1 柔性交流输电技术(FACTS)技术将扮演重要的角色

　　近年来，中国电力工业发展迅速。随着新建电厂的不断并网发电，中国电力系统总装机容量上了新的台阶，然而整个电力系统出现了输电网络建设滞后于电厂建设的问题。许多长距离输电线输送的功率受到稳定极限的限制，这些输电线线路中间和受端由于缺乏强有力的电压支撑，其稳定极限大大低于其热稳定极限[1]。这导致送端的发电厂窝电现象突出，发电厂的容量不能得到充分地应用。如何提高长距离输电线的稳定极限接近甚至达到其热稳定极限是一项有价值而且紧迫的工作。FACTS技术为增强输电系统提供了新的手段。安装在长距离输电线中间或受端的静止无功补偿装置（STATCOM）能够提供电压支撑从而能极大地提高长距离输电系统的稳定性。由清华大学与河南省电力局合作研制的安装在河南洛阳朝阳变电站的20MVA STATCOM装置，根据数字仿真和分析，每Mvar 的无功功率可以提高0.7MW的有功功率输送极限。在我国还有许多类似的例子。表1是近年来发生在中国电力系统的各种稳定事故的统计报告[2]。
　　

从表1可以看到虽然近年来事故的总数已经减少，但每次事故引起的停电功率却有很大的增加，因而每次事故造成的损失也比以前的事故造成的损失大得多。大部分的事故是由于故障引起的，几乎所有的事故最终都是稳定问题如功角稳定问题或动态电压稳定问题。因此迫切需要动态无功功率补偿装置来增强电力系统的稳定性。然而，中国的电力系统普遍缺乏控制调节无功功率和电压的手段，特别是缺乏快速的动态无功功率补偿装置。目前在500kV变电站安装有一定数量的静止无功补偿器（SVC）装置[3]，但由于许多是可投切的电容器组（TSC）或电抗器（TSR），而真正可快速连续调节的电抗器（TCR）较少，而500kV以下的变电站则几乎没有TCR装置，因而远远不能满足系统对动态无功功率和电压控制的要求。到目前为止，中国对动态电压崩溃的研究还处于起步阶段，电力系统中提高动态电压稳定性的手段还非常缺乏。在负荷中心，现有许多投切电容器用于提高负荷的功率因数，维持节点电压，但一旦系统电压降低，这种投切电容将恶化系统的动态电压稳定性。这种情况只能通过安装大容量的SVC装置或STATCOM装置来改善。仿真结果表明一旦长江三峡水电站投入运行，为提高华中电网的动态电压稳定性至少需要安装1000MVA以上的动态无功补偿装置[4]。图1示出了当华中电网发生故障时，在玉贤变电站采取各种不同的措施时电压的动态过程。图1表明，由于动态过程中电压的跌落，一定容量的STATCOM装置的无功补偿能力相当于1.3~1.5倍同容量的SVC装置。关于华北和华东电网如何规划安装FACTS装置的分析和数字仿真正在进行中，初步的结果也表明为提高其动态电压稳定性迫切需要安装大容量的STATCOM装置。

