制器(interline power flow controller ,IPFC)和廣結構,它的基本原理是向線(xiàn)路注人-一個(gè)與電壓相差義統一潮流控制器(generalized unified power flow90°的可控電壓,以快速控制線(xiàn)路的有效阻抗、從而controller ,GUPFC)的提出和應用，標志著(zhù)進(jìn)行有效的系統控制。它在系統中的作用有些類(lèi)似FACTS直接控制對象從交流輸電線(xiàn)擴展到了交流于TCSC,但是,它控制潮流的能力遠大于單方向電網(wǎng)。減少線(xiàn)路阻抗功能的TCSC控制器,并且諧波含量IPFC可以實(shí)現多線(xiàn)路潮流的靈活控制,不但小14。能夠獨立提供無(wú)功補償,還可通過(guò)直流側電容的連3.6晶 閘管控制的移相變壓器接,實(shí)現線(xiàn)路間的有功功率的傳輸,從過(guò)載線(xiàn)上向晶閘管控制的移相變壓器(thyristor欠載線(xiàn)上傳輸有功,補償線(xiàn)路的電阻性壓降和相應controlled phase shifting transformer ,TCPST)是的無(wú)功,增加系統動(dòng)態(tài)抗干擾能力,可以?xún)?yōu)化整個(gè)利用可控硅開(kāi)關(guān)控制移相角度從而改變線(xiàn)路兩側電網(wǎng)配置,平衡線(xiàn)路有功和無(wú)功[18]。的移相角來(lái)控制潮流的大小或方向。經(jīng)過(guò)多年的理GUPFC是比UPFC功能更為強大的FACTS論研究表明TCPST具有提高聯(lián)絡(luò )線(xiàn)傳輸潮流,抑裝置,它拓展了UPFC對節點(diǎn)電壓和單條線(xiàn)路潮流制小干擾,提高系統穩定性,阻尼功率振蕩,母線(xiàn)電的控制,可同時(shí)控制多條線(xiàn)路或系統中某- .子網(wǎng)絡(luò )壓控制,規約聯(lián)絡(luò )線(xiàn)潮流等功能[15],晶閘管控制的潮流[19]。移相器的控制速度快,相角階梯可以很小,甚至達不同種類(lèi)的FACTS控制器在系統的暫態(tài)、穩到無(wú)級調節，但晶閘管控制的移相器有-一個(gè)缺點(diǎn)，態(tài)控制等方面都有各自的特點(diǎn)，綜合起來(lái)這些它本身需要消耗無(wú)功功率,運行中一般需要與無(wú)功FACTS裝置有3個(gè)主要的特點(diǎn)。補償裝置聯(lián)合使用,并且諧波的含量較高,因此對(1)電力電子技術(shù)的發(fā)展,各種開(kāi)關(guān)器件應用電能質(zhì)量有一定的影響。到FACTS控制器作為開(kāi)關(guān)可以延長(cháng)器件的使用3.7統一 潮流控制器壽命,提高經(jīng)濟效益。統一潮流控制器(unified power flow(2)對影響潮流分布的系統參數進(jìn)行靈活控controller ,UPFC)是一種從原有潮流控制裝置的制,控制聯(lián)絡(luò )線(xiàn)上的傳輸功率，使潮流流向指定的基礎上發(fā)展而來(lái)的新型潮流控制裝置,它由一個(gè)并線(xiàn)路,改善系統中的潮流分布,減少大電網(wǎng)中的環(huán)聯(lián)的換流器和一個(gè)串聯(lián)的換流器通過(guò)公共側的電流。容耦合而成,僅僅通過(guò)控制量的變化就可以分別實(shí)(3)阻尼功率振蕩,改善系統的動(dòng)態(tài)穩定性?，F并聯(lián)補償..串聯(lián)補償或移相器的功能,也可以將保證輸電線(xiàn)上傳輸的功率可以接近熱穩定極限,但三者的功能結合起來(lái)以實(shí)現- -定的控制目的。通過(guò)又能滿(mǎn)足安全經(jīng)濟運行的要求。不同控制策略的設計,UPFC不但可以用于控制母當代FACTS技術(shù)的發(fā)展趨勢是朝著(zhù)加快響線(xiàn)電壓,線(xiàn)路潮流、提高系統動(dòng)態(tài)和暫態(tài)穩定性,抑應速度、提高電壓質(zhì)量、性能優(yōu)化、抑制諧波和動(dòng)態(tài)制系統振蕩,而且可以快速地轉換工作狀態(tài)以適應.平滑調節的方向發(fā)展。系統的緊急狀態(tài)的需要[16]。4IPC的國內外研究現狀3.8可轉 換式靜止補償器可轉換式靜止補償器(convertible static相間功率控制器(interphase powercompensator ,CSC)是FACTS控制器的一種新產(chǎn)controller,IPC)作為靈活交流輸電系統的-種裝品,它是美國EPRI公司、西門(mén)子公司及許多電氣置 ,具有潮流控制的魯棒性和限制事故電流、消除公司研制的成果,實(shí)際上是將基于同步變流器的串事故波及的優(yōu)良性能。