ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
第４０卷第６期２００６年１２月Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．６Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００６
１引言
１９８６年美国电力科学研究所著名电力专家ＮＧ
（ＦｌｅｘｉｂｌｅＡＣＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，
简称ＦＡＣＴＳ）的概念。所谓ＦＡＣＴＳ，
即是装有电力电子型或其它静止型控制器，以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统［１］。在２０世纪末，ＦＡＣＴＳ家族成员从第一代、第二代很快发展到第三代。ＦＡＣＴＳ装置通过串联、并联或串并联混合方式接入输电系统。 目前，各种ＦＡＣＴＳ装置都是单点集中安装，具有大功率、高电压，设计周期长，投资大，维护成本
高
等特点［２，３］
，限制了ＦＡＣＴＳ技术的广泛应用。针对这种情况，美国电力电子专家ＤｉｖａｎＤＭ教授提出了
地热电缆分布式柔性交流输电系统（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦＡＣＴＳ，
简称Ｄ－ＦＡＣＴＳ）
的概念［２］，其核心是分布式串联补偿器，本文将Ｄ－ＦＡＣＴＳ串联补偿器称为分布式ＦＡＣＴＳ控制
器（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦＡＣＴＳＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，简称ＤＦＣ）。它的特点是小额定容量（￣１０ｋＶＡ），可采用市场上有大量供货的低价格电力电子器件，采用成熟的制造技术，降低成本，提高可靠性；ＤＦＣ可以制造的足够轻巧，挂接在输电线上，无需中断线路，安装方便简单，不占地面面积，也避免了绝缘的问题；同时，Ｄ－ＦＡＣＴＳ可根据现有的输配电网络要求分期制造，分散投资。 本文首先对集中式ＦＡＣＴＳ和Ｄ－ＦＡＣＴＳ的结构和性能做了总结对比。现以东北地区伊敏－齐齐哈尔冯屯（简称伊－冯输电线）５００ｋＶ输电线为例，
仿真分析了小容量分布式补偿器的潮流控制作用，采用有源可变电感（ＡｃｔｉｖｅＶａｒｉａｂｌｅＩｎｄｕｃｔａｎｃｅ，简称ＡＶＩ）原理，设计了一套补偿器装置，并对该装置的潮流控制作用进行了研究。
２集中式和分布式串行补偿器结构及性能对比
２．１
集中式串联补偿总结
活性炭面膜图１示出ＦＡＣＴＳ潮流控制原理。由图可见，有功潮流控制可通过控制电压ｕｓ和ｕｒ、相位角αｓ和
基金项目：
电力设备电气绝缘国家重点实验室中青年基础研究创新基金资助项目
定稿日期：２００６－０５－１９
作者简介：
宁改娣（１９６４－），女，陕西人，副教授，在职博士。研究方向为控制技术及电力电子技术应用。
一种新型柔性交流输电技术的研究
宁改娣，王
鬼屋道具跃，何世杰，王兆安
（西安交通大学，陕西西安７１００４９）
摘要：阐述了分布式柔性交流输电系统（ＦｌｅｘｉｂｌｅＡＣＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，简称ＦＡＣＴＳ）的概念及其分布式控制器的结构，对分布式ＦＣＡＴＳ控制器与目前集中式ＦＡＣＴＳ装置的结构与性能进行了对比。设计了基于有源可变电感的小容量分布式静止串行补偿器，验证了该补偿器的潮流控制作用。论述了实现低成本和高可靠性分布式ＦＡＣＴＳ补偿方案的可能性。
关键词：输电系统；补偿器／潮流控制中图分类号：ＴＭ７２，ＴＭ７６１
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－１００Ｘ（２００６）０６－０１４０－０３
ＡＮｏｖｅｌＦｌｅｘｉｂｌｅＡＣＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍ
ＮＩＮＧＧａｉ－ｄｉ，ＷＡＮＧＹｕｅ，ＨＥＳｈｉ－ｊｉｅ，ＷＡＮＧＺｈａｏ－ａｎ
