柔性交流輸電TCSC與SSSC技術(shù)對(duì)比

1 柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)簡(jiǎn)介 　　FACTS的概念是由美國(guó)著名電力專家 Narain.G.Hingorani 博士(美國(guó)電力科 學(xué)研究院EPRI)在1986年提出的，它是隨著電力電子技術(shù)和大功率半導(dǎo)體器件的產(chǎn) 生和發(fā)展，是綜合電力電子器件、微處理和微電子技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù) 而形成的用于控制交流輸電的新技術(shù)。“柔性”很顯然是相對(duì)與“剛性”而言的。常規(guī) “剛性”控制是依賴機(jī)械型或機(jī)電型裝置和設(shè)備，有級(jí)的、緩慢的、非智能的、低限 的調(diào)節(jié);而“柔性”主要依靠電力電子型裝置和設(shè)備，連續(xù)的、快速的、微機(jī)控制的、 調(diào)節(jié)范圍較大的調(diào)節(jié)。“柔性”比“剛性”的控制作用更精確、更有效、魯棒性更好。 　　FACTS的主要作用是提高輸電網(wǎng)絡(luò)潮流方向的控制能力和輸電線路的輸送能 力：較大范圍的控制潮流、保證輸電線路輸送容量接近熱穩(wěn)定極限、在控制區(qū)域內(nèi) 可以傳輸更多的功率，減少發(fā)電機(jī)的熱備用、依靠限制短路電流和設(shè)備故障的影響 以防止線路串級(jí)跳閘、阻尼電力系統(tǒng)震蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 　　FACTS家族很大，按原理、性能、與系統(tǒng)結(jié)合方式可分為多種類型，國(guó)外學(xué)者 按各種控制器的主要功能和作用分為控制功率、改進(jìn)暫態(tài)穩(wěn)定、改進(jìn)電壓穩(wěn)定三個(gè) 大類;我國(guó)學(xué)者按動(dòng)態(tài)潮流控制的物理特性以及接入系統(tǒng)的方式考慮分為并聯(lián)補(bǔ) 償、串聯(lián)補(bǔ)償、網(wǎng)絡(luò)耦合、電壓注入、功率轉(zhuǎn)移等;日本學(xué)者按FACTS控制器功能 分為減少線路阻抗、電壓控制、功率控制、功率和電壓控制、相角控制、快速回路 斷開六種;其他還有發(fā)電型、輸電型、供電型、并聯(lián)型、串聯(lián)型、串并聯(lián)混合型。 　　并聯(lián)型FACTS最早出現(xiàn)，代表性的有SVC ( Static Var Compensator ) 、TCBR( Thyristor Controlled Breaking Resistor) 、 STATCOM(Static Synchronous Compensator)。 　　串聯(lián)型FACTS 出現(xiàn)較晚 ，代表性的有TCSC( Thyristor Controlled Series Capacitor)、SSSC(Static Synchronous Series Compensator)、NGH-SSR Damper。 串并聯(lián)型混合FACTS元件由多個(gè)串聯(lián)、并聯(lián)FACTS控制器組合而成，通過協(xié)調(diào) 控制器各FACTS元件、發(fā)揮各元件優(yōu)勢(shì)。有效調(diào)控單條或多條電力線路上的功率潮 流，實(shí)現(xiàn)最大的功率輸送。代表性的有：統(tǒng)一潮流控制器IPFC(Interline Power Flow Controller)、線間潮流控制器IPFC(Interline Power Flow Controller)、可變靜態(tài)補(bǔ)償器 CSC(Convertible Static Compensator)。 由于優(yōu)點(diǎn)突出， 功能強(qiáng)大等因素混合型FACTS 元件將越來越多，越來越完善。 　　