柔性交流输电

一、 FACTS的概念

 Flexible AC Transmission System , 简称FACTS，译为柔性交流输电系统。  FACTS的理论由美国电力科学研究院的著名电力专家N.G.Hingorani博士

于1986年创建，他对灵活交流输电系统的定义在1995年经过电力电子学会修正后确定为：“利用以高功率电子技术为基础的控制器及其他静止型控制器来改善电网的可控性并且增加输送功率容量的交流输电系统”。  由此定义可知，灵活交流输电系统就是在交流输电系统重要部位，有效

的引入新型单一功能或多功能电力电子装置，实现对输电系统的主要参数（如电压、电抗和相角等）进行调节和控制，以提高交流输电系统的可控性、可靠性和功率传输能力。

二、 FACTS产生背景

 传统交流输电系统，线路传输能力受静稳定和热稳定的限制。实际系统

运行时，热稳定极限远远达不到。

 交流输电系统潮流不可控，电网潮流为电力系统参数决定的自然功率。

由此决定了电网中某些线路输送功率的不合理和不可控。特别是在电网发生故障时没可能存在输送能力强的线路轻载而输送能力弱的线路重载的情况，不利于系统的稳定运行。

 新技术的发展为FACTS提供了条件：

① 高电压、大功率可控器件的产生 ②控制理论的发展 ③计算机技术的新发展 ④通信技术的发展

三、 FACTS技术的特点

 利用FACTS元件可以快速、平滑的调节系统参数，从而灵活、迅速地改

变系统的潮流分布。

 FACTS可以断续或连续地调节系统阻尼，从而有效地抑制系统低频振荡和

次同步谐振

 电力电子开关寿命长

四、 FACTS的基本构成及运行机理

 以电力电子器件为核心，配以不同的控制理论和计算机技术，实现电力

系统的柔性化控制。

 技术核心为换流器的控制理论与技术。主要包括电力系统控制理论与技

术，FACTS内部控制算法与触发技术等。  FACTS运行时，其保护系统非常关键。

五、 FACTS控制器的分类与发展

（1）FACTS控制器按安装地点不同可以分为发电型、输电型和供电型三类。

① 发电型控制器：静态快速励磁系统、可控电制动、可调速发电机、飞轮变速机组、超导储能器。

② 输电型控制器：静止无功补偿器（SVC）、静止无功发生器(SVG)、可切换串联补偿器(TSSC)、可控串联补偿器（TCSC）、可控移相器（TCPS）

等。

③ 供电型控制器：有源滤波器（APF）、短路电流限制器等。

（2）FACTS控制器按其功能和时间发展的先后顺序可以分为三代

第一代FACTS装置：20多年前出现的SVS装置。这些SVC装置由晶闸管快速控制的并联电容器组成，或有晶闸管调节的电抗器组成，可以实现电网电压的动态支持，其技术基础是常规晶闸管。后来出现了由晶闸管控制的传亮电容器（TCSC）装置，它利用晶闸管控制串接在输电线路中的电容器组，从而控制线路阻抗，提高输电能力。

第二代FACTS装置：STATCOM和SSSC等。第二代FACTS同样具有第一代FACTS的电压支持和功率控制等功能，但在外部回路中不需要大型的电力设备，如电容器组等、并联电抗器或移相变压器等。这些新装置借助于GTO一类的全控型器件构成，以电子回路模拟出电抗器或电容器的作用。装置造价大为降低，性能却明显改进。例如美国田纳西电力局，以投资1000万美元STATCOM代替了投资达2000万美元的变压器组。

第三代FACTS装置：将两台或多台控制器复合成一组FACTS装置，并使其具有一个共同的统一控制系统，即称为第三代FACTS控制器。典型装置如一台STATCOM和一台SSSC复合组成统一潮流控制器（UPFC），它的功能强大，以控制线路阻抗，电压或功角的办法同时控制输电系统的有功和无功潮流。第三代FACTS转置发展迅速，以出现了CSC的原理。其中包括调节双回先潮流的线间潮流控制器（IPFC），控制多回线路的MCSC以及功能强大的GUPFC控制器等。

目前正在发展并将在21世纪广泛应用的另一种FACTS装置是新型电力储存装置，如超导储能、蓄电池储能、燃料电池储能、飞轮储能等。储能装置经逆变器从电网中瞬时抽取或注入电能，可以有效地解决电力系统的瞬时功率不平衡问题，还可以提高配电网的供电可靠性。

“蓄能接口”（ESI）技术。它是将接入电网的电压源逆变器、直流-直流的换流器与储能装置的多相斩波器在直流母线处复合在一起。ESI采用一共同的闭环控制系统，协调直流-直流换流器和直流-交流逆变器的运行，实现电网、直流母线和蓄能装置之间的有功和无功功率的交换。ESI联接方式分为并联联接、串联联接和串并联联接。

