柔性交流输电系统 (FACTS)

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电网的基本功能之一是保持网络中的功率平衡。这意味着任何时刻的发电量必须等于用电量。这可以通过高效的输电系统来实现。

在智能电网中，有几种不同类型的输电系统，如FACTS、HVDC等，用于优化能量流。本章将解释**FACTS（柔性交流输电系统）**的基础知识及其优点。

什么是柔性交流输电系统 (FACTS)？

在电网中，**FACTS**代表**柔性交流输电系统**。FACTS是一种输电系统，它由静态控制器组成，用于提高输电网络的可控性和增加输电能力。

FACTS基本上是一种基于电力电子的输电系统。这些电力电子元件或设备提供了控制交流输电系统的一个或多个参数的能力，以增强其可控性和输电能力。

因此，可以说FACTS的主要目标是管理和优化交流输电网络的运行。它提高了电力网络的效率、可靠性和功能。

柔性交流输电系统的重要性

无功功率补偿是实现最有效和经济的电力传输的最大问题之一。在智能电网中，有被称为FACTS器件的著名设备，用于精确补偿无功功率。这些设备通过将串联和并联补偿结合在一起，提供动态控制的无功功率补偿。

为了理解FACTS技术的重要性，我们首先需要了解下面解释的交流系统的输电能力。

交流系统的输电能力

考虑一个典型的无损交流输电系统，如下图所示。

在这个系统中，

$$\mathrm{V_{s} \: = \: 发送端电压}$$

$$\mathrm{V_{r} \: = \: 受端电压}$$

$$\mathrm{I \: = \: 线路电流}$$

$$\mathrm{X \: = \: 输电线路电抗}$$

由于我们考虑的是无损输电系统，因此发送端电压和受端电压相同，即：

$$\mathrm{V_{s} \: = \: V_{r} \: = \: V(假设)}$$

输电线路电流和电压之间存在δ的相位滞后，这取决于输电线路的电抗X。因此，发送端电压和受端电压可以表示为：

$$\mathrm{V_{s} \: = \: V \: \cos(\frac{\delta}{2}) \: + \: jV \: \sin(\frac{\delta}{2})}$$

$$\mathrm{V_{r} \: = \: V \: \cos(\frac{\delta}{2}) \: − \: jV \: \sin(\frac{\delta}{2})}$$

因此，输电线路电流将为：

$$\mathrm{I \: = \: \frac{V_{s} \: - \: V_{r}}{jX}}$$

$$\mathrm{\Rightarrow \: I \: = \: \frac{V \: \cos(\frac{\delta}{2}) \: + \: jV \: \sin(\frac{\delta}{2}) \: - \: V \: \cos(\frac{\delta}{2}) \: + \: jV \: \sin(\frac{\delta}{2})}{X} \: = \: \frac{2V \sin(\frac{\delta}{2})}{X}}$$

同样，输电线路是无损线路。因此，线路任何一点的有功功率P都是相同的，即：

$$\mathrm{P_{s} \: = \: P_{r} \: = \: P \: = \: VI \cos(\frac{\delta}{2})}$$

$$\mathrm{\Rightarrow \: P \: = \: V \cos(\frac{\delta}{2}) \: \cdot \: \frac{2V \sin(\frac{\delta}{2})}{X} \: = \: \frac{V^{2} \sin\delta}{X}}$$

此外，发送端的无功功率与受端的无功功率大小相等方向相反，即：

$$\mathrm{Q_{s} \: = \: -Q_{r} \: = \: Q \: = \: VI \sin(\frac{\delta}{2})}$$

$$\mathrm{Q \: = \: V \sin(\frac{\delta}{2}) \: \cdot \: \frac{2V \sin(\frac{\delta}{2})}{X} \: = \: \frac{V^{2} (1 \: - \: \cos\delta)}{X}}$$

由于相角δ非常小。因此，有功功率取决于δ，而无功功率取决于电压的大小。因此，我们应该对电压进行严格控制以控制电力线中的无功功率流。

柔性交流输电系统技术的类型

FACTS器件使用以下三种类型的技术来提高交流输电系统的可控性和输电能力：它们是：

• **串联补偿** - 在串联补偿中，线路阻抗X减小以增加可传输的有功功率。
• **并联补偿** - 在并联补偿中，将无功功率注入输电线路以控制电压幅度。
• **组合补偿** - 在组合补偿中，将串联和并联技术结合起来，对通过输电线路的功率流进行全面控制。

柔性交流输电系统设备的类型

根据使用的补偿技术类型，FACTS器件可分为以下主要类型：

静态无功功率补偿器 (SVC)

SVC是一种FACTS器件，用于通过产生或吸收无功功率来控制输电线路的电压。它使用并联补偿技术。SVC的输出通过控制电感或电容电流来调节。SVC的电路图如下图所示。

