灵活交流输电技术

第19卷第3期电力系统及其自动化学报Vol, 19 No.32007年6月Proceedings of the CSU EPSAJun.2007灵活交流输电技术王树文，纪延超，马文川(哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院，哈尔滨150001)摘要:为了提高输电系统的输送能力和交流输电运行整体控制能力以及开辟高压和超高压交流输电的新方向,对灵活交流输电系统中的控制技术和几种主要的控制器进行了阑述,并重点分析了相间功率控制器技术的国内外研究现状,认为,灵活交流输电技术的不断发展完善并在电力系统中大量的应用,将会为我国未来电网的发展和运行管理提供强有力的工具。同时,指出了灵活交流输电技术今后的发展趋势及美好发展前景。关键词:灵活交流输电;相间功率控制器;电力电子中團分类号: TM72文献标识码: A文章编 号: 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理系统(energy management system, EMS)技术和1前言综合自动化技术-起预测,将其确定为“未来输电灵活交流输电(flexible AC transmission系统新时代的三项支撑技术”或是“现代电力系统systme,FACTS)技术是现代电力电子技术与传统中三项具有变革性影响的前沿课题之- _[]”"。美国、的潮流控制相结合的产物。它可以用可靠性很高的日本和欧洲一些发达国家,以及我国，都已经投入大功率可控硅元件代替传统元件中的机械式高压了大量的人力和物力,对此进行开发研究,并取得开关,从而使电力系统中影响潮流分布的3个主要了一-定的成绩,很多装置已经投人了实际运行,在电气参数可按照系统的需要迅速调整,以期实现输电力系统中发挥着重要的作用。送功率的合理分配,电压的合理控制，降低功率损2 FACTS 控制技术的发展耗和发电成本,大幅度提高系统稳定性,可靠性。此项技术是实现电力系统安全经济、综合控制的重要FACTS控制技术经数十年的不断发展完善，手段[1.2]。实现的功能也日趋强大,FACTS家族也由最初的FACTS技术--经提出立即受到各国电力工作几种发展到现在的数10种。最初,FACTS控制技者的高度重视因,研究主要集中在潮流控制、提高术主中国煤化I构,这种技术的应稳定性、增强阻尼以及控制器的等方面。国内外一用主MHCN M H C联补偿器、可控些权威人士已经将FACTS技术与先进的能量管移相器、司控杨怕奋寺。随有电刀电子技术的进步,收稿日期:2006-04-20;修回日期:2006-07-31●114●电力系统及其自动化学报2007年6月出现了门极可关断(Gate Turn Off,GTO)电压源十几年,静止同步补偿器受到了国内外专家学者的换流器的新一代FACTS控制器,主要有串联潮流普遍重视[8],已经研究开发出相应的实用装置,我控制器、静止移相器、高级无功补偿器、静态同步补国清华大学和河南电力局共同研制成功了一台土偿器、静止同步串联补偿器统一潮流控制器,以及20Mvar的静止无功补偿器,并于1999年在河南洛最新一代新型控制器线间潮流控制器、广义统一潮阳朝阳变电所投人运行(09]。流控制器和相间功率控制器。3.3并联蓄能系统并联蓄能装置包括蓄电池蓄能系统(battery3FACTS中的控制器及其原理energy storage system ,BESS)和超导磁能存储器3.1 静止无功补偿器(superconducting magnetic energy storage,静止无功补偿器(static var compensator，SMES)等,是采用并联式电压源换流器的能量存SVC)的典型代表是晶闸管投切的电容器储系统,其换流器可通过快速调节向交流系统供给(thyristor switched capacitor ,TSC)和晶闸管控制或吸收电能。将SMES用于两机系统的频率控制，的电抗器(thyristor controlled reactor ,TCR)。如可以有效地抑制两系统之间的频率偏移。也可将果只是将这两种无功补偿器单独使用,它们都有各SMES与静止移相器相结合用于互联系统负荷频自的缺点,单独的TCR只能吸收无功功率,而不能率挖制(0。发出无功功率;单独的TSC对于抑制冲击负荷引3.4晶闸管控制的串联电容器起的电压闪变是不够的。为了解决这些问题,可以晶闸管控制的串联电容器(thyristor将TCR与并联电容器配合使用。