随着电力电子技术的发展，近几年出现了一项电力系统新技术，即柔性交流输电技术(FACTS)，也称灵活交流输电技术f31。FACTS技术自提出至今发展十分迅速，已有20多种属于FACTS技术的控制器在应用或研制开发中，其中多个类型都具有无功补偿的功能，且能很好的满足当今电力系统对无功功率进行快速、动态补偿的要求。柔性交流输电技术(FACTS)的概念最初是由美国著名的电力系统专家Hingorani N G于1986年提出的，后经多次修订，1997年IEEE PES冬季会议上对FACTS的定义如下：所谓柔性交流输电(FACTS)，即是装有电力电子型或其它静止型控制器以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统。FACTS控制器是可提供一个或多个控制交流输电系统参数的电力电子型系统和其他静止型设备。由此可见，柔性交流输电技术的实质就是将电力电子技术与现代控制技术相结合，以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。
第一章：我国研究和应用FACTS的必要性及其前景
第二章：FACTS 技术的分类及其技术原理
第三章：基于FACTS技术的无功补偿技术
第一章：我国研究和应用FACTS的必要性及其前景
当前,我国电力系统的发展面临严重挑战,由于环境、负荷需求增长、用户对电力系统供电的可靠性与经济性的要求日益严格、建设输电线的投资费用增加等原因,出现由地区电力系统发展为大区间联网的现代电力系统的趋势日益明朗。我国能源分布不均与负荷中心之间的不协调导致远距离输电与大电网的形成,出现系统振荡、系统稳定控制、交直流混合电网协调、潮流能力、电压崩溃与电压稳定等问题,这都要求提高输电系统的输电能力和能力。另外,电力市场的出现、发电部门与用电部门的分离、电力市场竞争的出现,促使输电部门成为两者的中介机构的形成,迫切需要输电系统有很强而且方便、快速的手段,以适应电力市场发展的需要。因此,研究和发展FACTS对我国电力系统有特殊重要的意义。
我国电力系统发展很快,但输电系统的发展滞后于电源发展,现有交流输电系统的弊病日益明显,发展FACTS的必要性是显而易见的。利用最先进技术来改造和完善交流输电系统可以在短时间内使输电系统在功率传输能力、稳定性和安全性方面达到先进水平。FACTS设备属于输电系统的控制设备,和建设新线路相比,设备投资和安装费用相对较少,经济效益明显。从目前发展来看在积极进行
FACTS的研究和试验的同时发展我国大功率、
耐高压电力电子产品是非常必要的,大功率电子产业所面临的是一个十分广阔的潜力很大的市场,也是千载难逢的机遇。
同其它新技术一样,在看到FACTS优点的同时也应估计到它的固有缺点,研究及应用要以扬长避短为指导,充分发挥优势,考虑到各种不同输电方式的协调与互补,因地制宜。
第二章：FACTS 技术的分类及其技术原理
FACTS 技术按其接入系统方式可分为并联型, 串联型和综合型。并联型 FACTS 设备包括 SVC和STATCOM ( SVG) , 主要用于电压控制和无功 潮流控制; 串联型 FACTS 包括可控串补( TCSC) 和基于 GTO 的串联补偿器( SSSC ) , 主要用于输电 线路的有功潮流控制、系统的暂态稳定和抑制系统 功率振荡; 综合型 FACTS 设备主要包括潮流控制 器( U PFC) 和可控移相器( TCPR) , UPFC 适用于 电压控制、有功和无功潮流控制、暂态稳定和抑制 系统功率振荡, TCPR 适用于系统的有功潮流控制 和抑制系统功率振荡。各种类型设备的技术原理介 绍如下:
并联型 FACTS 装置典型的并联型 FACTS 装置是 SV C 和 STAT- COM, 它们代表了 FAC TS 技术发展的两个阶段: SV C 是指由固定电容器组、晶闸管控的电 容器组( TSC) 和电抗器组( TCR) 组合成的无功补偿 系统。通过调节 TCR 和 TSC, 使整个装置无功输 出呈连续变化, 静态和动态地使电压保持在一定范 围内, 提高系统的稳定性, 但由于这种设备在电网 电压的波动超出一定范围时表现出恒阻抗特性, 因而在电网电压波动大时不能充分发挥其作用。 STATC OM 主回路主要是由大功率电力电子器件( 如门极可关断晶闸管 GTO) 组成的电压型逆 变器和并联直流电容器构成, 是与传统 SVC 原理 完全不同的无功补偿系统。这种装置脱离了以往无 功功率概念的约束, 不采用常规电容器和电抗器来 实现无功补偿, 而是利用逆变器产生无功功率。它 所输出的三相交流电压 V 0 通过变压器与系统电压 V s 同步, 并通过控制 V 0 来调节无功功率的输出,当 V 0 > V s 时, 输出容性无功功率; 当 V 0 < V s 时, 输出感性无功功率, 因此, 设备无功功率的大 小都由它输出的电流来调整, 而其输出的电流与系 统电压基本无关, 这些功能、原理上类似于同步调 相机, 但它是完全的静态装置, 因此 STATCOM 又称为静止调相器, 它的动态性能远优于同步调相 机, 启动无冲击, 调节连续范围大, 响应速度快, 损耗小。由于采用了 GTO, 可以避免换相失败, 直流侧的电容器只是用来维持直流电压, 不需要很 大容量, 而且可以用直流电容器构成, 因而装置体 积小且经济。
