柔性交流输电TCSC与SSSC技术对比

1 柔性交流输电系统(FACTS)简介 　　FACTS的概念是由美国著名电力专家 Narain.G.Hingorani 博士(美国电力科 学研究院EPRI)在1986年提出的，它是随着电力电子技术和大功率半导体器件的产 生和发展，是综合电力电子器件、微处理和微电子技术、通信技术、自动控制技术 而形成的用于控制交流输电的新技术。“柔性”很显然是相对与“刚性”而言的。常规 “刚性”控制是依赖机械型或机电型装置和设备，有级的、缓慢的、非智能的、低限 的调节;而“柔性”主要依靠电力电子型装置和设备，连续的、快速的、微机控制的、 调节范围较大的调节。“柔性”比“刚性”的控制作用更精确、更有效、鲁棒性更好。 　　FACTS的主要作用是提高输电网络潮流方向的控制能力和输电线路的输送能 力：较大范围的控制潮流、保证输电线路输送容量接近热稳定极限、在控制区域内 可以传输更多的功率，减少发电机的热备用、依靠限制短路电流和设备故障的影响 以防止线路串级跳闸、阻尼电力系统震荡，提高系统稳定性。 　　FACTS家族很大，按原理、性能、与系统结合方式可分为多种类型，国外学者 按各种控制器的主要功能和作用分为控制功率、改进暂态稳定、改进电压稳定三个 大类;我国学者按动态潮流控制的物理特性以及接入系统的方式考虑分为并联补 偿、串联补偿、网络耦合、电压注入、功率转移等;日本学者按FACTS控制器功能 分为减少线路阻抗、电压控制、功率控制、功率和电压控制、相角控制、快速回路 断开六种;其他还有发电型、输电型、供电型、并联型、串联型、串并联混合型。 　　并联型FACTS最早出现，代表性的有SVC ( Static Var Compensator ) 、TCBR( Thyristor Controlled Breaking Resistor) 、 STATCOM(Static Synchronous Compensator)。 　　串联型FACTS 出现较晚 ，代表性的有TCSC( Thyristor Controlled Series Capacitor)、SSSC(Static Synchronous Series Compensator)、NGH-SSR Damper。 串并联型混合FACTS元件由多个串联、并联FACTS控制器组合而成，通过协调 控制器各FACTS元件、发挥各元件优势。有效调控单条或多条电力线路上的功率潮 流，实现最大的功率输送。代表性的有：统一潮流控制器IPFC(Interline Power Flow Controller)、线间潮流控制器IPFC(Interline Power Flow Controller)、可变静态补偿器 CSC(Convertible Static Compensator)。 由于优点突出， 功能强大等因素混合型FACTS 元件将越来越多，越来越完善。 　　2 TCSC 与 SSSC 的综合性能对比 　　串联FACTS元件是可变阻抗(电容器、电抗器、基于电力电子变换技术的可控 源)，它通过向系统串入一个电压以实现所需的控制功能，即使串联接入电力传输 线的是可变阻抗(电容、电抗等)，通过与其流过的电流相乘也是一种串联等效电 压，如果串接入的电压矢量和线路电流矢量垂直，则串联FACTS控制器只能从电网 中吸收或注入无功功率，若串联接入的电压矢量和线路电流矢量不垂直则串联 FACTS控制器和电网间存在有功交换。 　　同时作为串联FACTS控制器，在此简单比较TCSC与SSSC： 　　晶闸管控制串联电容器TCSC [ 5 ] (Thyristor Controlled Series Capacitor)由串联 补偿电容器和与其并联的晶闸管控制的电抗器组成，在实际中一般用几个基本 TCSC模块串联而成以得到所需的电压等级和工作特性。TCSC基本思想是通过控制 TCSC并联支路的晶闸管的触发延迟角  控制电抗器来部分抵消串联电容以实现串 联补偿电容值的连续调节。TCSC可以控制为合适的电容/电抗，从而通过调节传输 线的阻抗来调节线路的功率潮流传输。然而TCSC存在一些缺点：第一，由于TCSC 的等效阻抗是通过控制其晶闸管导通延时角来调节，所以其晶闸管是部分导通 的，这样会在线路中注入低次谐波电压;第二，TCSC的阻抗调节不是连续的，在 其最小等效容性阻抗 X C m in 和最小等效感性阻抗 X L m in 间存在一个不可控区，若 TCSC是由基本单元串联而成，则它的阻抗不可控区将很大，使TCSC无法完全对系 统动态稳定的控制。