FACTS裝置在線路融冰中的應用

廣西電網公司桂林供電局 鐘來勝 李 俊 肖 宏 周澤民

FACTS裝置在線路融冰中的應用

廣西電網公司桂林供電局 鐘來勝 李 俊 肖 宏 周澤民

靈活交流輸電（FACTS）技術調節速度快、性能可靠，對電力系統潮流優化分布、提高系統穩定性和輸電能力等方面有很廣泛的應用。隨著智能電網的快速建設以及國內電網接線日漸復雜，電網的運行維護難度也越來越大，因此靈活交流輸電（FACTS）技術的應用前景也越來越廣。本文研究了FACTS裝置在線路融冰中的應用，綜合分析了靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）以及統一潮流控制器（UPFC）在輸電線路融冰中的應用，并對幾種裝置進行了技術參數和特點的比較，綜合對比了FACTS裝置在線路融冰中的作用。

FACTS；融冰；SVC；STATCOM；UPFC

引言

輸電線路覆冰會導致線路跳閘、斷線，覆冰過重會導致桿塔倒塌、絕緣子閃絡等事故，嚴重影響電網的安全運行，產生大面積的停電事故。線路覆冰常發生在冬季大雪天氣，由于環境和交通問題，不能夠及時完場搶修工作，因此，線路覆冰對電網的安全運行存在很大的影響架空導線除冰融冰方法及融冰裝置的研究對減輕輸電線路冬季受冰雪襲擊具有重大意義[1]。

隨著靈活交流輸電（FACTS）技術應用日漸成熟[2-3]，許多FACTS裝置被應用到輸電線路融冰領域，文獻[4]提出了兼具融冰功能的靜止無功補償器（SVC）融冰裝置，SVC融冰裝置應用較為成熟，但其無功補償效果較差[5-6]，相比而言，靜止同步補償器（STATCOM）具有較好的無功補償功能，且STATCOM的電壓、電流諧波含量較低[7-8]。文獻[9]研究了靜止同步補償器（STATCOM）在輸電線路融冰中的應用，文獻[10]研究了目前較為先進的統一潮流控制器（UPFC）在線路融冰中的應用。

本文針對FACTS裝置在融冰領域的應用進行了研究，分析了靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）以及統一潮流控制器（UPFC）的工作原理，并研究給出了該類FACTS裝置轉變為融冰裝置的切換原理及工作方案；最后本文對該類可兼具融冰功能的FACTS裝置進行了對比分析。

1 FACTS裝置工作原理

1.1 SVC工作原理

SVC的單項原理圖如圖1所示，常用的SVC為TCR型 SVC，這種裝置一般由固定電容器（FC）與晶閘管控制電抗器（TCR）并聯組成，如圖1所示。SVC的工作原理是通過調節晶閘管的觸發角α進而對SVC等值電抗的大小和性質進行調整，最終達到快速連續調整無功功率的輸出的目的。

圖1 SVC單相原理圖

如圖1所示，反向并聯晶閘管Th1、Th2為反向并聯晶閘管與電抗器組成晶閘管控制電抗器（TCR），其中電抗器的電抗為XL，XC為固定電容器（FC）的電抗，ISVC為通過SVC的電流。通過控制反并聯晶閘管Th1、Th2的觸發角大小，控制電流基波分量，從而可以改變電抗器的等效電納值，最終得出連續可調的無功功率，這就是TCR的基本工作原理。反并聯晶閘管Th1、Th2起半波交流開關的作用，以觸發角α過電壓零點為基準，觸發角α在90°～180°之間部分導通，且電流基波分量隨α的增大而變小，等效增強電抗器電抗來減小無功。通過調節α在90°～180°之間調節α可以控制電流值在0到額定值之間的變動。

1.2 STATCOM工作原理

根據直流側采用的儲能元件的不同可以將STATCOM分為電壓型橋式和電流型橋式兩種類型。目前應用較多的為電壓型橋式STATCOM，因此本文對電壓型橋式STATCOM工作原理進行了分析研究。如圖2所示，該STATCOM裝置需要通過在電壓型橋式電路上串聯連接電抗器以濾除裝置產生的諧波，減輕對電網的沖擊。

