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柔性交流输电技术（FACTS）
摘要：灵活交流输电系统(FACTS)可实现对电力系统某个或各种参数进行控制，以提高系统稳定性和传播容量。本文简介了柔性交流输电(FACTS)概念，简介了重要几种FACTS控制器构成及其对电网作用，给出了FACTS技术在电力系统稳态和动态中详细应用，即可进行迅速、持续、灵活无功功率、电压和动态潮流控制，抑制系统低频振荡和次同步振荡，提高电网动态性能和稳定水平。
核心词：柔性交流输电；低频振荡；次同步振荡；潮流控制；电力系统

FACTS Technology
Abstract：A flexible AC transmission system (FACTS) can realize control for certain parameter or multiple parameters of power system,so as to raise stability and transmission capacity of the system. The concept of Flexible AC Transmission System(FACTS) is presented. Introduction was made to the construction of several concrete FACTS controllersand its effect to the power gird. Actual application of FACTS technology was given in stable and dynamic status of power system.Reactive power，voltage and dynamic flow control could be carried out fast，continuously and fl exibly，which restricted the system’s low frequency oscillation and subsynchronous oscillation，to raise dynamic performance and stability level of power grid.
Key words:FACTS；low frequency oscillation；subsynchronous oscillation；flow control；power system

一、 引言
近年来，随着大机组、大电厂、大电网、高电压、远距离及高度自动化为特性大电力系统形成，在获得益处同步也面临了某些问题：潮流控制问题，在电网中自由潮流变化较大，导致了大量电能损耗，难以实现最优潮流；电网缺少动态、持续控制手段，难迅速改进系统稳定性以提高传播容量；老式机械控制方式速度较慢，对动态稳定控制缺少足够能力。而灵活交流输电系统(FACTS) 技术浮现，为解决这些问题提供了条件，为建设智能电网提供了技术支持。
FACTS技术是当代电力电子技术与老式潮流控制( 如阻抗控制，功角控制等) 相结合产物。它可以用可靠性很高大功率可控硅元件代替老式元件中机械式高压开关，从而使电力系统中影响潮流分布三个重要电气参数( 电压、线路阻抗及功率角) 可按照系统需要迅速调节，以期实现输送功率合理分派，电压合理控制，减少功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性,可靠性[1]。此项技术是实现电力系统安全经济、综合控制重要手段。

二、 FACTS技术简介
柔性交流输电系统是指装有电力电子型或其她静止型控制器以加强系统可控性和增长功率传播能力交流输电系统。FACTS设备是FACTS家族中详细成员,指用于提供一种或各种控制交流输电系统参数电力电子系统或其她静止设备[2]。FACTS技术是运用当代大功率电力电子技术改造老式交流电力系统一项重大改革,被以为是21世纪初可以实行技术改革办法,已成为当今先进国家电力界研究热点。FACTS技术已被国内外某些较权威性输电技术研究者和工作组称为“将来输电系统新时代三项支撑技术(FACTS技术、先进控制中心和综合自动化技术)之一”[3],或是“当代电力系统中三项具备变革性影响前沿性课题(柔性输电技术、智能控制、基于全球卫星定位系统(GPS)新一代动态安全分析与监测系统)之一”[4]。
FACTS技术是基于电力电子技术改造交流输电系列技术,它对交流电无功(电压)、电抗和相角可以进行控制,从而能有效提高交流系统安全稳定性,使老式交流输电系统具备更高柔性和灵活性,使输电线路得到充分运用,以满足电力系统安全、可靠和经济运营目的。自从美国电力科学研究院(EPRI) N.G.Hingo rani博士于1986年提出FACTS概念以来，FACTS技术就得到了极大发展,相继浮现了各种FACTS设备,如统一潮流控制器(unified power flow controller，缩写为UPFC)、可控串联补偿、静止补偿器(static synchronouscompensator ,缩写为STATCOM)等。
FACTS技术以电力电子设备为基本结合当代控制技术来实现对原有交流输电系统参数及网络构造迅速灵活控制，从而实现增强系统可靠稳定性和大幅提高线路输送能力目。下图为FACTS装置基本模型，图中VS为发电机端电压；Vm为FACTS装设点母线电压；Vr为无穷大母线电压；X1、X2为输电线路等效电抗；Iq为FACTS输出无功电流；Vpq为控制器作用产生电压降。

