柔性输电技术介绍.pptx

现代电力系统分析现代电力系统分析任课教师：王守相研究生学位课：一、概述FACTS(Flexible AC Transmission System)柔性输电系统或灵活交流输电系统1986年由美国电力研究中心(EPRI)的工程师N.G.HINGORANI首次提出FACTS概念。1995年IEEE对FACTS作了如下定义：FACTS是应用电力电子技术及其它静态控制器，增加系统可控度与提高输电容量的交流输电系统。也可定义为：综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。第六章 柔性输电系统更详细地，FACTS是应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。解决远距离大容量输送电能问题的途径2条：1.新建高压直流输电线路；2.对已建成的交流输电线路进行技术改造，提高其输送能力。通常采用的就是FACTS技术。FACTS技术的产生是解决输电系统运行和发展中遇到的各种困难的客观需要。1、运行方面的主要困难有如下几项：1)输电的可控性很差（与发电、配电和用电相比其可控性能是最差的），功率分布中不可控的的自由潮流变化很大。大电网运行中的这一类问题长期困扰着运行调度人员，并且在电网中造成大量电能损耗或被迫降低输送能力；2)输电网缺少快速控制手段，在功率输送过程中常造成功率绕送和功率倒流情况，此外还有大量输电受限制的“瓶颈”环节；3)开关动作速度慢，交流输电线需要经常投切，以改变网络结构或断开故障，但目前只能依靠机械型断路器，而此类断路器速度慢、维修量大，是影响暂态稳定问题的重要因素。2、输电系统发展方面的主要困难概括起来有如下几项：1)由于环境和地域因素，很多国家建造新的架空线路已很难获得批准，因此电力公司不得不将现有电网运行在更高的负荷水平上，但是更高的负荷水平增加了功率损耗并降低了可靠性，使运行更加困难；2)电力系统市场化改革后，未来的发电模式是不确定的，导致了对输电设施投资的困难；3)低水平的负荷增长率使投资建设新的输电线路变得不合算，而能少量增加现有网络容量以满足低水平负荷增长需要的技术具有很大的优势。大功率可控半导体器件制造及微电子控制技术的发展，使FACTS技术的推广应用成为可能；而大型互联电网运行对电力系统潮流及其稳定性控制的需求，是该技术发展的原动力。FACTS技术最具代表性的项目，是90年代起开发的可控串联电容补偿(TCSC)和新型静止无功补偿器(STATCOM)。美国已有三个TCSC试验工程，其中用于500KV输电工程的一个TCSC为6组全控型，于1993年投入试运行，而100Mvar的STATCOM也于1996年初试运。许多国家投入相当的人力物力，研究开发新型的静止补偿器、可控移相器、统一潮流控制器(UPFC)、电气制动器等。二、FACTS发展现状我国静止无功补偿器制造技术是在90年代发展起来的，但仅限于大型工业企业中的应用。在一些高等学校和科研单位对TCSC、STATCOM以及UPFC有所研究，但多限于数学或物理模型的研究。近年来，随着新建电厂的不断并网发电，我国总装机容量上了新的台阶，然而整个电力系统出现了输电网络建设滞后于电厂建设的问题。许多长距离输电线输送的功率受到稳定极限的限制，这些输电线路中间和受端由于缺乏强有力的电压支撑，其稳定极限大大低于其热稳定极限，这导致送端的发电厂窝电现象突出，发电厂的容量不能得到充分地应用。如何提高长距离输电线的稳定极限，使其接近甚至达到其热稳定极限是一项有价值而且紧迫的工作。FACTS技术为增强输电系统提供了新的手段。安装在长距离输电线中间或受端的静止无功补偿装置（STATCOM）能够提供电压支撑从而能极大地提高长距离输电系统的稳定性。1、能在较大范围有效地控制潮流，功率潮流可按事先计划的线路流动；2、线路的输送能力可增大至接近导线的热极限，从而提高输送能力；3、备用发电机组容量可从典型的18减少到15，甚至更少；4、电网和设备故障的危害可得到限制，防止线路串级跳闸，以避免事故扩大；5、易阻尼消除电力系统振荡，提高系统的稳定性。