这些组合而成的controlled series capacitor,TCSC)的模块主要由SVC的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功串联电容和含有电抗、晶闸管开关的并联回路组功率，可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的成,通过可控硅控制可以灵活、连续地改变补偿容电压接近维持不变.SVC的主要作用是电压控制，量1,达到快速响应的效果.TCSC在改善电力系但采用适当的控制方式后,SVC也可以有阻尼系统性能方面有很多优点,将TCSC用于高压输电系统功率振荡和增加稳定性等作用65]。经过几十年的统,可发挥现有系统的潜力,提高功率传输极限,灵发展,不仅将静止无功补偿器，用于输电系统的电活地调节系统潮流,增加系统阻尼作用,保证超高压控制[0],也用于配电系统的补偿和控制，还可用压电网安全稳定运行.TCSC技术已经引起各国研于电力终端用户的无功补偿-电压控制,例如电气究学者的重视,对TCSC的研究主要集中在提高暂化铁路、电弧炉等负荷波动大、无功功率频繁变化态稳定性、抑制次同步谐振、阻尼系统间功率振荡、的场所”。避免电压崩溃等[2。而近几年对TCSC抑制次同3.2 静止同步补偿器步谐振和暂态特性的研究较活跃。静止同步补偿器(static synchronousTCSC与其他FACTS装置相比，潮流控制功compensator ,STATCOM)也可以称为能比较简单,所需的电容器和电抗器的数量大,占ASVG(active static var generator)--有 源静止地面积大,这些对它的广泛推广起到了一定的限制无功发生器。它的基本原理是将自换相桥式电路通作用,但TCSC在改善系统性能方面的优点,使得过电抗器或者直接并联在电网上,适当调节桥式电它受到了GE、ABB和Siemens这些大公司的关注，路交流侧输出电压的幅值和相位,或者直接控制其已经研制出实际的装置并投入系统运行。在美国有交流侧电流,就可以使该电路吸收或发出满足要求3处已经安装了TCSC,并且运行良好。除美国外，的无功电流,实现动态无功补偿。由于它将电压源瑞典、巴西等国家也相继将TCSC投人实际运行。逆变技术应用于无功补偿领域,不需要大容量的电另外,GE公司承担了Slatt 变电站500 kV TCSC容,电感等储能元件,因而大大地发展了传统的无试验工程,SIEMENS公司制造的kanawha变电站功控制概念。ASVG的重要特性是输出的无功功率的20中国煤化工ABB公司改造的不受系统电压的影响,在任何系统电压的情况下，kana\YHCNMHG补投切工程，我国都能输出额定的无功功率,与SVC相比,在系统故在伊敏电厂至齐齐哈尔地区的冯屯变电站的双回障的情况下静止同步补偿器维持系统电压、提高系输电线上采用串联补偿技术[13]。统暂态稳定性和抑制系统振荡的作用较明显;近二3.5静止同步 串联补偿器.第19卷第3期王树文等:灵活交流输电技术●115.静止同步串联补偿器(static synchronous3.9线 间潮流控制器和广义统一潮流控制器series compensator ,SSSC)与静止同步补偿器在近几年,最新一代的FACTS装置线间潮流控结构.上有类似之处,都是以DC/AC逆变器为基本制器(interline power flow controller ,IPFC)和广结构,它的基本原理是向线路注人-一个与电压相差义统一潮流控制器(generalized unified power flow90°的可控电压,以快速控制线路的有效阻抗、从而controller ,GUPFC)的提出和应用，标志着进行有效的系统控制。它在系统中的作用有些类似FACTS直接控制对象从交流输电线扩展到了交流于TCSC,但是,它控制潮流的能力远大于单方向电网。减少线路阻抗功能的TCSC控制器,并且谐波含量IPFC可以实现多线路潮流的灵活控制,不但小14。能够独立提供无功补偿,还可通过直流侧电容的连3.6晶 闸管控制的移相变压器接,实现线路间的有功功率的传输,从过载线上向晶闸管控制的移相变压器(thyristor欠载线上传输有功,补偿线路的电阻性压降和相应controlled phase shifting transformer ,TCPST)是的无功,增加系统动态抗干扰能力,可以优化整个利用可控硅开关控制移相角度从而改变线路两侧电网配置,平衡线路有功和无功[18]。的移相角来控制潮流的大小或方向。经过多年的理GUPFC是比UPFC功能更为强大的FACTS论研究表明TCPST具有提高联络线传输潮流,抑装置,它拓展了UPFC对节点电压和单条线路潮流制小干扰,提高系统稳定性,阻尼功率振荡,母线电的控制,可同时控制多条线路或系统中某- .