静态同步补偿器 (STATCOM)

STATCOM也是一种基于并联补偿的FACTS器件。它类似于SVC，但它可以提供更快、更精确的无功功率流控制。

STATCOM的独特之处在于其电容和电感输出电流可以独立控制。因此，它可以在电感和电容区域都工作。STATCOM器件的电路图如下图所示。

晶闸管控制串联电容器 (TCSC)

TCSC是一种FACTS器件，它由一个串联电容器组组成，该电容器组与一个晶闸管控制的电抗器并联连接。它用于提供平滑可变的串联电容电抗，以修改输电线路的等效电抗并控制功率流。下图描绘了TCSC的电路图。

晶闸管开关串联电容器 (TSSC)

TSSC是一种串联补偿FACTS器件，它由一个串联电容器组组成，该电容器组与一个晶闸管开关的电抗器并联连接。电抗器提供输电线路中串联电容电抗的分步控制。TSSC的电路图如下所示：

晶闸管控制串联电抗器 (TCSR)

TCSR是一种串联补偿FACTS器件，它提供平滑可变的电感电抗。它由一个串联电感与一个晶闸管控制的电抗器并联组成，如下图所示：

晶闸管控制电抗器 (TCR)

在这种类型的FACTS器件中，电抗器与晶闸管阀串联连接。其中，晶闸管阀由两个反并联连接的晶闸管组成。

TCR是超高压输电线路中常用的器件，用于在空载或轻载条件下进行无功功率补偿。晶闸管控制电抗器的电路图如下图所示：

晶闸管开关电容器 (TSC)

TSC是一种FACTS器件，也用于超高压输电线路。但它在重载条件下用于满足无功功率需求。TSC的电路图如下图所示：

晶闸管开关电抗器 (TSR)

TSR是另一种基于电抗器的FACTS器件，类似于晶闸管控制电抗器(TCR)。但它可以在零或全功率状态下运行，其等效电抗可以分步变化。TSR的电路图如下所示：

静态同步串联补偿器 (SSSC)

SSSC也是一种串联补偿FACTS器件。它由一个电压源转换器组成，该转换器通过变压器与输电线路串联连接。SSSC最重要的特点是它可以作为可控串联电容器和串联电感器运行，其注入电压与线路强度无关。

统一潮流控制器 (UPFC)

统一潮流控制器（UPFC）是一种FACTS器件，它结合了静态同步补偿器（STATCOM）和静态同步串联补偿器（SSSC），并通过直流环节连接在一起。该FACTS器件能够在SSSC的串联输出端和STATCOM的并联输出端之间实现双向有功功率流动。因此，UPFC同时采用了串联补偿和并联补偿。UPFC的电路图如下所示：

柔性交流输电系统(FACTS)器件的优点

FACTS器件的主要优点如下：

• 在输电线路中使用FACTS器件可以提高其输电能力，并减少对新建输电线路的需求。
• FACTS器件还可以提高输电线路的负载能力。
• FACTS器件可以减少输电线路中的无功功率，并提供向负载传输大量有功功率的方法。
• FACTS器件可以控制电力传输，从而实现电力流优化。
• 在输电线路中使用FACTS器件可以降低输电成本，从而降低能源成本。
• 它们可以稳定线路参数，例如电压、频率、热因素、暂态等。因此，FACTS器件可以提高电力质量。
• FACTS技术是环保的，因为它不包含任何环境威胁性材料。
• FACTS器件还可以提高输电网络的功率因数。
• 在输电线路中使用FACTS器件还可以增强线路的可靠性和灵活性。

柔性交流输电系统(FACTS)器件的缺点

然而，在输电网络中使用FACTS器件虽然提供了上述诸多好处，但也存在一些缺点。

FACTS器件的一些常见缺点如下：

• 在FACTS器件中，使用电力电子开关来控制线路中的电力流动。这些电力电子开关会在电源中引入谐波。因此，需要使用有源滤波器来消除这些谐波，这会增加额外的成本。
• FACTS器件价格昂贵，会增加输电系统的成本。
• FACTS器件也有一定的输电能力限制。
• 这些FACTS器件需要持续维护，这是一项成本密集型任务。
• FACTS器件内部也会有一定的功率损耗。
• 意外的电流尖峰或波动会损坏FACTS器件的组件，而更换这些组件非常昂贵。

结论

柔性交流输电系统(FACTS)是一种先进的电力传输技术，旨在提高输电网络的可靠性、稳定性、可控性和效率。FACTS器件在采用智能电网的输电网络中至关重要。

使用FACTS技术的主要目的是控制输电线路中无功功率的流动，并通过无功功率补偿提高输电能力，从而用最少的输电线路满足能源需求。