柔性交流输电技术在智能电网中的应用

柔性交流输电技术在智能电网中的应用

尹晨光,刘海 ,芮光中

南京南瑞继保工程技术有限公司江苏省，南京市211111

摘要：国内的智能电网系统目前正在大规模接入清洁能源，并且各种电子化设备的比例也在不断提升。柔性交流输电技术在清洁能源发电并网、提升电网稳定性、实现潮流精确控制，以及抑制低频振荡等方面发挥着非常关键的作用，智能电网在发展过程中离不开柔性交流输电技术，且还在不断地进步和升级，未来的应用场景也会继续拓展。

关键词：柔性交流输电技术；智能电网；应用

引言：

国内的智能电网综合了特高压输电、清洁能源发电以及智慧化监控等一系列先进的技术，复杂度的提升对维持智能电网的稳定性提出了较大的挑战。柔性交流输电技术依靠一系列电子设备实现统一潮流控制、稳定电网电压、提升传输容量、抑制低频振荡和次同步振荡，这些技术对电网智能化控制和稳定运行产生了深远的意义，智能电网建设和发展过程中必须重视对柔性交流输电技术的研究和应用。

一、柔性交流输电技术在智能电网中的具体应用价值

柔性交流输电技术实际上是建立在一系列FACTS装置的基础之上，此类装置分为串联补偿、并联补偿以及串并联综合控制三大类，表1列举了典型柔性交流输电装置的类型和功能。电力系统在输送电能的过程中力求做到降低线路损耗、减少无功功率、维持电网稳定性以及提高传输容量等。FACTS装置的功能主要集中在五个方面。

（一）潮流控制

在内电力输送中要尽可能提高线路上的有功潮流，而这一参数的计算方式为，i,j分别为两个母线节点，U、分别代表电压和相角，为i、j两个节点线路的等效电抗值。在FATCS装置中设计有专门的统一潮流控制器，该装置可对上述公式中的相角、线路上的电抗值以及电压值进行调节，从而提高有功潮流，典型的控制器为UPFC（统一潮流控制器）[1]。智能电网在信息化、控制精度方面较传统的电网系统有大幅度的提升，潮流控制作为评价电网系统优劣性的关键指标，自然成为智能电网的设计重点。潮流控制关键在于解决电网系统潮流分布不均匀的问题，基于柔性交流输电技术的潮流控制器可精确化的控制电网系统的潮流分布，提高电网的稳定性。

（二）电压支撑

电力输送线路上的电感和电容会吸收一部分电力能源（但不会消耗），进而形成了无功功率，线路上承载的电力负荷始终处于动态变化之中，当负荷低于线路上的无功功率时，电压值会因此而下降，反之会导致电压上升。现代化的智能电网要求电网系统的电压值尽量维持稳定。只有当无功功率和用户的无功负荷相等时才不会影响到电压值。显然，用户的无功负荷具备随机性，无法控制，只能通过调节电网系统上的无功功率来实现二者间的平衡。电力工程实践中通过无功补偿的方式来调节无功功率，但传统的静止并联无功补偿存在较大的缺陷，主要问题是调节效果离散、速度缓慢，难以满足智能电网精确控制的技术要求。而柔性交流输电装置能够实现快速、连续的无功功率补偿，典型的如SVC（静止无功发生器），其中引入了电力电子元件，可实现平滑控制，进而使受到补偿的节点电压几乎维持在恒定值。SVC大多通过降压变压器并入电力输电系统中，其主要作用是向系统注入无功功率，用于补偿无功功率和无功负荷间的差值[2]。

（三）提高电网传输的容量

（式1）是电力传输网络上描述有功功率的计算方式，该计算方法忽略了电力传输网上的阻值，因为未将线损失考虑在内。智能电网除了提升电力的信息化监控能力，同时还要进一步提高传输容量和效率，将电网的效能发挥到极致。根据（式1）的参数可知，设,sinδ的值呈周期性变化，存在增区间和极值点，将柔性交流输电控制器引入输电系统之后可有效调节节点之间的相角差，也就是δ的值，通过控制器的作用可提高sinδ的取值，进而达到提升有功传输功率的作用。另一方面，传输功率还与线路上的电抗值密切相关，在线路中设置串联补偿装置（如TCSC）之后相当于增加了串联阻抗，如图1所示，进而抵消了一部分线路上的电抗值，同时串联补偿还在一定程度上改变了相角之间的差值，但相角的改变并不一定都能起到正向作用，关键在于控制sinδ的取值[3]。也起到了提升传输能力的效果。因此，在引入了柔性交流输电控制器之后该线路上的耗损值显著降低，电能利用效率有所增加，网络传输容量更大，这一技术对提高智能电网的性能具有突出的意义。

