FACTS控制器的综述

FACTS控制器的综述柔性输电系统技术(FlexibleACTransmissionSystems)是将电力电子、微处理技术和控制技术等高新技术集中应用于高压输变电系统,以提高输配电系统的可靠性、可控性、运行性能和电能质量,并获得大量节电效益的一种新型综合技术。FACTS控制器与常规的机械切换器比较,最主要的差别是大大地缩短了控制的时间。另外,FACTS控制器对电力系统的控制是平稳的、连续的、可重复选择性的控制。因此,FACTS控制器是目前国内研究的热点之一。对FACTS技术的研究论文很多,主要关于FACTS控制器本身结构、FACTS控制器的控制、FACTS控制器的应用等方面[1～5]。本文主要介绍几种典型的FACTS控制器,并从结构、原理、特性等方面进行分析。1.FACTS控制器目前主要的FACTS控制器有:静止同步补偿器、统一潮流控制器、静止无功补偿器、晶闸管控制的串联投切电容器补偿器、晶闸管控制的移相器、相间潮流控制器、超导储能装置等。按其功能可以分为阻抗控制型、电压控制型、相角控制型等;按连接的方式可以分为串联型、并联型、串并联型等;文献[5～6]按照安装的地点划分为发电型、输电型、供电型三类,如下:本文只对其中几种具有代表性的FACTS控制器进行介绍。1.1.静止同步补偿器(STATCOM)如图4,VI为STATCOM的逆变器输出电压有效值,Vs为系统电压的有效值。其原理是将VI和Vs同步,然后通过控制VI的幅值,从而控制VI与Vs的电压差,以实现动态无功补偿,最终使接入点的电压稳定。从图5可知,当VIVs时,静止同步补偿器处于超前运行状态,发出无功,起电容器的作用;当VIVs时,静止同步补偿器处于滞后运行状态,吸收无功,起电抗器的作用;当VI=Vs时,静止同步补偿器与系统不存在无功交换。1.2.统一潮流控制器(UPFC)UPFC控制器由两个电压源逆变器和公用直流电容组成,如图6。逆变器1通过变压器1并联接入系统,逆变器2通过变压器2串联接入系统。逆变器2交流侧产生一个幅值和相角都可变的电压Vse(其幅值范围为0≤Vse≤Vsemax,相角范围为(0≤θse≤2π),通过变压器2向系统注入电压Vse,与接入点电压V′0合成一个幅值和相角都可变的电压V0,如图7。通过控制逆变器2的交流输出,即控制电压Vse来控制传输系统的有功、无功,从而实现了向逆变器2提供有功功率,另外逆变器1也能产生或吸收无功功率。直流侧电容起能量储存和功率转化作用[8]。其统一潮流控制器运行中状态变化见图8所示,从图8(a)可知,P1E=P2B和VE的变化将使输入无功Q1E变化,ΔQ=Q1E-Q2B;无论P1E=P2B、VE、Q2B怎么变化,当ΔQ0时,UPFC吸收无功,此时UPFC工作于感性模式;当ΔQ0时,UPFC发出无功,此时UPFC工作于容性模式;当ΔQ=0时,UPFC工作于不可控运行模式。从图8(b)可知,在一维空间中不可控模式分隔了感性模式和容性模式,当B、E两节点间传输的有功功率P1E=P2B增加时,UPFC运行状态向容性模式转换;当E点的电压降低时,意味在E点无功输入减少,UPFC运行状态也向容性模式转换;另外,当Q2B增加时,UPFC运行状态也向容性模式转换。从上述的状态转换分析中可知,UPFC能有效对电压、相角等实现控制[9]。1.3.可控串联电容补偿器(TCSC)可控串联电容补偿器的基本功能是通过调节线路阻抗以实现潮流控制、抑制区域性的功率振荡和系统同步振荡(SSR),提高系统暂态稳定性。另外,由于电容的串接也影响系统无功分布,所以可控串联电容补偿器也常被用于调节系统的电压,有效提高系统的动态稳定性。单个晶闸管控制串联电容器主要由串联电容与并联路径中的晶闸管、串联电感,为了过电压保护也并联一个金属氧化物的避雷器;但是,一个完整的补偿系统是由几个晶闸管控制串联电容器器串接,并且还串有一个固定电容,如图9所示。图9为TCSC的X-I特性曲线,此特性曲线表明了TCSC暂态过负荷的能力范围;图10(a)是单个TC-SC的阻抗-电流特性曲线,图10(b)是4个TCSC的阻抗-电流特性曲线,很明显,图10(a)的曲线图在控制范围内有一个缺口,而图10(b)几乎充满的,可以认为在TCSC的控制范围是连续的。各曲线的含义及极限值见文献[11]。1.4.晶闸管控制的移相器(TCPST)如图11,晶闸管控制的移相器主要由励磁变压器、串联变压器、基于晶闸管的接头切换单元构成。从图12可知,VΔ是V1与V2的差值。根据图11中的接头切换单元各控制单元状态的不同,VΔ有27种可能的值,并且VΔ与V1的夹角总是90°。其工作原理是:通过移相器的控制逻辑来控制晶闸管的触发脉冲,则可连续平滑地调节VΔ幅值,从而调节线路两端电压向量间的角度,以达到控制线路负荷,调节网内功率分配和增进输电稳定极限以及阻尼振荡等目的[6][12～13]。