灵活交流输电(FACTS)技术综述

摘要:本文介绍了灵活交流输电(FACTS)的基本概念，阐述了FACTS技术的发展现状，对FACTS技术中的控制器及其原理进行了系统的介绍，并且介绍了FACTS在输电系统中的功能，进一步讨论了待解决的问题。

关键字：灵活交流输电；电力系统；输电系统；控制器

0 引言

随着国民经济的不断发展,社会对电力的需求越来越大,对电网的安全可靠性要求也越来越高,针对电网的特点以及电力市场的发展可能出现的“输电阻塞”等问题,我国制定了“西电东送、南北互供,全国联网”的电网发展战略,以推进跨区输电、跨区联网。为此,保证电网稳定、安全运行是电网发展中要解决的重点,这就迫切需要一种灵活可靠的潮流控制技术,控制线路潮流的自然分布,以满足电网“充足、可靠、优质、经济”地供电。

灵活交流输电系统(FACTS)是近年来出现的一项新技术, FACTS以其特有的大功率、高速、精确连续的控制技术,通过改变高压输电网的参数(相角、电压、线路阻抗)及网络结构对输电线路的潮流进行直接控制,代替了传统的机械、电子和电磁的控制手段,使交流输电系统的功率有高度的可控性,降低系统网损和发电成本,大幅度提高系统的稳定性和可靠性

[1,2]。

1 FACTS发展现状

1.1 FACTS器件

目前已获得成功应用的组合装置有：可控串联补偿( Thyristor Controller Series Compensator, TCSC) 、静止同步串联补偿器( Static Synchronous Series Compensator, SSSC)、静止同步并联补偿器( Static Synchronous Compensator, STATCOM) 、统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller,UPFC) 、可转换的静止补偿器(Convertible Static Compensator, CSC) 、电压源转换器(Voltage Source Converter,VSC) 、可控移项器( Thyristor Controlled Phase, TCPR) 、超导储能系统( SuperconductingMagnetic Energy Storage, SMES) 、控制串联电抗器( Thyristor Controller Series Regulator, TCSR )等. 这些装置同微处理器的速度和精度一起运作,为电网提供了前所未有的控制,能够高效利用电网资源和电能,预示着电网控制的未来[ 3, 4 ]。

1. 2 FACTS技术的应用

FACTS技术的发展及应用，美国一直走在世界前列。1982 年,美国在BPA公司的500 kV 变电站中投运了一台8.4MW、最大功率10MW的超导磁能存储系统( SEME)，消除低频振荡，效果良好。1986年10月，由美国EPRI和西屋公司研制的±1Mvar静止无功补偿器( STATCOM )投入运行，这是世界上首台采用大功率GTO作为逆变器元件的静止补偿器。1991年，美国AEP公司在一条345 kV输电线上的三相常规串补中一相做了可控串补( TCSC)工业试验，次年就在Arizon 的一条300 km、230kV、300MW的输电线上装设三相TCSC，把输电能力提高到400MW ，效果显著。至1993年，美国EPI组织了电力公司进行了FACTS技术协作性全面应用研究。美国电力(AEP)、西屋公司及美国EPRI合作,研制目前世界上唯一的UPFC———统一潮流控制器，并在Kenturky东部的Inez变电站装设。这是目前为止容量最大的FACTS设备。美国EPRI、西门子公司及许多电气公司在FACTS领域长期合作研究，推出了一种全新的可转换式静止补偿器(Convertible Static Compensator, CSC)的FACTS控制装置。该装置结合了包括统一潮流控制器(UPFC)在内的现有串、并联控制器的研究成果和运行经验,通过耦合变压器连接方式的改变实现对

若干个电压源换流器的不同组合，以优化控制器结构，灵活应对系统变化,是灵活交流输配电系统中最新一代的控制器。

2 FACTS中的控制器及其原理

2.1静止无功补偿器

静止无功补偿器( static var compen sator,SVC) 的典型代表是晶闸管投切的电容器( thyristor switched capacitor, TSC) 和晶闸管控制的电抗器( thyristor controlled reactor, TCR)。如果只是将这两种无功补偿器单独使用，它们都有各自的缺点，单独的TCR 只能吸收无功功率，而不能发出无功功率；单独的TSC 对于抑制冲击负荷引起的电压闪变是不够的。为了解决这些问题，可以将TCR 与并联电容器配合使用。这些组合而成的SVC 的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率，可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变。SVC 的主要作用是电压控制，但采用适当的控制方式后，SVC 也可以有阻尼系统功率振荡和增加稳定性等作用[5 ]。经过几十年的发展，不仅将静止无功补偿器，用于输电系统的电压控制[6 ] , 也用于配电系统的补偿和控制，还可用于电力终端用户的无功补偿电压控制，例如电气化铁路、电弧炉等负荷波动大、无功功率频繁变化的场所[7 ]。

