第19卷第3期電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報Vol, 19 No.32007年6月Proceedings of the CSU EPSAJun.2007靈活交流輸電技術(shù)王樹文，紀(jì)延超，馬文川(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，哈爾濱150001)摘要:為了提高輸電系統(tǒng)的輸送能力和交流輸電運行整體控制能力以及開辟高壓和超高壓交流輸電的新方向,對靈活交流輸電系統(tǒng)中的控制技術(shù)和幾種主要的控制器進(jìn)行了闌述,并重點分析了相間功率控制器技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,認(rèn)為,靈活交流輸電技術(shù)的不斷發(fā)展完善并在電力系統(tǒng)中大量的應(yīng)用,將會為我國未來電網(wǎng)的發(fā)展和運行管理提供強(qiáng)有力的工具。同時,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(tuán)分類號: TM72文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)(energy management system, EMS)技術(shù)和1前言綜合自動化技術(shù)-起預(yù)測,將其確定為“未來輸電靈活交流輸電(flexible AC transmission系統(tǒng)新時代的三項支撐技術(shù)”或是“現(xiàn)代電力系統(tǒng)systme,FACTS)技術(shù)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)與傳統(tǒng)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(jié)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(dá)國家,以及我國，都已經(jīng)投入大功率可控硅元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)元件中的機(jī)械式高壓了大量的人力和物力,對此進(jìn)行開發(fā)研究,并取得開關(guān),從而使電力系統(tǒng)中影響潮流分布的3個主要了一-定的成績,很多裝置已經(jīng)投人了實際運行,在電氣參數(shù)可按照系統(tǒng)的需要迅速調(diào)整,以期實現(xiàn)輸電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。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(tǒng)穩(wěn)定性,可靠性。此項技術(shù)是實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)、綜合控制的重要FACTS控制技術(shù)經(jīng)數(shù)十年的不斷發(fā)展完善，手段[1.2]。實現(xiàn)的功能也日趨強(qiáng)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(xiàn)在的數(shù)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(gòu),這種技術(shù)的應(yīng)穩(wěn)定性、增強(qiáng)阻尼以及控制器的等方面。國內(nèi)外一用主MHCN M H C聯(lián)補償器、可控些權(quán)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(tǒng)及其自動化學(xué)報2007年6月出現(xiàn)了門極可關(guān)斷(Gate Turn Off,GTO)電壓源十幾年,靜止同步補償器受到了國內(nèi)外專家學(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)研究開發(fā)出相應(yīng)的實用裝置,我控制器、靜止移相器、高級無功補償器、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(tǒng)一潮流控制器,以及20Mvar的靜止無功補償器,并于1999年在河南洛最新一代新型控制器線間潮流控制器、廣義統(tǒng)一潮陽朝陽變電所投人運行(09]。流控制器和相間功率控制器。3.3并聯(lián)蓄能系統(tǒng)并聯(lián)蓄能裝置包括蓄電池蓄能系統(tǒng)(battery3FACTS中的控制器及其原理energy storage system ,BESS)和超導(dǎo)磁能存儲器3.1 靜止無功補償器(superconducting magnetic energy storage,靜止無功補償器(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(tǒng),其換流器可通過快速調(diào)節(jié)向交流系統(tǒng)供給(thyristor switched capacitor ,TSC)和晶閘管控制或吸收電能。將SMES用于兩機(jī)系統(tǒng)的頻率控制，的電抗器(thyristor controlled reactor ,TCR)。如可以有效地抑制兩系統(tǒng)之間的頻率偏移。也可將果只是將這兩種無功補償器單獨使用,它們都有各SMES與靜止移相器相結(jié)合用于互聯(lián)系統(tǒng)負(fù)荷頻自的缺點,單獨的TCR只能吸收無功功率,而不能率挖制(0。