六、 FACTS可以解决的问题

① 实现对发电、输电和配电系统的柔性调节与控制，提高交流输电系统的可控性、可靠性和功率传输能力。

② 快速、平滑地调节系统参数，从而灵活、迅速地改变系统的潮流分布。 ③ 可以断续或连续地调节系统阻尼，有效地抑制系统低频振荡和次同步谐振。

七、 从两种不同角度研究FACTS

 从研究角度研究，主要包括

④ 性能方面：反应速度 、谐波和经济性； ⑤ 构成方面：多重化、多电平； ⑥ 参数优化选择；

⑦ 内部换流器的触发与保护。

 从装置在电力系统中的作用和实现方法角度研究。

八、FACTS技术应用所面临的问题

     器件：性能、价格。

控制系统设计以及控制技术的更新

FACTS技术的引入对继电保护系统的要求提高了 电力系统分析软件面临更新问题

提高电力系统运行稳定性方面的研究仍需加强。（理论、仿真）

九、 FACTS技术的经济评价

和常规的补偿电容器、电抗器比较，目前FACTS设备的设计制造比较复杂，

成本高。对于采用常规电容器和电抗器的SVC和TCSC，其制造成本也略高。但随着电力电子技术的飞速发展，其设计制造将越来越模块化，成本也将迅速降低。可以预测未来FACTS设备的成本将会降到和目前同容量的SVC成本相当或更低的水平。

第二节 电力电子技术的发展趋势

一、电力电子技术（器件）发展阶段 二、重要器件及技术开发成功事记

 50年代初期，普通整流器semiconductor rectifier获得应用，开始取代汞

弧整流器，正向通态压降由10~20V降到1V左右。之后开发出10kHz级别快恢复整流器。低压高频应用的肖特基整流器。  80年代中后期开发出同步整流器。  1957—1958，美国研制出第一只普通的反向阻断型可控硅silcon controlled

rectifier—SCR，之后称晶闸管thyristor。

 80年代GTO器件开发成功，应用于低频（400—20k）、大容量场合。  1948年，美国贝尔实验室发明第一只晶体管，到70年代达到工业应用阶

段。

 70年代后期，功率场效应管（POWER MOSFET）实用化。代表器件

VDMOSD的频率从几十千赫~数百千赫，低压器件频率可达兆赫。  80年代，电力电子器件引人注目的成就之一是开发出了双极型复合器件

IGBT。实现了器件的高电压、大电流、高频率动态参数之间最合理的折中，IGBT兼有MOS器件和双极型器件的共同优点——电压控制型、导通压降低和高频、高压、大电流。

 德国西门子在2002年IPM会以上展出了3000A 4500V IGBT样品。

 日本东芝公司2003年生产的MG1200FX FIUS531 IGBT电压达到3300V，

电流有效值达到1200A，电流最大值达到2400A。IEGT-ST1500GXH22器件电压达到4500V，电流有效值达到1500A。

 每年晶体管类的电力电子器件不断推出，在功能方面和容量方面均有提

升。

第三节

一、 半导体整流器

1. PN结：一种导电类型的半导体基片通过工艺方法（扩散或合金法）在

其上形成导电类型相反的两部分，在交界面处形成了PN结。

2. 多子、少子：PN结两侧多数载流子称为多子，少数载流子称为少子。

一侧的多子移动到另一侧成为另一侧的少子。

内电场

-。-。-+·+·+-+·。

-。-。-+·+·-+·+。

-+·-。-。-+·+·+ 。 -+·+·+-。-。-+·。

-。-。-+·++·-+·。

空间电荷区P型区N型区

PN结为零偏置：通过空间电荷区的多子扩散电流与在自建电场推动下通过空间电荷区的少子漂流电流相等，从总体上看，没有电流流过PN结。 PN结为正偏置：外加电压可削弱内部自建电场，空间电荷区缩小，从而削弱了自建电场多多子扩散的阻碍作用，原先的动平衡被破坏，P区的空穴不断地涌入N区，N区的电子不断涌入P区，各自成为对方区中的少数载流子，这样形成了PN结电流。 3. 电导调制效应

在PN结通过正向大电流时，注入基区（通常N型材料）的空穴浓度大大超过N型基片的多子浓度，为了维持半导体中电中性条件，多子浓度也要相应大幅度增加，这意味着在大注入条件下，原始基片的电阻率大大下降了，电导率大大增加了。这种现象称为基区电导调制效应。此时P、N区两端电压维持在很低水平（1V左右）。 4. 双极型器件