（Ｘｉ′ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐａｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｅｒｉｅｓＦｌｅｘｉｂｌｅＡＣＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍ（ＦＡＣＴＳ）ｄｅｖｉｃｅｓ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｌｅｘｉｂｌｅＡＣＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍ（Ｄ－ＦＡＣＴＳ），ｗｈｉｃｈｉｓｒｅｃｅｎｔｌｙｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＡｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｓｍａｌｌｃａｐａｃｉｔｙＤ－ＦＡＣＴＳｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＤＦＣ）ｂａｓｅｄｏｎａｃｔｉｖｅｖａｒｉａｂｌｅｒｅａｃｔａｎｃｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｖｅｒｉｆｙｉｎｇｔｈａｔｄｅｓｉｇｎｅｄＤＦＣｈａｓｇｏｏｄｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｆｌｏｗｃｏｎｔｒｏｌ．ＦＡＣＴＳｍａｙｂｅｒｅｐｌａｃｅｄｂｙａｓｅｒｉｅｓｏｆｓｍａｌｌｃａｐａｃｉｔｙＤＦＣｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｓａｍｅｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｄ－ＦＡＣＴＳｏｆｌｏｗｃｏｓｔａｎｄｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｓｐｏｓｓｉｂｌｅｔｏｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ｗｈ
ｉｃｈｉｓｐｒｏｖｅｎｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｓｍａｌｌｃａｐａｃｉｔｙＤＦＣｃａｎｂｅａｓｓｅｍｂｌｅｄｂｙｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅａｖａｉｌａｂｌｅｉｎａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｎｔｈｅｍａｒｋｅｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ／ｐｏｗｅｒｆｌｏｗｃｏｎｔｒｏｌＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔ：ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＭｉｄ－ｙｏｕｎｇＢａｓｉｃＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＰｏｗｅｒＥｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃＩｎｓｕｌａｔｉｏｎ
１４０
表１集中式ＦＡＣＴＳ与Ｄ－ＦＡＣＴＳ比较
性能
集中式ＦＡＣＴＳ装置
ＤＦＣ
经济性集中投资
运行费用高
总投资高分散投资
运行费用低、总投资低装置结构及制造
结构复杂，需要专门的
制造技术结构简单，制造技术成熟
可靠性故障多，一条线路的各
ＦＡＣＴＳ装置故障往往
要互相陪停故障少，无需停电维修环境友好性
占地面积、对森林环境
影响较大
不占地面积安装及维护复杂，需要时间长
简单
αｒ、输电线阻抗Ｘ来实现。现有输电线路
的电压等级是确定的，而相角控制方案又非常复杂，通过串联ＦＡＣＴＳ装置，改变Ｘ，对线路上的潮流具有更大的可控性。目前，常用的串行补偿有晶闸管控制的串联电容器（ＴｈｙｒｉｓｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＳｅｒｉｅｓＣａｐａｃｉ－ｔｏｒ，
简称ＴＣＳＣ）和静止同步串联补偿器（ＳｔａｔｉｃＳｙｎ－ｃｈｒｏｎｏｕｓＳｅｒｉｅｓＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，
简称ＳＳＳＣ，有时又称作Ｓ３Ｃ）
。ＴＣＳＣ可运行在微调模式下，从容性到感性连续调节阻抗，并可提高输电线路的输送能力，改善电力系统的各种性能。ＳＳＳＣ的作用是一个与交流系统电压同步的电压源，它通过注入一个与线路电流呈合适角度的电压来改变输电线路的有效阻抗，是比ＴＣＳＣ更有潜力的一种装置