2 中国的FACTS研究概述

　　1985年，华北电力学院研制出了中国第一台基于晶闸管的新型静止无功发生器的实验样机。
　　1994年，在中国电力部的支持下，清华大学与河南省电力局签定了合作研制中国首台20MVA STATCOM工业装置的合同。该项目代表了中国在工程应用领域正式研制FACTS技术装置的新开端。该项目作为电力部的重大攻关项目获得了中国电力工业界普遍的关注。1996年，作为第一阶段的成果，基于GTO的300KVA STATCOM模型样机在河南省郑州孟砦变电站投入运行。现场测试获得的良好的静态和动态特性表明STATCOM装置在提高系统性能方面的有效性和装置本身设计的正确性。1999年3月，20MVA STATCOM工业装置成功地在河南省洛阳朝阳220kV变电站投入运行，这标志着中国FACTS技术发展进入了一个新的阶段[5]。该项目在2000年6月通过由中国电力部组织的鉴定。目前，清华大学正与上海电力局合作，进行50MVAR STATCOM的研制，该项目目前已启动。
　　1996年，中国电力科学研究院、清华大学、上海交通大学和东南大学与东北电力局合作，在国家自然科学基金的支持下开始联合研究可控串联电容补偿装置（TCSC）。其中电力科学研究院研究TCSC装置的过电压绝缘问题，清华大学负责研究TCSC装置的动态物理模型及其控制规律，上海交通大学和东南大学则负责研究次同步振荡（SSR）及其它问题。该项目已经在2000年7月通过验收及鉴定。
　　不仅FACTS技术的研究在中国受到重视，而且“用户电力技术”研究也一直在紧张地进行着。早在二十世纪七十年代后期，清华大学电机工程与应用电子技术系的研究人员就开始进行谐波补偿的研究。他们分别对鞍山和宝山钢铁公司的钢厂厂用电系统进行了谐波分析而且为厂用电系统设计了相应的谐波滤波器。九十年代以来，清华大学、哈尔滨工业大学与西安交通大学等一直在进行有源滤波装置（APF）的研制工作。为了将STATCOM的研究成果用于解决配电系统的电能质量问题，1997年以来，清华大学与澳门大学开始合作研究配电系统电能质量统一调节器（DS-UniCon）[6]。这种电能质量统一调节器采用蓄电池作为能量储存单元，采用基于IGBT的三电平变流器，它不仅可以滤除谐波、补偿无功功率，而且可以补偿系统电压的不平衡。DS-UniCon的目的是补偿“用户电力技术”中各种电能质量问题从而提高电能的质量、可靠性和安全性。1999年，基于IGBT的三电平变流器的5KVA并联DS-UniCon装置研制成功并通过了测试。串并联的复合的DS-UniCon装置还在研制之中。
　　中国经济的快速发展为FACTS和DFACTS技术的研究与应用提供了良好的机遇，也为电力工作者充分发挥其聪明才智提供了广阔舞台。

3 20MVA STATCOM介绍

　　3.1 主电路及配置
　　图1为20MVA STATCOM装置的结构图[7]，图2为20MVA STATCOM装置的主电路。
　　● 主电路
　　容量：20MVA
　　额定电压：10kV
　　额定电流：1155A
　　控制范围：-20??20MVAR，连续可调
　　主电路：
　　元件：4500V/4000A GTO
　　直流侧电压：1300??1870V
　　总损耗：小于2.5%
　　● 控制系统
　　控制模式：恒电压、恒无功功率、提高暂态稳定极限的迭代学习控制
　　控制方案：50Hz， 脉冲幅值调制控制（PAM）
　　● 冷却系统
　　冷却模式：纯水冷却
　　循环水：30吨/小时

　　水电阻率：≥2MΩ·cm
　　工作媒质：60%纯水及40%的乙二醇
　　图3(a)为从0无功跳变至20MVAR无功的电压电流响应曲线，图3(b)为从0无功跳变至-20MVAR无功时电压电流响应曲线。上述动态过程曲线表明20MVA STATCOM装置有良好的动态性能[8]。图4为20MVA STATCOM装置的输入输出特性曲线。

4 FACTS技术的进一步发展
　　20MVA STATCOM装置的容量对于大型的电力系统来说仍然太小，中国电力系统需要更大容量的如100MVA至200MVA的STATCOM装置。清华大学正在研制100MVA级的STATCOM工业装置。图5为该STATCOM装置的主电路图，其中大功率开关采用IGCT代替以往的GTO。
　　主要参数：
　　相电压（RMS）：U=9×0.78=7.02kV
　　相电流（RMS）：I=1.2Ka
　　容量：S=4×3×U×I＝102.8MVA
　　变压器变比：1：0.72(Y) 1:1.25(△)
　　费用:
　　IGCT： 45,000×192＝9,000,000元
　　变压器：4,000,000元
　　主电路：9,000,000元
　　其他： 3,000,000元
　　人工费：5,000,000元
　　总费用：30,000,000元
　　其它的FACTS装置如动态电压恢复器（DVR）、有源滤波（APF）及电能质量统一调节器（DS-UniCon）也正处于研制之中，而且由于中国电力系统需要的巨大推动，这些装置将很快变成工业化产品。 5 结论
　　（1）由于中国电网结构的特点，中国电力系统对FACTS技术特别是STATCOM有广泛的需求。
　　（2）20MVA STATCOM装置的研制成功标志中国的FACTS的研究达到了新阶段，50MVAR STATCOM的研制则标志中国的FACTS技术进入产业化应用阶段。
　　（3）我们已经与国外的一些大公司，如西门子、三菱、ABB、东芝，一些大学如英国Brunel大学、新加坡国立大学开展了有实质内容的合作，我们希望与国际上更多的大学和著名的公司发展合作。

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