深度解析FACTS技术的结构和应用

20世纪70年代初，利用反并联的晶闸管对作为交流开关来投切电容和电抗的技术被开发出来。由于晶闸管可以在一个电源周期中开关两次，就提供了一个通过控制其导通角对没有旋转部件的电抗器吸收的无功功率进行快速控制的手段。这种静止无功补偿器（SVC）由于具有控制灵活及响应速度快等优点，所以迅速取代了同步调相机，成为电力系统的一个基本组件。

上述线路换相变流器的一个重要局限就是器件只能在外界电压作用下使电流过零时关断，所以电流总是滞后于系统电压，换句话说，变流器始终呈感性，需要消耗无功功率。当需要进行容性补偿时，则需并联附加的电容器组。因此，开发不依赖于电源电压进行换相的强迫换相型变流器自20世纪50年代以来就一直是电力电子技术人员关注的焦点。但由于器件水平的限制，需要采用复杂的强迫换相技术，从而限制了其广泛应用。

随着电力电子技术的迅速发展，20世纪80年代出现的以GTO晶闸管、IGBT和前些年出现的以IEGT、IGCT为代表的大功率可关断器件为电力电子技术在电力系统中的应用开创了崭新的时代。利用可关断器件构成的电压源（或电流源）逆变器经适当的电抗器与交流系统相连，而利用调节变流装置输出电压和系统电压之间的相位差来在变流装置和交流系统之间进行有功能量的交换，或通过调节变流器输出电压的大小来对变流装置从系统吸收或向系统输出无功功率进行控制。基于上述技术以无功功率补偿和改善系统稳定性为目的的并联±80MVA静止同步补偿器（STATCOM）于1993年在日本关西电力的犬山变电所投入运行，和以控制系统潮流和无功补偿双重目的的±160MVA统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）于1999在美国TVA Sulivar变电所投运，标志着基于全控器件的自换相变流器在电力系统中的应用技术已经基本成熟。而近年推出的可转换式静止补偿器（CSC）则更是根据需要利用耦合变压器对基本控制器进行不同的组合，使得装置具有更大的灵活性，真正达到了对电力系统实现柔性控制的目的。

根据IEEE（电气与电子工程师协会）的定义，“所谓柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission System，FACTS），即是装有电力电子或其他静止型控制器，以加强可控性和增大电力输送能力的交流输电系统。”由于决定交流输电系统输电能力的几个基本参数为线路阻抗、功率传输角和输出入端电压，所以“FACTS控制器是可以提供一个或多个控制交流系统参数的电力电子型或其他静止型设备。”图6-1给出了典型FACTS控制器的基本工作原理。

图6-1 主要FACTS控制器工作原理

包括上述各种电力电子装置在内的控制器正是FACTS控制器的重要组成部分。而基于各种不同概念，如串联、并联、混合的，电力电子的，电磁的，……形形色色的控制器正在不断地丰富FACTS家族，为交流电力系统的安全高效运行提供保证。而与之同步，直流输电系统也从不断发展的新型大功率器件和变流系统结构中得到新的动力，比如，自换相变流器由于可以通过控制直流输电换流器的开通与关断时刻来控制电流的相位，进而控制换流器所产生的无功功率，因此消除了传统高压直流输电系统（HVDC）在弱交流系统之中应用的障碍，进一步扩展了其应用空间。实际上，HVDC和FACTS作为大功率电力电子技术在电力系统中应用的两个分支，其技术可以说是互补的。FACTS技术的应用领域在具有相同频率的交流系统之中，它通过控制交流线路的电压、电流和功率来提高线路的可用功率。在该领域采用HVDC技术，由于需进行交直和直交两重变换，所以所需变流器的容量为前者的两倍，而价格大约为前者的六倍，所以在该领域除了超长距离输电和海底电缆输电外，HVDC系统的价格显得过于昂贵，限制了其应用。但是对于将两个频率不同的系统进行互连，或希望对频率进行控制时，如采用FACTS技术将需要360°的移相器，价格将变得非常昂贵，此时HVDC将显示出其优点。HVDC的主要优点在于它所传输的仅是有功功率，故可以保证系统免受由于无功功率流动所造成的交流电压变化的影响，同时由于直流功率的传输不受线路电抗的影响（也即完全独立于功角变化）和交流系统中频率的变化，因此成为连接不同频率或频率控制方式不能兼容的电力系统的手段。虽然两种技术之间在某些领域中的竞争是不可避免的，但在更多领域，作为并行不悖的技术，两者均将得到迅速的发展和应用。

表6-1给出了上述两种技术的基本结构和特点，以及其在实际系统中的适用性。包括随着基于开关器件的所谓轻型直流输电系统（HVDC-LIGHT）的进展，FACTS和其一起成为并行不悖的技术，在输配电系统中得到不断地发展和应用。而表6-2与表6-3则给出了电力系统中动静态问题及解决方法。可以看到，表中所列的FACTS控制器中绝大多数的原理和结构均可以在输配电系统中得到其应用，成为选用工业企业电能质量控制器的重要参考。

表6-1 FACTS和HVDC控制器基本结构

（续）

表6-2 FACTS装置在电力系统稳态补偿时的应用

表6-3 FACTS装置在电力系统动态补偿时的应用

注：A—远地发电，径向线路；B—互连电网；C—紧密的环形网络；D—松散的环形网络。(www.xing528.com)

表6-1～表6-3中控制器的中文译名如下：

BESS：电池储能系统；

MSC、MSR：机械开关投切的电容器和电抗器；

NGH：Hingorani发明的振荡阻尼器；

PAR：相移控制器；

SCCL：超导限流器；

SMES：超导储能系统；

SSSC：静止同步串联补偿器（Static Synchronous Series Compensator）；

STATCOM：静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator）；

TCPAR：晶闸管控制的相移器；

TCR：晶闸管控制的电抗器（Thyristor Controlled Reactor）；

TCSC：晶闸管控制的串联补偿器（Thyristor Controlled Series Compensator）；

TSBR：晶闸管投切的制动电阻；

TSC、TSR：晶闸管投切的电容器和电抗器（Thyristor Switched Capacitor or Reactor）；

TSSC：晶闸管投切的串联电容；

UPFC：统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller）。