柔性輸電的基本原理 引言 按技術(shù)的成熟程度可以劃分為三類 1 已在實(shí)際工程中大量應(yīng)用的 靜止無(wú)功發(fā)生器 簡(jiǎn)稱SVC staticVarCompensator 晶閘管控制的串聯(lián)電容器 簡(jiǎn)稱TCSC ThyristorControlledSeriesCapacitor 靜止同步補(bǔ)償器 簡(jiǎn)稱STATCOM StaticSynchronousCompensator 2 已有工業(yè)樣機(jī) 但仍處在研究階段的 統(tǒng)一潮流控制器 簡(jiǎn)稱UPFC UnifiedPowerFlowController 3 剛剛提出原理設(shè)計(jì) 尚無(wú)工程應(yīng)用的 靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器 簡(jiǎn)稱SSSC StaticSynchronousSeriesCompensator 晶閘管控制的移相器 簡(jiǎn)稱TCPST ThyristorControlledPhaseShiftingTransformer 柔性輸電裝置按其在系統(tǒng)中的聯(lián)接方式可分為串聯(lián)型 并聯(lián)型和綜合型 SVC和STATCOM是并聯(lián)型 TCSC和SSSC是串聯(lián)型 TCPST和UPFC是綜合型 SVC的工作原理 調(diào)相機(jī)傳統(tǒng)的靜止并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償是在被補(bǔ)償?shù)墓?jié)點(diǎn)上安裝電容器 電抗器或者它們的組合以向系統(tǒng)注入或從系統(tǒng)吸收無(wú)功功率 并聯(lián)在節(jié)點(diǎn)上的電容器和 或電抗器通過(guò)機(jī)械開關(guān)按組投入或退出 傳統(tǒng)補(bǔ)償方法的缺點(diǎn) 其調(diào)節(jié)是離散的 其調(diào)節(jié)速度緩慢 不能滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)要求 其電壓負(fù)特性 即當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓降低 升高 時(shí) 并聯(lián)電容注入系統(tǒng)的無(wú)功功率也降低 升高 屬于柔性輸電技術(shù)范疇的現(xiàn)代靜止無(wú)功發(fā)生器 StaticVarCompensator 將電力電子元件引入傳統(tǒng)的靜止并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置 從而實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償?shù)目焖俸瓦B續(xù)平滑調(diào)節(jié) 理想的SVC可以支持所補(bǔ)償?shù)墓?jié)點(diǎn)電壓接近常數(shù) 良好的動(dòng) 靜態(tài)調(diào)節(jié)特性使SVC得到了廣泛的應(yīng)用 SVC的構(gòu)成形式有多種 但基本元件為晶閘管控制的電抗器 ThyristorControlledReactor 和晶閘管投切的電容器 ThyristorSwitchedCapacitor 為了降低SVC的造價(jià) 大多數(shù)SVC通過(guò)降壓變壓器并入系統(tǒng) 由于閥的控制作用 SVC將產(chǎn)生諧波電流 因而為降低SVC對(duì)系統(tǒng)的諧波污染 SVC中還應(yīng)設(shè)有濾波器 對(duì)基波而言 濾波器呈容性 即向系統(tǒng)注入無(wú)功功率 TCR和TSC支路 TCR支路由電抗器與兩個(gè)背靠背連接的晶閘管相串聯(lián)構(gòu)成 控制元件為晶閘管 設(shè)加在TCR支路上的系統(tǒng)電壓為正弦 其波形如圖8 3 a 所示 閥的觸發(fā)延遲角為 則觸發(fā)時(shí)刻為 TCR電壓波形和電流 這種運(yùn)行模式相當(dāng)于將電抗器直接并聯(lián)在系統(tǒng)中 當(dāng)觸發(fā)角 從 增大到 時(shí) 閥的導(dǎo)通區(qū)間寬度將由 下降到零 這時(shí)在任何時(shí)刻兩個(gè)閥都處在截止?fàn)顟B(tài) 這種運(yùn)行模式即相當(dāng)于將電抗器退出運(yùn)行 當(dāng)小于 時(shí) 已經(jīng)處在導(dǎo)通狀態(tài)的閥 其電流回到零點(diǎn)的時(shí)刻將大于尚未導(dǎo)通的閥的觸發(fā)時(shí)刻 在這種情況下 當(dāng)未導(dǎo)通的閥的觸發(fā)脈沖發(fā)出時(shí) 由于已導(dǎo)通的閥尚未關(guān)斷 故未導(dǎo)通閥的閥電壓為零 因而不能被觸發(fā)而導(dǎo)通 這樣 兩個(gè)閥中總有一個(gè)閥在任何時(shí)刻都是截止?fàn)顟B(tài) 這種狀態(tài)將導(dǎo)致電感電流中的主要分量為直流分量 