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分布式FACTS实现电网潮流控制的新思路
摘要:柔性交流输电系统（FACTS）设备用于控制输电网中的潮流以减轻负荷阻塞和限制环流。高成本和可靠性问题限制了FACTS解决方案的广泛部署。这个论文介绍了分布式FACTS（D-FACTS）的概念作为替代方法来实现具有成本效益的潮流控制。 举例来说，分布式串联阻抗（DSI）或分布式静止串联补偿器（DSSC）可以加入到现有的电力线上来动态地或静态地改变线路的阻抗以便控制潮流。文章提供了实施细节和对系统的影响以及实验结果。
关键词:灵活柔性交流输电系统（FACTS）
作者：Deepak Divan and Harjeet Johal
手稿于2006年2月7日收到。这项工作部分得到了乔治亚理工学院智能电力基础设施联盟（IPIC）的支持。 本文于2005年6月12日至6月17日在巴西Recife举行的第36届IEEE电力电子专家会议上发表。建议由副主编H. D.Mouton出版。
作者是美国佐治亚州乔治亚理工学院电气与计算机工程学院，
美国乔治亚30318(电子邮件：deepak.divan@ece.gatech.edu; harjeet.johal@gatech.edu）
- 前言
美国的电网基础设施迫切需要现代化。在公用事业面临的挑战中，最紧迫的可能是消除传输限制和瓶颈问题。输电和次输电系统的过剩功率和环流的增加会降低系统可靠性，增加能源价格并妨碍现有资产的充分利用[1]。由于系统操作员需要在（N-1）和有时的（N-2）故障下维持运行，即使现有线路的运行速度明显低于其热限制，系统容量也会大幅降低。与电网相关的发电量的增加，过去二十年来输电基础设施投资的持续减少，以及引入和批准新输电线路的长时间延迟，都大大加剧了这一问题。在这种情况下，充分利用现有的T＆D资源变得至关重要。
在电网利用率方面，可能最重要的问题是有功潮流控制。公用事业客户购买的是实物电能，而不是电压或无功率.因此，控制实际电能在网络上的流动方式和地点至关重要，是实现电力市场的根本前提。网络限制了系统的可靠性，限制了低成本发电机向感兴趣的用户提供低成本电源的能力。当某线路的相邻线路的运行能力低于容量但是被利用时，情况会大大恶化，而不受控制的“环流”会导致线路超负荷。有功潮流控制需要具有成本效益的“串联VAR”解决方案，可以改变电力线的阻抗或改变线路上施加的电压角度，从而控制潮流。串联无功补偿很少应用于长线路上，主要是由于实现电压隔离的高成本和复杂性，以及与故障管理有关的问题。
人们普遍认为，未来的电网需要具备智能和意识，容错和自我修复，动态和静态可控，以及资产和能源效率。使用灵活的交流输电系统或FACTS[2]-[4]是实现智能电网的公认的有技术证明的方法，尤其是针对实现对电网上有功潮流的控制。FACTS装置，STATCON，SVC，SSSC和UPFC等，可以串联或并联，或两者结合，实现多种控制功能，包括电压调节、系统阻尼和潮流控制。典型的FACTS装置可在345千伏以下运行，额定最高可达200千伏。尽管事实技术已经在技术上得到了证实，但由于种种原因，它并没有得到广泛的商业接受。（1） 高系统额定功率要求使用定制的高功率GTO或GCT设备，需要大量的工程工作 - 这会提高首要成本。（2）高故障电流(60000A)和基本绝缘要求(1000KV)对电力电子系统造成压力，特别是对潮流控制所需的串联系统。（3）公用设施要求的可靠性水平高于目前FACTS设备的可靠性水平（主要是由于MTTR较高）。（4）在现场维持和操作系统所需的熟练劳动力通常不在公用事业的核心能力范围内。（5）拥有权的总成本很高，例如Marcy可转换静态补偿器（CSC）的成本为5400万美元。
本文讨论了实现FACTS装置的分布式方法的概念，特别是系列FACTS装置。电子、电力电子和通信技术性能的提高和价格的下降改变了整个工业部门。建议对高功率FACTS设备的实施类似的方法以提供更高性能和更低成本的方法，增强T＆D系统可靠性和可控性，提高资产利用率和最终用户电能质量，同时最小化系统成本和环境影响。
