現代電力電子技術在輸電系統中的應用前瞻
韓英鐸 周禮杲(澳門大學) 王仲鴻 陳建業(淸華大學)
摘要
本文針對澳門電網進一步發展對新技術的需要，以及現代電力技術的發展趨勢，扼要綜述了預計在本世紀末或下世紀初在世界電力工業發展中具有重大技術變革意義的新技術FACTS (Flexible AC Tramsmission System)的各主要組成部分的功能、基本原理、主要技術關鍵、研究和應用的現况及前瞻。
The Prospect of Applications of Modern Power Electronic Techinques in Electrical Power Transmission System
Han Ying-duo Zhou Li-Gao(University of Macau)Wang Zhong-Hong Chen Jian-Ye(Tsinghua University)
Abstract
In line with the demands of the new technology for further development of the electrical network of Macau, and the trends of development of modern electrical technology, this paper roughly reviews the main composition、 fundamental theory、key techniques□the current situation and prospect of research and applications of new techniques FACTS ( Flexible AC Transmission System) which has been predicted that it will be ofimportant significance of technical innovation in Electrical Power Industry in the world durnig the end of this century or the beginning of next century.
Perspectivas das Aplicações de Técnicas Modernas de Potência Eiectrónica em Sistemas de Transmissáo de Transmissão de otência Eléctrica
Han Ying-Dou Zhou Li-Gao(Universidade de Macau)
Wang Zhong-Hong Chen Jian-Ye(Universidade de Tsinghua)
Sumário
De acordo com as exigências da nova tecnologia para o futuro desenvolvimento da rede eléctrica de Macau e das tendências de desenvolvimento da moderna tecnologia eléctrica, este trabalho aborda, superficialmente, a composição principal, a teoria fundamental, as técnicas fundamentais, a situação corrente e perspectivas de investigação das novas técnicas FACTS(Sistemas de Transmissáo AC Flexível ) que foi previsto que seriam de importante significado nas técnicas inovadoras da Potência Eléctrica Industrial, a nível mundial, na parte final deste século e in~’icio dopróximo.