在具有PN结结构的器件中，参与导电的有两种相反类型的载流子。我们将有两种载流子参与导电的器件称为双极型器件或少子器件，而只有一种载流子参与导电的器件称为单极性器件或多子器件。

二、 双极型晶体管

双极型晶体管由三层半导体构成，如图所示

CEP+NJ1J2BPCB

E

EN+PJ1J2BNCB

E

对于NPN双极型晶体管，Uce>0，J1正偏，J2反偏（用以承受正向电压Uce）。

此时B-E间加正向电压时，J1结构的N+侧有大量电子注入到基区，而P侧有少量空穴注入到N+区。

注入到基区的电子一部分被复合掉，大部分被J2结的空间电荷区的电场扫到集电区。

从发射结看，通过J1的电流由空间电流IPE和电子电流INEL两部分组成，即IE=IPE+INE

INE大部分流向集电区，对IC有贡献。 发射率γ=INE/IE，β=IC/IB

⑧ 有源放大区

当集电结反偏电压Uce达到一定值，发射结注入的能到达集电结空间电荷区边界的载流子将全部被空间电荷区的电场扫到集电区，形成集电极点流。若IB不变，Uce变化，IC也不变。若IB变化，到达集电结空间电荷区边界的载流子数量发生变化，IC也发生变化。在这种情况下，晶体管工作在有源放大区。 ⑨ 饱和状态

当晶体管接有负载时，随着IB增加，负载上电压增加，集电结反偏电压下载，直到零以致正偏置，晶体管进入饱和状态。晶体管进入饱和状态区的特点是两个PN结均为正偏置，饱和压降很小。 ⑩ 开关状态

在变流技术应用中，晶体管只作为开关使用，工作于截止和饱和两种状态。在状态转换过程中，晶体管快速通过有源区，以减小晶体管发热损耗。

放大区饱和区截止区Ib=1.5mAIb=1mAIb=0.5mAIb=0

⑪ 二次击穿

二次击穿是大功率晶体管损坏的主要原因。 IB>0,UCE逐渐增大到某一数值时IC急剧增大，发生雪崩击穿显现，即一次击穿。特点：在IC急剧增加过程中，集电结维持电压基本保持不变。当UCE在增大，IC上升到A点，晶体管上电压突然下降，IC继续增长，晶体管出现了负阻效应（晶体管上电压减小，电流增加，变阻效应）。这一现象称为二次击穿。二次击穿过程发生在毫秒到微妙范围内。发生条件：高电压、大电流、持续时间。

IC二次击穿IB>0一次击穿UCE

⑫ 安全工作区（SOA）

为确保晶体管在开关过程中能安全可靠长期工作，其开关动态轨迹必须限定在特定的安全范围内，改范围称为晶体管管的安全工作区。 该区域一般由晶体管的电流、电压、动率损耗和二次击穿四条界限围成。

三、 晶闸管

晶闸管是三端四层器件，共有三个PN结。

AP1GN1P2N2KA)AP1GN1P2N2KN1P2AIAV1IGPNPIc2Ic1NPNV2IKKKGJ1J2J3GB)A

P1N1P2晶体管共基极电流放大系数为α1，N1P2N2晶体管共基极放大系数为α2。 当A-K两端加正电压时，，J1、J3为正偏置，J2为反偏置；当A-K两端加反电压时，J2为正偏置，J1、J3为反偏置。当晶闸管未导通时，加正向电压，外加电压由J2承担。加反向电压，加外电压有J1承担。 （1）thyristor器件的导通条件：（α1+α2≥1）

当门极开路，A-K两端加正向电压时，thyristor内部电流如下图所示：其中I0为反偏置J2结的漏电流。

J1J2由J1结注入空穴J3A复合由J3结注入电子P1N1α1Iα2II0P2GN2K

I=α1I +α2I + I0 → I= I0/[1-(α1+α2)]

在thyristor器件设计中，α2设计的比α1大，同时α1和α2均随着阳极电流的增大而增大。

当α1+α2 → 1时，I将急剧增大，发生正反馈过程，晶闸管由“阻断状态”转入“导通状态”，此时UAK=UJ1+UJ3-UJ2，典型值为1~2V。 要使thyristor由截止到导通可以有以下方法: ①提高UAK到极限值，α1+α2≥1； ②温度增高，I0增加，直到α1+α2≥1；

③du/dt导通：各PN结存在电容，du/dt过大，I增加，直到α1+α2≥1，导通。

④门极触发导通：当thyristor处于正向阻断状态时，加入门极触发电流IG，则IK=IA+IG，IG↑→IK↑→IA↑，α1，α2随之增大，当α1+α2增大到1附近时，thyristor转入导通状态。 （2）注意事项

