当今社会对电网的要求正在发生改变。传统的输电方式( 从发电厂到最近的大城市) 正被更复杂的供电方式所取代。随着用电负荷的增长和电力交易的增加, 更多的电能需要远距离传输。随着利用可再生能源发电力度加大,电网压力越来越大。
然而，这些清洁电厂都坐落在电网相对较弱的偏远地区。新的输电走廊的大规模建设往往不是最佳的选择, 因为要综合考虑环境、占地、审批和造价等因素。一个解决方案就是充分利用现有的输电线路, 同时不降低系统的供电可靠性。来自ABB的技术使这一切变为可能!
输电阻塞这一概念的定义是, 流过一个潮流传输断面的功率是有一定限制的, 或者说人们希望通过某一断面传输更多的功率。这种动机是因为这一断面两边的电能生产成本的差异——这种价格上的差异在当今规制缓和的电力市场中是透明的。换言之,至少某一边的用户可以从购买另一边的便宜电能而获到好处。但是, 在这个交易成交之前, 还必
消除输电阻塞的传统作法是, 新增输电容量( 例如增加新的架空线路)。虽然这种方法仍然可行, 但却变得越来越复杂, 因为常常会遭到公众的反对。新建输电走廊, 或者扩建现有线路的项目审批越来越困难和旷日持久。
一个可以延时甚至避免这种投资的办法, 就是充分利用现有线路, 使它更加灵活和可控。这可以通过在输电线路中安装柔性交流输电(FACTS, FlexibleAC Transmission System) 这样的控制设备, 以及各种先进的信号采集系统来实现。虽然从整体上来说, 这个概念已经得到了广泛的认可, 但是在如何实现上还存在着很多挑战, 值得我们关注。
消除输电阻塞的传统作法是, 新增输电容量( 例如增加新的架空线路)。虽然这种方法仍然可行, 但却变得越来越复杂, 因为常常会遭到公众的反对。
利用FACTS 装置, 减轻输电阻塞
一般来说, 对不同的解决方案都需要进行认真地研究——而最终方案的选择则取决于物理上的限制。但不管怎么说, 考察这些解决方案的实际运行环境是完全一样的, 而且它们的控制策略也都大体相同。一般而言 , FACTS 装置校正控制的原理与图1所示类似。
一个故障处理过程的详细分析在超过 99% 的运行时间里 , 控制系统的目标是使损耗最小 , 并对相邻线路的环路潮流进行控制。当线路发生故障时 , 控制目标马上变成使线路的电压、电流不超过设备的物理极限。当故障清除之后 , 随之而来的是系统的暂态过程。在这个暂态过程中 , 包括了第一周波摇摆的功角稳定问题 ; 功率振荡的抑制 (POD, Power Oscillation Damping) 问题 ; 电压稳定与恢复问题 ; 以及频率控制问题等。为了成功地平息故障 , 要求FACTS 装置的控制速度足够快。
10 到 20 秒之后 , 系统暂态过程结束 ,故障后阶段开始 , 这时系统较慢的变化过程值得注意。此时的控制目标是针对这些慢变化过程的 , 包括不超过线路的热稳定极限、电压支持 ( 防止电压崩溃 ) 和频率支持。
20 到 30 分钟之后 , 系统运行人员就已经掌控了系统的状况 , 并采取了正确的措施来稳定系统的状态 , 即使设备再次发生故障 , 也不会导致停运这样的严重后果。
FACTS 设备一般都采用校正控制策略,它能提高故障前稳态系统的运行效率,并能强有力地维持系统的安全稳定。而当系统发生严重故障时, 它也能为运行人员赢得尽可能多的宝贵时间。不同的FACTS 设备, 实现各个阶段的控制目标的方法不尽相同1 。FACTS 设备通常可分成串联补偿和并联补偿两大类。
SVC 和STATCOM
静止无功补偿器(SVC, Static VarCompensators) 和静止补偿器(STATCOM, Static Compensators) 都是并联接入电力网的关键节点上。这两种设备都是利用电力电子器件, 动态地控制发出或吸收的无功功率。通过无功功率的调节达到控制系统电压的目的。另外, 它们还可以短期和长期的电压支持, 并且在暂态过程中还能抑制系统的功率振荡［1］。