一、前言
在1985年至1994年間澳門電網發供電能力以平均年遞增11.7%的速度較快地增長。其人均年用電量已達2955KWH，雖已高出一般發展中國家和地區數倍，但與發達國家相比尙有很大差距。這顯示着澳門未來電力無論規模還是速度都會有很大的發展。
衆所周知澳門旅遊資源豐富，商貿業發達，人口相對密集，地域緊湊。在如此寸土斗金的地區發展電力，若繼續沿襲傳統方式——靠本地多建站，多架線的方式，無論從投資、資源利用，電網運行的安全可靠以及環保等各方面考慮，均未必是上策。西方發達國家近年來正嘗試將現代電力電子技術應用於輸電系統，即FACTS技術(Flexible AC Transmission System)，可稱之爲柔性交流輸電系統，以期充分利用現有電力系統發輸電設備並極大地提高供電的可靠性。中國也在着手硏究和發展此項重大技術和裝備。這是電力技術發展的必然趨勢，相信對澳門電力工業的發展必有重要參考價値。
許多專家預言，在下個世紀初，電力工業最重大的技術變革可能就是電力電子技術在電力系統中的應用。1994年12月在倫敦召開了有關技術(FACTS)的國際會議，1995年5月又在東京舉行同樣性質的國際會議，會議認爲，該技術，已經發展到公司和企業關心的階段，這說明，就市場價格比較，已開始有可以考慮的價値。就交流輸電的能力來看，21世紀可能成爲由用提高電壓轉向用電力電子技術增加輸電能力的時代。
電力電子技術用於輸電系統，有甚麼新的優勢呢？
總括起來有以下幾點：
·大功率：以GTD爲例，額定値4500伏/3000安的器件本身重量僅約一公斤，能控制約3MW的容量。
·高速控制：可以在二十微秒內導通電流，而在十微秒內切斷電流，這樣高的控制速度，可以擺脫過去控制器因速度慢而帶來的叠加干擾。
·損耗小：僅爲千分之幾。
·控制的驅動功率小：驅動功率僅爲被控制功率的幾千分之一。
用於輸電的大功率電力電子器件∶
最早用於輸電系統的是直流輸電的可控硅(晶閘管)器件，五十年代就開始廣泛使用，由於電力電子技術的飛速發展，電力電子器件已包含多種門類，其特性是由以下三方面決定的∶
·單器件能承受的功率∶承受的功率愈大，愈便於輸電使用，也免去了需要串並聯帶來的技術問題。
·開合速度，即使用頻率∶頻率愈高，電路中所需的電容、電感及變壓器的體積愈小。
·控制的難易程度∶最早的可控硅需要在被控電流過零時才能切斷電流，被稱爲強迫換向。控制的實施線路複雜，也就易出故障，以後出現了GTO和Bipolar，它們的共同特點是可以由控制進行自關斷的，可以很方便地用於電流不過零的被控電路，但控制量是電流。最近又出現了用電壓控制的可自關斷的IGBT和MOSFET器件，它們的控制量都是電壓，不僅驅動功率小而且控制線路簡單。
東芝公司爲此描繪了一張示意圖，如圖1所示∶
圖中縱座標是器件所能控制的電力系統或設備的容量。可以看出，發展方向是高頻、易控制和大功率。
傳統交流輸電的利弊和FACTS(Flexible AC Transmission System)技術∶
很早期的輸電是用直流輸電的，但很快就發現有三方面弱點∶
·它不能利用交流變壓器易於升壓和降壓的優點，即遠距輸電需要高電壓小電流以減小線損，用電戶需要低電壓以保證安全。
·也不易由輸電途中分叉接給用戶。
·直流發電機需要換相整流子，增加了技術困難和造價。
因此很快就改用交流輸電系統，至今差不多有一個世紀。
但目前廣泛採用的交流輸電也有兩方面弱點∶
·在穩態運行中，潮流是根據阻抗特性來分佈的，不能充分利用輸電線的能力，也無法控制潮流按經濟規律運行。
·在動態過程中，出現了交流輸電特有的同步、振蕩和穩定問題。
因此現代的大功率電力系統又發展了直流高壓輸電。但現在引入了大功率電力電子器件於交流輸電，以它特有大功率、高速、低耗、精確連續的控制，代替了傳統的機械、電子和電磁的控制手段，使交流輸電系統具有高度的可控性，可克服上述的弱點，能提高輸電能力，能提高輸電的穩定性，被稱爲柔性交流輸電系統，或簡稱FACTS，具有極大的吸引力和美好的前景。