串联型 FACTS 装置：典 型 的 串 联 型 FACTS装置是可控串补( TC SC) 和基于 G TO 的串联补偿器( SSSC) 。 TCSC 通常指采取晶闸管控制的分路电抗器与串联电容器组并联组成的串联无功补偿系统, 通过 改变晶闸管的触发角来改变分路电抗器的电流, 使 串联补偿器的等效阻抗大小能够连续平滑快速变
综合型 FACTS 装置：典型的综合型 FACTS 设备是综合潮流控制器( UPFC) 。UPFC 是将并联补偿的 STATCOM 和串联补 偿的 SSSC 组合成具有一个共同统一的控制系统的 新型潮流控制器, 它结合了多种 FACTS 技术的灵 活控制手段, 是 FACTS 技术中功能最强大的装置, 它通过将换流器产生的交流电压串接入相应的输电 线上, 使其幅值和相角均可连续变化, 从而控制线 路等效阻抗, 电压或功角, 同时控制输电线路的有 功和无功潮流, 提高线路输送能力和阻尼系统振 荡, 它最基本的特点之一是注入系统的无功是其本 身装置控制和产生的, 但注入系统的有功必须通过 直流回路由并联回路 STATCOM 传至串联回路 SSSC, 作为 UPFC 整体, 并不大量消耗或提供有 功功率。
第三章：基于FACTS技术的无功补偿技术
1、基于半控型器件的无功补偿装置
基于半控型器件晶闸管(SCR)的静止无功补偿装置(SVC)始于20世纪70年代。虽然在FACTS概念形成以前SVC就已存在，但由于SVC采用的阀元件也是电力电子器件，因此也把SVC归于FACTS控制器。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器型，1967年英国GEC公司制成了世界上第一批饱和电抗器型SVC。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快，但因其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中运行了使用晶闸管的静补装置，1978年美国西屋公司制造的使用晶闸管的静补装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。由于使用晶闸管的SVC具有优良的性能，所以十多年来占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此，SVC一般专指使用晶闸管的静补装置。
SVC是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输电系统的导纳。按控制对象和控制方式不同，分别称之为晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器以及这两者的混合装置(TCR+TSC)、TCR与固定电容器(Fixed Capacitor—FC)配合使用的静止无功补偿器(TCR+FC)和TCR与机械投切电容器配合使用的装置(TCR+MSC)。TSC及TCR的单相原理见图1，2。
对于TSC，两个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，串联的小电感只是用来抑制电容投人电网时可能造成的冲击电流，在工程实际中一般将电容器分成组，每组都可由晶闸管投切，因而可根据电网的无功需求投切电容器。实际上就是断续可调的发出无功功率的动态无功补偿装置；对于FCR，其晶闸管触发角的有效移相范同为90～180。，触发角在90～180。之间时，晶闸管部分导通，增大触发角既可增大补偿器的等效导纳，这样就会减少补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以连续改变补偿器所吸收的无功功率大小。由于单独的TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，因此往往与电容器配合使用，根据投切电容器的元件不同，可分为TCR+FC、TCR+TSC和TCR+MSC。世界上已投运的输电用SVC大约150套。我国运行于500 kV输电系统有5台，型式为TCR+TSC或TCR+MSC，均为进口设备，国内工业应用的TCR装置大约有20套，其中一小半为国产设备，低压380 kV供电系统有各类TSC型国产无功补偿设备在运行，但至今仍没有一套国产的SVC在我国的输变电系统运行。
2基于全控型器件的无功补偿装置
静止无功发生器(SVG)静止无功发生器(SVG)也称为静止调相机、静止同步补偿器、新型静止无功发生器，分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。电路基本结构见图3。
电压型桥式电路，其直流侧采用电容作为储能元件，交流侧通过串联电抗器并人电网；电流型桥式电路，直流侧采用电感作为储能元件，交流侧并联上电容器后接入电网。迄今投入实用的SVG大都采用电压型桥式电路，因此SVG往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。电压型桥式电路见图4。SVG的基本工作原理是将桥式变流电路直接并联或通过电抗器并联在电网上，适当调节桥式变流电路交流侧输出电压的相位和幅值或直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的。就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载而是电网。
与SVC相比，SVG具有5个优点：
