第1章-柔性交流输电系统概述

柔性交流输电技术参考教材1、柔性交流输电系统的原理与应用谢小荣姜齐荣编著清华大学出版社2006.92、柔性电力技术—电力电子在电力系统中的应用韩民晓等编著中国水利水电出版社2007.103、高压直流输电与柔性交流输电控制装置--静止换流器在电力系统中的应用加拿大)苏德|译者:徐政出版社：机械工业第1章柔性交流输电系统概述1.1现代电力系统概述1.2输电网互联带来的挑战1.3传统解决方法及其局限性1.4新的解决方法—FACTS的诞生1.5FACTS及其控制器概述1.6FACTS与HVDC1.7电能质量与电力用户第1章柔性交流输电系统概述柔性交流输电系统（flexibleACtransmissionsystem，FACTS）的概念20世纪80年代末期，随着电力电子技术、信息技术和控制理论的进一步发展和综合应用,出现了FACTS,它旨在提高交流电网的可控性，实现灵活的潮流控制和最大化电网的传输能力.1．1现代电力系统概述1．1．1输电技术的发展历史1831年法拉第发现电磁感应定律；1882年，托马斯·爱迪生（ThomasEdson）在美国纽约建成世界上第一个完整的电力系统。这是一个直流系统，由一台直流发电机通过工110V地下电缆供给半径约为1.5km范围内的59个用户，负荷全部是白炽灯。1886年研制出交流发电机和变压器，并在马萨诸塞州大巴灵顿建立了一个由150个电灯构成的交流配电试验系统。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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，尼克拉·特斯拉（NikolaTesla）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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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）的研究特高压交流-直流输电直流与交流输电方式的辩论:低电压输电，距离发电厂越远，效率就越低，采用高电压直流输电，需要有高电压的直流发电机，而且还要根据不同情况，采用多台发电机串联运行的方式。而交流输电则可以利用简单高效的变压器升降电压，从而逐步确立优势地位。现在已普遍采用三相三线制的交流输电方式。在输电线路方面，直流输电比交流输电优点要多一些，而从发电、用电和电压升降的角度考虑，交流输电比较有利。所以，自然而然地会想到采用交流发电，用变压器升压，变换成直流后输电，然后再变换成交流，通过变压器降低到适当的电压后送至用户这种组合方式。自从开发出高电压、大容量的水银整流器制成的交直流变换装置后，直流输电再度得到实用化。直流输电的优点归纳如下：①交流输电时，如果架空输电线路距离变长，线路电抗所引起的稳定性问题限制了输电功率，而直流输电只有电阻分量，没有稳定性问题。②用电力电缆输电时，交流电对线路上的静电电容充电，充电电流和绝缘体的介质损失使输电功率和输电距离受到限制。跨海输电必须使用海底电缆，这时采用直流输电就极为有利。③如果把两个交流的电力系统用直流输电相联网，就不会受不同频率或频率波动的影响，事故发生时应不使短路电流增加，从电力系统控制方面考虑，也有很多优点。柔性交流输电系统（flexibleACtransmissionsystem，FACTS）的概念20世纪80年代末期，随着电力电子技术、信息技术和控制理论的进一步发展和综合应用,出现了FACTS,它旨在提高交流电网的可控性，实现灵活的潮流控制和最大化电网的传输能力.自20世纪50年代开始，随着汞弧阀换流技术的逐步成熟和应用,使得高压直流（highvoltagedirectcurrent，HVDC）输电重新进入人们的视野,并和HVAC输电并肩发展。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。核能发电，风能发电、太阳能发电、地热发电;新型电源，如光伏电池、燃料电池、超导储能和超级电容等;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，“西电东送”走廊的输电距离大部分在1000km以上。1.1.2现代电力系统的主要特点更加重视电能质量自动化生产线、精密加工工业、计算机系统、机器人等先进技术的广泛使用，电能质量恶化带来的影响加大，对电能质量要求不断提高。各种新型用电设备，尤其是电力电子设备应用于电网，带来了大量的谐波污染，使电能质量恶化。