二、FACTS技術提高輸電能力的原理
與直流輸電相比，交流輸電能力受到限制，是因爲多出了線路輸電穩定極限問題。究其根本，是因交流特性中有了相角、無功和電抗三個參量。根據電子電力器件的特性和提高輸電能力的需要，可以快速地改變這三個參數。以下我們先按理想情况，說明FACTS技術提高輸電能力的原理，在下一節再說明其基本結構。
2.1並聯靜止無功補償器對於輸電能力的影響：
設如能在輸電線路的中點安裝上理想的無功發生裝置，也就是能無時滯地維持該點電壓，輸電能力就因輸電距離減少了一半而提高了一倍。
它的道理可以用以下公式說明∶
在未並聯中點無功時，
2.2可控串聯補償對於提高輸電能力的影響∶
在輸電線路中串聯容性電抗，對輸電線路所含有的感性電抗進行補償，設取串補度爲s，即線路電抗在可控串補後爲∶
由圖可知，輸電能力隨着補償度的增高而增強。
2.3可控相角對輸電能力的影響
設α爲經控制後移動的輸電相角，則相應的輸電參數變動的情况如下∶
即輸電能力並未因此提高，但對下面討論的暫態穩定卻有提高的作用。
2.4FACTS技術對於提高暫態穩定的作用
圖5是用等面積法則來說明FACTS的三種基本技術對於提高暫態穩定的作用。它說明，FACTS的這三種基本技術都能使減速面積加大，使發電機受干擾後的剩餘功率得以吸收，轉速的提高受到抑制，暫穩極限由此得到提高。
2.5FACTS技術對於阻尼振蕩的作用
圖6(a)and(b)中虛線爲未加補償時系統角度波動曲線，實線爲用FACTS控制技術增加人工阻尼後的曲線。値得提出的是其作用曲線(c，d，e)的最大値與圖a、b中擺角最大値相差
，即與擺角的導數同相，以便抑制其振蕩。
三、FACTS的基本結構
上述的一些FACTS技術可由下列一些電力電子裝置來實現，現分述如下。
(1)靜止無功補償裝置Static Var Compensator(SVC)
用晶閘管改變支路容抗和感抗的方法來吞吐無功，可靠、速度快，已廣泛使用於改善因電壓而引起的穩定問題。但無功輸出依賴於電壓，如圖7所示，另需要裝置補償其發生的諧波。
(2)靜止同步無功補償裝置Static Synchronous Compensator (SSC or StatCom)
是利用GTO管子切換電容上的電壓信號而形成的三相無功補償裝置。速度更快，無功特性基本與電壓無關，如圖8所示，不需諧波補償裝置。現已開始應用於提高穩定和抑制閃變方面。
(3)可控串補Thyristor Contrclled Series Capacitor(TCSC)：
利用晶閘管控制並聯於線路電容上的電感電流的裝置。性能可靠，用於改善潮流，提高穩定和抑制次同步振蕩。
由圖9可看出，TCSC是由晶閘管、電容器、電抗器、二氧化鋅放電器和控制器組成的裝置。在控制器作用下可以實現定阻抗、定電流、定電壓和反時限等運行方式。
(4)可控移相裝置
將靜止同步無功補償裝置的輸出接入線路的串聯變壓器中，即可形成可控移相裝置。如圖10所示。
(5)通用潮流控制裝置Unified Power Flow Controller(UPFE)
是由靜止同步補償裝置和同步串聯補償器組合而成的裝置，它可以提供有功和無功電流而無需電源，由於具有全相位的串入電壓，它可以控制(或選擇控制)輸電電壓，阻抗，相角或線路上的有功和無功電流。如圖11所示。
四、FACTS的控制、保護與監測
FACTS的諸多優點来自它的快速、精確控制。因此其控制器的設計至關重要。總起來說，控制的目標有兩個：即在穩態下控制潮流，在動態中提高輸電能力或解決安全穩定問題，但輸電能力受限制的原因是多方面的。這種多目標的控制如何解決？其次，用甚麼FACTS技術解決已明確的輸電問題最好？控制的對象是包含有非線性、不確定參數的動態大系統，採用甚麼控制方法好？以及如何能快速、準確得到控制所需的數據(數據採集和數據處理)？這些就是控制要解決的問題。
電力電子器件的快速性、高的控制功率比必然易受干擾，它的大的功率密度意味着熱容量很少、易受損壞且時間很短。這些特點帶來了保護的新問題。