①调节速度快。SVC内部的电力电子开关元件多为晶闸管，晶闸管导通期间处于失控状态，使SVC每步补偿时间间隔至少约达工频的半个周期，而SVG采用GTO作为开关元件，GTO可在0．001 S左右关断，因而其补偿速度更快；运行范围宽。在欠压条件下，SVG可通过调节其变流器交流侧电压的幅值和相位，使其所能提供的最大无功电流维持不变，仅受其电力半导体器件的电流量。而对SVC系统，由于其所能提供的最大电流受其并联电抗器的阻抗特性，因而随着电压的降低而减小；
③可以在从感性到容性的整个范围中进行连续的无功调节；
④SVG不需大容量的电容、电感等储能元件，其直流侧所使用的电抗器和电容元件的容量远比SVC中使用的要小，这将大大缩小装置的体积和成本；
⑤谐波含量小。SVG在采取多重化技术、多电平技术或PWM技术等措施后，可大大减少补偿电流中的谐波含量。利用变流器进行无功补偿的理论早在20世纪70年代就已由Gyugyi L提出。
1980年日本研制出第一台采用强迫换相桥式电路的20 Mvar SVG以来，世界各国竟相在此领域开展研究。1986年美国研制出基于GTO的1 Mvar SVG，1991年和1994年日本和美国分别研制出采用GTO的80 Mvar和100 Mvar SVG，1997年德国研制出采用GTO的8Mvar SVGl瑚，1995年清华大学和河南省电力局共同研制出我国首台作为工业试验装置的±300 kvarSVGtl9]，1999年清华大学和河南省电力局研制出具有工业应用水平的采用GTO的±20 Mvar SVG且并网成功圆。国内外对SVG的建模、控制模式1、结构设计不对称控制等做了很多的研究，但目前还有很多理论和实际运用的问题尚待解决。
统一潮流控制器(UPFC)
把图4中与电网并联的变压器改接为与电网串联的变压器，就成为静止同步串联补偿器，它能实现对线路潮流的快速控制。把一台SVG与一台SSSC的直流侧通过直流电容耦合，就构成了统一潮流控制器UPFC，SVG与SSSC既可配合使用也可解耦运行。接线图见图5。
由于SVC，STATCOM只能控制无功功率以调节系统电压，如果系统某一局部同时有多种要求，就需要在该处设置几种装置，增大安装、调试的工作量，同时设备的投资也相当可观，UPFC的基本思想正是用一种统一的电力电子控制装置，仅仅通过控制规律的变化，就能对线路电压、阻抗、相位等电力系统基本参数同时控制，从而能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相等几种不同的功能。与其它FACTS的无功补偿装置相比，UPFC控制范围较大，控制方式更为灵活。统一潮流控制器的概念是由美国西屋科技中心的Gyugyi L于1992年提出，被认为是FACTS装置中最具代表性的装置。世界上许多国家都在开展这方面的研究工作。美国、法国都在加紧实际装置的研究工作，美国Inez变电站已于1998年在138 kV系统上安装了UPFCt 271。我国也开展了UPFC的研究，但大多数仅限于理论研究和数字仿真研究以及物理模型的建立。
可转换静止补偿器(CSC)
由纽约电力局(NYPA)和EPRI的专家共同建议，并联合西屋公司和PTI合作研究的可转换静止补偿器(CSC)是强功能新型控制器。正在安装中的美国Marcy变电站中的CSC，接线见图6㈣。它由多个同步电压源逆变器构成，可以同时控制2条以上线路潮流(有功、无功)、电压、阻抗和相角，并能实现线路之间功率转换。其实质是一种UPFC的多重组合。因而CSC具有4项功能：
①静止无功发生器的并联无功补偿功能；②静止同步串联补偿器的功能；③综合潮流控制器的功能；④控制2条线路以上潮流的线间潮流控制功能。
CSC被认为是最新一代的FACTS装置，目前仅在美国Marcy变电站中安装了此装置。其中作为SVG运行的两台lOOMvar并联部分已于2000年分别在两条线路上安装完毕，两台作为SSSC运行的串联部分尚未安装完毕。
发展前景比较
由于FACTS技术及其控制器发展迅猛，一些新的FACTS装置不断被开发出来，使得FACTS控制器中的新旧装置出现并存发展的局面，FACTS控制器中的无功补偿装置SVC、SVG、UPFC及CSC目前也处于这样一种发展情况。作为较早出现的无功补偿装置SVC，由于采用的是传统的半控型器件SCR，成本低，且技术成熟，因此是目前广泛使用的功补偿装置。目前对SVC的研究主要集中在控制策略上，模糊控制、人工神经网络和专家系统等智能控制手段被引入SVC控制系统，使SVC系统的性能更加提高。
而SVG、UPFC及CSC目前的应用仅局限于个别工程，尚无法大规模应用，一方面是由于这些无功补偿装置需大量借助于全控器件，而全控器件目前价格非常昂贵，使得目前该类无功补偿装置的工程造价比SVC高；另一方面，此类无功补偿装置的技术还不完善，还有许多技术问题尚待解决。但是大功率电力电子器件技术本身发展迅速，未来的功率器件开关容量会逐步增大，价格则相应下降，此类以GTO等新型全控器件为核心的无功补偿装置的造价会逐步降低。国际大电网会议曾展开有关SVC与SVG的性能价格比的讨论，不少专家认为，由于SVG不需采用大量的电容器就可以实现无功的快速调节，而电容器的价格多年来比较稳定，不可能大幅度下降；相反，电力电子器件的价格会不断下降，故预计SVG会比SVC更有竞争力19I。由此可见，随着造价的降低和技术的完善，在不远的将来SVG、UPFC及CSC
将成为无功补偿技术的发展方向。下载本文