圖2 電壓型橋式電路

圖2中，電阻R和電感L分別表示裝置損耗和線路電抗及連接變壓器漏抗，C為直流電容，電路中的器件可采用GTO、IGBT或IGCT等。

STATCOM基本工作原理是通過控制電力半導體開關將直流側電壓轉換成與電網同頻率的交流側輸出電壓，工作原理圖如圖3所示。

圖3 STATCOM工作原理圖

圖3中VI為STATCOM的逆變器輸出電壓有效值，Vs為系統電壓有效值。在不考慮連接電抗器的損耗和變流器本身的損耗的情況下，STATCOM的工作原理為：首先將VI與Vs同步，然后通過調節VI的幅值改變VI與Vs的電壓差，可以實現對裝置的無功吸收或者輸出的控制。調節VI，當VI＞Vs時，STATCOM處于超前運行狀態，此時裝置發出無功功率，可以作電容器使用；當VI＜Vs時，STATCOM處于滯后運行狀態，此時裝置吸收無功功率，可以作電抗器的使用；當VI=Vs時，STATCOM與系統無無功交換。當僅考慮基波頻率時，STATCOM可以等效視為幅值和相位均可控的一個與電網同頻率的交流電壓源，它通過交流電抗器與電網相連。

1.3 UPFC工作原理

如圖4所示，統一潮流控制器UPFC由兩個共用直流回路的電壓源換流器（VSC）組成，換流器VSC1連接中間變壓器IT1和耦合變壓器T1串聯接入輸電線路，換流器VSC2經由中間變壓器IT2和耦合變壓器T2并聯接入線路，直流側電容維持電壓不變。UPFC的主要工作原理是：通過換流器VSC1向線路輸入一個幅值和相位可調節的交流電壓，從而控制裝置的有功和無功輸出。其中，換流器VSC1提供的無功功率由自身產生，有功功率由換流器VSC2通過直流回路提供，整個UPFC裝置既不產生也不吸收有功功率，因此換流器VSC2從系統吸收的有功功率等于換流器VSC1注入線路的有功功率。換流器VSC2可以利用剩余的容量獨立的向置入節點提供無功功率以控制節點電壓。

圖4 UPFC的結構及一次接線圖

同時，統一潮流控制器UPFC還有一個優點就是當其中一個設備發生故障時，另一部分仍可獨立運行。具體為：當換流器VSC1發生故障時，斷開直流側開關，此時換流器VSC2可作為STATCOM使用；當換流器VSC2故障時，斷開直流側開關，換流器VSC1僅輸出無功，可作為SSSC使用。

選擇 [Spatial Analyst 工具]→ [地圖代數]→[柵格計算器]，在對話框中輸入公式：＂backl2＂* ＂dem _ buildings＂，計算建筑物背光面輪廓高度，如圖7所示。同理，獲得在時刻13∶00和14∶00的建筑物背光面輪廓及輪廓高度數據 dem _13 和 dem_14。

2 FACTS裝置融冰設計

2.1 SVC裝置融冰原理

TCR型直流融冰兼SVC裝置的主電路原理如圖5所示。該裝置在SVC模式與直流融冰模式的主電路拓撲結構與控制方式有所不同，因此該裝置切換操作相對復雜且對可靠性有影響。

圖5 TCR型直流融冰兼SVC裝置主電路原理結構

如圖6所示，可控整流器型直流融冰兼SVC裝置主要由整流閥、交流濾波器組、平波電抗器、工頻濾波器及隔離閘刀等構成，通過對隔離閘刀進行控制可以使裝置在兩種運行模式下切換運行。如圖6，當GD斷開、GM閉合時，裝置作為融冰裝置使用，工頻濾波器具有濾波作用，可以減少對裝置的運行控制的干擾。

圖6 可控整流器型直流融冰兼SVC裝置原理結構

當GD閉合、GM斷開時，裝置作為SVC使用，此時整流閥基本上只消耗無功功率（有功損耗很小），因此可等效為感性無功源，其與固定容量的容性無功源（交流濾波器組等效）聯合，構成連續可調無功補償裝置。該裝置既可以發出無功（整流橋吸收無功量小于濾波器組補償無功量），又可以吸收無功（整流橋吸收無功量大于濾波器組補償無功量），從而起到對系統進行無功補償的目的。

圖7 電壓源型直流融冰裝置拓撲圖

圖8 STATCOM主電路拓撲結構圖

2.2 STATCOM裝置融冰原理

圖7、圖8分別為STATCOM融冰裝置在融冰模式和STATCOM模式的裝置拓撲圖。將STATCOM擴展為電壓源型融冰裝置的切換原理是：在融冰工作模式下，有功功率從換流橋交流側流向直流側，通過在直流電容并聯覆冰輸電線路，使傳輸的功率對線路進行融冰，并通過SPWM控制技術，使得交流側電壓和電流保持同相位，盡量使得無功功率消耗為0，實現融冰裝置單位功率因數運行狀態；在非融冰模式下，通過改變部分接線，使得裝置作為STATCOM運行，此時無功功率從直流側流向交流側，幾乎不傳輸有功功率。并且根據接入交流側的母線電壓變化，控制換流閥的開關動作，改變調制波的控制相位，實現交流母線感性無功和容性無功的選擇性補償，以提高STATCOM接入點的電壓穩定性。

