灵活交流输电系统设备在输配电系统中的运行比较为「配电设备是指哪些设备」

今天带来灵活交流输电系统设备在输配电系统中的运行比较为「配电设备是指哪些设备」，关于灵活交流输电系统设备在输配电系统中的运行比较为「配电设备是指哪些设备」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

引自：Afshin LASHKAR ARA(伊朗)  Azad Universituy of Dezfoul

Seyed Ali NABAVI NIAKI (伊朗)  University of Mazandaran

灵活交流配电系统（DFACTS）

摘要：这篇论文描述了电力电子装置以及关于不同电压等级的技术回顾。在电能传输系统方面，我们通常认为灵活交流输电系统（FACTS）是有效的电能控制设备。另外还有基于电力电子的被称作电力调节器的设备，用来解决电能质量的问题。由于这些设备的电子元件的拓扑结构和灵活交流输电系统设备的相似，因此电力调节器也被称作灵活交流配电系统（DFACTS）。这两种设备的主要运作模式和应用（比如STATCOM，SSSC，UPFC，DSTATCOM，DVR，UPQC）都将在本文中进行论述和比较。

关键词：电力电子 电能质量 FACTS DFACTS 脉宽调制转换器 电力调节器 轻型高压直流输电技术

导言：电能是现代工业社会中一个最重要的组成部分。并且它的年消耗量是评定一个国家经济发展的最重要标准之一。大量的电能产生于水电，热能发电，以及核电站。在当今工业化社会中电力电子技术使得其中很大一部分的电能应用到了工业、商业、家庭、航空和军事领域。由于近二十年来电力电子技术的进步，电力电子的应用已经迅速发展到所有的电压等级，覆盖了超高压输电系统到用户端的低压网络。一般来说电力电子的应用包括高压直流终端、各种静态无功补偿（SVC）系统、直流电弧炉的高功率整流器、静态转换器、隔离开关、负荷转换开关、基于整流/逆变的驱动技术、有功线路调整、电能贮藏和瞬时应急电力系统、可再生电能集成，及许多其他为灵活交流输电系统和定制电力系统所包括的设备。在一个相互连接的传输网中，潮流控制是电力设计和运行中存在的难题之一。一个相互连接的传输网中的潮流控制因素有：影响互联电网中潮流控制问题的主要因素有：互联电网的需要，不可预计的负荷需求增加，对电厂建设选址的限制及架设新输电线的限制。而特定线路上的过负荷、非理想线路上的潮流、以及线路的非优化载荷运行等因素则使采用FACTS设备在输电线上的使用成为必须。

电能质量在世界范围的配电系统中变得越来越重要了。像工业企业这样的用户使用了更多的全自动生产线。如果由于电压骤降或抖动等原因而导致线路的电压质量不理想，就会使这些企业遭受巨大的经济损失。因此用户就要求线路电压质量完好。但从越来越多的事例来看这种质量的电力不是传统的设备能够提供的。因此近十年来，电力质量的提高在配电和低压系统的发展中已经成为一项最重要的课题之一。像绝缘栅双极晶体管（IGBTs）这类新设备的快速发展使制造脉宽调制（PWM）转换器成为可能。这种转换器被广泛应用在可调速驱动上并大量生产用于MVA级的电力系统中。这些转换器和传统的设备加上改进后的控制算法相结合可用于减小电能质量问题。这种设备就是众所皆知的电力调节器。由于这些设备的拓扑结构和用于输电系统的灵活交流输电系统设备相似，比如UPFC 和STATCOM，所以电力调节器也可称作灵活交流配电系统（DFACTS）。在本文中将对输配电系统中的电力电子装置和FACTS设备进行讨论和比较。

灵活交流输电系统（FACTS）

考虑到对电力负荷日益增加的需求，电力传输系统面临着电力传输限制的危机。这些限制仅仅是因为要保持稳定性和提供标准电压而产生的。因此由于发热限制实际运行容量就远低于真正的容量。这会导致电力传输系统处于非最优运行状态。架设新的线路虽是一个提高电力传输能力的方法，却因一些问题而不易施行。随着工业半导体和它在电力系统中的使用的发展，灵活交流输电系统这一概念被提了出来,即使无需架设新线路使输电线路达到其真实传输容量。晶闸管开关的主要缺陷是断开能力不可控。所以在一个周期内只能开合一次使用。但由于电力系统的中采用的新发明的半导体部件，比如IGBT和GTO，也可以用来开断系统电压和功率,电力传输系统领域中产生了另一项改良，其中最重要的就是VSCs（电压源换流器）的使用。它的主要特征是不需通过诸如电容器或电抗器这样的产生或吸收无功电力的装置就能达到产生和吸收无功功率的目的。所有根据VSCs设计的灵活交流输电系统设备都称为新一代灵活交流输电系统装置。原因是和其它带晶闸管运行的设备相比，它有着显著的特性。灵活交流输电系统装置已成为现实，并将改变工程师规划和运作电力系统的方式。这些设备可在输电线路串联、并联或串并联，并控制传输系统的稳定运行和瞬态过程系统动态工况。现在，我们来详细描述一下每个装置。

