FACTS在电力系统中的应用

彭湃，程汉湘，余音，杨健

FACTS在电力系统中的应用

彭湃，程汉湘，余音，杨健

( 广东工业大学自动化学院，广州 510006 )

柔性交流输电系统（FACTS）是近年来出现的一项新技术，本文对柔性交流输电技术的概念及发展现状进行了简要介绍，详细论述了FACTS中几种主要控制器的结构原理及应用。最后总结了FACTS控制器在电力系统潮流控制、系统振荡、稳定性运行中的重要作用以及FACTS的发展前景。

FACTS 控制器 电力系统 潮流控制

0 引言

柔性交流输电系统，即FACTS技术，是电力电子技术在电力系统中应用的一个重要方面，它已在电能的生产、传输和分配的各个环节都得到了应用，是电力系统发展的一个重要里程碑[1]。FACTS技术主要通过增加输配电网络的传输容量，从而有效提高其电能分配调度价值。在电力系统发展早期，系统结构简单，控制设备基本都是机械性的，故而不能有效的控制电力系统的潮流变化，但新兴的FACTS技术能很好地解决潮流分配、动态稳定以及瞬态震荡等问题。

1 FACTS 控制器的工作原理

FACTS 控制器一般分为并联型、串联型以及组合型控制器，它们可以由不具有自关断能力的半控型器件来实现如晶闸管，而且也可由全控型器件来实现如GTO、IGBT等等。多功能FACTS控制器是建立在背靠背结构的电压型变流器的基础之上，能够有效地控制电力系统的潮流分布和保持系统稳定性。下面主要讲述FACTS 控制器中的TCR、SSSC 、STATCOM、UPFC的基本原理及应用。

1.1 TCR

TCR即晶闸管控制电抗器，是一种并联连接的晶闸管控制电感，其有效电感是由晶闸管导通延迟角来控制电感值的，它可以连续控制电感中的电流从而改变系统的潮流，而具有相似功能的晶闸管投切电抗器(TSR)却是以全部导通或是截止的跳变方式来控制的。TCR基本原理图如图1所示。

图1 TCR基本控制原理图

1.2 SSSC

SSSC工作特性是串联同步补偿器，无外部电源支撑，其输出电压与线路电流矢量正交，且电压控制与电流无关，通过增减线路阻抗上的电抗性电压降以控制传输功率[2]。其简单原理如图2所示。通常SSSC可以包括瞬态额定储能或能量吸收设备，能增加输电系统的动态性能。SSSC可以由电压型变流器或是电流型变流器构成，一般线路电压要比补偿器注入的电压大得多。

图2 SSSC基本控制原理图

1.3 STATCOM

静止同步补偿器(STATCOM)：是一种并联的、能进行无功补偿的静止同步“发电机”，功能与SVC基本相同，但是运行范围更宽，调节速度更快。其容性和感性输出电流可独立于注入点的电压而进行控制[3]。STATCOM是采用电压型变流器结构，无功补偿电路内部的直流电压都是通过内部自给方式来保证的，而且都是根据同步电压源的原理来实现电压和潮流的有效控制。它是FACTS控制器中的主要无功补偿装置之一，可以是电压型或是电流型变流器。下图3给出STATCOM并联在线路中的原理图，此外，STATCOM也可设计成为有源滤波器，用来吸收电力系统的谐波。

图3 STATCOM原理图

1.4 UPFC

统一潮流控制器（UPFC）是一种非常典型的综合型FACTS设备，它能够对交流输电系统进行实时的控制和动态的补偿。一般由两个背靠背的电压型变流器构成，如图4所示。UPFC中两个背靠背的变流器共同使用一个直流母线和一个储能电容。有功功率可以在两个变流器的之间直流线路上任一方向自由流动，每个变流器的交流输出端也可独立地产生或吸收无功功率。

图4 两个背靠背的电压型变流器组成的UPFC

图中变流器2的功能是通过串联变压器给线路注入幅值和相角均可控的电压矢量。变流器1的功能是提供或吸收变流器2在公共直流母线上所需要的有功功率，以维持串联注入电压与线路之间的有功功率交换。

2 FACTS控制器在电力系统中的应用

2.1 电力系统的无功功率和电压控制

在电力系统电压稳定中，无功功率起到了决定电压稳定性的关键作用。电力系统中的无功功率主要是在电气设备中建立和维持磁场，完成电磁能量的相互转换，为系统提供电压支撑[4]。如果无功功率严重不足，则可能引起电压失稳，还可能形成恶性循环，将会导致电压崩溃的发生。如果电力系统无功功率不足的话，就需要进行无功功率的补偿。SVG、STATCOM、UPFC、IPFC等静止无功补偿装置比传统的固定电容器、同步调相机等补偿装置能更快速、连续、灵活地对无功功率进行补偿，这样有利于提高电力系统的稳定性和可靠性以及经济性。

2.2 低频振荡的改善

电力系统发生小扰动或故障时，发电机的转子、角频率以及电压都会产生一定频率的系统振荡。解决低频振荡普遍采用减少有功功率的送出和安装电力系统稳定器PSS两种措施，但有功功率的减少肯定是不经济的，会影响用户的正常使用，而加装PSS则可能会对电力系统其他部分产生副作用，从而影响稳定性。合理地加装上FACTS控制器，如TCR、SSSC 、STATCOM、UPFC等就可以有效地改善电网的低频振荡，从而实时动态地对电力系统进行控制，保持其稳定性。

2.3 暂态稳定性的提高

电力系统暂态稳定问题是指电力系统受到较大的扰动之后各发电机是否能继续保持同步运行的问题[5]。其原因主要有如下几种：负荷的突然变化、发生短路故障以及电力系统中主要元器件的投切。FACTS 控制器一般能够在电网快发生故障时提供快速响应来进行潮流的动态控制从而提高电力系统的暂态稳定性。

3 柔性交流输电系统的优越性

FACTS能在较大范围有效地控制电力系统的潮流分布，同时可以增加电力系统的传输容量；对于电网的故障所产生的危害也可得到适当限制，防止线路串级跳闸，以避免事故扩大；对故障有更加快的响应时间和消除电力系统振荡，从而提高系统的稳定性。

4 结论

本文对柔性交流输电技术的概念及发展现状进行了简要介绍以及对FACTS中几种主要控制器的结构原理及应用做了详细的论述。FACTS控制器可以解决当前电网面临的一些问题,能更加快速、连续、灵活地进行潮流控制、电压控制以及无功补偿。减少电网中的环流，对提高电力系统的稳定性发挥着重要的作用。在满足安全经济运行的要求下，相信FACTS技术在未来将起着更加重要的作用。

[1] 程汉湘, 聂一雄. 柔性交流输电系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013.

[2] 朱夏, 王杰. FACTS技术在智能电网中的应用与发展[J]. 水电能源科学, 2013, 31(8): 158-160.

[3] 高红, 陈继军.灵活交流输电技术在智能电网中的应用[J].广东电力, 2010, 23(9): 21-26.

[4] 李晋园, 汤强, 向晖. FACTS技术及其在电力系统中的应用[J]. 电工电气, 2011: 38-41.

[5] 何仰赞, 温增银. 电力系统分析[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2002.

Application of FACTS to Power System

Peng Pai, Cheng Hanxiang, Yu Yin, Yang Jian

(Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

TM76

A

1003-4862（2014）10-0039-02

2014-03-17

彭湃(1989-)，男，研究生。研究方向：电力系统及其自动化，无功补偿及其优化。