監測包括投運前的預檢、穩態監視和故障記錄。
4.1FACTS的控制
(1)提高輸電能力對於控制的多目標要求：
提高輸電能力是電力系統控制的主要目的，而輸電能力受限制的可能原因是多方面的，就具體輸電線路來說，其主要因素並不相同，應對症下藥，才能取得最大效益。槪括可列表如下：
(2)各種FACTS技術的作用評價
(3)各種控制方法對提高穩定的可能作用
4.2FACTS的保護：
應分三類分別進行保護：
(1)微秒級的器件保護：組成FACTS的電力電子器件都運行在開關狀態，其相應時間在幾十微秒量級，目前還不能對器件事故而採取預防措施，通常祇能由已發生故障的特徵得知發生故障，進而採取應急措施，防止事故的擴大。由於允許措施的動作時間祇有幾十微秒，實用的辦法常用速熔保險絲過流和二氧化鋅避雷器過壓保護。另一種是採用環流保護延長故障電流的上升時間，以便搶在到達允許斷開電流之前，用正常關斷脈衝切斷故障電流。
(2)毫秒級的裝置保護：
FACTS裝置都常用串並聯的元器件組成，在設計時應考慮到局部部件的失效不應使整個裝置退出運行，而是用信號提示運行人員在方便的時候更換已失效的器件。FACTS的工作是由觸發脈衝發生裝置不斷地將觸發脈衝按一定規律分配到電力電子器件上，使電力電子器件輪流斷開合上，形成設計需要的電能特性。在允許關斷電流値以下，都可以在檢測到故障後的最早來臨的觸發脈衝開始對整個裝置進行脈衝閉鎖，使裝置處於停運狀態。由於FACTS裝置都是在系統工頻下進行，在一個周期內的觸發脈衝的間隔決定了封鎖裝置的保護時間，顯然，脈衝數愈多，保護速度愈快，與此同時，裝置的反應速度也愈快。這可能也就是爲甚麼新的裝置多設計爲多脈衝的原因。
(3)來自電力系統故障的保護：
除了潮流控制以外，FACTS一般都用於穩定控制，都是要在系統非正常狀態下發揮作用。但如果故障過於嚴重，FACTS裝置需退出運行，因爲系統在FACTS裝置接入點的故障，也就相當該裝置的故障，按裝置的設計思想，也不可能承受全部故障，否則代價太高。
4.3FACTS的數據採集和處理
FACTS的數據採集和處理的目的有：決定該裝置是否退出或投入？決定是甚麼非常狀態，應採取甚麼控制策略？是怎樣的系統參數，採取怎樣的對應控制整定參數？表現在對數據處理上就是要快速地獲得基波的各序量，以便確定故障狀况決定是否退出或投入，以及採取甚麼控制策略。控制參數可以用小的輸出量在線地測試系統反應，再確定相應的整定參數，爲了快捷地獲得和處理信息，一般在硬件上採取數字信號處理器(DSP)，利用其並行處理數據的能力，在算法上用空間矢量法，濾去工頻，獲取瞬時功率以便處理穩定問題。
五、FACTS的技術性能比較和應用
5.1技術性能比較：
日本日立公司的有關硏究所對各種FACTS措施在給定的輸電條件下，進行了比較，如圖12所示，圖中：
SVC——無功補償裝置
SDR——可控制動電阻裝置
FWC——飛輪儲能裝置
UPFC——通用潮流控制器
TCSC——可控串補裝置
4.2應用情况
目前已投入運行和計劃投入運行的部分新一代FACTS裝置見下表
目前由淸華大學與河南省電力局合作硏制的基於GTO的300KVAR靜止同步無功發生裝置(Statcom)已投入試運行。20MAVR Statcom裝置預計97年投入運行。澳門大學與淸華大學合作硏究Statcom控制問題的工作正在展開。
六、結論
(1)FACTS提供了前所未有的快速、精確的控制手段，從根本上改善了交流電力系統因交流特性帶來的安全穩定問題。
(2)控制潮流，可充分利用輸電線路，實施經濟優化運行。
(3)可運行不同頻率間的電能的轉換，形成新的儲能和一次能源的新變換裝置。
(4)可用於減少電力系統的諧波和閃變的環境污染。
(5)可分期、分批分散地進行電力系統的技術改造，易於實施經濟的優化。
(6)隨着大容量功率電子元件的發展，其元件成本將大幅度降低。因爲預計本世紀末和下世紀初FACTS技術將在電力系統獲得廣泛的應用。
參考文獻
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