FACTS技术  0. 引言 在一个联合电网中，有功功率和无功功率在某条输电线路中的传输受到线路阻抗、线路两端电压大小和相角差以及故障情况下这条线路在维持电网稳定性方面所起的作用的控制，总的说来，取决于以下三种水平： ●  热水平，这一固有的物理限制，决定于输电线路的载流容量； ●  不可控潮流的水平，自然潮流的强制限制，决定于功率传输的物理学定律，没有考虑动态过程的安全稳定。 ●  稳定性水平，安全的、动态稳定的功率传输所要求的强制限制。    在大多数联合输电系统中，功率传输受到暂态稳定、电压稳定和（或）功率稳定的约束。这些约束条件限制了输电走廊的充分利用。灵活交流输电系统(FACTS)是这样一种技术，它可以修正输电功能使现有的输电系统得到充分的利用，从而使稳定性和热水平之间的差距缩短到最小。   FACTS技术是建立在高速电力电子、先进的控制技术、先进的微型计算机和功能强大的分析工具应用的基础之上。其关键在于可利用的电力电子开关器件可以转换兆瓦级的电力（kV和kA级）。FACTS控制器在输电系统恰当地点的成功实现，使输电电压、线路阻抗和相位角得到适当的修正，这必将导致 ： ●  输电系统的充分利用，即完全控制点对点有功和无功潮流，没有循环和平行的流通路径，从而使很多地区流过更多的功率； ●  没有架设新的线路就减轻了输电瓶颈的压力。  1. EPRI的FACTS计划   电力研究院（EPRI）发起一项FACTS的研究计划，包括软件和硬件的开发。 1 软件开发计划   在软件计划中，建立了FACTS控制器的分析模型和数学模型。这些模型包含在EPRI的数字仿真软件包里面。这个软件包用于会员所在的电力系统进行应用型的研究。这些研究结果表明，FACTS控制器的实现将导致功率传输容量的增加，增加的百分数取决于输电网络的结构和相应的输电约束条件。   对美国三个输电系统传输容量增加的部分些计算结果如下： ● 美国西南部的输电线，潮流从300MW提升到400MW（＋33%）； ● 美国南部和佛罗里达州的联络线，潮流从3400MW提升到4100MW（＋21%）；  ● 纽约北部和纽约城之间的联络线，潮流从2600MW提升到3200MW（＋23%）。  1.????? 硬件开发计划    这一计划已经发展到FACTS控制器实际装置的硬件展示，FACTS控制器可以动态控制功率传输参数：线路阻抗、母线电压和相位角。 已经开发的和正在开发的FACTS控制器的状况如下： ● 晶闸管控制的串联电容器（TCSC）――“线路阻抗控制器”：208MvarTCSC安装在斯内特（Slatt）变电站（BPA）。 ● 静止补偿器（STATCOM）――“电压控制器”：Mvar STATCOM安装在苏利文（Sullivan）变电站（TVA）。 ● 统一潮流控制器（UPFC）――“所有的传输参数控制器”：MVA的并联和MVA的串联变换器安装在伊内兹（Inez）变电站（AEP）。   ● 可转换静止补偿器（CSC）――“灵活多功能补偿器”：MVA的CSC安装在马西（Marcy）变电站。  2.技术挑战  FACTS控制器的发展已经推进了电力电子和逆变器（inverter）拓扑领域的几项突破。   电力电子 固态开关的发展正在增加kV和kA的额定值。   图1显示了固态开关模块的结构特征，它已经用于TVA's STATCOM的Mvar逆变器和AEP's UPFC的MVA逆变器上。固态开关是额定值为4.5kV和4kA关断电流的门极可关断晶闸管（GTO）。    为了满足输电所需的高额定容量，若干个这种模块串联在一起构成“开关阀”。让具有关断能力的固态开关串联在一起将面临保证电压份额均匀分布的挑战，在稳态和暂态条件下，电压份额分布不均匀是由阀中个别模块引起的。这个问题已经得到了解决，是通过了解每个阀中各GTO的特点，并根据它们各自不同的存储时间用电子仪器补偿门控指令，从而使一个阀中串联的各GTO同时关断。图2所示的是跨过由九个GTO串联组成的阀所测量到的电压分布。 逆变器拓扑    STATCOM 、UPFC和正在开发的CSC  FACTS控制器的构造模块是一个电压源型逆变器（VSI）。VSI将直流电压转换为三相交流电压。一6脉波逆变器及其典型的输出线电压波形如图3所示。   由图3所示的方波电压构造正弦电压波形代表着另一个主要的技术挑战。 面对这一挑战，可采用下面两种技术方案之一： （1）具有多重开关级别的多重6脉波桥； （2）具有脉冲宽度调制的单一6脉波桥。   每一种可选择的方案都有它技术和经济方面的优点、限制和缺点，对这两种方案进行全面的比较已超出了本文的范围。然而，为满足输电所需的高额定容量，并考虑到GTO晶闸管可利用的kV和kA额定值，第一种方案是最合适的。因此，过去在开发TVA的STATCOM和AEP的 UPFC时采用了具有多重开关级别的多重6脉波桥。正弦电压波形是通过作为磁接口的连接变压器而获得的，磁接口为各6脉波桥的输出电压提供适当的移相，其概念性示意图如图4所示.     AEP的 UPFC选择了四重6脉波桥、三级开关阀的设计方案，这种设计方案可以产生48脉波电压波形。图5所示为单相三级开关桥的基本电路。图6所示为 48脉波、三级电压源型逆变器的拓扑结构和AEP's UPFC的并联逆变器与传输系统的示意性连接。  3. UPFC3.1 基本原理     UPFC的主要特征是两个背靠背的电压源型变换器（inverter），这两个变换器的直流端接有一个电容器，如图1所示。这样排列它就起到一个理想的交流到交流（ac-to-ac）的功率转换器的作用。在这个功率转换器里面，有功功率在两个变换器之间可以自由地双向流动，变换器1和变换器2如图1所示。控制变换器2，即串联变换器，使其在输电线路中串联插入一组同步电压。插入电压的大小和相位是完全可控的。    变换器1，即并联变换器，具有供给和吸收连接于公共直流联络线的变换器2所需的有功功率的作用。直流联络线的功率通过一并联连接的变压器转换成交流并送到输电线路。变换器1也可以起到静止同步补偿器（STATCOM）的作用，即它可以独立地提供无功功率补偿。注意下面这一点是很重要的，那就是如果有一条闭合的直通路径让协商好的有功功率（插入的串联电压引起的）通过变换器1和变换器2返回输电线路，那么相应的无功功率也将通过当地的变换器2进行交换（产生或吸收）。    这些基本原理揭示了两台变换器的运行需求以及它们的额定视在功率在应用上是相互依赖的，并且通常是不同的。变换器2提供主要的潮流，它的额定视在功率只由线路电流和最大插入电压的乘积确定。变换器2产生无功功率的能力是UPFC运行的基本需求。变换器1的最小额定视在功率则由变换器2因串联插入电压引起而交换的最大有功功率确定，它的典型值在变换器2总的额定视在功率的20%～50%之间。然而，当变换器1在提供可控的无功功率时，它总的额定视在功率由下面的公式确定：  3.2 功能的灵活性    UPFC可以实现电力传输的三个基本补偿，即相位角控制、并联和串联无功补偿。这些多重补偿是通过控制串联插入电压              的大小和相位角而实现的，其补偿作用如图2所示，现描述如下：  1.?电压控制类似于变压器分接头改变，具有无穷小的级数。插入电压            ，并与     同相位
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