三、发展柔性交流输电系统的主要意义用于输电系统的FACTS装置包括：SVC（静止无功补偿器）、STATCOM（静态同步补偿器）、TCSC（晶闸管可控串补）、TSSC（晶闸管开关串联电容器）、UPFC（统一潮流控制器）、TCPST（可控移相器）等。分类:柔性输电装置按其在系统中的联接方式可分为串联型、并联型和综合型。SVC和STATCOM是并联型；TCSC和TSSC是串联型；UPFC 和TCPST是综合型。四、FACTS装置介绍其中串联补偿装置，如 TCSC、TSSC等，能使输电线路的阻抗变小，从而相当于缩短了输电线路的长度，因此是提高系统输送容量和增强暂态稳定性的重要手段；而并联补偿装置如STATCOM，通过与系统进行无功功率交换，以维持线路电压恒定，因此是抑制系统电压波动、闪变、不对称和提高系统稳定性的有力工具；UPFC则综合了串、并联补偿的功能，能对线路电压、阻抗和相位进行控制，从而实现控制潮流、阻尼振荡和提高输电能力等多种功能。表1列出了常用的FACTS元件及其性能表1 常用的FACTS元件及其性能表表 1 常用常用FACTS元件及其性能元件及其性能FACTS元件性能有功控制无功控制电压控制电流控制无功补偿谐波抑制暂态稳定电压稳定抑制故障电流SVC(静止无功补偿器)STATCOM(静止同步补偿器)SSSC(静止同步串联补偿器)TCSC(晶控串联电抗器)TCPST(晶控移相器)UPFC(统一潮流控制器)五、SVC的工作原理与数学模型电压分布与系统中的无功潮流分布密切相关并联无功补偿是调整系统电压的常用措施。1动态并联无功补偿：同步调相机在历史上曾作为并联无功补偿的个重要手段,但是由于调相机是旋转元件，其运行维护十分复杂2静止并联无功补偿 传统的静止并联无功补偿：是在被补偿的节点上安装电容器、电抗器或者它们的组合以向系统注入或从系统吸收无功功率。并联在节点上的电容器和或电抗器通过机械开关按组投入或退出。因此，这种补偿方法有二个重要缺点；一是其调节是离散的；二是其调节速度缓慢，不能满足系统的动态要求；三是其电压负特性，即当节点电压降低(升高)时，并联电容注入系统的无功功率也降低(升高)。尽管如此，由于其造价低和维护简单的突出优点，系统中仍大量地采用这种补偿措施。属于柔性输电技术范畴的现代静止无功发生器(Static Var Compensator)：将电力电子元件引入传统的静止并联无功补偿装置，从而实现了补偿的快速相连续平滑调节。理想的SVC可以支持所补偿的节点电压接近常数。良好的动、静态调节特性使SVC得到了广泛的应用。SVC的原理示意图图419为这种SVC的原理示意图。为了降低SVC的造价，大多数SVC通过降压变压器并入系统。由于阀的控制作用，SVC将产生谐波电流，因而为降低SVC对系统的谐波污染，SVC中还应设有滤波器。对基波而言，滤波器呈容性，即向系统注入无功功率。TCR和TSC的控制原理SVC的构成形式有多种，但基本元件为晶间管控制的电抗器(ThyristorContro11ed Reactor)和晶间管投切的电容器(Thyristor Swiched Capacitor)。掌握这种结构的SVC的工作原理则不难理解其他类型的SVC。图420(a)、(b)分别表示TCR和TSC支路。下边我们分别分析TCR和TSC的控制原理。TCR的控制原理TCR支路由电抗器与两个背靠背连接的晶闸管相串联构成，控制元件为晶闸管。由于SVC是并联在系统的节点上，所以认为加在TCR上的电压是正弦量，而流过TCR支路的电流由于阀的控制作用而发生畸变.设阀的触发延迟角为/2,，则触发时刻为TCR的控制原理显然当两阀都关断时，电感电流为零，而在阀导通期间，忽略电抗器的电阻，电感电流满足方程：注意在阀触发时刻电感电流为0。