经典的FACTS 设备, 静止无功补偿器SVC 的主要功能, 如［2］所述。
STATCOM 2 是在电力电子技术中的电压源换流器概念的基础上提出来的。ABB 生产的STATCOM, 被称为SVCLight, 采用了 IGBT 器件。这种换流器具有以下特点 :
发生 严重故障时提供强有利的电压支持
平衡非对称和快速变化的负荷
抑制功率振荡
谐波电流的有源滤波
SVC Light 的详细介绍可参见［3］和［4］,其中介绍了很多例子 , 显示了它的优良性能。
在超过 99% 的运行时间里 , 控制系统的目标是使损耗最小 , 并对相邻线路的环路潮流进行控制。
带能量储存的STATCOM
SVC Light 的一个可选的增强型是由串联电池组成的能量储存模块3 ［5］。所储存的能量的大小取决于性能与造价的优化。在典型工况下, 一般要求它的放电时间, 也就是发出最大有功时的运行时间, 为15 到30 分钟。能量储存模块也能使STATCOM 在一段时间内发出或消耗有功功率。
电压源换流器(VSC, Voltage SourceConverter) 采用了多个IGBT 器件的串联形式, 因此具有较高的性能和较大的功率。在对负荷进行供电的同时, 必须对电池的充电进行控制。它应用的一个典型例子, 就是与像风力发电机组这样的发电量起伏变化的可再生能源发电设备联合运行。能量储存模块所具有的调节负荷的能力, 使这些发电机组能够按照调度中心的调度命令, 按计
这样, 可再生能源发电机组通过和带有能量储存模块的STATCOM 的联合运行, 使我们可以像利用普通的发电厂一样, 使用这些原本断断续续的电源1)。在电力系统中使用这些设备的另一个好处, 就是紧急状态下的黑启动, 或是利用现有的频率和电压控制实现网络的重构。利用STATCOM 能同时调节有功功率和无功功率的特点, 能够更好地抑制系统的功率振荡。这就使系统传输的功率更大, 在一定程度上缓解了输电阻塞。
从原理上讲, 带有能量储存模块的STATCOM 装置能够改变一个给定的潮流流过一个阻塞断面的时间( 假设该装置是安装在输电走廊的受电端)。在不发生阻塞时将电能储存起来, 当发生阻塞时, 通过电池放电将先前储存的电能释放出来, 以减少通过阻塞断面的潮流。当然, 从整个电力网的角度来看,为了达到消除阻塞的目的, 所需要的能量储存模块的容量太大, 不太现实。但对个别用户, 这可能是一个经济实用的方案- 特别是针对用户关心的电能质量问题。
3 带有轻型SVC 的动态能量储存模块
4 晶闸管控制串联补偿器(TSCS,ThyristorControlled SeriesCompensator)-TCSC允许改变串联补偿度
5 用于抑制系统功率振荡的TCSC 设备
脚注:
1) 像风力发电这样的间歇性的电源通常需要传统发电厂预留一部分容量作为旋转备用。而这些能量储存的措施使这部分旋转备用容量得以充分的利用。
带有能量储存模块的STATCOM 装置的另一个用途是用于系统的有功——频率控制, 特别是当它安装在潮流阻塞断面的受电侧。这种网络结构还可以缩小系统传输容量和电力交易需求之间的差距。
晶闸管控制串联补偿器（TCSC）
其他一些FACTS 装置虽然没有能量储存模块, 但也能够调节系统的有功潮流。比如, 串联补偿装置就能应用于这一目的。
TCSC 4 5 通常被应用于网络中的功率传输的瓶颈处, 在这些线路上的功率传输极限通常取决于系统的功率振荡极限。特别是当系统的联络线较弱, 当发生功率振荡时系统易解裂成两大发电机群的场合,TCSC 就显得非常有效。它通常由固定的串联补偿环节和和一个晶闸管控制单元组成。后者主要被用来阻尼系统的振荡。它可以根据线路的工作状态精确调节阻尼, 因此可以提高线路的功率传输极限［6］。
TCSC 控制的基本原则是, 在电容器两端的电压过零时前向晶闸管导通。这将给电容器提供附加的电流, 而使它的视在电抗增大, 通常将增大到它正常电抗的3 倍。这个被称为“ 起动”(boosting) 的过程, 减轻了系统的振荡。与固定式串联补偿相反,TCSC 在工频以下的频率段呈电感性, 因此不会和附近的汽轮发电机组相互作用而发生次同步谐振(SSR,Sub-Synchronous Resonance)。
