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靈活交流輸電(FACTS)技術是現代電力電子技術與傳統的潮流控制相結合的產物。它采用可靠性高的大功率可控硅元件代替機械式高壓開關,使電力系統中影響潮流分布的三個主要電氣參數(電壓、線路阻抗及功率角)可按照系統的需要迅速調整,以期實現輸送功率的合理分配,電壓的合理控制,降低功率損耗和發電成本,大幅度提高系統穩定性,可靠性。此項技術是實現電力系統安全經濟、綜合控制的重要手段。
FACTS技術一經提出立即受到各國電力工作者的高度重視,國內外一些權威人士已經將靈活交流輸電、綜合自動化和EMS技術一起預測將其確定為“未來輸電系統新時代的三項支撐技術”。美國、日本等發達國家,以及我國都投入了大量的人力和物力對此進行開發研究,很多裝置已經投入了實際運行,在電力系統中發揮著重要的作用。
FACTS中的控制器
1、靜止無功補償器SVC
靜止無功補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)。實際應用中,將TCR與并聯電容器配合使用,根據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償器,和TCR與斷路器投切電容器配合使用的補償器,以及TCR與TSC配合使用的無功補償器。這些組合而成的SVC的重要特性是它能連續調節補償裝置的無功功率,進行動態補償,使補償點的電壓接近維持不變,但SVC只能補償系統的電壓,其無功輸出與補償點節點電壓的平方成正比,當電壓降低時其補償作用會減弱。SVC的主要作用是電壓控制,采用適當的控制方式后,SVC也可以有阻尼系統功率振蕩和增加穩定性等作用。目前,SVC技術已經比較成熟,國外從60年代就已經開始應用SVC,七十年代末開始用于輸電系統的電壓控制,經過幾十年的發展,不僅將靜止無功補償器,用于輸電系統的電壓控制,也用于配電系統的補償和控制,還可用于電力終端用戶的無功補償一電壓控制。
2、靜止同步補償器STATCOM
靜止同步補償器也可以稱為ASVG——有源靜止無功發生器。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到電網上,適當調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位,就可以使該電路吸收或發出滿足要求的無功電流,實現動態無功補償。ASVG根據直流側采用的電容和電感兩種不同的儲能元件,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,與系統交換無功,在任何系統電壓的情況下,都能輸出額定的無功功率,與SVC相比,在系統故障的情況下靜止同步補償器維持系統電壓,提高系統暫態穩定性和抑制系統振蕩的作用較明顯;近二十幾年,靜止同步補償器受到了國內外專家學者的普遍重視,日本從1980年研制出第一臺20Mvar的強迫自換相的橋式ASVG,1991年又投入了一臺±80Mvar的ASVG成功地運行在154kV的輸電線路上,而美國于1995年投入了一臺±100Mvar的ASVG。我國清華大學和河南電力局共同研制成功了一臺±20Mvar的靜止無功補償器,并于1999年在河南洛陽朝陽變電所投入運行。
3、并聯蓄能系統
并聯蓄能裝置包括蓄電池蓄能系統(BESS)和超導磁能存儲器(SMES)等,是采用并聯式電壓源換流器的能量存儲系統,其換流器可通過快速調節向交流系統供給或吸收電能。將SMES用于兩機系統的頻率控制,可以有效地抑制兩系統之間的頻率偏移。也可將SMES與靜止移相器相結合用于互聯系統負荷頻率控制。但這種超導儲能裝置不但技術要求高,而且在目前的條件下投資費用比較昂貴,大量投入系統運行還存在一定的困難
4、晶閘管控制的串聯電容器TCSC
晶閘管控制的串聯電容器的模塊主要由串聯電容和含有電抗、晶閘管開關的并聯回路組成,通過可控硅控制可以靈活、連續地改變補償容量,達到快速響應的效果。TCSC在改善電力系統性能方面有很多優點,將TCSC用于高壓輸電系統,可發揮現有系統的潛力,提高功率傳輸極限,靈活地調節系統潮流,增加系統阻尼作用,是保證超高壓電網安全穩定運行的重要措施。
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等大公司的關注和重視。在美國有三處已經安裝了TCSC,并且運行良好,瑞典、巴西等國家也相繼將TCSC投入實際運行。我國在伊敏電廠至齊齊哈爾地區的馮屯變電站的雙回輸電線上采用串聯補償技術。
5、靜止同步串聯補償器SSSC
靜止同步串聯補償器是以DC/AC逆變器為基本結構,它的基本原理是向線路注入一個與電壓相差90的可控電壓,以快速控制線路的有效阻抗、從而進行有效地系統控制。它在系統中的作用有些類似于TCSC,但是,它控制潮流的能力遠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控制移相角度從而改變線路兩側的移相角來控制潮流的大小或方向。移相器的發展比較早,早在三十年代第一臺移相器已經在美國投入運行,隨著電力電子技術的發展,70年代開始各國電力專家將晶閘管與移相器相結合開始進行晶閘管控制的移相器TCPST的研究。經研究表明TCPST具有提高聯絡線傳輸潮流,抑制小干擾,提高系統穩定性,阻尼功率振蕩,母線電壓控制,規約聯絡線潮流等功能,晶閘管控制的移相器的控制速度快,相角階梯可以很小,甚至達到無級調節,但晶閘管控制的移相器有一個缺點,它本身需要消耗無功功率,運行中一般需要與無功補償裝置聯合使用,并且諧波的含量較高,因此對電能質量有一定的影響。
7、可轉換式靜止補償器CSC
可轉換式靜止補償器是近兩年推出的FACTS控制器的一種新產品,它實際上是將基于同步變流器的串并聯補償器技術,通過在結構上實現柔性化,使其可以更加靈活地應對不斷變化的電力系統要求。CSC是由2臺電壓源換流器、一個與輸電線并聯的變壓器和2個串聯的變壓器組成。通過開關的轉換實現補償器的不同運行工作狀態,根據控制目標的不同,CSC可以提供靜止同步無功補償器,靜止同步串聯無功補償器、統一潮流控制器和線間潮流控制器4種基本控制方式。
8、統一潮流控制器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,統一潮流控制器是一種從原有潮流控制裝置的基礎上發展而來的新型潮流控制裝置,它由一個并聯的換流器和一個串聯的換流器通過公共側的電容耦合而成,僅僅通過控制量的變化就可以分別實現并聯補償、串聯補償或移相器的功能,也可以將三者的功能結合使用。通過不同控制策略的設計,UPFC不但可以用于控制母線電壓。線路潮流、提高系統動態和暫態穩定性,抑制系統振蕩,而且可以快速地轉換工作狀態以適應系統的緊急狀態的需要。它被認為是FACTS家族中最有代表性、功能最強大和技術最復雜的成員。
結論
隨著電力電子技術的發展,各種開關器件應用到FACTS控制器作為開關可以延長器件的使用壽命,提高經濟效益。FACTS技術的應用可以使互聯電網之間互為備用,減少冷熱備用容量,對影響潮流分布的系統參數進行靈活控制,控制聯絡線上的傳輸功率,使潮流流向指定的線路,改善系統中的潮流分布,減少大電網中的環流,改善系統的動態穩定性,保證輸電線上傳輸的功率可以接近熱穩定極限,但又能滿足安全經濟運行的要求。
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