 仅当thyristor加正向电压时，才具有可控性。

 由于thyristor内部存在正反馈过程，因此一旦被触发导通后，管中流

过的电流大于擎住电流IL，器件一直处于导通状态。（半控器件）  Thyristor完全导通后，无论采用何种方法使其内部电流下降到某一临

界值，器件自动从通态转变为断态。该临界电流称为维持电流。通常擎住电流=（3~2）倍维持电流。

四、 可关断晶闸管GTO

可关断晶闸管是一种电流注入型自关断器件，利用正门极信号触发GTO导通吗，利用很大的负门极脉冲关断GTO。GTO为电流控制型可关断器件。其驱动设备的容量比较大。

目前，高压大电流的GTO已商业化，在低频率、高压、大电流应用领域占据着优势。

GTO的导通机理同SCR完全一样，一旦导通，门极信号可以撤除。 GTO的关断机理与SCR不同，关断SCR需要外部环流电路迫使阳极电流小于维持电流而关断。关断GTO采用门极加反向电流脉冲而关断。

五、 功率场效应晶体管（MOSFET）

MOSFET器件又称为金属氧化物晶体管，其符号和内部结构如下图所示。常用器件有VDMOS等。

栅极有多晶硅制成，它同基片之间隔着SiO2薄层，因此它同其他两个极是绝缘的。因此MOSFET为压控器件。

SGN+PN+N+PN+N-GSN沟道GSP沟道b)DD沟道N+Da)

导通：栅源极之间接正信号，UGS大到某一临界值时，靠近栅极SiO2附近的P型表面形成与原半导体导电性相反的一层，即N反型层，称为N沟道。N沟道的出现，将漏极和源极连接起来，形成漏极→源极之间的电流（ID）。 MOSFET的器件的特点：

① MOSFET仅受电容充放电速度的影响，所以动态响应速度快。

② MOSFET基区不存在电导调制效应，所以导通时管压降比较大，因此容量不会太大。

六、 绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）

①IGBT器件的结构：

IGBT是在MOSFET结构基础上再增加一个P+层，形成了P+NPN四层结构。 ②IGBT器件的工作原理：

其导通原理同MOSFET晶体管相同。

由于引入了P+层而形成了P+N结，在器件导通时，正偏置的P+N结向基区（N-）注入空穴，产生基区电导调制效应，因此IGBT的通态压降低，其数量级与双极型晶体管相同。

由于IGBT引入了少子行为，存在少子的存储现象，因此其开关速度比MOSFET慢，介于MOSFET和高频thyristor之间，工作频率可达50KHz ③IGBT器件的特点：

 IGBT具有MOS栅控器件的特点。  IGBT内部具有寄生作用，过高的du/dt和大电流（过载）可能产生擎住效应。  IGBT反向电压承受能力很低，只有几十伏。  IGBT的栅极阀值电压一般为3~6伏。  IGBT开关损耗小，为GTR的1/10。  IGBT的通态压降低：2~3V。

 1/2或1/3IN以下区段具有负温度系数，以上有正温度系数，易于并联。  IGBT的过载能力差，短路损坏时间在10μs以内。

第四节

一、 对于SVC应明确的三个问题

用无功器件（电容器和电抗器）产生无功功率。

依靠晶闸管等电力电子器件完成调节或投切功能，动作速度为毫秒级。 主要类型有：固定电容器补偿（FC），常窜入一组电抗器限制投入涌流; 开关投切电容器（BSC）； 晶闸管控制电抗器（TCR）; 晶闸管投切电容器（TSC）.

二、固定电容补偿（FC）

FC为传统的采用机械式开关投切电容器补偿方式，无功补偿容量为固定值，作为平均无功功率补偿设备。当无功负荷较小时，由电抗器电流动态地抵消电容电流。

与电容器相串联的电抗器可以限制投入涌流。同时电抗值和电容值经过合理选择可以消除系统存在的某些次谐波。

FC

二、 晶闸管控制电抗器（TCR）

晶闸管控制电抗器是静止无功补系统的主要装置。其电路图如下所示：

ACBC

B

(a) 角接 （b） 星接

TCR必须有一个控制器，它接受（采集）系统的信息，判断当时需要多大的电抗电流，由控制器控制晶闸管的开通角度以调节电抗电流。

每个晶闸管的触发角可以从900—1800连续调节，电抗器的电流也从额定值到0连续可变。

U(t)iL无thyristor180270360090ωtα1α2

控制器的控制策略分为两种：①按系统电压来控制；②按无功量的大小来控制。两种方式控制效果相近，但对于大电力网的中枢点用户采用电压控制。

三、晶闸管投切电容器（TSC）

晶闸管投切电容器比开关电容器速度快；可以频繁投切，没有投切次数的限制。TSC目前被广泛应用于低压400V系统。对于高压10KV以上系统，使用TSC价格较高，一般使用固定电容器和TCR相配合，在需要深度快速补偿时才设计TSC补偿。 1、电容器投切控制