近来,TCSC 能调节稳态时线路上的有功潮流的功能越来越受到重视, 特别是在发生了一系列重大的停电事故之后。虽然具有高起动能力的TCSC 能够控制系统的潮流, 但通常更好的作法是将电容支路分解成晶闸管开闭的电容器的串联组合电路, 称为晶闸管开闭串联电容器(TSSC, Thyristor-Switched SeriesCapacitor) 6 。
提到潮流控制, 人们很自然地将TSSC和移相变压器(PST,Phase ShiftingTransformer) 进行比较。对于克 服线路热稳定极限的限制,PST 比较适合,但它对于改善系统的暂态特性来说速度太慢。而且,PST 将恶化系统短期和长期的电压特性, 降低系统的功角稳定性。
另一方面,TSSC 对于改善系统暂态品质非常迅速, 还能够对系统的电压提供短期和长期的支持。但是,PST 既能增大也能减小线路潮流, 而TSSC 只能增大线路潮流。而且作为TSSC 的主要控制规律, 其电抗一般都控制在它连接的线路电抗的60% 左右。因此, 如果要求对线路的潮流功率进行大范围的调节( 取决于网络的拓扑结构),TSSC 往往不够。
动态潮流(Dynaflow) 控制器
为了减轻阻塞, 实现多目标控制,ABB正在研发一种被称为“ 动态潮流”(Dyna.ow) 的潮流控制器。它是由一个移相器(PST) 和多级协调控制TSSC 单元的串联组成的6 。各个系统的运行人员职责分明, 对于成功实现系统的协调控制非常有利。
线路潮流的控制功能由PST 和TSSC共同承担, 它由一个小容量的PST 和TSSC 串联组成。Dyna.ow 集成了PST和TSSC 的优点。它能在故障前的稳态实现线损最小和( 或) 环路潮流控制,在故
Dyna.ow 的典型应用是大城市的供电联络线。人口高度密集的大型城市的有功和无功负荷都很大, 而电源又相对较远。这通常导致给城市供电的联络线负荷太重, 缺乏足够的动态无功电源。
6 Dynaflow 系统的结构图- 它是由一个移相器(PST) 和多级协调控制TSSC 单元的串联组成的
一个典型的严重扰动就是在联络线上发生故障, 导致该故障线路永久跳闸。假设功率不均匀的分布在余下的线路上, 而装有Dynaflow 装置的线路需要承担更大的负荷, 以使其他的并联线路不发生过负荷, 那么控制目标应设置如下:
在故障前的稳态, 重点是使系统的有功损耗最小。通常是由调度中心根据最优潮流计算的结果来设置控制点;
在故障发生后的瞬间, 所有的TSSC 的电容器单元都要立即投入, 以对电压的恢复提供支持。这对于那些电动机负荷( 比如空调负荷) 占相当比例的城市而言越发显得重要。如果没有电压的支撑, 这些负荷的电动机会逐渐减速, 从而消耗更大的无功功率; 而这又反过来导致局部的电压崩溃和雪崩式的停电事故。
一旦电压得到恢复, 控制目标就转向克服线路热稳定极限的限制。通过PST 和TSSC 共同的调节作用,可以避免Dyna.ow 安装线路或其邻近的并联线路上发生过负荷。如果所发生的故障非常严重, 过负荷无法完全避免, 那么就使所有的并联线路均匀的过负荷运行, 这可以给运行人员争取到足够的时间采取补救措施。
WAMS 和WACS
考虑并联线路负荷状态的动态潮流协调控制通常需要远程测量技术。广域测量系统(WAMS,WideArea Measurement Systems) 最新的技术进展, 加上通讯技术和FACTS非常重要。特别在处理不同电网之间的潮流传输断面上的阻塞问题时, 显得尤为重要。
技术的综合应用, 使广域控制(WACS,Wide Area Control Systems)成为可能。在一些并联线路上安装的多个动态潮流控制系统需要进行协调控制, 以达到减轻阻塞的共同目标。
相关的研究课题