因而正常情況下 TCR的觸發(fā)角運(yùn)行范圍為由式 8 3 或波形圖可見 由于閥的控制作用 電抗器中流過(guò)的電流發(fā)生畸變而不再是正弦量 調(diào)整觸發(fā)角的大小將改變電流的峰值和導(dǎo)通區(qū)間的寬度 TCR支路的等值基波電抗為 由上式可見 TCR支路的等值基波電抗是導(dǎo)通角或者說(shuō)是觸發(fā)角的函數(shù) 調(diào)整觸發(fā)角可以平滑地調(diào)整并聯(lián)在系統(tǒng)的等值電抗 如圖8 2 b 所示 TSC支路由電容器與兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管相串聯(lián)構(gòu)成 TSC支路的電源電壓與TCR相同 其波形如圖8 3 a 所示 TSC中通過(guò)對(duì)閥的控制使電容器只有兩種運(yùn)行狀態(tài) 將電容器直接并聯(lián)在系統(tǒng)中或?qū)㈦娙萜魍顺鲞\(yùn)行 切除投運(yùn)狀態(tài)的電容器比較簡(jiǎn)單 只要停止對(duì)閥進(jìn)行觸發(fā)即可 SVC向系統(tǒng)注入的無(wú)功功率為 可見當(dāng)時(shí) SVC向系統(tǒng)注入的無(wú)功功率可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié) 為了擴(kuò)大SVC的調(diào)節(jié)范圍 根據(jù)補(bǔ)償容量的需要 一個(gè)SVC中可以采用多個(gè)TSC支路 SVC的等值電抗為SVC的等值伏安特性由TCR和TSC組合而成 系統(tǒng)電壓變化時(shí)SVC的等值阻抗隨 變化的示意圖 SVC的伏安特性 當(dāng)系統(tǒng)電壓在SVC的控制范圍內(nèi)變化時(shí) SVC可以看成電源電壓為和內(nèi)電抗為的同期調(diào)相機(jī) 式中 即是圖8 5中直線AB的斜率 及分別為SVC的端電壓及端電流 當(dāng)系統(tǒng)電壓的變化超出SVC的控制范圍時(shí) SVC即成為固定電抗 在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制問(wèn)題中 SVC可以看成并聯(lián)在系統(tǒng)中的一個(gè)可變電納 其電納值由SVC的控制器決定 STATCOM的工作原理 STATCOM也稱為靜止無(wú)功發(fā)生器 ASVG AdvancedStaticVarGenerator 其功能與SVC基本相同 但是運(yùn)行范圍更寬 調(diào)節(jié)速度更快 SVC的控制元件為晶閘管 晶閘管是半控型器件 只能在閥電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷 STATCOM是用全控型器件實(shí)現(xiàn)的 STATCOM的原理接線如圖8 6所示 其中控制元件為全控型閥元件GTO 理想的GTO開關(guān)特性為 當(dāng)閥有正向電壓且在門極加正向控制電流時(shí) 閥即時(shí)開通 閥在導(dǎo)通狀態(tài)下閥電阻為零 當(dāng)在門極加負(fù)向控制電流時(shí)閥即時(shí)關(guān)斷 閥在關(guān)斷狀態(tài)下閥電阻為無(wú)窮大 顯見 GTO與普通晶閘管的關(guān)鍵區(qū)別是其關(guān)斷時(shí)刻是由門極控制而并不要求閥電流過(guò)零 圖8 6所示的STATCOM實(shí)際上為一個(gè)自換相的電壓型三相全橋逆變器 電容器的直流電壓相當(dāng)于理想的直流電壓源 為逆變器提供直流電壓支撐 與GTO反向并聯(lián)的普通二極管的作用是續(xù)流 即為交流側(cè)向直流側(cè)反饋能量時(shí)提供通道 逆變器在正常工作時(shí)通過(guò)GTO的通斷將直流電壓轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率的相位與幅值都可控制的交流電壓 由于三相對(duì)稱正弦電路的三相功率瞬時(shí)值之和為常數(shù) 因此各相的無(wú)功功率不是在電源與負(fù)載之間而是在相與相之間周期性交換 若不考慮在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中由上述能量支持交流系統(tǒng)時(shí) 電容C的值可以較小而STATCOM能為系統(tǒng)提供的無(wú)功容量要遠(yuǎn)大于此 STATCOM為系統(tǒng)提供的最大無(wú)功容量主要受逆變器的容量所限 所以與SVC相比較 STATCOM的構(gòu)成避免了采用體積龐大的電抗器和電容器 TCSC的工作原理 晶閘管控制的串聯(lián)電容器 TCSC 可以快速 連續(xù)地改變所補(bǔ)償?shù)妮旊娋€路的等值電抗 因而在一定的運(yùn)行范圍內(nèi) 可以將此線路的輸送功率控制為期望的常數(shù) 在暫態(tài)過(guò)程中 通過(guò)快速地改變線路等值電抗 