对于电容器C，其方程关系式为：

ducicc

dtuCiC090180270360ωt电压最高点投入，若UC(0_)=Umax，IC(0+)=0;

电压过零投入，UC(0_)=0，IC(0+)=Imax,但无涌流；

切除电容器，thyristor只能过零切断，即切断电容上承受2 倍峰值电压的强度。所以TSC比TCR要求更高耐压的thyristor器件。

我国目前采用电压过零投入控制方式的TSC装置比较多，采用复合开关控制方式的TSC也逐渐发展起来。

四、可控串联补偿的功能

① 提高线路的输送能力，增进系统稳定；②控制线路潮流；③电压稳定；④提高系统的暂态稳定性；⑤抑制次同步振荡 ⑥ 阻尼线路的功率振荡

五、可控串补增进稳定性

pEVsin XXKC

XPEVsin

(1K)X第二代FACTS：SVG

一、

SVG的基本结构

系统控制器Inverter+-负载

功能：提供和吸收无功功率 名称：Static var Generator: SVG

Static Synchronous Condenser:STATCOM

Static Synchronous Condenser:STATCOM(静止同步补偿器) 1．控制器的功能： （1） 同步化控制； （2） 无功控制； （3） 基本过载保护。 2.SVG目前存在的问题： （1）造价高，波形不太好；

（2）对控制系统要求严格（由于采用了电力电子器件）； （3）需要滤波器。 二、SVG工作原理

EaUdcEbEcIaUaUbUc

1.逆变器主电路

开关元件：GTO、MOSFET、IGBT 2.无功电源原理

逆变器发出三相电压（PWM、SPWM、多重化波形）与系统完全同步。 当Ea大于Ua时向量图如下：

UaEaUEaa

即逆变器为电网提供了一个感性电流，逆变器相当于一个电容器；

反之，当Ea小于Ua时，逆变器为电网提供了一个容性电流，逆变器相当于一个电抗器。

所以调节逆变器输出电压的幅值即可调节输入电网的无功功率，与同步调相机无功调节原理相似。 3.控制器的构成

控制器的功能主要包括：

在稳定状态下，维持系统电压不变，调压。 在稳定状态下，维持系统某处无功功率最小。

在动态或暂态过程中，根据系统稳定性要求调节无功功率。 保证SVG自身运行正常。 控制器的构成框图如下所示：

逆变器输出电压检测信号系统电压负载电流检测信号过压过流保护信号Ia直流电压控制电路运算控制单元（cpu）(无功、电压计算、控制策略形成)门极触发电路INVERTOR

4.直流电压的控制

在逆变器相位控制是，使其稍落后于系统电压，使系统向逆变器提供少许有功功率以维持电容上得直流电压。

采用电池或超级电容器稳压，并能提供瞬时有功功率。 5.输出电压的控制

逆变器输出电压Ei必须根据多个因素来确定，通过调节Ei的大小，保持系统电压恒定或稳定在一定的范围。

无功发生器SVG在某些情况下不能保证系统电压的稳定，当系统电压发生较大的变化时，逆变器的输出超过额定值很多，这时必须保证Ei-Us在一个允许的范围。

调节SVG输出电压的方法有两种：保持直流电压不变，采用PWM方法调节输出电压；调节直流侧电压。 6．不平衡故障对SVG的影响

不平衡故障（单相接地、两相短路、两相短路接地）会产生不平衡分量。 对于换流器电路，从直流到交流的变化或交流到直流的变化相当于静止坐标系与同步旋转坐标系向量之间的变换。 正序基波量→零次直流量； 零序的量→直流侧不存在； 负序的量→二次谐波量。

二次谐波电压会使直流侧过电压，加大直流侧绝缘水平要求，经济上很不合算。

处理方法：在负序电压出现时闭锁逆变器，负序电压下降时，自动运行。 7．我国在SVG研究方向取得的重要成果：

第六节

 随着超高压远距离输电技术和大电网区域互联技术的发展,进一步提高线路

的输送容量、降低输送功率损耗成为电网技术研究的重要内容。串联电容补偿用来缩短输电线路的电气距离，提高电力网络的功率传输能力已有很长时间的历史，现今更受到广泛的重视和应用。