由上述切換原理可知，融冰裝置和STATCOM除了部分接線需要切換外，最重要的是實現兩者控制策略的切換。下面給出電壓源型直流融冰裝置控制系統的切換原理。電流內環可以用一個慣性環節來代替，因此融冰裝置的控制框圖可以用圖9來表示，該控制的原理是根據融冰負載的不同確定不同的直流電壓，通過電壓外環控制，在保持直流電壓恒定的同時，給出有功功率的參考值，即給出q軸電流的參考值，再經過電流內環控制使得換流橋交流側輸出電流和交流電壓相位保持一致，實現單位功率因數運行，因此該控制的最終目標是實現換流橋交流側電流和電壓同相位，實現全有功功率傳輸，基本不傳輸無功功率。

圖9 電壓源型融冰裝置控制結構框圖

2.3 UPFC裝置融冰原理

統一潮流控制器UPFC融冰的主要原理為：UPFC融冰為交流融冰，結合UPFC具有功率傳遞功能的特點，通過UPFC增加覆冰線路上傳輸的功率，加大線路損耗造成線路發熱，從而達到融冰的效果。

UPFC裝置進行融冰原理圖如圖10所示。系統1和系統2模擬2個電網，線路AB段即為要進行融冰的線路。通過調節UPFC裝置，使線路AB段傳輸的功率增加，流過的負載電流隨之增大，達到融冰所需電流值，覆冰就開始融化。待線路覆冰融化，即可調節UPFC，不再進行功率傳遞，恢復原來的運行方式。

圖10 UPFC裝置進行融冰的結構

UPFC融冰是一種基于增加無功電流的融冰方法，這種方法在不改變負荷正常供電的情況下，降低功率因數，使線路傳送更多的無功功率，從而增大線路上的電流發熱。

3 FACTS裝置融冰對比分析

3.1 融冰方式對比

3．1．1 UPFC融冰方式

UPFC融冰方式為交流帶負荷融冰方式。UPFC融冰作為一種基于增加無功電流的融冰方法，在進行融冰時，對無功功率的控制難度較大，同時，改變了系統無功功率分布，因此對系統穩定影響較大，所以此方法實用性有待進一步提高。該融冰方式為交流帶負荷融冰方式。

表1 STATCOM融冰與SVC融冰的比較

3．1．2 STATCOM及SVC融冰方式

STATCOM及SVC融冰為直流短路融冰方法，直流短路法通過將交流電流通過大容量電力電子設備轉化為直流電流來加熱覆冰線路。由于直流融冰時導線僅與線路的電阻有關，所以線路不消耗無功，僅直流換流器自身消耗無功，因此直流短路法可以對各個電壓等級的線路融冰，而無須考慮線路中無功補償不足的問題，具有一定的應用性

3.2 STATCOM融冰與SVC融冰對比

基于SVC的直流融冰裝置，在非融冰期間作為SVC對電力系統進行無功補償，起到了節省成本和穩定系統的作用。同樣作為重要FACTS裝置的靜止同步補償器（STATCOM）是自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流。其無功補償能力，諧波性能，以及占地面積等均優于SVC。SVC與STATCOM兼融冰的對比如表1所示。

從表1可以看出，在同樣的融冰需求下，SVC和STATCOM裝置的容量相近，但由于前者需要整流變壓器、濾波裝置和無功補償裝置，因此占地面積比較大，且模式切換較復雜，運行維護性較差。STATCOM融冰的性能較好，無需其他的輔助裝置，且模式切換簡單，適合長期運行。

4 結束語

本文對三種兼具融冰功能的FACTS裝置進行了研究，并給出了三種FACTS裝置融冰切換方法；同時本文對靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）以及統一潮流控制器（UPFC）三種FACTS裝置的融冰方式及特點進行了對比分析，研究表明，STATCOM融冰的性能較好，適合長期應用。

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鐘來勝（1986—），男，江西贛州人，大學本科，現供職于廣西電網有限責任公司桂林供電局，工程師，研究方向：變電運行。

李俊（1975—），男，廣西桂林人，大學本科，現供職于廣西電網有限責任公司桂林供電局，工程師，研究方向：變電運行。

肖宏（1977—），男，廣西桂林人，大學本科，現供職于廣西電網有限責任公司桂林供電局，工程師，研究方向：變電運行。

周澤民（1983—），男，廣西桂林人，大學本科，現供職于廣西電網有限責任公司桂林供電局，助理工程師，研究方向：變電檢修。