利用分布式串联(DSR)的概念，实现变线路阻抗，帮助控制有功潮流，说明了分布式FACTS或D-FACTS方法的可行性。该概念可以进一步扩展到实现分布式静态串联补偿器或DSSC，使用小额定（~10 kVA）单相逆变器和单匝变压器（STT）模块，以及相关控制，电源电路和内置 通信能力。这些概念以及与此类应用相关的益处和问题将详细讨论。
- 有功潮流原理
串联元件对于控制输电线路上的潮流显然具有最高的潜力和影响。连接两条电压母线的输电线路上的实际潮流有功功率P和无功功率是由两端电压V1和V2和电压相位差决定的。
其中是线路的阻抗，假设为纯感性。
因此，控制线路上实际潮流需要改变功角，或线阻抗。相移变压器可以用来控制功角，这是一个昂贵的解决方案，动态控制能力不可用。或者可以使用串联补偿器来增加或降低线路的有效反应阻抗,从而可以控制两个总线之间的实际潮流。可以通过在线路中串联注入无源电容或电感元件来改变阻抗。或者，静态逆变器可用于实现与线路电流正交的可控有源无损耗元件，例如负极或正电压或同步基波电压[3]、[4]。
图1通过图示出具有两条线的简单电力系统。1线长20英里，2号线长30英里。第1行在第2行之前达到热极限。在这一点上，即使2号线有额外的容量，也不能在没有1号线的情况下传输更多的电力。
今天的输电系统和次输电系统越来越多地相互连接.在不影响服务的情况下切换备用线路的能力对系统的可靠性有很大的影响。然而，在这种互联系统中，电流是由线路阻抗决定的，而系统操作员控制电流在网络中的位置的能力非常有限。在这样的系统中，即使其他线路的利用率仍然很低，达到热容量的第一条线路依然限制整个网络的容量。例如，如果串联无功补偿可以应用于图1中的双线系统，通过对线路电抗进行20%的改变，可以在两者之间增加52mW的功率传输。
串联FACTS装置可以通过改变(1)中的参数来控制功率流。这种设备通常需要中断线路和高压平台，进一步增加了成本和复杂性。显然需要的是一个成本效益高、可伸缩和可控的串联阻抗装置，它可以被部署，并且具有很高的可靠性和可用性。实现系列FACTS设备的分布式方法被认为是非常有吸引力的，下面将进行讨论(请参见表一)。
图一 2总线系统的电路原理图
表一 通过改变线路电感增加功率传输
|
线电感 |
线电流 |
负载阻抗角 |
有功功率 |
传递功率 |
图2 电力线上的DSI模块
3.分布式串联阻抗
对于典型的138 kV传输线，阻抗大约为0.79欧姆/英里[5]。在线路热容量为770A，对应于184MVA的功率流，因此线路阻抗上的电压降为608V /英里。因此，线路阻抗的2％变化将需要注入12.16V或0.0158欧姆/英里。这意味着电感为42 H或9.24 kVAR（770 A时为12 V）。 这是一个令人惊讶的小阻抗值，可以通过每英里线路部署一个9.24 kVAR模块来实现，对电力线容量产生重大影响。这样的模块既小又轻,可以在电源线上悬挂,电气或机械地悬挂在线路上! 这也增加了实现分布式串联再加工的可能性，如下图2所示，使用大量这样的“标准”模块，这些模块可以连接在现有的电力线导体上。这种分布式的潮流控制解决方案，本质上是分布式FACTS或D-FACTS解决方案，可以提供比传统FACTS技术更大的好处。
每个模块的阻抗或电压的串联注入可以使用单匝变压器（STT）来实现，其使用线路导体本身作为变压器的绕组。 通过将器件悬浮在导线上，可以避免所有电压额定值和绝缘问题。
冗余可在发生单元故障时提供不间断运行，从而提供高可靠性和可用性。STT允许处理高水平的故障电流，对于串联设备而言通常是具有挑战性的问题。
目标额定功率约为4.9 kVA，可以使用现成的、体积大、成本低的部件和制造技术来实现非常低的单元模块成本。可以根据需要部署设备，提供前所未有的可伸缩性。最后，该装置可以连接到现有的电力线上，简化了安装和调试过程。这些特性展示了一系列D-FACTS设备的独特功能级别，与分布式系列的传统FACTS完全不同，下面将讨论这些特性。
- 分布式串联阻抗的工作原理
DSI的简单实现使用三个开关，一个电容器和一个电感器，结合STT一起使用，如图3所示。在故障条件下，静态开关是快速响应的首选。STT的设计有较大的匝数比，比如50：1。STT通常有常闭的机电开关SM旁路，而打开它则可注入所需的阻抗，开关S1闭合则注入电感，而S2闭合则注入电容XC.可以使用电流互感器从线路本身获得控制功率。如果沿着电力线串联使用N个器件，则可以实现2N个线路阻抗的离散值，如图4所示。如果N是大数，例如100，则阻抗可以以0.5％的分辨率改变，接近线性变化的线阻抗。单个模块的操作需要与通信链路协调，并由系统操作员控制[8]。这显然需要建立一个能够经济有效地连接各个模块和SCADA / EMS系统的通信基础设施。