 运用串联补偿技术的优点在于：投资少、设备简单、操作维修方便。美、俄

等国500千伏和765千伏输电系统中均采用串联电容补偿技术，补偿度高达50%—70%，经济效益十分可观。

二、串补的理论基础  设Xl输电线路阻抗，线路串联补偿电容容抗为Xc,则系统补偿前后的传输功

率为

POU1U2U1U2sin Plsin

XLXCXLKCXC/XL

 Kc为线路的串补度，在同一角度情况下，增加的输送功率倍数为

mp1p0XCKC p0XCXL1KC由此可见，当串联电容补偿掉部分线路的电抗后，系统哦哦那个的传输功率几线

有很大的提高，并且当线路的串补度越大时，期增加的传输功率也就越大。同时，电气距离显著缩短，系统的电气联系得到了显著的加强，系统的静态稳定性也得到了提高。

三、TCSC的基本概念

 TCSC 晶闸管控制串联电容器，又称先进串联补偿ASC

 TCSC是灵活交流输电系统中的主要项目，是2000年以后投资最多的工程内

容之一。

 普通串联减小了输电线路总的电抗，可以提高系统运行稳定性和暂态输电容

量。采用可控串补将按系统的要求改变输电阻抗，而且阻抗的改变可在一个周期内完成，因此可以使用更大的补偿度；也可以选用更合适的阻抗，尽量使系统的负荷分配合理，是输电容量必不可调的串补进一步提高。

 可控串补系统主要由串联电容器、旁路电抗器、并联双向可控硅阀、非线性

电阻、阻尼回路、旁路断路器、测量、控制和触发电路等组成。

 可控串补具有多数灵活交流输电系统的特点，可以根据系统的阻尼和抑制振

荡的要求快速调节阻抗，对系统中由于低阻尼产生的低频振荡和暂态摇摆具有稳定化的作用。

 可控串补调节器参数整定的恰当，完全能够缓解或消除次同步谐振。

串联固定电容补偿的优点：

 可抵消部分线路电感、减少线路电压降，提高输电线路受电端电压，起到提

高输电容量的作用，另外可减小输电线路的功率角，从而增进电网的稳定性。 串联固定电容补偿的缺点：

 串联固定电容补偿度不能灵活调节，还有可能引起发电机轴的扭振，即次同

步谐振。

四、 与TCSC相关的概念—次同步谐振

 次同步谐振是电力系统运行中可能出现的一种相当危险的状态，当线路电气

谐振频率与同步电机的轴系某一固有振荡频率近似互补于电网工频是，将导致机电系统的耦合振荡，严重的会造成同步发电机大轴的扭断，引发大的事故。

 1970年12月和1971年10月，美国内华达州的Mohave火电站先后两次发生

有次同步谐振引起的机轴损坏事故。研究表明，正是串联补偿电容造成该火电站机组的损坏。

五、 可控串补的基本工作原理

 1 .TCSC主电路

CVLB可控串补原理图

 2.TCSC的稳态特性



 





晶闸管开关闭和或断开，电抗器投入或切除，实现两点控制（bang-bang-control），又称分阶控制方式。这种控制简单，不会发生电容与电感并联工频谐振。（有图看课件）

TCSC的基本工作原理

连续调节晶闸管的导通角，可连续改变串联电容电抗组的阻抗，先进串补（ASC）主要指这种可控串补。

可控串补与SVC中的固定电容器（FC）和晶闸管控制电抗器(TCR)的技术特性相似。主要差别在电源方面，SVC处于电源的环境，可控串补处于电流源的环境。

TCSC电抗器电流波形与导通角a的关系如下图所示（图看课件手画图）

 在其开通的范围内，电抗电流为

iLI[cos(wt)cos]I[sin(wt90)sin(90)]

 在开通的范围外

iL0

 求出各种a角度下的电流，再利用离散傅里叶分析求出谐波幅值，画出各种

a角度下各次谐波电流幅值波形如下图所示（看课件上的图）

 与SVC的基波分析结果一致。

 触发角为a时通过可控硅阀体和电抗器基波电流为

2()cosILI(90)

 触发角为a时通过可控硅阀体和电抗器的电流有效值为

iL()i2n()

 触发角为90度时通过可控硅阀体和电抗器基波电流为

UC(90) iL(90)XL 由于电流比为

Sn()iL() iL(90) 触发角为a时电抗器的等值阻抗为:

