柔性交流输电系统（FACTS）控制器简介

以机械式开关（通、断电路）、电机（励磁）、变压器（改接绕阻）等电力机械设备为调控手段的传统交流输电系统实际运行已近百年，但可控性较差，难于实现交流输电的安全、经济、高效、优质运行。在传统的交流输电系统中，引入电力电子补偿控制器可以快速、精确、灵活、有效地调控交流输电线路的等效阻抗、节点电压和功角，增大交流输电的极限传输功率，提高运行稳定性，实现交流输电的安全、经济、高效、优质运行。在输电系统中装备电力电子补偿器也可在一定程度上改变输电系统结构，适应稳态、暂态不同运行工况的要求。应用电力电子控制技术，可使交流输电系统获得快速、精确、灵活、柔性化的控制特性，这种交流输电系统被称为柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission Systems，FACTS）。随着交流输电运行功能要求的扩展和电力电子技术的发展，柔性交流输电系统中所采用的电力电子补偿控制器的类型也越来越多（参见柔性交流系统中的电力电子装备和系统汇总表）。按技术实现途径分类，交流输电系统中现已使用的电力电子控制器可分为以下两类：

1）采用晶闸管开关电路的电力电子控制器；

2）采用全控型开关器件电压源或电流源变流器的电力电子控制器。第5章和第6两章中从并联补偿和串联补偿两种应用讨论了采用不同类型的控制器，单独调节输电线三个运行参数（电压、阻抗和相角差）控制节点电压和传输功率。本章将研究柔性交流电力系统综合补偿控制，图7-1和图7-2分别给出采用晶闸管开关电路和采用全控型开关变流器实现并联、串联补偿控制的柔性交流输电（FACTS）统一控制器框图，可实现交流输电系统的综合补偿和控制。

图7-1 基于晶闸管控制的柔性交流输电（FACTS）控制器

图7-2 基于电压源变流器的柔性交流输电（FACTS）控制器

图7-1是第一类采用晶闸管作为开关器件的各种并联、串联补偿控制器的结构和特性。这一类包含晶闸管变阻抗型静止无功并联补偿器SVC（TSC、TCR），晶闸管控制的串联电容器TSSC、TCSC和晶闸管控制的电压、相位角调节器（TCVR和TCPAR）。它们与机械断路器控制的电容器、阻抗器和机械式切换变压器绕组抽头在电路结构上有类似之处，但与之相比具有更快的响应速度和更灵活有效的控制功能。(www.xing528.com)

图7-2是第二类是采用全控型自关断开关器件（GTO、IGBT、IGCT等）变流器型静态同步电压源补偿器。它包括了静止同步并联补偿器（STATCOM）、静止同步串联补偿器（SSSC）、动态电压恢复器（DVR）和静止电压和相角调节器等。它们的工作特性都类似于理想同步电机，但能实现几乎瞬时响应的快速控制功能和独立于系统电压（并联运行时）和系统电流（串联运行时）的控制特性。

图7-1和图7-2这两类控制器最显著的不同是第一类控制器通常仅有单一功能：这些控制器或仅是无功补偿器（例如SVC和TCSC），不能和交流系统交换有功功率，或者仅是能够与交流系统交换有功功率的调节器（例如TCVR和TCPAR），而不能输出滞后无功功率，从而不能提供无功补偿。第二类控制器则同时具有两项能力，既可以与交流系统交换有功和无功功率，控制器自身又可以主动发出或者从交流系统吸收无功功率，不需电容器或者电抗器就可以提供无功补偿。同时，还可通过另一个独立电源或者储能装置与交流系统交换有功功率，发出或者吸收有功功率。

在第5章和第6章中，并联无功补偿和串联无功补偿是以电压源变流器为基本元件的同步电压源。它们通过变流器产生并联和串联无功补偿来实现对电压和功率潮流的有效控制。在第6章中基于变流器的电压和相位角控制涉及与交流系统的无功和有功功率的交换。下面7.2节中将要介绍的如图7-3a所示统一潮流控制器UPFC，由两个电压源变流器构成：变流器Ⅰ的输出电压串联在线路中，称为串联变流器；另一个变流器Ⅱ的输出并联在首端电源上，称为并联变流器，并且两个变流器共用一个直流电容。图7-4中串联变流器与电网交换的全部伏安容量由串联注入电压和线路电流决定。并联变流器Ⅱ与电网交换的全部伏安容量由电网电压和并联变流器从电网输入（或输出）的电流决定。两个变流器向电网输出的无功功率由各变流器自身产生，而向电网输出的有功功率则经由直流环节（直流公共端母线电压）供给。并联变流器Ⅱ的主要功能是为串联变流器提供所需交换的有功功率。有了并联变流器提供的有功功率支持，串联变流器Ⅰ可获得在额定容量内与交流系统交换任意有功功率，具有类似理想交流发电机的工作特性。这种装置超越了常规电压调节和角度控制，成为一种高效且功能强大的柔性交流输电（FACTS）控制器。该装置具有在P+jQ复域平面上的全部四个象限工作的能力，这种背靠背的两个电压源变流器装置实际上相当于一种在两个交流端之间可在四象限运行的AC-AC变换器。它为实现功能强大的多功能FACTS控制器提供了基本的执行单元。

图7-3 背靠背双变流器的四种应用结构

图7-3所示基于两个（背靠背）电压源变流器的组合变流装置有许多应用领域和潜在的应用功能。这种串、并联组合的双变流器装置提供了四种可能的应用结构。第一种如图7-3a所示，双变流器置于输电线首端，其背靠背装置中的一个串联变流器Ⅰ的输出电压V_pq串联注入线路，类似第6章中介绍的SSSC，另一个变流器Ⅱ并接在线路首端上，类似第5章中介绍的STATCOM。在输电应用中，这种装置一般称为统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）。UPFC中STATCOM、SSSC可像第5、6章中一样的单独应用，也可像图7-3a所示组合成UPFC，其功能更强，性能也更好。第二种如图7-3b所示，双变流器的背靠背装置中的两个变流器分别串联在不同的线路中，这种装置被称为线间潮流控制器（Interline Power Flow Controller，IPFC）。第三种如图7-3c所示，双变流器置于负荷端（线路末端），其中并联变流器Ⅱ输出的电流i_C中含有无功电流和谐波电流，补偿负荷电流i_C中的无功和谐波电流，而串联变流器Ⅰ输出串联补偿电压V_C补偿电网电压V_s中的谐波电压，同时又调控电源电压V_s中的基波电压V_s1，使电源电压V_s中的基波电压V_s1与串联补偿电压V_C中的基波电压之和达到负荷所需的额定基波电压V_r，其结果是即使电网电压V_s含有谐波，且其基波V_s1≠V_r。同时负荷电流又含有谐波电流和无功电流时，通过两个变流器的联合调控也可使电源线路电流i_S中无谐波电流，无无功电流，功率因数为1，同时负荷端无谐波电压且基波电压为负荷所需的额定值V_r，故称之为统一电能质量控制器。第四种如图7-3d所示，控制器中两个变流器分别并联在两个不同的电力系统中，这种装置的功能相当于一个异步耦合节点，也可称作背靠背STATCOM耦合节点，可连接两个不同步的交流电网。背靠背STATCOM耦合节点的结构和运行原理也类似于第4章中的高压直流输电系统中的轻型直流输电AC-DC-AC变换系统。已经得到广泛应用的交流电力传动系统中的AC-DC-AC间接变频电源也是这种变流结构。