柔性交流输电系统概论

电力电子在电力系统中的应用——柔性交流输电系统主讲教师：冉华军主要参考书：•《高压直流输电与柔性交流输电》，杨晓萍编著。•《电力电子技术在电力系统中的应用》，陈建业等编著。•《柔性交流输电系统》，程汉湘编著。•《柔性电力技术——电力电子在电力系统中的应用》，韩民晓等编著。引言•电能作为一种特殊形式的二次能源，具有清洁、易于传输和便于转换和控制等特点，在我们的现代生活中得到越来越广泛的应用。科技的发展使现代生活日益依赖于优质、可靠的电能供应，电能是现代生活的“氧气”，安全可靠的电能供应是现代生活的重要基石。美国加州2001年延续十余月、波及数十万用户的电力危机就给全世界上了生动的一课•电能使用的快速增长以及对低成本能源的需求、环保要求的提高，逐渐导致了远离负荷中心的发电站的大量开发。负荷中心的电能越来越依赖于由位于远端的发电中心通过长距离输电来提供。•利用交流电压进行大规模的电能传输有两个基本条件：一是各同步发电机组必须稳定地保持同步，确保电力系统在标称频率下运行。二是系统各级的电压必须维持在其标称值附近。•电力系统控制的基本功能就是在允许每一个用户可以根据自身需要随时投切负荷的条件下，将所提供的电能的频率和电压控制在标称值附近一个不大的范围之中。这个看似简单的问题构成了对电力系统控制的最大挑战！•电力系统已进入大系统、超高压远距离输电、跨区域联网的新阶段，社会经济的发展促使现代电网的管理和运行方式发生变革，对其安全可靠、稳定、高效、灵活运行控制的要求日益提高，从而急需发展新的调节手段，提高其可控性。•近年来电力电子器件容量的迅速增大，控制理论以及计算机信息处理等技术的发展，电力电子装置已经能够进入输电系统的一次回路进行控制，从而为输电控制手段的改善和换代提供了可能。•在这种情况下，20世纪80年代美国科学家Hingorani先生提出了柔性交流输电技术的概念（FACTS：FlexibleACtransmissionSystem），经过近30年得研究和工程应用，使相关技术得到不断的发展和完善。•FACTS技术的产生和发展是解决交流输电系统运行和发展中的各种困难的客观需要，这表现在以下几个方面：a.由于负荷和电力市场的需求以及环境问题的日益严峻，获得能多送电力的新建输电线的走廊更加困难（一些发达国家中已经无法在城市附近再修建架空线路）等原因，而电力需求又持续增加，对供电质量要求愈来愈高，使已有输电线的负担日益加重，输送能力不足的矛盾日益突出。交流输电系统的输电能力受到系统的静态稳定、暂态稳定、动态稳定、电压稳定和热稳定的限制，传统交流输电系统由于前四种稳定的限制，使其输电能力远远低于其热稳定极限。因此，对提高输送能力的有关技术措施的需求也日益紧迫。•b.交流输电系统的功率可控性差，即不容易控制输电网络中的功率流向。在互联系统中，当改变某条线路的功率时，会同时改变其它线路的功率，或导致环流，使整个系统的潮流都重新分布。功率分布的自由潮流常造成功率绕送（即走远道不走近路）或功率倒流（即主输送方向中又存在逆向输送）的问题，这将导致输电系统的大量电能损耗和输电能力下降，造成输电过程的“瓶颈”。•c.传统输电系统中用于提高输电能力和稳定性的设备有串联电容补偿、并联电容补偿、并联电抗补偿、电气制动电阻和移相器等，它们可以通过调整线路电压、阻抗和功角来改变系统潮流分布和改善系统稳定性，但这些设备都是机械操作的，反应速度慢，从而限制了其控制能力和快速性，这也是影响输电系统暂态稳定和动态稳定的重要因素。1.1概述1.2电能质量的基本概念1.3传输线路的互连1.4并行线路中的功率潮流1.5什么限制负荷容量1.6传输网络互联的潮流和动态稳定1.7几个重要参数整定的说明1.8FACTS控制器的基本类型1.9FACTS控制器的定义和功能简介1.10FACTS技术的优势首页第一章柔性交流输电系统（FACTS）概论1.11高压直流输电（HVDC）与FACTS的前景1.1概述下页返回FACTS技术是电力电子技术在电力系统中的应用的一个重要方面，它已在电能的生产、传输和分配的各个环节都得到了应用，是电力系统发展的一个重要里程碑。