X()XL Sn() TCSC阻抗与触发角的关系曲线为

90180

附：可控串补的电抗值与触发角的关系（这部分看课件）

 关于TCSC的基波阻抗有几种不同的提法，现给出其中一种（状态分段微分

方程得出）：

 当触发角在90~180度范围内变化时，可控电抗器与电容器并联，必有一个

谐振点存在。

 TCSC必须运行于容性范围，如KAYENTA参数a=147~180度吗，运行阻抗范围

为-15~45欧姆。

 八 、提高电压稳定原理

 在故障或冲击负荷的作用下，过大的电流流过将是系统阻抗引起的电网受端

电压在短时间急速下降，在电压低过一个极限以后，系统电压自己不能恢复正常而进入故障状态，通常称这种现象为电压失稳或电压崩溃。

 对于送端电压不变的系统在传送有功功率和无功功率是，其受端电

VE22D4D2E24DE24S2Z2  其中E为系统送端电压；D=PR+QX；P、Q分别为输送有功功率和无功功率；R、

X分别为系统及线路等值电阻和感抗，S为输送视在功率。

 负荷电压P-V曲线，图中的曲线2和3是根据输送功率因数为0.8画出的。

V123P

1—未补偿电容；2—补偿度k=0.4；3—可控串补  九、抑制次同步振荡

 通过对不同工作频率下，TCSC临界工作谐振点的迁移和TCSC临界触发角随







  



补偿度k的变化曲线的仿真研究表明，TCSC对SSR有积极的抑制作用。 可见临界谐振角随着频率的增加而逐渐降低，感性阻抗区的范围也因此变得越来越小。这就意味着，次同步频率越低，TCSC感性区的调节范围愈宽，因此也愈有利于我们在实际中抑制次同步谐振。

随着补偿度k的增加，临界触发角也渐渐变大，这就意味着，TCSC感性区的调节范围也渐渐变宽，对抑制次同步振荡起积极作用，但容性区的可调范围渐渐变小，对实际工程应用不利，因此参数k一般不能取值太大。

结论：随着频率的降低，TCSC的等效阻抗将有电容性过渡到感性，即在次同步频率下，TCSC较大范围内呈现感性阻抗特性，因此从根本上破坏了SSR由串联电容和系统电抗发生串联谐振所需的条件，从而有效的抑制了SSR的发生。正是由于TCSC的这种比较特别的阻抗特性，使它优于普通固定串补，在抑制同步发电机次同步谐振方面有着得天独厚的应用价值。 十、阻尼系统功率振荡

通过长距离交流线路实现大系统联网时，有可能出现低频功率震荡问题。 对于低频功率振荡可以通过在重要发电机组装设PSS，并优化各机组的PSS参数来解决。但由于大系统中电源数量较多，分布广泛，其参数优化、安装、调试工作量巨大。特别是厂网分开以后，所有的PSS装置均正常有效投运在管理上存在很大的困难。

由于大系统间的低频功率振荡现象可以通过联络线潮流工况所感知，如果在联络线上装设可控串补并采取适当的控制策略抑制系统间的功率振荡，则更有利于系统的安全运行。

第八节

一 电力系统功率传输基础理论

VssXLVrrVSVrP,q

如图所示，简单的电力系统由发送端，接受端和电力传输线组成。传输的有功功率和无功功率可以表示为：

VSVrV2Psin(Sr)sin

XLXLVSVrV2q[1cos(Sr)][1cos]

XLXL可以看出，电力系统传输系统中影响潮流的主要是三个参数：电压、线路阻

抗、功率传输角。因此调节其中一个或几个参数可以达到控制潮流的目的 二 潮流控制装置

FACTS装置出现以前，在交流输电系统中进行潮流控制的主要装置有：串联或并联电容器，调相机、移相变压器等。这些装置的普遍特点是动态响应慢，可控性较差。FACTS装置的出现极大的丰富了潮流控制器的方法，而基于同步电压源的

FACTS装置则代表了FACTS技术的发展方向。

统一潮流控制器（UPFC）是一种功能比较全的潮流控制器，它的出现对电力传输系统的潮流控制有着重要的意义。 三 UPFC的结构与基本原理

统一潮流控制器（UPFC）主要由两个电压源逆变器构成，其拓扑结构如图所示。

VSIq并联变压器串联变压器Vdc+ vpq -VrIr逆变器1逆变器2 UPFC逆变器一般选用门极可关断GTO器件与反并联二极管构成，其中逆变器1通过并联耦合变压器与母线相连，逆变器2通过串联耦合变压器与线路相连，逆变器1与逆变器2通过中间的直流电容联接，这样有功功率可以在两个逆变器之间自由流动。

UPFC串联变压器的一次电压来自逆变器2。逆变器1将三相交流电压变换为直流电压，为电容器和逆变器2提供直流电能。逆变器2将直流电压转换成相位和幅值完全可控的三相交流电压，通过串联耦合变压器向输电线路提供一个补偿电压。该补偿电压可以视为一个同步交流电压源，输出线路中的电流流经该电压源，使逆变器2与输电线路之间发生有功功率和无功功率交换。