發(fā)出無功功率;單獨的TSC對于抑制沖擊負(fù)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(xù)調(diào)節(jié)補償裝置的無功串聯(lián)電容和含有電抗、晶閘管開關(guān)的并聯(lián)回路組功率，可以對無功功率進(jìn)行動態(tài)補償，使補償點的成,通過可控硅控制可以靈活、連續(xù)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(dá)到快速響應(yīng)的效果.TCSC在改善電力系但采用適當(dāng)?shù)目刂品绞胶?SVC也可以有阻尼系統(tǒng)性能方面有很多優(yōu)點,將TCSC用于高壓輸電系統(tǒng)功率振蕩和增加穩(wěn)定性等作用65]。經(jīng)過幾十年的統(tǒng),可發(fā)揮現(xiàn)有系統(tǒng)的潛力,提高功率傳輸極限,靈發(fā)展,不僅將靜止無功補償器，用于輸電系統(tǒng)的電活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)潮流,增加系統(tǒng)阻尼作用,保證超高壓控制[0],也用于配電系統(tǒng)的補償和控制，還可用壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行.TCSC技術(shù)已經(jīng)引起各國研于電力終端用戶的無功補償-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(fù)荷波動大、無功功率頻繁變化態(tài)穩(wěn)定性、抑制次同步諧振、阻尼系統(tǒng)間功率振蕩、的場所”。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)也可以稱為能比較簡單,所需的電容器和電抗器的數(shù)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(tǒng)性能方面的優(yōu)點,使得過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上,適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電它受到了GE、ABB和Siemens這些大公司的關(guān)注，路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位,或者直接控制其已經(jīng)研制出實際的裝置并投入系統(tǒng)運行。在美國有交流側(cè)電流,就可以使該電路吸收或發(fā)出滿足要求3處已經(jīng)安裝了TCSC,并且運行良好。除美國外，的無功電流,實現(xiàn)動態(tài)無功補償。由于它將電壓源瑞典、巴西等國家也相繼將TCSC投人實際運行。逆變技術(shù)應(yīng)用于無功補償領(lǐng)域,不需要大容量的電另外,GE公司承擔(dān)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(tǒng)的無試驗工程,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功功率的20中國煤化工ABB公司改造的不受系統(tǒng)電壓的影響,在任何系統(tǒng)電壓的情況下，kana\YHCNMHG補投切工程，我國都能輸出額定的無功功率,與SVC相比,在系統(tǒng)故在伊敏電廠至齊齊哈爾地區(qū)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(tǒng)電壓、提高系輸電線上采用串聯(lián)補償技術(shù)[13]。統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和抑制系統(tǒng)振蕩的作用較明顯;近二3.5靜止同步 串聯(lián)補償器.第19卷第3期王樹文等:靈活交流輸電技術(shù)●115.靜止同步串聯(lián)補償器(static synchronous3.9線 間潮流控制器和廣義統(tǒng)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裝置線間潮流控結(jié)構(gòu).上有類似之處,都是以DC/AC逆變器為基本制器(interline power flow controller ,IPFC)和廣結(jié)構(gòu),它的基本原理是向線路注人-一個與電壓相差義統(tǒng)一潮流控制器(generalized unified power flow90°的可控電壓,以快速控制線路的有效阻抗、從而controller ,GUPFC)的提出和應(yīng)用，標(biāo)志著進(jìn)行有效的系統(tǒng)控制。它在系統(tǒng)中的作用有些類似FACTS直接控制對象從交流輸電線擴(kuò)展到了交流于TCSC,但是,它控制潮流的能力遠(yuǎn)大于單方向電網(wǎng)。減少線路阻抗功能的TCSC控制器,并且諧波含量IPFC可以實現(xiàn)多線路潮流的靈活控制,不但小14。能夠獨立提供無功補償,還可通過直流側(cè)電容的連3.6晶 閘管控制的移相變壓器接,實現(xiàn)線路間的有功功率的傳輸,從過載線上向晶閘管控制的移相變壓器(thyristor欠載線上傳輸有功,補償線路的電阻性壓降和相應(yīng)controlled phase shifting transformer ,TCPST)是的無功,增加系統(tǒng)動態(tài)抗干擾能力,可以優(yōu)化整個利用可控硅開關(guān)控制移相角度從而改變線路兩側(cè)電網(wǎng)配置,平衡線路有功和無功[18]。的移相角來控制潮流的大小或方向。