2 TCSC 與 SSSC 的綜合性能對(duì)比 　　串聯(lián)FACTS元件是可變阻抗(電容器、電抗器、基于電力電子變換技術(shù)的可控 源)，它通過向系統(tǒng)串入一個(gè)電壓以實(shí)現(xiàn)所需的控制功能，即使串聯(lián)接入電力傳輸 線的是可變阻抗(電容、電抗等)，通過與其流過的電流相乘也是一種串聯(lián)等效電 壓，如果串接入的電壓矢量和線路電流矢量垂直，則串聯(lián)FACTS控制器只能從電網(wǎng) 中吸收或注入無功功率，若串聯(lián)接入的電壓矢量和線路電流矢量不垂直則串聯(lián) FACTS控制器和電網(wǎng)間存在有功交換。 　　同時(shí)作為串聯(lián)FACTS控制器，在此簡(jiǎn)單比較TCSC與SSSC： 　　晶閘管控制串聯(lián)電容器TCSC [ 5 ] (Thyristor Controlled Series Capacitor)由串聯(lián) 補(bǔ)償電容器和與其并聯(lián)的晶閘管控制的電抗器組成，在實(shí)際中一般用幾個(gè)基本 TCSC模塊串聯(lián)而成以得到所需的電壓等級(jí)和工作特性。TCSC基本思想是通過控制 TCSC并聯(lián)支路的晶閘管的觸發(fā)延遲角 ? 控制電抗器來部分抵消串聯(lián)電容以實(shí)現(xiàn)串 聯(lián)補(bǔ)償電容值的連續(xù)調(diào)節(jié)。TCSC可以控制為合適的電容/電抗，從而通過調(diào)節(jié)傳輸 線的阻抗來調(diào)節(jié)線路的功率潮流傳輸。然而TCSC存在一些缺點(diǎn)：第一，由于TCSC 的等效阻抗是通過控制其晶閘管導(dǎo)通延時(shí)角來調(diào)節(jié)，所以其晶閘管是部分導(dǎo)通 的，這樣會(huì)在線路中注入低次諧波電壓;第二，TCSC的阻抗調(diào)節(jié)不是連續(xù)的，在 其最小等效容性阻抗 X C m in 和最小等效感性阻抗 X L m in 間存在一個(gè)不可控區(qū)，若 TCSC是由基本單元串聯(lián)而成，則它的阻抗不可控區(qū)將很大，使TCSC無法完全對(duì)系 統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的控制。一般系統(tǒng)傳輸線路中分設(shè)多個(gè)TCSC元件，協(xié)調(diào)調(diào)控有效減小 整個(gè)系統(tǒng)阻抗不可控區(qū);第三，TCSC只實(shí)現(xiàn)對(duì)線路阻抗的補(bǔ)償，而不改變線路感 性性質(zhì)，所以TCSC只可調(diào)節(jié)潮流大小而不改變潮流方向;第四，串聯(lián)電容與傳輸 線路電抗會(huì)在次同步頻率點(diǎn) f e [=f( 電 網(wǎng) 頻 率 ) -f m( 發(fā) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 矩 諧 振 頻 率 ) ]發(fā)生次同步諧振，所以實(shí)際應(yīng)用要防與系統(tǒng)發(fā)生同步諧振。 　　靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器SSSC (Static Synchronous Series Compensator) 是不含外部 電源的靜止同步無功補(bǔ)償設(shè)備，串聯(lián)在輸電線路產(chǎn)生與線路電流正交、幅值可控的 電壓，可以改變線路電壓等級(jí)和自身投入、退出狀態(tài)，從而對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和拓?fù)錉顟B(tài) 進(jìn)行調(diào)整，一般不改變線路電壓等級(jí)和基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) [ 6 ] ，只是等效的調(diào)整線路阻抗 和電壓。增加或減少線路上的無功電壓降以控制傳輸功率，包含暫態(tài)儲(chǔ)能或耗能裝 置，短時(shí)間內(nèi)增加或減少線路的有功壓降，從而改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能 [ 7 ] 。注入電壓遠(yuǎn)小于系統(tǒng)電壓對(duì)地絕緣要求高，所以變壓器一、二側(cè)應(yīng)設(shè)足夠的絕緣，繞組承受整 個(gè)線路電流，若短路時(shí)無適當(dāng)?shù)呐月繁Ｗo(hù)，則承受很大的故障電流。