子网络压控制,规约联络线潮流等功能[15],晶闸管控制的潮流[19]。移相器的控制速度快,相角阶梯可以很小,甚至达不同种类的FACTS控制器在系统的暂态、稳到无级调节，但晶闸管控制的移相器有-一个缺点，态控制等方面都有各自的特点，综合起来这些它本身需要消耗无功功率,运行中一般需要与无功FACTS装置有3个主要的特点。补偿装置联合使用,并且谐波的含量较高,因此对(1)电力电子技术的发展,各种开关器件应用电能质量有一定的影响。到FACTS控制器作为开关可以延长器件的使用3.7统一 潮流控制器寿命,提高经济效益。统一潮流控制器(unified power flow(2)对影响潮流分布的系统参数进行灵活控controller ,UPFC)是一种从原有潮流控制装置的制,控制联络线上的传输功率，使潮流流向指定的基础上发展而来的新型潮流控制装置,它由一个并线路,改善系统中的潮流分布,减少大电网中的环联的换流器和一个串联的换流器通过公共侧的电流。容耦合而成,仅仅通过控制量的变化就可以分别实(3)阻尼功率振荡,改善系统的动态稳定性。现并联补偿..串联补偿或移相器的功能,也可以将保证输电线上传输的功率可以接近热稳定极限,但三者的功能结合起来以实现- -定的控制目的。通过又能满足安全经济运行的要求。不同控制策略的设计,UPFC不但可以用于控制母当代FACTS技术的发展趋势是朝着加快响线电压,线路潮流、提高系统动态和暂态稳定性,抑应速度、提高电压质量、性能优化、抑制谐波和动态制系统振荡,而且可以快速地转换工作状态以适应.平滑调节的方向发展。系统的紧急状态的需要[16]。4IPC的国内外研究现状3.8可转 换式静止补偿器可转换式静止补偿器(convertible static相间功率控制器(interphase powercompensator ,CSC)是FACTS控制器的一种新产controller,IPC)作为灵活交流输电系统的-种装品,它是美国EPRI公司、西门子公司及许多电气置 ,具有潮流控制的鲁棒性和限制事故电流、消除公司研制的成果,实际上是将基于同步变流器的串事故波及的优良性能。并联补偿器技术，通过在结构上实现柔性化，使其4.1中国煤化工可以更加灵活地应对不断变化的电力系统要求。HCNMHG新的专家提出相CSC可以提供静止同步无功补偿器、静止同步串联间功率控制器的概念以来，近几年,国外不少电力无功补偿器、统-潮流控制器和线间潮流控制器4专家相继开展了IPC的研究工作。IPC是一个具有种基本控制方式17]。鲁棒性的串联控制器,两条并联支路的移相电压可.●116●电力系统及其自动化学报2007年6月以由具有机械或电子转换开关的移相装置提供,并隔离作用,避免造成连锁反应和事故扩大。且从相量图的角度对相间功率控制器的功率特性发展电网,实现各区电网之间的互联,对系统进行了分析,指出可以根据系统需要,调节相间功的可靠性要求更高,小电力系统发生事故造成的停率控制器的控制参数,改变通过IPC的潮流方向和电是局部的,有限的，而大型互联电网一旦发生事幅值。故,特别是不可控的恶性连锁反应时,停电波及的文献[20]的作者对相间功率控制器的基本工范围会更大,停电时间更长,后果更严重,互联电网作原理进行了详细的阐述,并假设IPC装于两无穷愈大,这种波及程度也愈大。大母线之间的联络线上,研究漏抗、终端电压和不为了保证互联大电网既能发挥很好的经济效同导纳对功率特性的影响,指出对外表现为电流源益,又能安全稳定运行,必须很好地解决这种事故的相间功率控制器具有的特点。在魁北克研究院制波及情况。IPC的优良特性对减轻交流互联电网事造了一台仿真器来研究IPC的稳态、暂态特性。证故范围的扩大有一定的作用。国外对IPC的研究已实了IPC的过电压保护和控制策略的有效性,确定经进行了十多年，而我国对它的研究才刚刚起步。在开路状态下装置的最大承受能力以及IPC有功由于将在20世纪展开全国的大联网,因此,跟上国功率和无功功率对系统变量(如电压和频率等)变外先进技术的发展步伐,加强对IPC新技术的研究化量的灵敏程度。文献[21]提出了将电容支路类与开发,为我国电网的互联提供先进的装备,在我似于TCSC直接连在两母线之间,而电感支路通过国开展对相间功率控制器的研究更有重要的现时一有固定移相角的变压器连接的相间功率控制器。意义。这种IPC除具有其他IPC的基本特征外,它的功角5结语特性能随着传输功率水平的变化而移动,比较能适应网络运行条件的变化,为了满足电压约束还可独FACTS技术将发展迅速、应用广泛的大功率立的调节无功功率。