【正文】 1 第 1章 緒論 FACTS 及各種 FACTS 裝置 多年來電力工作者已達(dá)成共識(shí)：提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平和電能質(zhì)量，除電網(wǎng)結(jié)構(gòu)本身要和例外，還必須要有先進(jìn)的調(diào)節(jié)控制手段。電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行在很大程度上取決于其“可控度”。為此，人們不斷的研究如何用電網(wǎng)原有控制手段來提高安全運(yùn)行水平和電能質(zhì)量，如用發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器來提高輸電線輸送容量、阻尼系統(tǒng)振蕩等。同時(shí)又研制了一些新設(shè)備來解決上述問題，這包括串聯(lián)電容、并聯(lián)電容、并聯(lián)電抗、電氣制動(dòng)電阻以及移相器等。這些設(shè)備的共同特點(diǎn)是按照固定的、機(jī)械投切的、分接頭轉(zhuǎn)換的方式來設(shè)計(jì)，以改變線 路阻抗或減小電壓波動(dòng)，提高輸電線輸送容量或在靜態(tài)及緩慢變化的狀態(tài)下 控制系統(tǒng)潮流。由于機(jī)械開關(guān)動(dòng)作速度慢，在動(dòng)態(tài)過程中如控制暫態(tài)穩(wěn)定，這些控制器幾乎無法起作用，像固定串聯(lián)補(bǔ)償電容還引起次同步諧振（ SSR）。許多控制要求頻繁動(dòng)作，而機(jī)械開關(guān)動(dòng)作過頻則易損壞，可靠性差。因此，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)問題通常是通過過分保守的設(shè)計(jì)，留有較大的穩(wěn)定儲(chǔ)備來加以解決，以應(yīng)付一些預(yù)想的系統(tǒng)緊急狀態(tài)。這就使輸電系統(tǒng)的能力沒有被充分利用，經(jīng)濟(jì)性差。 可以設(shè)想，如果有快速的可頻繁動(dòng)作，可靠性高的開關(guān)代替上述機(jī)械開關(guān)，情況就將大不一樣。小功率的電 子開關(guān)使信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)生翻天覆地的變化，大功率電子開關(guān)也必將在電力系統(tǒng)中引起革命。近 20 年來大功率電力電子開關(guān)制造技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。 現(xiàn)在制造耐熱和耐沖擊能力與大功率傳輸線正常工作和短路電流水平相當(dāng)?shù)木чl管已不再困難， 高壓直流輸電（ HVDC）和靜止無功發(fā)生器（ SVG）就是這種技術(shù)的成功范例。正是在此基礎(chǔ)以上，針對(duì) 大型互聯(lián)電路系統(tǒng)存在的問題， 于 1986 年提出了柔性交流輸電系統(tǒng)（ FACTS）的概念，它應(yīng)用電力電子技術(shù) 的 最新發(fā)展成就 以及現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸電系統(tǒng)參數(shù)，以至 網(wǎng) 2 絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活快速控制，以期實(shí)現(xiàn)輸送功率的合理分配，降低功率損耗和發(fā)電成本，大幅度提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。它一方面使電力電子開關(guān)與電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的阻抗控制元件、公交控制元件以及電壓控制元件相結(jié)合的產(chǎn)物。另一方面又將電子技術(shù) 引入電力系統(tǒng)，形成了以變流器為核心的新型控制設(shè)備，如靜止同步補(bǔ)償器（ ＡＳＶＧ ），從而使電力系統(tǒng)中影響潮流分布的三個(gè)電氣參數(shù)：電壓、線路阻抗及功率角可按系統(tǒng)的要求迅速調(diào)整。另外 FACTS 裝置還可以逐漸的加入現(xiàn)行電力系統(tǒng)，與現(xiàn)有的交流輸電系統(tǒng)完全兼容，因此 FACTS 概念一經(jīng)提出就立即受到廣泛重視 。