图1.柔性输电技术提高智能电网传输容量的原理示意图

（四）抑制低频振荡

低频振荡的问题不仅仅是智能电网才会出现的问题，实际上在电网系统智能化之前，这一问题就已经存在，并且引起了人们的重视。因为低频振荡作用会引发一系列问题，干扰电网的正常运行。典型的如低频振荡可引起厂用电动机、汽轮机等重要发电设备的正常运行。低频振荡的成因较为复杂，目前主要利用负阻尼机理、强迫振荡机理等解释其成因。这种不良现象的出现与现代化电力网络互联互通以及快速励磁装置的使用密切相关，并且这种现象在长距离的电力输送网络中出现得更为频繁。抑制电力网络低频振荡的技术路线主要包括三种，分别是①采用直流输电技术，②增强网架结构，减少安装串联补偿电容，或者减少系统中重负荷的输电线路的数量和长度。③在长距离的输电线路上安装柔性交流输电控制装置，维持电压的稳定性。在这三种解决方案中，安装FACTS装置的应用价值最大，一方面这种装置不会限制电力输电网络系统的设计。另一方面，由于FATCS装置类型和功能多样，在各类电网系统控制和优化中更具灵活性和针对性，在抑制低频振荡方面和使用UPFC控制器、STATCOM装置等。

（五）抑制次同步振荡

电力系统次同步谐振的问题早在20世纪70年代就引起了工程界的注意，原因在于当时国外的电力企业因为这一原因而造成了发电设备大轴断裂的严重事故，并且不止一次。造成次同步谐振的主要原因是现代化的电网系统中引入了串联电容补偿的技术措施。TCSC装置在抑制次同步谐振方面应用的最为广泛，其主要作用是调节电网系统中的阻抗值，从而借此类提高电网系统的稳定性，抑制次同步谐振的问题。从原理上看，次同步谐振涵盖了三个内容，分别涉及机电设备扭振、异步发电机效应以及暂态力矩放大，将这三者合称为SSR（次同步谐振），国虽然在柔性交流输电技术方面起步较晚，但也在20世纪末期开始研发可用于抑制次同步谐振的装置，并且取得了良好的效果。

表1.FACTS装置的主要功能

二、智能电网发展趋势及柔性交流输电技术的应用场景

（一）智能电网发展趋势

现代化的智能电网正在朝着高比例电子装置以及高比例清洁能源的方向而发展，其特点为“双高”。智能电网的智能性依靠各种传感器、自动化控制的电力设备来实现。风能、太阳能等清洁能源在国内的发电产业中所占的比例呈现出逐年上涨的趋势，从长远来看，“碳达峰”、“碳中和”的目标还会进一步促进清洁能源的占比。这些对自然条件依赖程度非常高的清洁发电技术对电网系统的灵活性提出了很高的要求，一方面发电源头分布在不同的位置，体现出分布式的特点，另一方面，这些清洁发电技术受到自然条件限制，难以达到足够的稳定性。

柔性交流输电技术和柔性直流输电技术在应对清洁能源比例大幅增加的情况时发挥着非常关键的作用，正是因为清洁发电技术的不稳定特点，并网之后可引发电网的波动，通过柔性交直流输电技术可提高电网的调节能力，确保电压的稳定性[4]。

（二）柔性交流输电技术的典型应用场景分析

我国在2017年时投用了500kv统一潮流控制器（UPFC），实现了柔性交流输电技术的巨大突破，统一潮流控制器是实现电网高精度控制的关键设备，可显著提高电网的智能化控制水平，相当于为电力输送安装上了“导航”功能。该项技术应用于特高压输电网中，将西部的风力发电和太阳能发电产生的电力能源高效、稳定地输送到了东部地区，打通了“西电东送”的重要一环。该500kv统一潮流控制器设置于苏州电网，其工程示范意义体现在三个层面。其一，提升了苏州电网的运行效率。其二，提升了苏州电网运行过程中的稳定性。其三，大量消纳来自西部的清洁能源。

三、结束语

国内智能电网大量并入清洁能源发电，并且这一趋势还将长期延续，为了解决好清洁发电对电网系统稳定性造成的影响，柔性交流输电技术成为重要的技术路径。FACTS在清洁能源并网发电方面作用突出，可有效稳定电网系统的电压、实现精确的统一潮流控制、抑制低频振荡和次同步振荡，还能提高智能电网的传输容量。

参考文献：

[1]勇华 程.浅析柔性交流输电技术在智能电网中的应用[J].建筑发展,2017,1(2).

[2]闫冉阳.柔性交流输电技术支持智能电网建设分析[J].电力系统装备,2019(2):2.

[3]李国庆,孙银锋,吴学光.柔性直流输电稳定性分析及控制参数整定[J].电工技术学报,2017,32(6):9.

[4]董新洲,汤兰西,施慎行,等.柔性直流输电网线路保护配置方案[J].电网技术,2018,42(6):8.