從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 最早的TCSC于1991年在美國(guó)投運(yùn) TCSC原理結(jié)構(gòu)示意圖 圖中包括一個(gè)固定電容和與其相并聯(lián)的晶閘管控制的電抗 TCR 控制元件為晶閘管 在上邊分析SVC的控制原理時(shí) 其中也涉及到TCR 但需注意 由于SVC是并聯(lián)在系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)上 所以認(rèn)為加在TCR的電壓是正弦量 而流過(guò)TCR支路的電流由于閥的控制作用而發(fā)生畸變 其波形如圖8 3 b TCSC中的TCR與SVC中的TCR的運(yùn)行條件大不相同 注意TCSC是串聯(lián)在系統(tǒng)的輸電線中 由于諧波管理的要求和系統(tǒng)運(yùn)行條件的物理約束使得流過(guò)TCSC的電流即線路電流為正弦波 這樣 由于閥的控制作用 當(dāng)流過(guò)TCR支路的電流發(fā)生畸變時(shí) 與其并聯(lián)的電容電壓必發(fā)生畸變而成為非正弦量 這是二者的重要區(qū)別 SSSC的工作原理 TCSC是用半控型電力電子元件實(shí)現(xiàn)的串聯(lián)補(bǔ)償 用全控型元件實(shí)現(xiàn)串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袛?shù)種 這里介紹采用GTO實(shí)現(xiàn)的電壓型逆變器構(gòu)成的串聯(lián)補(bǔ)償SSSC 前邊已介紹的STATCOM是將電壓型逆變器經(jīng)電抗器或變壓器并聯(lián)在系統(tǒng)中 SSSC則是將電壓型逆變器經(jīng)變壓器串聯(lián)在線路中 忽略線路對(duì)地支路時(shí) 其原理接線如圖所示 SSSC是基于可關(guān)斷器件的新型串補(bǔ)裝置 通過(guò)串聯(lián)在線路中與線路電流相角差為90 幅值可調(diào)的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)線路縱向電壓的控制 起到調(diào)節(jié)線路輸送功率 抑制電壓振蕩和功率振蕩 并影響線路兩端母線電壓及其相角等作用 容性補(bǔ)償時(shí) 注入電壓滯后線路電流90 與線路阻抗上的電壓降反向 使線路電流的幅值增加 如圖 b 所示 從而在不改變功角差的情況下 使線路輸送功率增加 若保持相同輸送功率不變時(shí) 減小輸電線路兩端的電壓降和相角差 從而將提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和輸送能力 感性補(bǔ)償時(shí) 注入電壓超前線路電流90 與線路阻抗上的電壓降同向 使線路電流的幅值減小 輸送功率減小 如圖 c 所示 TCPST的工作原理 晶閘管控制的移相器 ThyristorcontrolledPhaseshiftingTransformer 簡(jiǎn)稱TCPST 用機(jī)械開關(guān)通過(guò)切換變壓器分接頭實(shí)現(xiàn)的移相器在電力系統(tǒng)中已有較長(zhǎng)的應(yīng)用歷史 這種移相器也稱為串聯(lián)加壓器 由于機(jī)械開關(guān)調(diào)整變壓器分接頭的速度十分緩慢 因而這種移相器只能用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)整 另外 機(jī)械開關(guān)的運(yùn)行壽命短也是這種移相器的主要缺點(diǎn) 用晶閘管替換機(jī)械式切換開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)移相器的快速調(diào)整從而使其應(yīng)用范圍大大擴(kuò)展 具體實(shí)現(xiàn)的方案有多種 這里以其中比較簡(jiǎn)單的一種為例來(lái)介紹移相器的基本工作原理 移相器由并聯(lián)變壓器 ET 串聯(lián)變壓器 BT 和切換開關(guān)構(gòu)成 并聯(lián)變壓器和串聯(lián)變壓器也分別稱為激勵(lì)變壓器和加壓變壓器 圖8 10中并聯(lián)變壓器的二次側(cè)和串聯(lián)變壓器的一次側(cè)只畫出了c相 其他兩相具有相同的結(jié)鉤 開關(guān)S由一對(duì)反向并聯(lián)的晶閘管組成 與前面介紹的TCSC中的開關(guān)具有完全相同的工作原理 S1 S5在任何情況下只允許導(dǎo)通一個(gè) 其余斷開 由圖可以看出 并聯(lián)變壓器的變比隨開關(guān)S1 S4的導(dǎo)通情況變化 當(dāng)S1 S4都斷開時(shí) S5必須導(dǎo)通 將串聯(lián)變壓器的一次側(cè)短路 以避免將串聯(lián)變壓器的激磁阻抗串進(jìn)線路 UPFC的工作原理 前邊介紹的幾種FACTS裝置都是只調(diào)節(jié)影響電力線輸送功率的三個(gè)參數(shù)中的一個(gè) TCSC和SSSC補(bǔ)償線路參數(shù) SVC和STATC