静态同步补偿器（STATCOM）STATCOM是并联应用于输电线路的，可以在转换器能力范围之内动态调整所需无功功率。转换器输出一受控电流，其有功分量自动用于平衡直流联接电容器中所需有功功率，而其无功电流分量则作用于理想参考等级。STATCOM运行模式如下：无功功率（Var）控制模式：在无功控制模式中，基准输入是一个感性或容性的无功需求。转换器把无功标准转换成相应的电流需求，并且调整转换器的门极从而得到所需的电流。自动电压控制模式：在电压控制模式中（通常使用于实际应用），转换器的无功电流会自动调节，使在连接点处输电线路电压保持处于一个标准值。

静态同步串联补偿器（SSSC）静态同步串联补偿器是串联安置在输电线路中并注入一个幅值和相位受控的电压。所注入的电压总是直接或间接的用来控制线路里的潮流。然而，所注入的电压依赖于SSSC在控制潮流时所选定的运行模式。其主要运行模式如下：

线路阻抗补偿模式：当注入的电压保持正交于线路电流时，从线路上看，串联接入等效为一个阻抗，从而等效于纯无功（感性或容性）补偿。这一模式可用来与系统中现有的串联电容线路补偿器相匹配。

自动潮流控制模式：由于注入电压的幅值和相角得到控制，所以能迫使线路电流在线路中产生所期望的有功、无功潮流。在自动潮流控制模式中，串联注入电压由闭环控制系统自动连续调整，以确保在电力系统产生变化时也能维持期望的有功和无功潮流。

统一潮流控制器（UPFC）

UPFC是FACTS中一种独特的设备，以串联和并联的方式运用在输电线路中（图1）。UPFC由两个VSC和一个直流连接电容器组成。其中一个转换器用于串联，另一个用于并联。有功所需的串联转换器和并联转换器都可以采用STATCOM的运行模式。并且通过在输电线路上注入串联电压，串联转换器不仅可以以SSSC的模式运行，还能以如下模式运行：

直流电压注入模式：串联转换器可以产生一个满足基准输入所需的幅值、相角的电压。当一个独立的系统最优控制要匹配UPFC和电力传输系统中其他FACTS控制器的运行时，采用此模式是有利的。直流电压注入模式的特殊功能情况包括那些有特定控制目标的，比如，为了控制电压幅值，保持注入电压与系统电压保持同相，或为了控制“正交增压“而与系统电压保持正交，或与线路电流保持正交，以产生一个可控无功串联补偿。

母线电压调制和控制模式：注入电压与输入的母线电压保持同相，并通过控制它的幅值使输出母线电压幅值保持在给定基准值。

相角调制（移相器）模式：注入电压根据输入母线电压（Vi）的调整，使得输出母线电压（Vo）与基准输入（Vi）的规定相角相比相位发生偏移，而其幅值没有任何变化。一个特定相移发生的案例是，当注入电压与Vi保持正交时，就类似于正交增压器。

UPFC电路结构通过断开串联转换器和并联转换器的共同直流终端，并将电容器组分开，可使串联转换器和并联转换器各自独立运行。这样，并联转换器就能像独立的STATCOM一样运行，而串联转换器就像独立SSSC一样运行。当然，在这样的独立模式中，两者都不能吸收或产生有功功率，因此这种模式只可能在无功领域内运行。这样，串联转换器在控制模式是就很受限制。

电力调节器在竞争日益激烈的电力行业，提供波形偏差很小的可靠的电能在确保用户满意方面变得越来越重要。一些电能质量问题比如电压骤降、电压骤升、电压毛刺和由于短时间断电等而引起的计算机处理信息错误，估计已经使美国经济每年损失260亿美元。另一方面，大量工业和私人用户的新设备是基于电力电子的非线性负荷，因此引起电压抖动、闪烁、谐波和电压的不对称性。将来，应用于系统中的此类设备的数量还会增加。电力调节器是典型的基于IGBT PWM转换器的设备，它以串联、并联、或是串/并联的方式连接到中压配电系统中。选择哪一种设备来提高电能质量取决于问题的根源。在这一部分将介绍一下电力调节器的种类。

配电静态同步补偿器（DSTATCOM）

配电静态同步补偿器是三相耦联平行于网络和负荷的。配电静态同步补偿器在公共耦合点注入电流。注入的电流补偿了负荷电流中不合需要的部分。它有两种可能的运行模式：标准模式和闪烁模式。

