FACTS中的控制器详细解析与未来发展趋势

引言

灵活交流输电(FACTS)技术是现代电力电子技术与传统的潮流控制相结合的产物。它采用可靠性高的大功率可控硅元件代替机械式高压开关，使电力系统中影响潮流分布的三个主要电气参数(电压、线路阻抗及功率角)可按照系统的需要迅速调整，以期实现输送功率的合理分配，电压的合理控制，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性，可靠性。此项技术是实现电力系统安全经济、综合控制的重要手段。
FACTS技术一经提出立即受到各国电力工作者的高度重视，国内外一些权威人士已经将灵活交流输电、综合自动化和EMS技术一起预测将其确定为“未来输电系统新时代的三项支撑技术”。美国、日本等发达国家，以及我国都投入了大量的人力和物力对此进行开发研究，很多装置已经投入了实际运行，在电力系统中发挥着重要的作用。

FACTS中的控制器

1、静止无功补偿器SVC

静止无功补偿器的典型代表是晶闸管投切的电容器(TSC)，和晶闸管控制的电抗器(TCR)。实际应用中，将TCR与并联电容器配合使用，根据投切电容器的元件不同，可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器，和TCR与断路器投切电容器配合使用的补偿器，以及TCR与TSC配合使用的无功补偿器。这些组合而成的SVC的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率，进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变，但SVC只能补偿系统的电压，其无功输出与补偿点节点电压的平方成正比，当电压降低时其补偿作用会减弱。SVC的主要作用是电压控制，采用适当的控制方式后，SVC也可以有阻尼系统功率振荡和增加稳定性等作用。目前，SVC技术已经比较成熟，国外从60年代就已经开始应用SVC，七十年代末开始用于输电系统的电压控制，经过几十年的发展，不仅将静止无功补偿器，用于输电系统的电压控制，也用于配电系统的补偿和控制，还可用于电力终端用户的无功补偿一电压控制。

2、静止同步补偿器STATCOM

静止同步补偿器也可以称为ASVG——有源静止无功发生器。它的基本原理是将自换相桥式电路直接或者通过电抗器并联到电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。ASVG根据直流侧采用的电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型和电流型。它可以通过控制其容性或感性电流，与系统交换无功，在任何系统电压的情况下，都能输出额定的无功功率，与SVC相比，在系统故障的情况下静止同步补偿器维持系统电压，提高系统暂态稳定性和抑制系统振荡的作用较明显；近二十几年，静止同步补偿器受到了国内外专家学者的普遍重视，日本从1980年研制出第一台20Mvar的强迫自换相的桥式ASVG，1991年又投入了一台±80Mvar的ASVG成功地运行在154kV的输电线路上，而美国于1995年投入了一台±100Mvar的ASVG。我国清华大学和河南电力局共同研制成功了一台±20Mvar的静止无功补偿器，并于1999年在河南洛阳朝阳变电所投入运行。

3、并联蓄能系统

并联蓄能装置包括蓄电池蓄能系统(BESS)和超导磁能存储器(SMES)等，是采用并联式电压源换流器的能量存储系统，其换流器可通过快速调节向交流系统供给或吸收电能。将SMES用于两机系统的频率控制，可以有效地抑制两系统之间的频率偏移。也可将SMES与静止移相器相结合用于互联系统负荷频率控制。但这种超导储能装置不但技术要求高，而且在目前的条件下投资费用比较昂贵，大量投入系统运行还存在一定的困难

4、晶闸管控制的串联电容器TCSC

晶闸管控制的串联电容器的模块主要由串联电容和含有电抗、晶闸管开关的并联回路组成，通过可控硅控制可以灵活、连续地改变补偿容量，达到快速响应的效果。TCSC在改善电力系统性能方面有很多优点，将TCSC用于高压输电系统，可发挥现有系统的潜力，提高功率传输极限，灵活地调节系统潮流，增加系统阻尼作用，是保证超高压电网安全稳定运行的重要措施。
TCSC与其它FACTS装置相比，潮流控制功能比较简单，受到了GE、ABB和Siemens等大公司的关注和重视。在美国有三处已经安装了TCSC，并且运行良好，瑞典、巴西等国家也相继将TCSC投入实际运行。我国在伊敏电厂至齐齐哈尔地区的冯屯变电站的双回输电线上采用串联补偿技术。

5、静止同步串联补偿器SSSC

静止同步串联补偿器是以DC/AC逆变器为基本结构，它的基本原理是向线路注入一个与电压相差90的可控电压，以快速控制线路的有效阻抗、从而进行有效地系统控制。它在系统中的作用有些类似于TCSC，但是，它控制潮流的能力远大于单方向减少线路阻抗功能的TCSC控制器，并且谐波含量小。

6、晶闸管控制的移相变压器TCPST

晶闸管控制的移相变压器是利用可控硅开关控制移相角度从而改变线路两侧的移相角来控制潮流的大小或方向。移相器的发展比较早，早在三十年代第一台移相器已经在美国投入运行，随着电力电子技术的发展，70年代开始各国电力专家将晶闸管与移相器相结合开始进行晶闸管控制的移相器TCPST的研究。经研究表明TCPST具有提高联络线传输潮流，抑制小干扰，提高系统稳定性，阻尼功率振荡，母线电压控制，规约联络线潮流等功能，晶闸管控制的移相器的控制速度快，相角阶梯可以很小，甚至达到无级调节，但晶闸管控制的移相器有一个缺点，它本身需要消耗无功功率，运行中一般需要与无功补偿装置联合使用，并且谐波的含量较高，因此对电能质量有一定的影响。

7、可转换式静止补偿器CSC

可转换式静止补偿器是近两年推出的FACTS控制器的一种新产品，它实际上是将基于同步变流器的串并联补偿器技术，通过在结构上实现柔性化，使其可以更加灵活地应对不断变化的电力系统要求。CSC是由2台电压源换流器、一个与输电线并联的变压器和2个串联的变压器组成。通过开关的转换实现补偿器的不同运行工作状态，根据控制目标的不同，CSC可以提供静止同步无功补偿器，静止同步串联无功补偿器、统一潮流控制器和线间潮流控制器4种基本控制方式。

8、统一潮流控制器UPFC

UPFC的概念是由美国西屋科技中心的L.Gyugyi于1992年首次推出的，统一潮流控制器是一种从原有潮流控制装置的基础上发展而来的新型潮流控制装置，它由一个并联的换流器和一个串联的换流器通过公共侧的电容耦合而成，仅仅通过控制量的变化就可以分别实现并联补偿、串联补偿或移相器的功能，也可以将三者的功能结合使用。通过不同控制策略的设计，UPFC不但可以用于控制母线电压。线路潮流、提高系统动态和暂态稳定性，抑制系统振荡，而且可以快速地转换工作状态以适应系统的紧急状态的需要。它被认为是FACTS家族中最有代表性、功能最强大和技术最复杂的成员。

结论

随着电力电子技术的发展，各种开关器件应用到FACTS控制器作为开关可以延长器件的使用寿命，提高经济效益。FACTS技术的应用可以使互联电网之间互为备用，减少冷热备用容量，对影响潮流分布的系统参数进行灵活控制，控制联络线上的传输功率，使潮流流向指定的线路，改善系统中的潮流分布，减少大电网中的环流，改善系统的动态稳定性，保证输电线上传输的功率可以接近热稳定极限，但又能满足安全经济运行的要求。