柔性交流输电系统的基本概念讲义

柔性交流输电系统课程的主要内容柔性交流输电系统概述电压型变流器并联补偿与静止无功补偿器静止同步补偿器串联补偿器电气与自动化工程学院·1.1现代电力系统概述1.2FACTS的功能和定义1.3FACTS控制器分类与简介1.4FACTS发展应用第一章柔性交流输电系统的基本概念电气与自动化工程学院·1875年，比利时工程师格拉姆将改造后的发电机安装在法国巴黎北火车站发电厂，该厂是世界第一座火电厂，专供弧光灯用电一、电力系统发展概况1.1现代电力系统概况电气与自动化工程学院·第一个完整电力系统由爱迪生在纽约城历史上有名的皮埃尔大街站建成。1882年9月投入运行，由1台蒸汽机拖动直流发电机经过110V地下电缆供给半径约1.5km面积内的59盏白炽灯。直流电力系统：发电机、电缆、熔丝、电表和负荷一、电力系统发展概况电气与自动化工程学院·一、电力系统发展概况初期采用直流，其无法远距离送电的局限性显露出来，输电要高电压，而发用机电压低，需要采用基于交流的变压输电技术19世纪90年代交直流标准之争，爱迪生主张直流，西屋偏好交流，激烈辩论1888年，特斯拉获得了交流电动机、发电机、变压器和输电系统的若干专利1891年，第一条三相交流高压输电线路在德国运行，从拉芬镇到法兰克福全长178公里，电压15.2kV，输送功率200kW电气与自动化工程学院·1889年，北美洲第一条单相交流输电线路在俄勒冈州的威拉姆特瀑布和波特兰之间建成并投入运行，输电电压为4kV，距离为21km到1995年世界上交流输电的最高电压已达了1150kV,输送距离最长为1900km，设计最大的单机容量为1300MW，但多降压运行高压交流（highvoltagealternativecurrent,HVAC)输电电压等级标准化，我国高电压等级为110kV、220kV和330kV，超高电压等级为500kV和750kV,特高压等级为1000kV一、电力系统发展概况电气与自动化工程学院·50年代，随着半导体技术的发展，基于整流、逆变的远距离、大容量直流输电技术（highvoltagedirectcurrent,HVDC)得到了广泛应用瑞典于1954年在该国内陆与哥德兰岛之间建造的10-20MW直流输电系统1972年前后，首个采用晶闸管的全固态商业化HVDC，伊尔河背靠背（backtoback）工程投入运营。现时全球输电距离最长的高压直流输电系统，是位于我国境内的向家坝水电站至上海之间的±800kV，6400MW输电系统，全长2,071公里。2009年，瑞士ABB集团和西班牙Abengoa集团合作，开始建设连接巴西西北部两座新水电站和圣保罗的超过2500公里输电线路。该线路预计将在2012年建成，建成后将成为世界最长的高压直流输电系统。2004年，50年之际，全球HVDC工程95项，总传输容量高达70GW，同时加快了对更高电压等级（1000kV，1200kV)和轻HVDC（HVDClight）的研究一、电力系统发展概况电气与自动化工程学院·特高压交流-直流输电电气与自动化工程学院·多种一次能源除传统火电、水电外，可再生能源发电技术日益完善，分布式发电系统在电网中所占比例逐渐上升机组容量增大发电机组单机容量和大机组占总装机容量的比例不断提高，2004年世界上最大火电机组和水电机组达到1300MW和700MW，分别安装在美国的Cumberland电厂和我国的三峡水电站高电压、远距离和大规模互联电网输电如美加联合电网和西欧联合电网，我国形成了东北、华北、华中、华东和南方五大区电网的交直流互联二、现代电力系统的特点电气与自动化工程学院·更加重视电能质量精密加工工业、自动化生产线等对电能质量要求较高自动化水平大大提高能量管理系统（energymanagementsystem/supervisorycontroldataacquisition,EMS/SCADA)，广域测量系统（wide-areameasurmentsystem,WAMS),区域稳定控制、管理信息系统（managementinformationsystem，MIS）等电力工业逐步引入市场化机制我国十五期间的“厂网分开，竞价上网”大停电事故对社会的影响日益增大二、现代电力系统的特点电气与自动化工程学院·电网互联的优点合理利用能源，有利于各种资源的开发——西电东输、南北互供80％的水能资源分布在四川、云南西藏等西部地区煤炭资源保有储量的76％分布在山西、内蒙古、陕西、新疆等北部地区陆地风能主要集中在“三北”地区（东北、华北北部、西北）我国2/3以上的能源需求集中在东中部地区提高供电可靠性减少备用容量可安装大容量发电机组，有利于降低造价，单位电量能耗小有利于安排检修计划提高经济性二、现代电力系统的特点电气与自动化工程学院·京津唐长江三角洲珠江三角洲北通道中通道南通道西电东送电气与自动化工程学院·三、提高传输容量？电网的传输容量是指电网在一系列的约束条件下能够传输功率的能力。热稳定极限设备上限温升对应的传输功率设备绝缘极限设备的允许工作电压通常不超过额定值的10%理想线路的极限传输功率理想线路能流过的最大功率，静态稳定极限功率电气与自动化工程学院·电力系统稳定性限制表现形式：电压稳定功角稳定频率稳定数学定义：小扰动电压稳定大扰动电压稳定时间上分：短期稳定中长期稳定三、提高传输容量？电力系统稳定性限制决定的传输容量极限小于其他因素电力系统稳定性的本质是功率平衡，需要通过快速的潮流调节来提高系统稳定性传统慢动态或者不能动态、连续调节的手段在提高稳定性方面的作用非常有限，如固定串联电容器、机械式投切并联电容器、调整移相器或变压器抽头电气与自动化工程学院·最大功率振荡幅度达500MW（湖南五岗线）,波及湖南、湖北、河南3省电网，是目前华中电网WAMS监测到的覆盖面积最大的区域低频振荡，振荡频率为0.41Hz。2008年1月21日电气与自动化工程学院·FACTS建立在电力电子或其它静止型控制器基础之上的、能提高可控性和增大电力传输能力的交流输电系统。定义1986年，美国电力系统专家N.G.Hingorani博士提出一、FACTS设备的功能和定义IEEEPESTaskForceoftheFACTSWorkingGroup1.2FACTS的功能和定义电气与自动化工程学院·FACTS代表一种灵活性更好的交流输电系统，有别于以往的交流输电系统；FACTS结构基础是电力电子器件与其它(如电容器、电抗器之类)无源元件的组合；FACTS的目的是要提高输电系统的可控性、保证电能质量，并能增强系统传输能力。一、FACTS设备的功能和定义电气与自动化工程学院·输电网：较大范围地控制潮流使之按指定路径流动。保证输电线的负荷可以接近热稳定极限，但不会出现过负荷。在控制的区域内可以传输更多的功率，因而能减少发电机的热备用。在系统短路和设备故障情况下，能够防止出现线路连锁跳闸的“骨牌效应”。阻尼可能会损坏设备或限制输电容量的各种电力系统振荡一、FACTS设备的功能和定义电气与自动化工程学院·配电领域：有效解决电能质量问题一、FACTS设备的功能和定义设备名电压跌落造成的影响制冷电子控制器电压低于80%时，控制器动作将制冷机切除，产生巨大损失可编程控制器电压低于81%时，某些新型的PLC将停止工作精密机械工具精细作业的电机，电压低于90%，持续时间超过3个周波，电机会跳闸直流电机电压低于80%，直流电机跳闸影响对象谐波造成的影响电压波峰电压波形峰值处变平，依赖电压峰值工作的设备实效中线电流中性点电流增大，中性点对地电压升高，负荷电压下降供电变压器涡流损耗增加，降低变压器使用容量功率因数功率因数降低，增大供电变压器容量电气与自动化工程学院·传统的电能质量控制设备一般都是由无源元件或是带有旋转部分的装置组成。传统的电能质量控制很多是通过调节发电机组的运行状态来实现。