三、 重要FACTS控制器简介
FACTS技术核心是FACTS控制器，依照控制器在系统中联接方式，可以将其分为：并联型、串联型和并联-串联组合型FACTS控制器。
（一） 并联型FACTS控制器
1） 静止无功补偿器SVC
SVC是一种静止并联无功发生或者吸取装置，它涉及晶闸管控制电抗器TCR、晶闸管投切电抗器TSR、晶闸管投切电容器TSC以及它们之间或与机械投切并联电容器MSC/电抗器MSR 构成某种组合体。其构造如图1所示，SVC是当前应用最为广泛FACTS控制器之一，它重要通过调节其输出容性或者感性电流用以控制节点电压水平。SVC不但用于输电网以提高传播可控性、系统稳定性和输送容量，还广泛应用于配电网用以提高供电可靠性、减少线损和改进电能质量。

2） 静止同步补偿器STATCOM
STATCOM是一种并联、能进行无功补偿静止同步“发电机”，功能与SVC基本相似，但是运营范畴更宽，调节速度更快。普通STATCOM中变换器可以采用电压型变换器VSC，如图2a)所示；也可以采用电流型变换器CSC，如图2b)所示。

当前基于VSCSTATCOM更常用，它通过调节其直流侧电容电压幅值和(或)变换器调制比，可以控制变换器交流输出电压幅值，进而变化装置输出电流极性(容性或感性)和大小，达到实现无功控制、电压控制、阻尼控制目，以提高系统静态和暂态稳定性。
3） 静止同步发电机SSG
SSG是通过在STATCOM直流侧引入电源或大容量储能系统静止自换流开关式功率变换器，可与交流电力系统并网运营，通过调节其多相输出电压而达到与电网互换可独立控制有功和无功功率目。
（二） 串联型FACTS控制器
1） 晶闸管控制串联电容器TCSC
TCSC是一种阻抗补偿设备，通过晶闸管控制来实现持续补偿度调节线路串联补偿装置。其构造如图3a)所示，通过控制TCR支路上晶闸管导通角，可以在一定范畴内持续调节TCSC提供等效阻抗。与其她串联补偿装置相比，TCSC简朴灵活可以弥补固定串补存在局限性，可以进行动态潮流控制、阻尼功率振荡、抑制次同步振荡、提高系统暂态稳定水平和增长输送能力、优化潮流分布和减少网损等[5]。
2） 晶闸管控制串联电抗器TCSR
TCSR是一种感性补偿设备，串联在输电线路上用以提供持续可控补偿感抗。其构造如图3b)所示，工作原理与TCSC比较类似，也是采用晶闸管触发角控制。

3） 静止同步串联补偿器SSSC
SSSC是一种不含外部电源静止式同步无功补偿设备，串联在输电线路上并产生相位与线路电流正交、幅值可独立控制电压，能通过增长或减少线路上无功压降来控制传播功率大小。SSSC也可包括一定暂态储能或耗能装置，通过调节线路上有功压降而进行有功补偿，从而达到改进电力系统动态性能目[6]。
（三） 并联-串联组合型FACTS控制器
1） 统一潮流控制器UPFC
UPFC是由STATCOM和SSSC基于共同直流链路耦合形成，并在无源状况下即可同步进行无功功率和有功功率补偿一种串联- 并联组合型FACTS控制器。其单相构造如图4所示，UPFC综合了许多FACTS控制器灵活控制手段，是FACTS控制器中功能最强大器件，具备全面补偿功能，不但能提供独立可控并联无功功率补偿，并且还可以通过向线路注入相角不受约束串联补偿电压，同步或选取性控制线路上电压、阻抗和相角，可实既有功和无功潮流控制，进而提高线路传播能力、稳定性及阻尼振荡。