經(jīng)過多年的理GUPFC是比UPFC功能更為強(qiáng)大的FACTS論研究表明TCPST具有提高聯(lián)絡(luò)線傳輸潮流,抑裝置,它拓展了UPFC對節(jié)點電壓和單條線路潮流制小干擾,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,阻尼功率振蕩,母線電的控制,可同時控制多條線路或系統(tǒng)中某- .子網(wǎng)絡(luò)壓控制,規(guī)約聯(lián)絡(luò)線潮流等功能[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(dá)不同種類的FACTS控制器在系統(tǒng)的暫態(tài)、穩(wěn)到無級調(diào)節(jié)，但晶閘管控制的移相器有-一個缺點，態(tài)控制等方面都有各自的特點，綜合起來這些它本身需要消耗無功功率,運行中一般需要與無功FACTS裝置有3個主要的特點。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,各種開關(guān)器件應(yīng)用電能質(zhì)量有一定的影響。到FACTS控制器作為開關(guān)可以延長器件的使用3.7統(tǒng)一 潮流控制器壽命,提高經(jīng)濟(jì)效益。統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow(2)對影響潮流分布的系統(tǒng)參數(shù)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)線上的傳輸功率，使潮流流向指定的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型潮流控制裝置,它由一個并線路,改善系統(tǒng)中的潮流分布,減少大電網(wǎng)中的環(huán)聯(lián)的換流器和一個串聯(lián)的換流器通過公共側(cè)的電流。容耦合而成,僅僅通過控制量的變化就可以分別實(3)阻尼功率振蕩,改善系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性?，F(xiàn)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上傳輸?shù)墓β士梢越咏鼰岱€(wěn)定極限,但三者的功能結(jié)合起來以實現(xiàn)- -定的控制目的。通過又能滿足安全經(jīng)濟(jì)運行的要求。不同控制策略的設(shè)計,UPFC不但可以用于控制母當(dāng)代FACTS技術(shù)的發(fā)展趨勢是朝著加快響線電壓,線路潮流、提高系統(tǒng)動態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性,抑應(yīng)速度、提高電壓質(zhì)量、性能優(yōu)化、抑制諧波和動態(tài)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).平滑調(diào)節(jié)的方向發(fā)展。系統(tǒng)的緊急狀態(tài)的需要[16]。4IPC的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3.8可轉(zhuǎn) 換式靜止補償器可轉(zhuǎn)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(tǒng)的-種裝品,它是美國EPRI公司、西門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)，通過在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)柔性化，使其4.1中國煤化工可以更加靈活地應(yīng)對不斷變化的電力系統(tǒng)要求。HCNMHG新的專家提出相CSC可以提供靜止同步無功補償器、靜止同步串聯(lián)間功率控制器的概念以來，近幾年,國外不少電力無功補償器、統(tǒng)-潮流控制器和線間潮流控制器4專家相繼開展了IPC的研究工作。IPC是一個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(tǒng)及其自動化學(xué)報2007年6月以由具有機(jī)械或電子轉(zhuǎn)換開關(guān)的移相裝置提供,并隔離作用,避免造成連鎖反應(yīng)和事故擴(kuò)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),實現(xiàn)各區(qū)電網(wǎng)之間的互聯(lián),對系統(tǒng)進(jìn)行了分析,指出可以根據(jù)系統(tǒng)需要,調(diào)節(jié)相間功的可靠性要求更高,小電力系統(tǒng)發(fā)生事故造成的停率控制器的控制參數(shù),改變通過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(yīng)時,停電波及的文獻(xiàn)[20]的作者對相間功率控制器的基本工范圍會更大,停電時間更長,后果更嚴(yán)重,互聯(lián)電網(wǎng)作原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,并假設(shè)IPC裝于兩無窮愈大,這種波及程度也愈大。大母線之間的聯(lián)絡(luò)線上,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(jì)效同導(dǎo)納對功率特性的影響,指出對外表現(xiàn)為電流源益,又能安全穩(wěn)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。