•电力电子技术与传统的电力系统控制设备的结合，使电力系统中影响潮流分布的电压、线路阻抗及功角这三个主要电气参数能得到迅速调整。在不改变现有网络结构的前提下，FACTS使网络的功率传输能力以及对潮流和电压的可控性大为提高，能对系统运行参数中的一个或多个产生影响。FACTS是逐渐加入现行的交流系统而不是摒弃现有系统，FACTS与现行的交流输电系统并行发展，可以完全兼容。下页上页返回电力系统潮流分布传输线阻抗、发送端和接收端电压幅值、以及这两个电压相位之间相角差的函数。•对于交流输电系统而言，可以通过提高输电系统的电压，增大线路的功率角以及减小输电线路的阻抗来达到提高现有输电线路的传输功率。•我国目前主干网的最高输电输电电压已达到500KV（目前正在发展750KV、1000KV），进一步提高输电电压会带来一些列技术和经济问题；而利用增加并行回线的方法减小线路阻抗，除了存在经济性的问题外，还受到难以获得新的输电走廊的困扰。•采用直流输电进行超长距离输电，以及引入各种补偿方法以减小交流线路的等效阻抗就成为21世纪电力系统控制器的两个并行的发展方向。•一般情况下，通过并联电容器的方法就能够保证系统电压在规定范围内运行。在输电线路上串联电容器可减少输电线路的阻抗，因而也能提高输电线路的输送能力。移相变压器则是在输电线路送、受端之间引入相位偏移，因而也能达到控制潮流的目的。•然而，传统的电力系统控制设备都是机械型的，它们的响应速度慢，而且只能分级投切。从稳态运行的角度看，这种机械装置可起到稳定运行的作用；但从动态控制的角度看，由于它的响应速度太慢，不能有效地减少瞬态振荡，因此在系统动态稳定中起不到有效作用。•可以连续调节且可以高速响应的控制器是现代电力系统向提供高质量电能的根本保证，而近年来迅速发展的电力电子技术正是实现上述要求的最佳选择。下页返回较大范围地控制潮流使之按指定路径流动。保证输电线的负荷可以接近热稳定极限，但不会出现过负荷。在控制的区域内可以传输更多的功率，因而能减少发电机的热备用。在系统短路和设备故障情况下，能够防止出现线路连锁跳闸的“骨牌效应”。阻尼可能会损坏设备或限制输电容量的各种电力系统振荡FACTS主要功能热备用是指运转中的发电设备可能发的最大功率与系统发电负荷之差，也叫运转备用或旋转备用.下页上页返回FACTS建立在电力电子或其它静止型控制器基础之上的、能提高可控性和增大电力传输能力的交流输电系统。下页上页返回FACTS传输系统FACTS代表一种灵活性更好的交流输电系统，有别于以往的交流输电系统；FACTS结构基础是电力电子器件与其它(如电容器、电抗器之类)无源元件的组合；FACTS的目的一是要提高输电系统的快速可控性、保证电能质量，并能增强系统传输能力。下页上页返回1.2电能质量的基本概念电能质量电压质量实际电压与理想电压的偏差。电流质量实际电流与理想电流的偏差。功率质量电压质量和电流质量的综合。电源质量包括电压质量的技术部分和非技术部分的“服务质量”。后者涉及到用户和电力部门之间的关系下页上页返回电磁兼容一个设备或一个系统在它的电磁环境中能够满意工作的能力，同时它不会对该环境中的任何其它设备造成难以容忍的电磁干扰。消费质量可以看成是电源质量的补充，也可以看成是电流质量再加上用户的一些信用质量。在本书的内容中，凡涉及到电能质量方面的术语，都是指实际电压和/或电流与理想波形之间的偏差•电能质量控制的发展，特别是现代电能质量的发展与电力电子技术的发展是紧密相连的。•电能质量的基本内容主要包含电压幅值、系统频率、有功和无功的调节、输送容量和功率因数的提高、谐波抑制等。•传统的电能质量控制设备一般都是由无源元件或是带有旋转部分的装置所组成，当然电能质量的控制也有很多是通过调节发电机组的运行状态来实现的。