自动化水平大大提高发、输、配和用电一般称为电力系统的一次侧，对应地，将对电网一次侧进行控制、操作的自动化和信息系统，称为二次侧。近半个世纪以来，随着计算机、通信技术和控制理论的发展与应用，电力系统二次侧得到了巨大的发展。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”电力工业面对新的外部环境制约(火电厂)的环境污染;能源产地和主要利用能源的经济发达地区分布不平衡:“全国联网，西电东送”是我国能源政策的重要组成部分，预计到2020年，西电东送的总容量将达到约1亿kw，这对电网建设和安全运行提出了强大的挑战。电力设施占用土地资源：建设发电厂、输电走廊、变电站以及供电缆沟等，将占用更大量的土地资源；大停电事故将带来的灾难性后果，对社会的影响日益增大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1．2输电网互联带来的挑战1．2．l电网互联带来的优势和挑战电网互联的优点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提高经济性电网互联带来的挑战：系统规划与资源配置的优化问题，互联电网的协调组织，运行与管理问题，大系统的动态行为与安全性分析问题，潮流控制问题，改善稳定性以提高传输容量的问题等。以下主要讨论潮流控制和改善稳定性以提高传输容量两个问题，这也是FACTS技术所关注的核心问题。1．2．2输电网的潮流控制1．潮流控制的基本概念及其必要性如图1-1所示，电网中的两个母线节点通过高压输电线路互联，在忽略线路损耗的情况下，线路上的有功潮流由下式决定：在大型电网中，节点电压幅值受很多因素的制约（如负载和设备的耐压等），一般在额定值附近变化不大；如果不考虑电网中的无功补偿器、移相器等调节设备，电网的“自然”潮流分布将主要决定于功率注人的位置和大小，以及网络拓扑和参数。除了受制于线路载流能力而需要进行潮流调整以外，还有很多因素，使得对大电网的自然潮流分布进行控制成为必要，如：1）减少环流，实现最优潮流，降低网络损耗复杂电网中存在大量的电磁环网，参数设置不当会出现环流，增加损耗。同时，功率从一个节点流向另一个节点也会有多个通道，不同的潮流分布方式对应不同的网络损耗，如何实现损耗最小的潮流（最优潮流）成为潮流控制的重要目标之一。2）稳定性考虑通过潮流控制，使系统运行于最有利于稳定性的潮流模式下。同时在扰动发生后，通过对潮流进行动态控制，能大大提高系统的稳定性。3）电力交易市场化的基础电网是电力交易的“物流平台”，电力市场进一步的发展将要求对潮流进行精确和灵活的控制。2．潮流控制的方法电力系统的潮流是由电源、负载和网络三者共同决定的。其中负荷一般是不可控的；而大电源的布局是在电网规划过程中，根据一次能源位置以及多种决定技术经济指标的因素来确定的，投人运行后，主要由系统调度和机组控制来动态调节其输出，能在一定程度上对电网潮流进行控制；分散发电电源，虽然其可控制性和灵活性较好，但相对来说，容量较小，对主于电网的潮流控制能力较弱。以下主要介绍通过对输电网的调节实现潮流控制的方法.2．3提高传输容量1．决定传输容量的因素电网的传输容量（transfercapacity）是指电网在一系列的约束条件下能够传输功率的能力。限制电网传输容量的主要因素包括热稳定极限、设备绝缘限制、理想线路的极限传输功率和电力系统稳定性限制。（1）热稳定极限运行中的电力设备由于存在内部损耗，通常会发热并升温，而且发热量随着载流量的增大而增加，一旦载流量过大、温升达到其上限，就会破坏设备本身的机械和物理特性，使其不能正常工作。对应该上限温升值的传输功率即称为设备的热稳定极限。在电网中，主要是架空线的热容量限制传输容量。规划输电线路时，一般是在比较保守的基础上，即考虑（统计意义上的）最恶劣环境下，根据其在电网中承担的功率设计物理参数，实际运行时的传输容量一般远低于热稳定极限，存在较大的冗余。（2）设备绝缘限制电力设备的耐压值都是有限的，必须保证设备工作在允许的电压限值以内（如不超过额定值的10％）。（3）理想线路的极限传输功率（或静态稳定极限功率，staticstablltylimit）一条无损的理想线路上能流过的最大功率称静态稳定极限功率.（4）电力系统稳定性限制交流互联电网能实现功率传输的基本条件是系统稳定，即运行于正常条件下的平衡状态在遭受干扰后能够恢复到容许的平衡状态。对于发电机，稳定是维持同步运行的问题，即系统中所有的同步发电机在满足一定的电压、频率约束下能彼此保持同步运行；对于负荷，稳定是维持电压在其正常范围之内，避免负荷电压的崩溃。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