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研究IPC的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)特性。證故范圍的擴(kuò)大有一定的作用。國外對IPC的研究已實了IPC的過電壓保護(hù)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(jì)展開全國的大聯(lián)網(wǎng),因此,跟上國功率和無功功率對系統(tǒng)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(qiáng)對IPC新技術(shù)的研究化量的靈敏程度。文獻(xiàn)[21]提出了將電容支路類與開發(fā),為我國電網(wǎng)的互聯(lián)提供先進(jìn)的裝備,在我似于TCSC直接連在兩母線之間,而電感支路通過國開展對相間功率控制器的研究更有重要的現(xiàn)時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(jié)語特性能隨著傳輸功率水平的變化而移動,比較能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)運行條件的變化,為了滿足電壓約束還可獨FACTS技術(shù)將發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的大功率立的調(diào)節(jié)無功功率。該文還將IPC與相角調(diào)整器和.電力電子器件應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,新實現(xiàn)了電力系串聯(lián)補償器進(jìn)行了對比分析,指出IPC是如何在沒統(tǒng)中多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制，且控制對象擴(kuò)展到整個電有控制行為的條件下直接進(jìn)行有功功率調(diào)節(jié)以及網(wǎng),不但可以解決電力市場環(huán)境下產(chǎn)生的各種問如何產(chǎn)生和吸收無功功率,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(xiàn)有輸電線路的容量,提高線路利用率，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(tǒng)地經(jīng)濟(jì)運行效益。這一技控制器的實際裝置并將其應(yīng)用到實際電網(wǎng)中。術(shù)將會為我國未來電網(wǎng)的發(fā)展和運行管理提供強(qiáng)4.2 IPC 國內(nèi)研究概況有力的工具,它具有非常廣闊的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[22]借助移相器的共同性質(zhì)建立了IPC參考文獻(xiàn):的通用電路模型及數(shù)學(xué)關(guān)系,提出了在保持常規(guī)潮流網(wǎng)絡(luò)結(jié)算結(jié)構(gòu)不變的情況下處理網(wǎng)絡(luò)中含多個[1]武守 遠(yuǎn)，周孝信,趙賀,等(Wu Shouyuan, ZhouIPC的潮流計算方法,分析了IPC與負(fù)荷相連時的Xiaoxin,Zhao He, et al).電力系統(tǒng)最新技術(shù)特性。文獻(xiàn)[23]將IPC各元件參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)緊靈活交流輸電系統(tǒng)的發(fā)展及研究(Newtechnology密的聯(lián)系起來,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(shù)對運行狀況的影(Power System Technology),1996 ,20(5):1- 3.響,提出了控方主導(dǎo)的概念,闡述了相間功率控制器通過控方主導(dǎo)來實現(xiàn)魯棒潮流控制的機(jī)理,指出[2] Ge Shaoyun, Chung T s. Optimal active power flowincorporating FACTS devices with power flowIPC實行短路故障隔離需要在高阻效應(yīng)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(jié)構(gòu)中國煤化istems 19820(50;模型對相間功率控制器的穩(wěn)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(tǒng)潮流控制以上介紹的靈活輸電系統(tǒng)控制器比較有一個獨到(Power flow control in interconnected power的性質(zhì):即可以實現(xiàn)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期王樹文等:靈活交流輸電技術(shù)●117●systems)[J].電力系統(tǒng)自動化(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(tǒng)概念研究的新Chen Chen). 500 kV線路串補電容器上過電壓研進(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(tǒng)及其自動化學(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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