解得电感电流TCR的控制原理TCR的电压波形和电流波形如下图：TCR的控制原理电感电流波形宽度为：TCR的控制原理（1）由电流波形可见，如欲使在任何时刻总有一个阀导通，则应有即当前一个阀关断的时刻后一个阀瞬时开通。可见，/2。这种运行模式相当于将电抗器直接并联在系统中。（2）由电流波形还可见，当触发角从2增大到时，阀的导通区间宽度将由下降到零。这时在任何时到两个阀都处在截止状态。这种运行模式即相当于将电抗器退出运行。（3）另外，当小于2时，已经处在导通状态的阀，其电流回到零点的时刻将大于尚未导通的阀的触发时刻，即。TCR的控制原理（3）另外，当小于2时，已经处在导通状态的阀，其电流回到零点的时刻将大于尚未导通的阀的触发时刻，在这种情况下，当未导通的阀的触发脉冲发出时由于已导通的阀尚未关断，故未导通阀的阀电压为零，因而不能被触发而导通。这样，两个阀中总有一个阀在任何时刻都是截止状态。这种状态将导致电感电流中的主要分量为直流分量。不允许！因而正常情况下，TCR的触发角运行范围为 2,TCR的控制原理 由于阀的控制作用，电抗器中流过的电流发生畸变而不再是正弦量。调整触发角的大小将改变电流的峰值和导通区间的宽度。将电流进行博里叶分解，其基波分量的幅值为则基波分量瞬时值为TCR的控制原理 这样TCR支路的等值基波电抗为由上式可见，TCR支路的等值基波电抗是导通角或者说是触发角的函数。调整触发角可以平滑地调整并联在系统的等值电抗。TCR从系统中吸收的无功功率为TSC的控制原理TSC支路由由电容器与两个反向并联的晶闸管相串联构成。同样设加在TSC支路上的系统电压为正弦波。TSC的控制原理TSC中通过对阀的控制使电容器只有两种运行状态：将电容器直接并联在系统中或将电容器退出运行。(1)切除投运状态的电容器比较简单，只要停止对阀进行触发即可。(2)将电容器投入系统则应注意投入时刻的选择，选样触发时刻的原则是减小电容器投入时刻电容器中的冲激电流。注意到电容器上的电压初值，显然应在电源电压与电容电压相等的时刻，根据电压初值的正负触发两阀中对应的阀。这样，当电容器被投入之后电容电流的暂态分量为零。TSC的控制原理实际中投入电容器时刻电源电压与电容电压切值有可能并不完全相等，因而实际的TSC支路中还串有一个小电感以减小电容器的冲激电流。TSC与机械式可投切电容器的关键区别在于，TSC的投切由阀的控制快速地完成，因此其动态特性可以满足系统控制的需要。电容器在接通期间，向系统注入的无功功率为SVC的原理(综合TCR与TSC)综合TCR与TSC，可知SVC向系统注入的无功功率为可见，当0,/2时，SVC向系统注入的无功功率可以连续平滑地调节。SVC的等值电抗为SVC的原理(综合TCR与TSC)SVC的等值伏安特性由TCR与TSC组合而成。当从0增加到/2的过程中，SVC的等值电抗将从容性最大值连续地变为感性最大值。SVC的控制信号通常为其所并联节点的电压。考虑了SVC的稳态控制策略后，其伏安特性为：SVC的原理(综合TCR与TSC)当系统电压在SVC的控制范围内变化时，SVC可以看成电源电压为Vref和内电抗为Xe的同期调相机:式中：xe即是SVC伏安特性图中直线AB的斜率；V及Isvc分别为SVC的端电压及端电流。当系统电压的变化超出SVC的控制范围时，SVC即 成 为 固 定 电 抗，即 Xsvc,min或Xsvc,max。在电力系统稳定性分析和控制问题中，SVC可以看成并联在系统中的一个可变电纳，其电纳值由SVC的控制器决定。六、STATCOM的工作原理与数学模型STATCOM称为静止无功发生器(Advanced Static Var Generator，ASVG)其功能与SVC基本相同但是运行范围更览、调节速度更快。SVC的控制元件为晶闸管。晶闸管是半控型器 件，只 能 在 阀 电 流 过 零 时 关 断。STATCOM是用全控型器件实现的，其控制元件为全控型阀元件GTO。理想的GTO开关持性为：当阀有正向电压且在门极加正向控制电流时，阀即时开通。阀在导通状态下阀电阻为零。当在门极加负向控制电流时阀即时关断。阀在关断状态下阀电阻为无穷大。