2.2静止同步补偿器

静止同步补偿器( static synchronou scompen sator, STATCOM ) 也可以称为ASVG (act-ive static var generator) —有源静止无功发生器。它的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实

现动态无功补偿。由于它将电压源逆变技术应用于无功补偿领域，不需要大容量的电容，电感等储能元件，因而大大地发展了传统的无功控制概念。ASV 的重要特性是输出的无功功率不受系统电压的影响，在任何系统电压的情况下，都能输出额定的无功功率，与SVC相比，在系统故障的情况下静止同步补偿器维持系统电压、提高系统暂态稳定性和抑制系统振荡的作用较明显； 近二十几年， 静止同步补偿器受到了国内外专家学者的普遍重视

[8 ]

，已经研究开发出相应的实用装置, 我国清华大学和河南电力局共同研制成功了一台±

20M var 的静止无功补偿器, 并于1999 年在河南洛阳朝阳变电所投入运行[9 ]。

2.3晶闸管控制的串联电容器

晶闸管控制的串联电容器( thyristor controlled series capacitor, TCSC) 的模块主要由串联电容和含有电抗、晶闸管开关的并联回路组成, 通过可控硅控制可以灵活、连续地改变补偿容量[10] , 达到快速响应的效果。TCSC在改善电力系统性能方面有很多优点，将TCSC用于高压输电系统，可发挥现有系统的潜力，提高功率传输极限，灵活地调节系统潮流，增加系统阻尼作用，保证超高压电网安全稳定运行。TCSC 技术已经引起各国研究学者的重视，对TCSC的研究主要集中在提高暂态稳定性、抑制次同步谐振、阻尼系统间功率振荡、避免电压崩溃等[11]。而近几年对TCSC 抑制次同步谐振和暂态特性的研究较活跃。TCSC与其他FACTS装置相比，潮流控制功能比较简单，所需的电容器和电抗器的数量大，占地面积大，这些对它的广泛推广起到了一定的作用，但TCSC 在改善系统性能方面的优点，使得它受到了GE、ABB 和Siemens 这些大公司的关注，已经研制出实际的装置并投入系统运行。在美国有3 处已经安装了TCSC，并且运行良好。除美国外，瑞典、巴西等国家也相继将TCSC 投入实际运行。另外, GE 公司承担了Slat t 变电站500 kV TCSC试验工程，SIEMENS 公司制造的kanawha 变电站的200 kV 先进串联补偿工程和ABB 公司改造的kanawha River 变电站的单相串补投切工程，我国在伊敏电厂至齐齐哈尔地区的冯屯变电站的双回输电线上采用串联补偿技术[12 ]。

2.4静止同步串联补偿器

静止同步串联补偿器( static synchronou sseries compensator, SSSC) 与静止同步补偿器在结构上有类似之处，都是以DCöA C 逆变器为基本结构，它的基本原理是向线路注入一个与电压相差90°的可控电压，以快速控制线路的有效阻抗、从而进行有效的系统控制。它在系统中的作用有些类似于TCSC，但是，它控制潮流的能力远大于单方向减少线路阻抗功能的TCSC 控制器，并且谐波含量小[13 ]。

2.5晶闸管控制的移相变压器

晶闸管控制的移相变压器( thyristor controlled phase shifting transformer, TCPST ) 是利用可控硅开关控制移相角度从而改变线路两侧的移相角来控制潮流的大小或方向，经过多年的理论研究表明TCPST 具有提高联络线传输潮流，抑制小干扰，提高系统稳定性，阻尼功率振荡，母线电压控制，规约联络线潮流等功能[14 ] ，晶闸管控制的移相器的控制速度快，相角阶梯可以很小，甚至达到无级调节，但晶闸管控制的移相器有一个缺点，它本身需要消耗无功功率，运行中一般需要与无功补偿装置联合使用, 并且谐波的含量较高，因此对电能质量有一定的影响。

3 FACTS在输电系统中的功能[ 15 ]

3.1优化输电网络的运行条件

FACTS控制器有助于减少和消除环流或振荡等大电网痼疾，有助于解决输电网中“瓶颈”环节的问题；有助于在电网中建立输送通道，为电力市场创造电力定向输送的条件；有助于提高现有输电网的稳定性、可靠性和供电质量；还有助于防止连锁性事故扩大，减

少事故恢复时间及停电损失。通过对FACTS设备快速、平滑的调整,可以方便、迅速地改变系统潮流分布,大范围地控制潮流使之按指定路径流动,依靠短路和设备故障的影响来防止线路串级跳闸，阻尼那些会损坏设备或输电容量的各种电力振荡。