經(jīng)過長(zhǎng)期的討論和經(jīng)多方協(xié)商， 1997 年 IEEE 的 FACTS 工作組中的“術(shù)語和定義專題組”公布了 FACTS 及 FACTS 裝置的定義和規(guī)范術(shù)語。其中 FACTS的定義是：裝有電力電子型或其他靜止性控制器以加強(qiáng)可控性和增加功率傳輸能力的交流輸電系統(tǒng)。 FACTS 裝置是指 FACTS 家族中具體的成員，其定義是：用于提供一個(gè)或多個(gè)控制交流輸電系統(tǒng)參數(shù)的電力電子系統(tǒng)或其他靜止設(shè)備。 按 FACTS 裝置于系統(tǒng)的連接方式的不同， FACTS 裝置可以分為并連型、串連型和混合型三大類： （ 1） 并連型：包括靜止無功補(bǔ)償器（ SVC）、靜止同步補(bǔ)償 器（ ＡＳＶＧ ）、晶閘管控制的制動(dòng)電阻（ TCBR）、超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（ SMES）、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（ BESS）等。 （ 2） 串連型：包括晶閘管控制的串連電容器（ TSC）、晶閘管投切的串連電容器（ TSSC）、晶閘管控制的串連電抗器（ TCSR）、 晶閘管投切的串連電抗器（ TSSR）、靜止同步串連補(bǔ)償器（ SSSC）、背靠背換流器（ BESS）等。 （ 3） 混合型：包括晶閘管控制的移相 變壓器（ TCPST）、相間功率控制器（ IPC）、統(tǒng)一潮流控制器（ UPFC）等。 目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用最多的 FACTS 設(shè)備是靜止無功補(bǔ)償器（ SVC），世界上以投運(yùn)或即 將投運(yùn)的 SVC 數(shù)目已超過 500 臺(tái)，我國(guó)運(yùn)行于 500kV 電網(wǎng)的 SVC 也有 5臺(tái)，而應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)的 SVC 裝置更多。新型 ＡＳＶＧ 裝置是 SVC 的改進(jìn)型，其無功電流不依賴于電壓，因而在系統(tǒng)電壓低時(shí)調(diào)節(jié)能力比 SVC 強(qiáng)，國(guó)外已經(jīng)有多臺(tái)工業(yè)裝置在電力系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè) 運(yùn)行，我國(guó)自行研制的177。 20Mvar ASVG 工業(yè)樣 3 機(jī)裝置已經(jīng)在河南電力公司潮陽變電站運(yùn)行，應(yīng)用于上海電力系統(tǒng)的177。 50Mvar ASVG 工業(yè)裝置也已經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，用于提高輸電線路輸送容量、控制潮流、抑制振蕩的可控串連補(bǔ)償器（ TCSC）已在國(guó)外獲得大量應(yīng)用，我國(guó)自行研制 的 TCSC 工業(yè)裝置已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)， 功能最為全面的 FACTS 設(shè)備 統(tǒng)一潮流控制器（ UPFC）也已經(jīng)在美國(guó)電力系統(tǒng)投入運(yùn)行。除此以外， FACTS 家族中的超導(dǎo)儲(chǔ)能、靜止移相器、短路電流限制器、動(dòng)態(tài)電壓限制器、電力系統(tǒng)電壓品質(zhì)調(diào)節(jié)器等一系列設(shè)備也將在電力系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。 傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置 具有飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置（ SR） 飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應(yīng)的無功補(bǔ)償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置是依靠電抗器自身固有的能力來穩(wěn)定電壓，它利用鐵心的飽和特性來 控制發(fā)出或吸收無功功率的大小。可控飽和電抗器通過改變控制繞組中的工作電流來控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進(jìn)一步控制無功電流的大小。