显见，GTO与普通品闸管的关键区别是其关断时刻是由门极控制而并不要求阀电流过零。六、STATCOM的工作原理与数学模型SVC是通过调整其中的电感接入系统时间的长短来改变自身的等值电抗，STATCOM则是通过调整其交流输出电压的幅值与相位。STATCOM送进系统的无功功率为角度是STATCOM的逆变器输出电压相量滞后系统电压相量的角度，大于零对应于正号，小于零对应于负号。六、STATCOM的工作原理与数学模型可以得到STATCOM的运行特性如下图为一近似矩形。其中电压、电流最大值的约束源于STATCOM的容量；控制电压定值由控制策略设定。将下图与SVC的倒三角形运行特性图相比较，显见STATCOM的运行范围更大。六、STATCOM的工作原理与数学模型在电力系统稳定性分析和控制问题中，STATCOM可以表示成并联在系统中的一个受控电流源，其幅值和相位由STATCOM的控制器决定。七、TCSC的工作原理与数学模型TCSC可以快速、连续地改变所补偿的输电线路的等值电抗，因而在一定的运行范围内，可以将此线路的输送功率控制为朗望的常数。交暂态过程中，通过快速地改变线路等值电抗，从而提高系统的稳定性。TCSC的原理结构如下图所示：七、TCSC的工作原理与数学模型TCSC中的TCR(与SVC中的TCR的运行条件大不相同)是串联在系统的输电线中，由于谐波管理的要求和系统运行条件的物理约束使得流过TCSC的电流即线路电流为正弦量。这样，由于阀的控制作用，当流过TCR支路的电流发生畸变时，与其并联的电容电压必发生畸变而成为非正弦量。在电力系统稳定性分析和控制问题中，TCSC可以表示成串联在线路中的一个可变电抗，其容抗值由TCSC的控制器决定。八、SSSC的工作原理与数学模型TCSC是用半控型电力电子元件实现的串联补偿。SSSC则是采用全控型元件GTO实现的电压型逆变器构成的串联补偿。STATCOM是将电压型逆变器经电抗器或变压器并联在系统中，SSSC则是将电压型逆变器经变压器串联在线路中。八、SSSC的工作原理与数学模型忽略线路对地支路时，SSSC的原理接线如下图所示。八、SSSC的工作原理与数学模型SSSC的等值电路如下图所示。在电力系统稳定性分析和控制问题中，SSSC也表示成串联在线路中的一个电压源，其幅值与相位由SSSC的控制器决定。当纯无功补偿时，电压源的相位总与线路电流相垂直。九、TCPST和UPFC的工作原理与数学模型(从略)晶 闸 管 控 制 的 移 相 器(Thyristor Contro11ed Phase Shifting Transformer)，简称TCPST。统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller），简称UPFC十、含柔性输电元件的电力系统潮流控制及潮流计算对含有柔性输电元件的电力系统，必须根据柔性输电元件的数学模型，建立系统的潮流方程及研究相应的求解方法。含柔性输电元件的电力系统潮流控制及潮流计算问题基本上可以分为以下两大类：1、根据具体的柔性输电入件的功能和系统运行的需要给出潮流控制目标，通过计算获得电力系统的潮流和柔性输电元件的控制参数。2、给定柔性输电元件的控制参数，通过汁算获得系统的潮流。十、含柔性输电元件的电力系统潮流控制及潮流计算当柔性输电元件被用于直接控制其安装地点的运行参数，如节点电压的幅值、线路的有功和或无功功率时，采用第一类；在优化系统运行状态时，柔性输电元件可以间接地控制非安装地点的运行参数，这时采用第二类。第二类问题多用于数学优化问题中，即通过对柔性输电元件参数的一系列调整使系统的运行状态满足一定的要求。十、含柔性输电元件的电力系统潮流控制及潮流计算与直流输电系统介入电力系统一样，柔性输电元件介入电力系统后也不改变潮流方程的数学性质，即描述系统的方程仍然是一组非线性代数方程。因此，在计算方法上也仍然以牛顿法为基础。与交直流混联系统的潮流计算相类似，迭代也大致分为两种：即统一迭代法和交替迭代法。