•但电力系统的迅速发展，电网之间的互连度、传输距离的增加，以及不同负荷性质的大型企业的出现，使完全依靠发电机组和无源元件来完成电能质量的控制已经不是太有效了•FACTS技术的出现，使得电能质量控制的概念以及实现手段发生了根本性变化。它不但能实现发电厂、输电线路的电能质量控制，而且还能对不同性质的负荷实现优化运行控制。传统电力负荷的电压、频率调节特性较差即负荷从系统取用的有功功率和无功功率随系统电压、频率的波动而发生变化，这对于电力系统的稳定运行是有利的，但对用电设备的稳定运行则是不利的。•FACTS装置所起到的作用大小，除了与控制技术有关外，在很大程度上还取决于电力电子器件的容量大小。下页上页返回010203040功率容量MVA)1990198019702000年（）晶片直径（英寸）晶闸管2.5KV1KA(2)4KV1.5KA(3.5)12KV1KA(4)8KV4KA(6)GTO4.5KV2KA(2.5)4.5KV3KA(3)4.5KV4KA(3.5)6KV6KA(6)IGCT4.5KV3KA(3.5)4.5KV4KA(4)6KV4KA(4)HVIGBT4.5KV0.9KA晶闸管双向晶闸管下页上页返回MOSFETIGCTGTOIGBT(Discrete)IGBTMolduleIPM器件额定容量10k100M10M1M1k100k1001010工作频率(HZ)1M10k100k1k100•电力电子器件正朝着容量越来越大、频率越来越高的方向发展。正是由于有了电力电子技术的迅猛发展，才使得FACTS得以进步。下页上页返回1.3传输线路的互连1.3.1为什么传输线路要互连？传输线路相互连接有利于共享发电厂和负荷中心，充分利用多元化负荷、有效利用电力资源，能将发电厂的总发电量和燃料的成本降到最低。•另一个问题是，如果有了网络互连，但系统设计者没能利用先进的分析方法将输电计划与发电/输电成本结合起来分析，那么这种系统也不能保证电力与传输之间有最适宜的平衡。•新建的互连输电线路同样存在建设费用和线路损耗问题，这也经常限制电能的有效传输。在很多情况下，要获得经济的资源或者资源共享似乎会受到输送容量的限制，而且这种情况现在依然没有得到有效地解决。•另一方面，随着电力传输的发展，电力系统的运行已变得更加复杂，系统在大故障后稳定运行的可靠性显著降低，导致大量电能不能得到适当控制。过多的无功功率充斥着系统的不同部分，系统不同部分的动态波动会相互影响，并出现传输瓶颈，所有这些都将导致不能充分发挥输电系统相互连接的潜力。•传输容量的增加、缺乏长期规划、开通电力公司和消费者之间的沟通渠道等，所有这些均已构成供电安全性问题，并有可能造成供电质量的下降。要缓解这种下降的趋势，FACTS技术是必不可少的。下页上页返回1.3.2FACTS的机遇电力工业的不断进步，超高压、大容量、远距离输电已成为现代电力系统的重要标志。为了满足日益增长的电能需要，许多电能质量控制设备都是基于现有网络结构设计的，而不是通过另外新增网络达到要求的。这样可能导致在某些输电线路上功率潮流远低于其热稳定极限，而其它线路上却超负荷运行。此时，系统所反映出的总体效果是稳定性和安全性降低，电压波形出现畸变。而联网规模的扩大和发电容量的不断增加，使电力工业在管理电力系统的技术反面面临诸多问题，如果处理不当，有可能出现意想不到的事故。下页上页返回1.3.2FACTS的机遇发电资源分布不均匀，需要高电压长距离输送大量的电能。随着国民经济的不断发展，电力负荷也持续增加，必须提高输电线路的输送能力。充分利用输电线路,降低输电成本的提高，减少经济损失。下页上页返回FACTS技术能够为现有的电能控制开辟一个新的途径，使现有设备的容量得到有效利用。FACTS控制器可以控制传输系统运行中相互关联的参数，使传输线路上输送的功率接近线路的热容设定值。FACTS是多个控制器的集合体，可以用来克服指定传输线路或通道的特殊限制。用FATCS改善线路传输能力，一般只需增加必