并聯(lián)補償器技術(shù)，通過(guò)在結構上實(shí)現柔性化，使其4.1中國煤化工可以更加靈活地應對不斷變化的電力系統要求。HCNMHG新的專(zhuān)家提出相CSC可以提供靜止同步無(wú)功補償器、靜止同步串聯(lián)間功率控制器的概念以來(lái)，近幾年,國外不少電力無(wú)功補償器、統-潮流控制器和線(xiàn)間潮流控制器4專(zhuān)家相繼開(kāi)展了IPC的研究工作。IPC是一個(gè)具有種基本控制方式17]。魯棒性的串聯(lián)控制器,兩條并聯(lián)支路的移相電壓可.●116●電力系統及其自動(dòng)化學(xué)報2007年6月以由具有機械或電子轉換開(kāi)關(guān)的移相裝置提供,并隔離作用,避免造成連鎖反應和事故擴大。且從相量圖的角度對相間功率控制器的功率特性發(fā)展電網(wǎng),實(shí)現各區電網(wǎng)之間的互聯(lián),對系統進(jìn)行了分析,指出可以根據系統需要,調節相間功的可靠性要求更高,小電力系統發(fā)生事故造成的停率控制器的控制參數,改變通過(guò)IPC的潮流方向和電是局部的,有限的，而大型互聯(lián)電網(wǎng)一旦發(fā)生事幅值。故,特別是不可控的惡性連鎖反應時(shí),停電波及的文獻[20]的作者對相間功率控制器的基本工范圍會(huì )更大,停電時(shí)間更長(cháng),后果更嚴重,互聯(lián)電網(wǎng)作原理進(jìn)行了詳細的闡述,并假設IPC裝于兩無(wú)窮愈大,這種波及程度也愈大。大母線(xiàn)之間的聯(lián)絡(luò )線(xiàn)上,研究漏抗、終端電壓和不為了保證互聯(lián)大電網(wǎng)既能發(fā)揮很好的經(jīng)濟效同導納對功率特性的影響,指出對外表現為電流源益,又能安全穩定運行,必須很好地解決這種事故的相間功率控制器具有的特點(diǎn)。在魁北克研究院制波及情況。IPC的優(yōu)良特性對減輕交流互聯(lián)電網(wǎng)事造了一臺仿真器來(lái)研究IPC的穩態(tài)、暫態(tài)特性。證故范圍的擴大有一定的作用。國外對IPC的研究已實(shí)了IPC的過(guò)電壓保護和控制策略的有效性,確定經(jīng)進(jìn)行了十多年，而我國對它的研究才剛剛起步。在開(kāi)路狀態(tài)下裝置的最大承受能力以及IPC有功由于將在20世紀展開(kāi)全國的大聯(lián)網(wǎng),因此,跟上國功率和無(wú)功功率對系統變量(如電壓和頻率等)變外先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展步伐,加強對IPC新技術(shù)的研究化量的靈敏程度。文獻[21]提出了將電容支路類(lèi)與開(kāi)發(fā),為我國電網(wǎng)的互聯(lián)提供先進(jìn)的裝備,在我似于TCSC直接連在兩母線(xiàn)之間,而電感支路通過(guò)國開(kāi)展對相間功率控制器的研究更有重要的現時(shí)一有固定移相角的變壓器連接的相間功率控制器。意義。這種IPC除具有其他IPC的基本特征外,它的功角5結語(yǔ)特性能隨著(zhù)傳輸功率水平的變化而移動(dòng),比較能適應網(wǎng)絡(luò )運行條件的變化,為了滿(mǎn)足電壓約束還可獨FACTS技術(shù)將發(fā)展迅速、應用廣泛的大功率立的調節無(wú)功功率。該文還將IPC與相角調整器和.電力電子器件應用于電力系統中,新實(shí)現了電力系串聯(lián)補償器進(jìn)行了對比分析,指出IPC是如何在沒(méi)統中多目標協(xié)調控制，且控制對象擴展到整個(gè)電有控制行為的條件下直接進(jìn)行有功功率調節以及網(wǎng),不但可以解決電力市場(chǎng)環(huán)境下產(chǎn)生的各種問(wèn)如何產(chǎn)生和吸收無(wú)功功率,這種IPC對電感、電容題,而且還可以進(jìn)- -步降低輸電成本,有效地增加的容量要求較低,損耗也較小。迄今為止，國外對相現有輸電線(xiàn)路的容量,提高線(xiàn)路利用率，同進(jìn)還可間功率控制器的研究已經(jīng)發(fā)展到研制出相間功率進(jìn)一步提高我國電力系統地經(jīng)濟運行效益。這一技控制器的實(shí)際裝置并將其應用到實(shí)際電網(wǎng)中。術(shù)將會(huì )為我國未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展和運行管理提供強4.2 IPC 國內研究概況有力的工具,它具有非常廣闊的應用前景。