2） 晶闸管控制移相器TCPST
TCPST是一种采用晶闸管开关调节、能提供迅速可变相角晶闸管控制移相器。其单相构造如图5所示，每相涉及一种并联和一种串联变压器，并联绕组原边连接到此外两相，产生一种相位与控制相电压垂直电压相量，通过电力电子电路进行恰当调节(即变化极性和幅值等)后叠加到控制相电压上，从而达到可控移相目。TCPST通过调节相位可以有效控制电网潮流，提高暂态和中长期稳定性，阻尼功率振荡。

3） 相间功率控制器IPC
IPC是一种可对有功功率和无功功率进行控制组合型FACTS控制器，它每相涉及一组并联、分别从属于独立移相单元容性和感性支路，通过采用机械式或电力电子电路来调节各支路移相、阻抗，达到分别控制电网有功或无功功率目。

四、 FACTS控制器在电力系统稳态运营中应用
（一） 电力系统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核心作用。电力系统中无功功率重要是在电气设备中建立和维持磁场，完毕电磁能量互相转换，为系统提供电压支撑。如果无功功率严重局限性，则也许引起电压失稳，特别是当系统故障需求无功功率大幅增长时，网络无功功率缺少和电压下降互相影响，形成恶性循环，将会导致电压崩溃发生。
如果电网无功功率局限性，就需要进行无功功率分层、分区、就地补偿。SVC、STATCOM、UPFC等静止无功补偿装置比老式固定电容器、同步调相机等补偿装置能更迅速、持续、灵活地补偿电力系统无功功率。同步还可以运用这些F A C T S装置进行无功优化管理，使系统无功潮流达到最优分布。这对于提高系统电压质量，减少电能损耗，保证系统安全、可靠和经济运营有重要意义。
（二） 电力系统潮流控制
电网中潮流普通是不能精准控制，这就给电网带来了某些问题：电网环流、功率倒送与绕送、系统功角与电压不稳定。串联和并联补偿器可以增长电网传播功率，进而增长电网静态稳定性。此外电网堵塞管理对当前电力市场来说是相称重要，由于如果功率不能外送，就会影响发供电公司利润，阻碍电能实时交易。而通过FACTS 控制器，如TCSC、SSSC、TCPST、UPFC等，可以实现对电网潮流精准控制及电网堵塞管理。避免功率倒送与绕送现象产生，消除供电瓶颈，减少电能损耗，增长电网传播能力，提高电网动态性能和稳定水平。

五、 FACTS控制器在电力系统动态控制中应用
（一） 阻尼低频振荡
当系统受到一种小扰动后，发电机之间转子角度、频率、电功率以及电压都将产生一定频率振荡。振荡频率与系统容量、网络构造、运营方式等因素关于，普通在0.2～2Hz低频范畴内。低频震荡普通发生在重负荷电网中，对电网安全运营影响很大。由于电力系统规模在不断扩大，超高压、远距离输电系统、弱联系统、迅速励磁系统均有也许使系统产生负阻尼而发生低频振荡。
解决低频振荡普遍采用减少有功功率送出和安装电力系统稳定器PSS两种办法。但是减少有功功率外送必然影响发供电公司效益，而针对某一振荡模式设计PSS会对其她模式产生负作用，从而影响系统稳定性。因此仅依赖于减少输送功率和安装PSS是不能彻底消除系统低频振荡现象存在。而SVC、STATCOM、TCSC、SSSC等FACTS控制器具备调节迅速、灵活特点，可以抑制系统低频振荡，对改进系统稳定性能具备良好作用[7]。
（二） 抑制次同步振荡
次同步振荡SSR是由于输电系统中串入电容补偿，处在平衡状态下系统受到扰动后，在发电机与电力网络之间也许以系统一种或数个低于同步频率自然频率互换数量相称可观能量，在特定条件下与串联装置发生谐振一种现象，其危害性极大。次同步谐振时，发电机内部会产生次同步旋转磁场，进而产生差频振荡转矩，有也许在机械与电气系统之间发生谐振，破坏发电机轴系统。采用STATCOM进行电力系统无功补偿，不但可以稳定电力系统电压，还可以抑制电力系统发电机轴系之间扭振现象、阻尼次同步振荡现象产生。对于不同运营工况和需要解决问题，STATCOM控制器可依照现场需要作相应调节。
（三） 提高暂态稳定性
暂态失稳是由于电力系统受到大干扰所引起，如输电线路或发电机断开等。FACTS控制器可以在电网发生或者即将发生故障时提供迅速响应来进行动态潮流控制和电压支持，排除故障。FACTS控制器具备迅速灵活控制能力，在减轻或者避免电网潜在堵塞，进行动态无功补偿，支持系统电压，防止电压崩溃等方面作用明显，大大提高了系统暂态运营性能。