改变同步交流电压源的相位与幅值，即可控制线路两端电压的相位差，从而实现输电线路有功潮流的控制。

控制同步交流电压源产生一个补偿线路电压降的电势，即可实现输电线路无功潮流的控制，即电压稳定性的控制。其作用与可控串联电容器相同。所以，

UPFC的主要功能由逆变器2实现。

逆变器1的主要功能1：通过中间的直流电容为逆变器2提供有功功率。基本功能2：作为一个无功电源调节接入点的电压，可以独立地与电网发生无功功率交换，相当于一个静止同步补偿器（STATCOM）。

UPFC可以起到移相器、可调串联电容器及静止调相机的作用，可以综合控制输电线路的电抗、电压及相角差，也即UPFC具有非常灵活的运行特性。

直流电容器两侧的整流和逆变装置都需要采用GTO，以便在可控条件下获得谐波和无功消耗最小。

UPFC的并联部分接于母线，可以调节母线电压和无功功率；串联部分输出电压可以再四象限范围内变化（幅值和相位），从而与并联部分相互配合，控制线路的有功和无功潮流。

逆变器1与逆变器2在直流侧相连，可以满足逆变器2输出电压在一定范围内变化时需要的有功功率，该功率有逆变器1从母线吸取，通过直流环节，再由逆变器2注入系统。作为UPFC整体，消耗的有功功率很小。

UPFC控制系统不仅提供了控制算法，而起还可以选择几种不同的控制模式。UPFC由并联逆变器和串联逆变器组成，这两个相互并联的逆变器可以采用统一控制方式。

并联逆变器可以独立采用STATCON控制方式；串联逆变器可以独立地采用静止同步串联电压补偿器（SSSC）控制方式。两者可以各自采用相应的控制策略。

下面给出UPFC的等效电路图

VpqX/2X/2V1VdIqV2 并联逆变器的控制：

并联逆变器可以等效为一个并联电流源，这一可控电流分为两部分：一部分用来维持直流电容的电压稳定，为串联逆变器提供有功能量支持，可称之为有功电流分量；另一部分为电网提供无功补偿能量，称为无功电流分量。

无功控制模式：并联逆变器的无功补偿控制模式类似于传统的静止无功补偿器（SVC）,控制系统以感性或容性无功作为控制目标，调节并联逆变器的门极使之产生相应的无功并联电流。控制系统维持电网提供无功功率的稳定，而不管香炉电压如何变化。

自动电压控制模式：并联逆变器的无功电流自动调节，用来维持输电线上接入节点电压的稳定。 串联逆变器的控制：

串联逆变器可以等效wie一个串联电压源，其幅值和相角可调，可以用来控制线路的潮流分布，其实际值由四种不同模式决定。

直接电压注入模式：串联逆变器根据设定值的要求简单的产生一个输出电压矢量。

移相调节模式：串联逆变器注入一个适当的电压，使电网接受端电压与发送端相比相角发生变化，其幅值保持不变。

线路阻抗调节模式：注入的补偿电压与线路电流呈现比例关系，使从线路上看串联线路上的变压器类似于一个阻抗，期望的阻抗值可以使实数（纯电阻）或复数（电阻加电抗形式）。

自动潮流控制模式：UPFC有独特的能力可以独立地控制输电线路的有功功率和特定点的无功功率。这种能力是通过把注入的补偿电压看成一个二维矢量，达到调节线路潮流的目的。对于潮流控制而言，这是一种相当有潜力的控制模式。 逆变器的独立与并联运行方式

根据安装要求，两个逆变器可以分开独立运行，并联逆变器作为iyige独立的静止同步补偿器运行；串联逆变器作为一个独立的静止同步串联补偿器运行。当工作在这种状态时，两个逆变器均产生或吸收有功功率，都只能作为无功补偿元件使用。线路的功率仍然可以控制，但有功功率和无功功率不能单独变化。 根据安装要求，两个逆变器也可并联运行，UPFC的主要功能是通过串联逆变器来调节线路的有功功率，串联逆变器所需的有功由并联逆变器来提供，而这一切必须通过中间的直流电容环节来实现。因此，控制直流电容电压稳定是UPFC并联运行需要解决的核心问题之一。

第十节 电力系统的能量存储技术

 蓄电池储能技术（电化学反应，化学能）  抽水蓄能技术（水库，水的位能）  压缩空气储能（岩洞，空气势能）  超导储能（超导线圈，磁能）  飞轮储能（飞轮，旋转动能）

 超级电容器储能技术（电容器，电场能）