随着电力系统的迅速发展，完全依靠发电机组和无源元件完成电能质量的控制已经不太有效。FACTS技术的出现，使得电能质量控制的概念以及实现手段发生了根本性的变化（DFACTS设备：有源滤波器、静止无功补偿器、动态电压调节器、统一电能质量控制器、固态切换开关）FACTS装置所起到的作用大小，除了与控制技术有关外，很大程度上还取决于电力电子器件容量的大小。一、FACTS设备的功能和定义电气与自动化工程学院·010203040功率容量MVA1990198019702000年（）晶片直径（英寸）晶闸管2.5KV1KA(2)4KV1.5KA(3.5)12KV1KA(4)8KV4KA(6)GTO4.5KV2KA(2.5)4.5KV3KA(3)4.5KV4KA(3.5)6KV6KA(6)GCT4.5KV3KA(3.5)4.5KV4KA(4)6KV4KA(4)HVIGBT4.5KV0.9KA电气与自动化工程学院·晶闸管双向晶闸管MOSFETGCTGTOIGBT(Discrete)IGBTMolduleIPM器件额定容量10k100M10M1M1k100k1001010工作频率(HZ)1M10k100k1k100电力电子器件正朝着容量越来越大、频率越来越高的方向发展。电气与自动化工程学院·二、交流输电系统中的潮流控制220060Ω1280MW700MWABC600MW546.8MW22044.4422036.23220060/2Ω1280MW680MWABC600MW709.2MW22026.0822028.14增建新的电路，交流电路或者HVDC电气与自动化工程学院·串联阻抗补偿串联无功电压补偿220060Ω1280MW680MWABC600MW582.3MW22042.1722035.21-4.2Ω220060Ω1280MW680MWABC600MW582.8MW22046.2622039.334ΩB-C上采用感性串联补偿A-C上采用容性串联补偿二、交流输电系统中的潮流控制电气与自动化工程学院·22042.1722021.1360Ω1280MW680MWABC600MW582.3MW22035.214Ω在A-C线路上采用移相器220060Ω1280MW680MWABC600MW581.6MW22042.2622035.2540Ω在A-C线路中点处采用并联无功补偿二、交流输电系统中的潮流控制4.04电气与自动化工程学院·60Ω1280MW680MWABC600MW548.8MW40Ω二、交流输电系统中的潮流控制方法控制参数技术经济性建设HVDC/HVAC线路线路等效阻抗投资达、建设周期春能够，受输电走廊的限制，运行和控制简单，可靠性最高采用串联阻抗补偿器线路等效阻抗投资小、运行和控制相对复杂采用移相器相角差采用并联补偿器节点电压采用综合型潮流控制器多个参数采用综合潮流控制的方法IPFC电气与自动化工程学院·U2∠d2U1∠d1DULI=∆UL/x相位滞后∆UL90°I12U1∠d1U2∠d2P&QIx12ddd相对于端点电压来说，线路压降∆UL很小，且相位角d也很小。三、FACTS技术在输电网中的潮流控制中的应用电气与自动化工程学院·U1处有功电流：Ip1=(U2sind)/xU1处无功电流：Iq1=(U1-U2cosd)/xU1处有功功率：P1=U1(U2sind)/xU1处无功功率：Q1=U1(U1-U2cosd)/xU1U2U1sindU1cosdU2sinddIq1=(U1-U2cosd)/x(U1-U2cosd)U2cosdIp1=U2sind/xIf1f1U2sind=Ixcosf1=Ip1xU1-U2cosd=Ixsinf1Iq1x三、FACTS技术在输电网中的潮流控制中的应用电气与自动化工程学院·Pmax180°90°PowerP=——sindU1U2X0°dIU2U1U1-U2注入电压IU1-U2U2U1I三