3.2提高输电线路的输送容量

采用FACTS技术可保证输电线输送容量接近热稳定极限而又不至于过负荷，这样可减缓新建输电线路的需要，提高输电线路的利用率。FACTS的出现对电网的建设规划和设计将产生重大影响。

3.3改变交流输电的应用范围

由于高压直流输电的控制手段快速灵活，当输送容量与稳定的矛盾难以调和时,有时可能通过建设直流线路来解决，但换流站的一次投资很高。应用FACTS控制器的方案常常比新建一条线路或换流站的方案投资要少，整套应用并协制的FACTS控制器组将使常规交流电柔性化，改变交流输电的功能范围，使其在更多方面发挥作用，甚至扩大到原属于HVDC专有的那部分应用范围，如定向传输电力、功率调制、延长水下或地下交流输电距离等。

3.4促进电力市场的经济化

在电力市场下提出输电网开放(Open Transmission Access,OTA)，即允许除输电网所有者之外的其它类型的公司，如电力公司、发电厂、批发客户以及电力市场的参与者使用输电网的设备和输电能力进行批发交易。在OTA环境下，大量的电力转运和频繁的输电交易要求获得输电网的实时状态信息，来指导交易的顺利进行，因此必须对所有线路的

输电极限进行频繁的计算，并及时公布到电力市场中去。FACTS装置能提高电网的最大输电能力，它不仅能指导系统调度员的操作，保证系统安全、稳定、可靠地运行，具有技术方面的价值；同时，输电能力也具有市场信号的作用，能指导市场参与者的各种商业行为，使系统在满足安全性和可靠性的前提下，最大限度地满足电力市场各方的要求，从而形成市场化的竞争机制,打破垄断经营。

4 FACTS技术待解决的问题

4.1控制器的设计[15]

大多数FACTS设备是作为一种快速可控的电气元件(或参数)，通过串联或(和)并联的方式组合成多种控制元器件。电力系统中,影响潮流分布的3个主要的电气参数———线电压、线路阻抗和功率角———可以得到迅速的调节,从而实现“灵活输电”。但FACTS设备能否在电力系统中充分发挥其调节潮流、增强稳定、提高电网传输能力等方面的作用，关键是其控制器的设计水平。

4.2保护装置的设计

FACTS保护系统的主要难点在故障的快速检测，保护的快速动作及重新投入所需要条件的快速识别。由于FACTS装置所具有的重要作用，一方面，希望其能在系统异常甚至故障的情况下尽可能发挥作用；而另一方面，大功率点电力电子器件热容量小和易损坏等特点又要求保护系统具有非常高的灵敏度和很快的动作速度。FACTS装置如何在充分发挥其作用的同时实现有效的自我保护是发展柔性交流输电技术必须解决的技术问题。

4.3主电路方案设计

FACTS装置的设计要根据系统和线路的具体结构、规模、复杂程度、稳定性要求等情况做出综合的分析，抓住亟待解决的主要问题、主要矛盾，综合考虑可靠性、经济性等要求. 总之, FACTS装置的设计本身是一个涉及甚广、比较复杂的过程，设计过程中遇到一些问题和困难也是难免的。只要设计人员对系统需求有准确的认识,对设计过程有较好的把握，就能设计出比较好的FACTS装置。

4.4先进控制技术的普及问题

FACTS装置可以使电网运行稳定,提高能源利用效率。随着科学技术的发展，许多研发者都在采用先进的控制理论来改进FACTS装置,提出了不少智能控制理论。但由于电力部门不敢大胆运用先进的控制理论，使FACTS技术在发展过程中受到阻碍。其主要矛盾是工程造价比常规的解决方案高。因此，只有在常规技术无法解决的情况下，用户才会求助于FACTS技术。目前， FACTS技术的应用还局限于个别工程，大规模应用FACTS装置还需要解决一些全局性的技术问题。虽然理论和实验都具有可行性、准确性、稳定性,但用于庞大的电网中能否保证其正常运行，还有待进一步验证。因此，如何让先进的FACTS控制装置普及于电网中，促进FACTS技术的快速发展,还有待于人们共同研究。

5 结论

本文对FACTS的发展现状、FACTS技术中的控制器及其原理和FACTS在输电系统中的功能进行了简单的介绍，并且讨论了FACTS技术中待解决的问题。

当代FACTS技术的发展趋势是朝着加快响应速度、提高电压质量、性能优化、抑制谐波和动态平滑调节的方向发展,针对这样的目标，研制一种新型的用于FACTS控制器中的锁相环( PLL )结构，目前正成为专家们研究的重要课题。

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