這類裝置組成的靜止無功補(bǔ)償裝置屬于第一批靜止補(bǔ)償器。早在 1967 年，這種裝置就在英國(guó)制成，后來美國(guó)通用電氣公司（ GE）也制成了這樣的靜止無功補(bǔ)償裝置［ 1］，但是由于這種裝置中的飽和電抗器造價(jià)高，約為一般電抗器的 4 倍，并且電抗器的硅鋼片長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，鐵心損耗大，比并聯(lián)電抗器大 2～ 3 倍，另外這種裝置還有振動(dòng)和噪聲，而且調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償速度慢，由于具有這些缺點(diǎn)，所 有飽和電抗器的靜止無功補(bǔ)償器目前應(yīng)用的比較少，一般只在超高壓輸電線路才有使用。 晶閘管控制電抗器（ TCR） 兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián)，其單相原理圖如圖 1 所示。其三相多接成三角形，這樣的電路并入到電網(wǎng)中相當(dāng)于交流調(diào)壓器電路接電感性負(fù) 4 載，此電路的有效移相范圍為 90176?！?180176。當(dāng)觸發(fā)角α＝ 90176。時(shí)，晶閘管全導(dǎo)通，導(dǎo)通角δ＝ 180176。，此時(shí)電抗器吸收的無功電流最大。根據(jù)觸發(fā)角與補(bǔ)償器等效導(dǎo)納之間的關(guān)系式： BL＝ BLmax（δ－ sinδ）／π和 BLmax＝ 1／ XL 可知。增大觸發(fā)角即 可增大補(bǔ)償器的等效導(dǎo)納，這樣就會(huì)減小補(bǔ)償電流中的基波分量，所以通過調(diào)整觸發(fā)角的大小就可以改變補(bǔ)償器所吸收的無功分量，達(dá)到調(diào)整無功功率的效果。 LS C RU ( t ) TCR 補(bǔ)償器原理圖 在工程實(shí)際中，可以將降壓變壓器設(shè)計(jì)成具有很大漏抗的電抗變壓器，用可控硅控制電抗變壓器，這樣就不需要單獨(dú)接入一個(gè)變壓器，也可以不裝設(shè)斷路器。電抗變壓器的一次繞組直接與高壓線路連接，二次繞組經(jīng)過較小的電抗器與可控硅閥連接。如果在電抗變壓器的第三繞組選擇適當(dāng)?shù)难b置回路，例如加裝濾波器，可以進(jìn) 一步降低無功補(bǔ)償產(chǎn)生的諧波。瑞士勃郎178。鮑威利公司已經(jīng)制造出此種補(bǔ)償器用于高壓輸電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償。 由于單獨(dú)的 TCR 只能吸收無功功率，而不能發(fā)出無功功率，為了解決此問題，可以將并聯(lián)電容器與 TCR 配合使用構(gòu)成無功補(bǔ)償器。根據(jù)投切電容器的元件不同，又可分為 TCR 與固定電容器配合使用的靜止無功補(bǔ)償器（ TCR＋ FC）和 TCR與斷路器投切電容器配合使用的靜止無功補(bǔ)償器（ TCR＋ MSC）。這種具有 TCR 型的補(bǔ)償器反應(yīng)速度快，靈活性大，目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。我國(guó)江門變電站采用的靜止無功補(bǔ)償器是端士 BBC 公司生產(chǎn)的 TCR＋ FC＋ MSC 型的 SVC，其控制范圍為177。 120Mvar［ 3］。由于固定電容器的 TCR＋ FC 型補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償范圍從感性范圍延伸到容性范圍時(shí)要求電抗器的容量大于電容器的容量，另外當(dāng)補(bǔ)償器工作在吸收較小的無功電流時(shí)，其電抗器和電容器都已吸收了很大的 5 無功電流，只是相互抵消而已。 TSC＋ MSC 型補(bǔ)償器通過采用分組投切電容器，在某種程度上克服了這種缺點(diǎn)，但應(yīng)盡量避免斷路器頻繁的投入與切除，減小斷路器的工況。 晶閘管投切電容器（ TSC） 為了解決電容器組頻繁投切的問題， TSC 裝置應(yīng)運(yùn)而生。其 單相原理圖如圖所示。兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管只是將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開，串聯(lián)的小電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的沖擊電流。 