柔性交流输电和配电系统1.7.1的优化方案

在图1-12所示的输电系统中，首、末端电压为、，相差角为δ，线路电抗为X_L，则传输功率P_r、Q_r为

改变电抗X_L，改变首、末端电压、的大小及相角差δ三个运行参数，即可调控输电线传输的有功、无功功率。图1-12a中将电容C经机械开关MCB（Mechanical Circuit Break-er）连接到线路中点M（或末端R点），电容C向线路注入感性滞后无功电流（或线路向电容C流入容性超前无功电流）时，输电系统得到并联无功补偿，使流经线路的无功电流减小，减小了线路压降，提升末端电压。如果接入了一个电感，则将减小末端电压。这种并联补偿无功功率、改变电压，可调控输电功率。图1-12b中将电容C与机械开关MCB并联后，再串联在线路上，可使线路串联接入或切除容抗X_c，对线路进行串联电容补偿，从而改变输电线等效电抗，调控输电功率。在图1-12c中，电源变压器TP₁的二次绕组电压V₂经开关MCB和输出变压器TP₂，在A相线路上串联插入一个补偿电压ΔV_A，使线路首端A相电压变为，如果变压器TP₁的一次绕组接在电源A相电压上，则应与同相，串联补偿电压ΔV_A只改变线路首端有效电压V_sAeff的大小，相位不变；如果变压器TP₁一次绕组接在电源B、C两相线电压V_sBC上，则将与A相电源电压相差90°，将改变线路首端有效电压V_sAeff的相位角δ，从而改变线路传输功率。因此可以利用开关MCB的通、断控制，对输电线电压进行串联补偿，改变线路首端等效电压大小和/或相角，调控线路的传输功率。

传统电力系统中最基本的控制器件是机械式开关（或断路器），如图1-12a～c中MCB所示。机械式断路器开关依靠触点的机械位移通、断电路，速度慢（例如通、断转换时间长达20ms，在50Hz交流系统中20ms长达电压、电流瞬时值正弦变化360°的一个周期），不可能按电源电压、电流的相位要求快速、精确的实现电路开通或关断，只能相隔很长时间实现一次慢速的接通、关断电路，更不可能在一个电源周期内高速多次地通、断电路。因此，机械开关不可能使图1-12a～c中并联补偿量、串联补偿量连续、快速地调控。

与机械开关不同，基于半导体PN结单向导电特性研制的固态电力电子开关器件，仅靠外加较小的电压或电流即能使之开通（从断态变为通态）或关断（从通态变为断态）。图1-12d～f中的VT是半控型半导体电力电子开关晶闸管，在外加驱动电流作用下立即开通，此后在一个电源周期中，电路电流为零时自然关断。图1-12g～j中的开关管V是全控型电力半导体开关，如绝缘栅双极型晶体管IGBT，外加驱动电压后立即开通，撤除驱动电压后，立即关断。电力半导体开关的开通、关断时间仅为微秒级（几微秒到几十微秒），比机械式开关快上千倍。在图1-12d～f中，在交流电源每个周期（20ms）中，可按电源电压的相位精确地改变晶闸管VT的触发开通点（相控），从而改变一个电源周期中并联补偿输出的电流大小，或改变串联补偿输出的电压大小和传输线路的功角，实现输电线传输功率的快速、连续、精确调控。在图1-12g、h中，采用全控型开关构成电力电子变流器，在每个交流电压周期中，对四个开关管V₁、V₂、V₃、V₄进行实时、适式的高频脉冲宽度调控，即可调控变流器交流侧输出电压或电流的幅值和相位。在图1-12g中，若令变流器输出电压与并联补偿点M的电压同相，则变流器输出给线路的电流I_L为无功电流，将改变线路无功电流，实现并联无功补偿，这种并联补偿器被称为静止同步无功补偿器（STATCOM）。在图1-12h中，若指令变流器输出的电压与同相，则串联补偿电压与同相或反相，，可调控线路首端电压V_seff的大小。若图1-12h中直流侧有直流电源E，则调控的幅值和相位，使串联补偿电压与相差一个角度，则变流器既可向线路串联注入容性或感性电压和无功功率，又可与线路双向交换有功功率，使输电线的可控性更优良。因此，图1-12h被称为静止同步串联补偿器（SSSC）。图1-12i中是一种双变流器的串、并联综合补偿系统。并联变压器PT₂的二次绕组经变流器Ⅱ输出直流电压V_dc，变流器Ⅰ的交流侧输出串联补偿电压，是与同相的有功电压，是与正交的无功电压，在一个交流电压周期中，对变流器Ⅰ的四个开关管进行改变脉冲宽度、高频地通、断控制，调控输出电压的幅值和相位，改变串联补偿电压中的有功分量和无功分量，则变流器的输出既可调控线路有功功率，又可独立调控线路的无功功率。在图1-12i中，当变流器Ⅰ向线路输出（或输入）有功功率时，应控制变流器Ⅱ经变压器PT₂从电网输入（或输出）有功功率，使直流电压V_dc恒定不变。此外，无论变流器Ⅰ向线路注入有功功率或从线路吸收有功功率，变流器Ⅱ都可被控为独立地经变压器PT₂向电网并联输出或输入感性无功功率，具有独立并联无功补偿功能，因此，图1-12i由两个变流器构成的串、并联综合补偿系统被称为统一潮流控制器（UPFC）。在交流输电系统中引入电力电子变换和电力电子补偿控制技术，广泛应用类似图1-12d～i各类电力电子补偿控制器，将能使交流输电的可控性发生革命性

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图1-12 电力系统补偿控制基本原理

变革，使交流输电系统发展成为其运行工况和运行参数能实现快速、连续、精确、灵活的协调控制，确保交流输电系统的安全、经济、高效、优质运行。这种交流输电系统被称为柔性（灵活）交流输电系统（Flexible AC Transmission System，FACTS）。

除交流输电外，由半控型电力电子开关晶闸管构成类似图1-12i中所示的交流/直流-直流/交流两级变流系统，可实现直流输电。输电线首端的交流电压V₁经变流器Ⅰ变换为直流电压V_dc（整流），再经直流输电线路直流输电到线路末端，对变流器Ⅱ供电，变流器Ⅱ将直流再变换为交流电压（逆变），实现直流输电。由于电力电子开关型变流器具有优良的快速、连续、精确、灵活的可控性，这种直流输电系统具有优良的控制特性，也可视为一种柔性输电系统。

至今，电力系统的配电系统中仍广泛使用机械式断路器，控制配电电路或负荷支路的通、断。采用电力电子开关可以构成固态（电力电子）断路器或限流式固态断路器，不仅能快速通、断电路（包括快速切断故障支路，或实现重合闸），还可在短路支路中引入限流阻抗，限制短路电流。在配电网络中引入限流式固态断路器取代机械式断路器，是从事电力装备研制和运行人员长期以来企盼的先进技术。限流式固态断路器、机械-电力电子混合型限流断路器对配电系统的安全运行，柔性化、智能化运行具有重大意义。

图1-12d～图1-12i中各类可用于柔性交流输电系统的电力电子变换器和补偿控制器，也同样适用于配电系统。由于配电系统电压较低，容量较小，柔性配电系统中的电力电子设备研制和推广应用实现难度要小得多，而用量大得多，有广阔的应用市场。