该文还将IPC与相角调整器和.电力电子器件应用于电力系统中,新实现了电力系串联补偿器进行了对比分析,指出IPC是如何在没统中多目标协调控制，且控制对象扩展到整个电有控制行为的条件下直接进行有功功率调节以及网,不但可以解决电力市场环境下产生的各种问如何产生和吸收无功功率,这种IPC对电感、电容题,而且还可以进- -步降低输电成本,有效地增加的容量要求较低,损耗也较小。迄今为止，国外对相现有输电线路的容量,提高线路利用率，同进还可间功率控制器的研究已经发展到研制出相间功率进一步提高我国电力系统地经济运行效益。这一技控制器的实际装置并将其应用到实际电网中。术将会为我国未来电网的发展和运行管理提供强4.2 IPC 国内研究概况有力的工具,它具有非常广阔的应用前景。文献[22]借助移相器的共同性质建立了IPC参考文献:的通用电路模型及数学关系,提出了在保持常规潮流网络结算结构不变的情况下处理网络中含多个[1]武守 远，周孝信,赵贺,等(Wu Shouyuan, ZhouIPC的潮流计算方法,分析了IPC与负荷相连时的Xiaoxin,Zhao He, et al).电力系统最新技术特性。文献[23]将IPC各元件参数与电网参数紧灵活交流输电系统的发展及研究(Newtechnology密的联系起来,从一般电路理论上分析相间功率控in power system- development and study offlexible AC transmission system)[J]. 电网技术制器的优良特性,探讨各种参数对运行状况的影(Power System Technology),1996 ,20(5):1- 3.响,提出了控方主导的概念,阐述了相间功率控制器通过控方主导来实现鲁棒潮流控制的机理,指出[2] Ge Shaoyun, Chung T s. Optimal active power flowincorporating FACTS devices with power flowIPC实行短路故障隔离需要在高阻效应的条件下，control constraints [J ]. International Journal of这将与多种制约因素相冲突。基于IPC的通用结构中国煤化istems 19820(50;模型对相间功率控制器的稳态特性以及电磁暂态特性:进行了相关研究[24]。[3]MYHCNMHGn, Li Naitu, Chen相间功率控制器作为FACTS家族的一员,与Heng).基于FACTS技术的互联电力系统潮流控制以上介绍的灵活输电系统控制器比较有一个独到(Power flow control in interconnected power的性质:即可以实现互联的两电网之间的短路故障systems based on flexible AC transmission第19卷第3期王树文等:灵活交流输电技术●117●systems)[J].电力系统自动化(Automation of一45.Electric Power Systems) ,1998 ,22(5):37- 40. .[13]刘晓冬,朱 子述，陈陈(Liu Xiaodong，Zhu Zishu,[4]何大愚(HeDayu).柔性交流输电系统概念研究的新Chen Chen). 500 kV线路串补电容器上过电压研进展(On the new progress extended in the FACTS究(Study of overvoltages on series capacitor of 500concept) [J]电网技术(Power SystemskV transmission lines)[J]. 上海交通大学学报Technology),1997,21(2):9-14.(Journal of Shanghai Jjiaotong University), 1997,[5]彭 辉,樊庆玲，刘会金(Peng Hui,Fan Qingling,Liu31(2):142- 147.Huiin).配电网中TCSC和SVC的联合补偿(Hybrid[14]何大愚(HeDayu).柔性交流输电技术及其控制器compensation of TCSC and SVC in distribution研制的新发展- -TCPST,1PC和sssc (FACTSsystem)[J]. 电力系统及其自动化学报(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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