标准模式：这种模式的特征是有四个不同的控制任务。用户可指定一个优先权名单，并定义手头上最重要的控制任务。在标准模式下，DSTATCOM可以同时执行以下四项任务：

有源滤波：测量从负荷流向网络上的电流并分解为基波分量和谐波分量。DSTATCOM注入电流后，那些不要的谐波电流就仅在DSTATCOM和负荷之间进行交换，也就不会流入到网络众。与宽带滤波相比的优点是，DSTATCOM可以滤除某些离散谐波（比如5次谐波和7次谐波），最多同时可以滤除4个离散谐波。在这种方式下，标准设备最高可以滤除13次偕波。根据DSTATCOM的电能和经济性调查报告，只要有问题的谐波都被滤除了。

无功补偿：在电容和电感的模式下，DSTATCOM都可以动态提供递减的无功功率。在这个模式下也可控制功率因数。

动态负荷平衡：DSTATCOM可以在公共耦合点注入正序和负序电流。这样就有可能消除负荷不平衡所产生的负序电流，从而实现动态负荷平衡。

有功传送：像化学能电池和储能轮系统这样的蓄能装置与直流联结电容器相连接实现了能量向电网中的传送。

闪烁模式：总体说来，要降低闪烁叠加在网络电压上所产生的负面影响，需采用一种能补偿不同负荷电流的高度动态的方法。闪烁控制器的特征是能在短于半个周期时间内控制电流，使其能减少负荷电流的变化，具有很高的动态性能。

由于断电而引起供电网络的短暂断开，储存电能的并联设备便可以在断电期间传送电能。在这一应用中电力调节器所起作用和UPS在断电时所起的作用一样。打个比方：为了实现负荷不受干扰的持续运行，必须立即使用电子开关切断供电，而并联的电力调节器立即开始像发电机一样地运作。当供电故障排除时，电力调节器将再次同步退回到系统中，并且电子开关也将重新合上。

动态电压调节器（DVR）DVR注入的电压分量与供电电压串联，因此可看作一个受控电压源，补偿负荷侧的电压骤降和骤升。控制响应要求3个毫秒,以保证在暂态网络中提供一个可靠电压。与负荷电流对应的任意相上的电压注入说明其有功功率传送能力。这种有功功率通过直流联接进行传送，并通过一个与交流电网相连的二极管桥，或一个并联的PWM转换器，或一个蓄能装置来实现供给。

统一电力质量调节器（UPQC）为了使敏感负荷远离电能质量不佳的电压源，最好的保护措施是采用串并联连接的电力调节器（UPQC），在这种保护方式下，当电压出现骤降时，其并联部分将为串联部分提供所需要的电力。UPQC由两个PWM转换器和一个直流联接电容器组成。不论由并联转换器提供了多少有功功率，串联转换器依然可以应用DSTATCOM模式。串联转换器在供电电压上注入一个串联电压，就可以同时具有DVR的优点。如果并联转换器所起的作用仅仅是作为串联转换器的电源（类似一个二极管桥），那么，UPQC将在运行上与串联连接的电力调节器没有任何区别，称作DVR。

灵活交流输电系统和灵活交流配电系统设备的比较

不论是STATCOM和DSTATCOM，SSSC和DVR还是UPFC和UPQC表面上看都有着相似的结构，但就像前面提到的一样，由于输电和配电系统各自的特殊要求，使我们能够观察到这两类元件的不同特性。因为像IGBT这样的电力电子设备非常昂贵，所以他们制造费用过于昂贵。比如说，一个几百MVA的UPFC的造价高达100美圆/KVA。所以为了取得最佳的设计和最优解决方法，我们可以使用计算机仿真，在制造它们之前对它们在最恶劣条件下的表现进行评价。这样的系统还可以用于远距离输电，并且由于它能够替代传统的最高达数百MVAs的高压直流系统而被受关注。它最大的好处是不需要无功功率并且电流畸变很小。轻型高压直流传输技术是一个将转换器与电缆整合为一体的输电系统。高压直流光波尤其适合用于长距离的电缆，因为存在有容性充电电流和系统阻抗，这使得采用交流电缆是不可行的或是不经济的。就像在Fig.1中显示的那样转换器可能含有储能系统，如：电容器组,储能轮系统，超导磁储能(SMES)或者化学电池。这些储能系统必须与PWM转换器的直流电容器相连接。

结论

本文总的回顾了技术工业和电力元件的新附加装置，电力元件的各种拓扑结构，以及电能和电压控制器。也讨论了最著名的FACTS 和DFACTS两个系统并且改进了它们各自的运行模式。我们可以用FACTS设备来解决输电系统中的问题。一方面，就效用而言，电力调节器可以为客户提供合格的电压质量和供电可靠性；另一方面，客户可以在自己的工厂内自主的确立起其所需的电能质量。电力输电和配电系统的体制正在进行改革，这必定会推动这些新技术的发展和应用。