文獻[22]借助移相器的共同性質(zhì)建立了IPC參考文獻:的通用電路模型及數學(xué)關(guān)系,提出了在保持常規潮流網(wǎng)絡(luò )結算結構不變的情況下處理網(wǎng)絡(luò )中含多個(gè)[1]武守 遠，周孝信,趙賀,等(Wu Shouyuan, ZhouIPC的潮流計算方法,分析了IPC與負荷相連時(shí)的Xiaoxin,Zhao He, et al).電力系統最新技術(shù)特性。文獻[23]將IPC各元件參數與電網(wǎng)參數緊靈活交流輸電系統的發(fā)展及研究(Newtechnology密的聯(lián)系起來(lái),從一般電路理論上分析相間功率控in power system- development and study offlexible AC transmission system)[J]. 電網(wǎng)技術(shù)制器的優(yōu)良特性,探討各種參數對運行狀況的影(Power System Technology),1996 ,20(5):1- 3.響,提出了控方主導的概念,闡述了相間功率控制器通過(guò)控方主導來(lái)實(shí)現魯棒潮流控制的機理,指出[2] Ge Shaoyun, Chung T s. Optimal active power flowincorporating FACTS devices with power flowIPC實(shí)行短路故障隔離需要在高阻效應的條件下，control constraints [J ]. International Journal of這將與多種制約因素相沖突?；贗PC的通用結構中國煤化istems 19820(50;模型對相間功率控制器的穩態(tài)特性以及電磁暫態(tài)特性:進(jìn)行了相關(guān)研究[24]。[3]MYHCNMHGn, Li Naitu, Chen相間功率控制器作為FACTS家族的一員,與Heng).基于FACTS技術(shù)的互聯(lián)電力系統潮流控制以上介紹的靈活輸電系統控制器比較有一個(gè)獨到(Power flow control in interconnected power的性質(zhì):即可以實(shí)現互聯(lián)的兩電網(wǎng)之間的短路故障systems based on flexible AC transmission第19卷第3期王樹(shù)文等:靈活交流輸電技術(shù)●117●systems)[J].電力系統自動(dòng)化(Automation of一45.Electric Power Systems) ,1998 ,22(5):37- 40. .[13]劉曉冬,朱 子述，陳陳(Liu Xiaodong，Zhu Zishu,[4]何大愚(HeDayu).柔性交流輸電系統概念研究的新Chen Chen). 500 kV線(xiàn)路串補電容器上過(guò)電壓研進(jìn)展(On the new progress extended in the FACTS究(Study of overvoltages on series capacitor of 500concept) [J]電網(wǎng)技術(shù)(Power SystemskV transmission lines)[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報Technology),1997,21(2):9-14.(Journal of Shanghai Jjiaotong University), 1997,[5]彭 輝,樊慶玲，劉會(huì )金(Peng Hui,Fan Qingling,Liu31(2):142- 147.Huiin).配電網(wǎng)中TCSC和SVC的聯(lián)合補償(Hybrid[14]何大愚(HeDayu).柔性交流輸電技術(shù)及其控制器compensation of TCSC and SVC in distribution研制的新發(fā)展- -TCPST,1PC和sssc (FACTSsystem)[J]. 電力系統及其自動(dòng)化學(xué)報(Proceedingstechnologe and new progress in the development ofof the CSU-EPSA) ,2002 ,14(4):16- 18.its contollers- -TCPST , IPC (TCIPC)and SssC)[6] Pamiani M, Irarani M R. 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