显而易见, 这些潮流控制系统所能实现的调节能力毕竟是有限的。这些限制使潮流传输断面上的功率传输极限达到了一个新的水平。从系统运行规划的角度来说, 更重要的是开发更加有效的安全评估工具, 以充分利用这些潮流控制系统的能力。
从以往的运行经验来看, 瓶颈往往发生在不同电网之间的潮流传输断面上。做到各个系统的运行人员职责分明, 对于成功实现系统协调控制非常有利。
为了减轻阻塞, 实现多目标控制,ABB 正在研发一种被称为“ 动态潮流”(Dynaflow) 的潮流控制器。
结论
FACTS 家族包含了一系列的控制装置, 它们可以减轻潮流阻塞, 提高现有电网的效率。到底选择哪一种FACTS 装置取决于潮流瓶颈的性质。对于不同的潮流瓶颈,往往有不同的对策。本文介绍了带有能量存储模块的STATCOM、TCSC 和Dynaflow等三种方式, 以减轻潮流阻塞。
在很多场合, 协调控制的应用得益于针对不同潮流瓶颈问题而特殊设计的先进的通讯和控制系统的应用。
对于运行规划来说, 能充分利用这些潮流控制系统能力的有效安全评估工具非常重要。特别在处理不同电网之间的潮流传输断面上的 阻塞问题时, 显得尤为重要。
Rolf Grünbaum
Peter Lundberg
G.ran Str.mberg
ABB 电力技术部
瑞典V.ster.s
rolf.grumbaum@se.abb.com
peter.lundberg@se.abb.com
goran.stromberg@se.abb.com
Bertil Berggren
ABB 研究中心
瑞典V.ster.s
bertil.berggren@se.abb.com
参考文献
[1] Mathur, R. M., Varma, R. K. Thyristor-basedFACTS Controllers for Electrical TransmissionSystems, IEEE Press, 2002. ISBN0-471-20643-1
[2] Hingorani, N. G., Gyugyi, L. UnderstandingFACTS: Concepts and Technology of FlexibleAC Transmission
[3] Larsson, T., Ratering-Schnitzler, B. “SVCLight:A utility’s aid to restructuring its grid,”IEEE PES Winter Meeting, Singapore, January2000.
[4] Grünbaum, R., et al. “FACTS: Powerfulmeans for dynamic load balancing and voltagesupport of AC traction feeders,” IEEEPower Tech, Porto, Portugal, September10–13, 2001.
[5] Svensson, J., Jones, P., Halvarsson, P.“Improved Power System Stability and Reliabilityusing Innovative Energy StorageTechnologies,”In Proc. IEE ACDC 2006, London, U.K.,pp. 220–224.
[6] Gama, C., Angquist, L., Ingestrom, G.,Noroozian, M. “Commissioning and operativeexperience of TCSC for damping poweroscillations in the Brazilian North-SouthInterconnection,” In Proc. CIGRE Session2000, Paris,France, 2000, pp. 14–104.