TSC 用于三相電網(wǎng)中可以是三角形連接，也可以是星形連接。一般對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)采用星形連接，負(fù)荷不對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)采用三角形連接。不論是星形還是三角形連接都采用電容器分組投切。為了對(duì)無功電流能盡量做到無級(jí)調(diào)節(jié)，總是希望電容器級(jí)數(shù)越多越好，但考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性及經(jīng)濟(jì)性，一般用 K－ 1 個(gè)電容值為 C 的電容和電容值為 C／ 2 的電容組成 2K 級(jí)的電容組數(shù)。 TSC 的關(guān)鍵技術(shù)問題是投切電容器時(shí)刻的選取。經(jīng)過多 年的分析與實(shí)驗(yàn)研究，其最佳投切時(shí)間是晶閘管兩端的電壓為零的時(shí)刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時(shí)刻。此時(shí)投切電容器，電路的沖擊電流為零。這種補(bǔ)償裝置為了保證更好的投切電容器，必須對(duì)電容器預(yù)先充電，充電結(jié)束之后再投入電容器。 U ( t )LC TSC 型補(bǔ)償器原理圖 TSC 補(bǔ)償器可以很好的補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功功率，如果級(jí)數(shù)分得足夠細(xì)化，基本上可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)。瑞典某鋼廠兩臺(tái) 100t 電弧爐，裝有 60Mvar 的 TSC 后， 6 有效的使 130kV 電網(wǎng)的電壓保持在 ％的波動(dòng)范圍。運(yùn) 行實(shí)踐證明此裝置具有較快的反映速度（約為 5～ 10ms），體積小，重量輕，對(duì)三相不平衡負(fù)荷可以分相補(bǔ)償，操作過程不產(chǎn)生有害的過電壓、過電流，但 TSC 對(duì)于抑制沖擊負(fù)荷引起的電壓閃變，單靠電容器投入電網(wǎng)的電容量的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)是不夠的，所以 TSC 裝置一般與電感相并聯(lián)，其典型設(shè)備是 TSC＋ TCR 補(bǔ)償器。這種補(bǔ)償器均采用三角形連接，以電容器作分級(jí)粗調(diào)，以電感作相控細(xì)調(diào)，三次諧波不能流入電網(wǎng)，同時(shí)又設(shè)有 5 次諧波濾波器，大大減小了諧波。我國(guó)平頂山至武漢鳳凰山 500kV 變電站引用進(jìn)口的無功補(bǔ)償設(shè)備就是 TSC＋ TCR 型。 晶閘管投切電容器 — 晶閘管控制電抗器（ TSCTCR） 如圖所示的 TSCTCR 補(bǔ)償器通常由 n 個(gè) TSC 和一個(gè) TCR 并聯(lián)組成。 TCR 的容量選擇為 SVC 總?cè)萘康?1/n。電容器可以分級(jí)投切，但在每個(gè)分級(jí)之間的無功功率可以通過 TCR 來連續(xù)調(diào)節(jié)。因此 SVC 最大的感性范圍與相對(duì)較小的用于平滑無功功率的 TCR 的容量一致。 由于 TCR 的容量較小，因此產(chǎn)生的諧波也大大減小。 TSC 支路通過串聯(lián)電抗器被調(diào)諧在不同的主導(dǎo)諧波頻率上。為了避免所有的 TSC 或者說有相對(duì)應(yīng)的濾波器被同時(shí)切除的情況，即只有 TCR 單獨(dú)運(yùn)行的情況，需要添加 一個(gè)不可切的電容濾波支持。 TSCTCR 的主要是為了提高打擾動(dòng)時(shí)補(bǔ)償器運(yùn)行的靈活性以及減少穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的損耗。固定電容器 — 晶閘管控制電抗器（ FC— TCR）的功能類似一個(gè)并聯(lián)的 LC支路，它可能在大擾動(dòng)時(shí)與交流系統(tǒng)阻抗 7 S V C 高 壓 母 線L L濾 波 器C C 通用的 TSCTCR 型 SVC 發(fā)生諧振，這個(gè)問題的最嚴(yán)重情況發(fā)生在電壓大幅度擺動(dòng)緊接著甩負(fù)荷時(shí)。這種情況， TSCTCR 可以快速切除補(bǔ)償器中的所有電容器，