六、 FACTS在中华人民共和国发呈现状
随着FACTS控制器发展，解决了国内电网发展进程中浮现短路过电流、高压线路容性充电功率偏高等问题，FACTS技术得到了大力发展。9月在山西省忻都开关站成功投运500kV分级可控并联电抗器（SCSR），次年同步间在湖北江陵换流站成功投运500kV磁控并联电抗器（MCSR），这些设备都是国内自主研发。故障电流限制器现已完毕样机研制。国内电网公司于8月开始研究柔性直流输电核心技术，并实行一种容量20MVA、电压±30kV示范工程，筹划于完毕并挂网运营于上海南汇风电场。当前待建成柔性直流工程尚有预测容量100MW、电压±100kV舟山老式高压直流输电改造工程；容量500MW、电压±250kV用于大连市联网示范工程；预测容量200MW、电压±150kV台湾金门岛供电工程。
电网互联是将来世界电网发展必然趋势，国内相对薄弱电网构造亟待强化，因而必要进一步研究FACTS技术并予以实验应用。先进FACTS技术能调节电网潮流分派、增强网架构造、提高电网自适应水平，而国内电网架构日渐庞大，自然灾害频发，实现大电网安全可靠运营问题日益凸显。另一方面，为配合特高压战略和智能电网实行和发展，国内必要大力研究FACTS技术，提高电网安全稳定性能，更好地维持经济社会不断发展。重要将集中于SSSC、UPFC、WAMS等方面FACTS协调控制技术研究。

七、 结束语
FACTS技术产生是解决电力系统运营和发展中各种局限性客观需求，它使得对大型互联电网控制可以更迅速、频繁、持续、综合和灵活，能实现对电网潮流精准控制并大大提高电网动态性能和稳定水平以及传播容量，从而将老式纯粹依赖机械开关交流输电系统提高为融合电力电子技术、最新信息解决技术和先进控制技术在内柔性交流输电系统。

参照文献
[1] 颜伟，朱继忠，孙洪波，等. UPFC潮流控制与暂态稳定性研究[J].中华人民共和国电机工程学报，，20(12)57-61.
[2] 何大愚(He Dayu) .柔性交流输电技术和顾客电力技术新发展(New Developments of FACTS and CustomPower Technology Manifested by IEEE PESDefinition ). 电力系统自动化( Automation of Electric Power Systems),1999,23(6):8～13
[3] 何大愚(He Dayu) .柔性交流输电技术及其控制器研制新发展—— TCPST,IPC(TCIPC)SSSC(FACTS Technology and New Progress in the Development of ItsControllers——TCPST,IPC(TCIPC)and SSSC).电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems），1997,21(6):1～6
[4] 韩英铎，王仲鸿，林孔兴,等( Han Yingduo ，WangZhong hong,Lin Kongxing,etal) .电力系统中三项前沿课题——柔性输电技术、智能控制、基于GPS动态安全分析与监测系统(Three New Front Subjects in Power System——FACTS，Intelligent Control and Dynamic Security Analysis and Monitor System Based on GPS) .清华大学学报(Journal of Tsinghua University),1997,37(7):1～6
[5] 陈葛松，叶海蓉.可控串联补偿技术及其应用简介[J].国际电力，，8(4)：43-48.
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