柔性交流输电

第一节一、FACTS的概念FlexibleACTransmissionSystem,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semiconductorrectifier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silconcontrolledrectifier—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（POWERMOSFET）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3000A4500VIGBT样品。日本东芝公司2003年生产的MG1200FXFIUS531IGBT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。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P+NPJ1J2ECBBCEN+PNJ1J2ECBBE对于NPN双极型晶体管，Uce0，J1正偏，J2反偏（用以承受正向电压Uce）。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场此时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+INEINE大部分流向集电区，对IC有贡献。发射率γ=INE/IE，β=IC/IB⑧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。饱和区放大区截止区Ib=1.5mAIb=1mAIb=0.5mAIb=0⑪二次击穿二次击穿是大功率晶体管损坏的主要原因。IB0,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。二次击穿一次击穿IB0ICUCE⑫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。B)AA)GKP1N1P2N2J1J2J3P1AGKN1P2P2N1N2NPNPNPAKIGIKIc2Ic1IAV1V2GKGAP1N1P2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。J1J2J3P1N1P2N2由J1结注入空穴复合由J3结注入电子I0α1Iα2IAGKI=α1I+α2I+I0→I=I0/[1-(α1+α2)]在thyristor器件设计中，α