SSSC若直流側(cè) 引入蓄電池和超導(dǎo)磁體等儲(chǔ)能設(shè)備可使輸出電壓相角和線路電流向量間關(guān)系變成 非線性，實(shí)現(xiàn)“四象限”補(bǔ)償。它需要兩個(gè)接入點(diǎn)，成本高些;相當(dāng)于注入電壓源; 直接改變線路等效阻抗或注入電壓源改變輸電線路的電壓的自然分布，從而調(diào)節(jié)電 流分布，對(duì)電壓和潮流控制力強(qiáng);針對(duì)特定用戶，實(shí)現(xiàn)潮流與電壓的調(diào)節(jié);承受全 部線路電流，輸出電壓可控。 　　為了更形象的比較TCSC與SSSC兩者的區(qū)別，下面給出分別包含兩者的雙機(jī)系 統(tǒng)及等效電路圖以及傳輸功率： 　　式(1-1)中P是母線1流向母線2的有功功率; U 1 ，U 2 分別是母線1，2的電壓 幅值;X L 是線路感抗;X T C S C 是包括固定串聯(lián)容抗的TCSC電抗值;δ1 ，δ12是母線1，2的電壓相角。調(diào)節(jié)TCSC顯電容性補(bǔ)償，有功功率隨線路有效電抗減小而增加，反 之感性補(bǔ)償時(shí)，有功功率隨線路有效電抗增加而減小。 　　式(1-2)中P是母線1流向母線2的有功功率; U 1 = U 2 = U 分別是母線1，2的電 壓幅值等于系統(tǒng)電壓， X L 是線路感抗; U s 是SSSC的注入電壓的幅值; δ= δ1 - δ2 是 母線1，2 的電壓相角差。調(diào)節(jié)Us與線路電抗壓降相位相反，即為容性補(bǔ)償，有功 功率隨著SSSC的注入電壓Us幅值增加而增加，反之調(diào)節(jié)Us與線路電抗壓降相位相 同，即為感性補(bǔ)償，有功功率隨著SSSC注入電壓Us幅值減小而減小。 　　3 SSSC 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 　　目前國(guó)內(nèi)外對(duì)SSSC的研究還處于理論分析和研制階段，其數(shù)學(xué)模型、控制策 略、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究不夠成熟透徹。STATCOM、SSSC、UPFC都是基于同步電壓 源的FACTS控制器，目前已應(yīng)用的串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備主要有串聯(lián)電容、晶閘管串聯(lián)調(diào)壓 電容(TSC)、可控電容串聯(lián)補(bǔ)償(TCSC)、可控電感串聯(lián)補(bǔ)償(TSSC)等，而UPFC是 STATCOM和SSSC的結(jié)合。 　　在技術(shù)方面：數(shù)學(xué)模型 ：靜態(tài)模型(考慮控制器輸入輸出特性)、動(dòng)態(tài)模 型(分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征和行為)。建立數(shù)模的方法：拓?fù)浣７?建立等值電路， 列出狀態(tài)方程)、輸出建模法(等效為一個(gè)電壓源外接阻抗，考慮約束條件得聯(lián)立 方程)?？刂撇呗裕夯谙到y(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的控制方式、PID控制、綜合智能控制方法。 主電路結(jié)構(gòu)：有耦合變壓器、無耦合變壓器。 　　在工程應(yīng)用方面：目前世界上還沒有單獨(dú)的SSSC裝置，但實(shí)際已投運(yùn)的兩個(gè) UPFC工程(1995年美國(guó)電力公司、EPRI、西屋公司來聯(lián)合解決肯塔基和弗吉尼亞 部分地區(qū)電壓、熱穩(wěn)定的研究和1998年美國(guó)電力公司Inez變電站投運(yùn)的UPFC)、一 個(gè)CSC工程(2002年紐約電管局的Marcy投運(yùn)的可變靜態(tài)補(bǔ)償器)、2003年韓國(guó)電 力科學(xué)研究院在154kV系統(tǒng)完成UPFC示范工程。 作為關(guān)鍵技術(shù)的UPFC、 IPFC、 CSC、 UFQC、SSTS的研究和應(yīng)用也越來越廣泛。