图3 DSI的电路原理图
图4 切换模块时的线路阻抗曲线
- 分布式串联电抗器的工作原理
图5示出了分布式串联电抗器（DSR）的更简单的实现，它可以部署在互联或电力网络中，并且可以在单个模块级别上被控制，使用没有通信的简单控制策略来显著地提高整个电网的容量[6]。与DSI的情况一样，常闭机电开关（SM）用于在模块未通电时旁路模块。在SM打开的情况下，开关S1控制串联电抗的插入。在S1闭合的情况下，对应于STT漏抗的最小电抗水平插入线路中。在S1打开的情况下，通过设置气隙调节到所需值的STT磁化电感被插入线路中。
在系统级上，当特定线路上的电流超过预定值时，接入越来越多的DSR模块，逐渐将线路阻抗和电流增加到未充分利用的线路。由于总体控制目标是保持线路不受热过载的影响，因此控制策略非常简单。 用于DSR模块操作的控制算法在（3）中定义。
此处，为注入线路电感，是线路上的所有有效DSR模块的最终电感值;是模块的电流触发值;是没有注入的热极限。
线上的不同模块具有预定的开关电平（基于线电流），这些开关电平共同提供线电感，该线电感随着线电流增加到超过限定的阈值而增加，如图6所示。预先选定的线路，可能在一天中的某些时间或在规定的应急条件下出现过载情况，这时可以使用DSR模块进行修改，以便在发生拥塞时自动处理，并在“正常”运行条件下最小化的影响系统。因此，在电力线上部署DSR模块有助于实现“限流导体”的概念。当在多条线路上作用时，DSR模块的控制必须确定不发生振荡或相互作用。如(4)中所示，在每个模块中使用指数衰减估计量，以最大限度地减少模块和线路之间的交互。
其中 ，，是每个采样时刻的实际注入需求。
使用PSCAD对4总线系统和IEEE 39总线系统进行仿真验证了系统按预期运行[6] .DSR可能是分布式系统阻抗的最简单实现。
图5 DSR的电路原理图
图6 通过切换DSR模块增加线路电感
- 分布式静止串联补偿器
接下来讨论分布式静态串联补偿器（DSSC）的概念，以再次说明分布式FACTS或D-FACTS设备的一个可能系列。 DSSC模块由小额定（~10 kVA）单相逆变器和单匝变压器（STT）以及相关控制，电源电路和内置通信功能组成。与DSR的情况一样，该模块由两部分组成，这两部分可以机械地夹在传输导体周围。 只有在模块连接导体后，模块的变压器和机械部件才形成完整的磁路。 DSSC模块的重量和尺寸很小，允许设备从电源线机械悬挂。 DSSC模块的电路原理图如图7所示。
图7示出了具有常闭开关SM的STT，该开关SM包括常闭机电开关和保持单元在旁路模式直到逆变器被激活为止的晶闸管对组成。直流控制电源变压器由流过STT次级绕组的电流激励。一个简单的单开关预调节器用于控制控制电源的直流电压。 在大约100 A的线电流下，直流电源可以启动模块。当开关SM断开时，逆变器直流总线充电并启动逆变器操作。 逆变器现在可以将正交电压注入交流线路，以模拟正或负电抗。采用类似于有源滤波器控制的方式，通过小的“相”电压分量使用功率平衡来维持直流母线电压调节[9]。可以自主地导出要注入多少正交电压的命令，或者可以由系统操作员传达。 通过使用通信和智能控制以协调方式操作的多个模块来实现整个系统控制功能。
图7 DSSC的电路原理图
- DSIs的设计考虑因素
需要提及DSI模块的一些重要设计考虑因素，包括DSSC。 由于模块串联在线路上，所以它不需要看到线路电压，也不需要满足BIL（基本脉冲电平）限制。因此，该单元可以施加范围从13KV至500KV以内的任何线电压。线电流通常在每个导体500A至1500A的范围内。STT比例为50：1的匝数比，因此仅在STT的次级侧上施加10至30A。在此电流额定值下，可以使用批量生产的晶闸管和IGBT来实现低成本。 此外，在线路故障条件下，即使对于高达60 000 A的故障电流，STT也将最大
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