一般系统传输线路中分设多个TCSC元件，协调调控有效减小 整个系统阻抗不可控区;第三，TCSC只实现对线路阻抗的补偿，而不改变线路感 性性质，所以TCSC只可调节潮流大小而不改变潮流方向;第四，串联电容与传输 线路电抗会在次同步频率点 f e [=f( 电 网 频 率 ) -f m( 发 电 机 转 矩 谐 振 频 率 ) ]发生次同步谐振，所以实际应用要防与系统发生同步谐振。 　　静止同步串联补偿器SSSC (Static Synchronous Series Compensator) 是不含外部 电源的静止同步无功补偿设备，串联在输电线路产生与线路电流正交、幅值可控的 电压，可以改变线路电压等级和自身投入、退出状态，从而对电网结构和拓扑状态 进行调整，一般不改变线路电压等级和基本拓扑结构 [ 6 ] ，只是等效的调整线路阻抗 和电压。增加或减少线路上的无功电压降以控制传输功率，包含暂态储能或耗能装 置，短时间内增加或减少线路的有功压降，从而改善系统动态性能 [ 7 ] 。注入电压远小于系统电压对地绝缘要求高，所以变压器一、二侧应设足够的绝缘，绕组承受整 个线路电流，若短路时无适当的旁路保护，则承受很大的故障电流。SSSC若直流侧 引入蓄电池和超导磁体等储能设备可使输出电压相角和线路电流向量间关系变成 非线性，实现“四象限”补偿。它需要两个接入点，成本高些;相当于注入电压源; 直接改变线路等效阻抗或注入电压源改变输电线路的电压的自然分布，从而调节电 流分布，对电压和潮流控制力强;针对特定用户，实现潮流与电压的调节;承受全 部线路电流，输出电压可控。 　　为了更形象的比较TCSC与SSSC两者的区别，下面给出分别包含两者的双机系 统及等效电路图以及传输功率： 　　式(1-1)中P是母线1流向母线2的有功功率; U 1 ，U 2 分别是母线1，2的电压 幅值;X L 是线路感抗;X T C S C 是包括固定串联容抗的TCSC电抗值;δ1 ，δ12是母线1，2的电压相角。调节TCSC显电容性补偿，有功功率随线路有效电抗减小而增加，反 之感性补偿时，有功功率随线路有效电抗增加而减小。 　　式(1-2)中P是母线1流向母线2的有功功率; U 1 = U 2 = U 分别是母线1，2的电 压幅值等于系统电压， X L 是线路感抗; U s 是SSSC的注入电压的幅值; δ= δ1 - δ2 是 母线1，2 的电压相角差。调节Us与线路电抗压降相位相反，即为容性补偿，有功 功率随着SSSC的注入电压Us幅值增加而增加，反之调节Us与线路电抗压降相位相 同，即为感性补偿，有功功率随着SSSC注入电压Us幅值减小而减小。 　　3 SSSC 国内外研究现状 　　目前国内外对SSSC的研究还处于理论分析和研制阶段，其数学模型、控制策 略、拓扑结构的研究不够成熟透彻。STATCOM、SSSC、UPFC都是基于同步电压 源的FACTS控制器，目前已应用的串联补偿设备主要有串联电容、晶闸管串联调压 电容(TSC)、可控电容串联补偿(TCSC)、可控电感串联补偿(TSSC)等，而UPFC是 STATCOM和SSSC的结合。 　　在技术方面：数学模型 ：静态模型(考虑控制器输入输出特性)、动态模 型(分析系统动态特征和行为)。建立数模的方法：拓扑建模法(建立等值电路， 列出状态方程)、输出建模法(等效为一个电压源外接阻抗，考虑约束条件得联立 方程)。控制策略：基于系统内部结构的控制方式、PID控制、综合智能控制方法。 主电路结构：有耦合变压器、无耦合变压器。 　　在工程应用方面：目前世界上还没有单独的SSSC装置，但实际已投运的两个 UPFC工程(1995年美国电力公司、EPRI、西屋公司来联合解决肯塔基和弗吉尼亚 部分地区电压、热稳定的研究和1998年美国电力公司Inez变电站投运的UPFC)、一 个CSC工程(2002年纽约电管局的Marcy投运的可变静态补偿器)、2003年韩国电 力科学研究院在154kV系统完成UPFC示范工程。 作为关键技术的UPFC、 IPFC、 CSC、 UFQC、SSTS的研究和应用也越来越广泛。