［２］
。但是，ＴＣＳＣ和ＳＳＳＣ
仍然具有上述单
点集中ＦＡＣＴＳ的特点，且安装占地面积大，需要中断
输电系统。图２示出ＴＣＳＣ和ＳＳＳＣ的结构框架。因此，ＴＣＳＣ实际运行工程并不多，目前还尚未看到有关ＳＳＳＣ的实际工程报道。
２．２ＤＦＣ的结构
ＤＦＣ是将集中ＦＡＣＴＳ装置的作用分散，每个
ＤＦＣ对阻抗补偿度很小，因而ＤＦＣ容量也较小，
可以制作的足够轻巧。由大量的ＤＦＣ分布于输电线，以实现对潮流的控制。单匝变压器（ＳｉｎｇｌｅＴｕｒｎ
铱-192Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ＳＴＴ）
是ＤＦＣ结构的重要部分，输电线作为ＳＴＴ的一个单匝绕组，ＳＴＴ使小容量ＤＦＣ机械地夹在传
输线上，避免了绝缘等问题，图３示出ＤＦＣ的结构。它可采用多种传统的串联补偿控制策
略，如ＴＣＳＣ，ＳＳＳＣ等来改变输电线路的有效阻抗［２～４］
。本文采用ＡＶＩ原理［５］实现ＤＦＣ，期望其动态性能比传统方法更好。ＤＦＣ可制造成固定串补度的标准模块，简化控制。随着研究的深入，ＤＦＣ也可加入无线或电力载波通信（ＰｏｗｅｒＬｉｎｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＰＬＣ）模块，通过控制中心改变补偿度和控制策略，以满足电力系统网络化、智能化发展的需求。
２．３集中式与分布式串联补偿的对比
文献［２］对美国的集中式和分布式ＦＡＣＴＳ投资进行了详细分析对比。集中式的ＦＡＣＴＳ投资成本在１２０￣１５０美元／ｋＶＡ之间；分布式ＦＡＣＴＳ投资成本则低于１００美元／ｋＶＡ。此外还对集中式ＦＡＣＴＳ装置的性能成本做了比较和评价。表１给出集中式ＦＡＣＴＳ与Ｄ－ＦＡＣＴＳ特点的比较。
２．４
举例
以伊－冯输电线５００ｋＶ双回输电线为例，介绍了集中式ＴＣＳＣ和ＤＦＣ。为了降低投资，减小线路走廊的用地面积，以及对原始森林的保护等因素，伊－冯输电线采用同杆双回５００ｋＶ线路加串联补偿代替三回走廊，图４ａ示出ＴＣＳＣ补偿原理。每回线长
３９４ｋｍ，线路等效电阻Ｒ＝１０．７５Ω（０．０２７Ω／ｋｍ）
，线路等效阻抗ＸＥ＝１０７．２２Ω（０．２７Ω／ｋｍ，０．８６ｍＨ／ｋｍ）
。发送端和接受端电压均为ｕｓ＝ｕｒ＝５００ｋＶ，功角δ＝δｓ－δｒ。拟议中的伊－冯输电线５００ｋＶ双回线的ＴＣＳＣ框算为
２８００万美元［３］，ＴＣＳＣ串行补偿度为３０％。
图４ｂ示出ＤＦＣ补偿原理。
若设计每个ＤＦＣ补偿度为每公里线路阻抗的５％（０．２７×５％＝１３．５ｍΩ，０．０４３ｍＨ），以５００ｋＶ线路频频采用的ＬＧＪ６３０／４５导线允许载流７６３Ａ计算，ＤＦＣ引起线路的电压变化为１０．３Ｖ（１３．５ｍΩ×７６３Ａ）
，则ＤＦＣ
的容量仅为７．８６ｋＶＡ。那么３９４ｋｍ的双回输电线每公里每相加
６个ＤＦＣ模块，
共加１４１８４个ＤＦＣ模块，对输电线的串联补偿度将达到３０％，
由于小容量ＤＦＣ使用的元器件成本低，制造技术成熟，同时ＤＦＣ还可以根据输电的需要逐步增加，分散投资。因此，在投资成本和可靠性方面，
图１ＦＡＣＴＳ潮流控制原理
图２ＴＣＳＣ和ＳＳＳＣ结构框架图３ＤＦＣ结构
图４ＤＦＣ对简单的电力传输
系统潮流控制
一种新型柔性交流输电技术的研究
１４１
电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
第４０卷第６期２００６年１２月Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．６Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００６
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图５
有源可变电感原理图
ＤＦＣ比集中式ＴＣＳＣ都具有明显优势。
３ＤＦＣ潮流控制研究
采用ＡＶＩ实现了ＤＦＣ。图５示出ＡＶＩ原理。
美容笔
通过ＴＭＳ３２０Ｆ２４０７控制单相电压型逆变器使ＡＢ一端口网络满足电感的磁通与电流的关系，即Φｒｅｆ＝#
ｕｔｄｔ作为控制指令，控制逆变器使Φｒｅｆ＝Ｌｉｔ。为了与１．４分析对应，仿真采用伊－冯输电线参数，仿真线路取１ｋｍ
，线路等效电阻Ｒ＝０．０２７Ω，
ＸＥ
＝ωＬ＝
０．２７Ω
，即线路电感Ｌ＝０．８６ｍＨ，图６示出仿真电路。
发送端和接受端的相电压有效值Ｕｓ＝
Ｕｒ＝１０Ｖ，δ＝δｓ－δｒ＝３０°
。仿真中，ＤＦＣ注入线路的总电感为－０．２５８ｍＨ（补偿度为Ｌ的３０％），仿真采用单相电路，仿真在０．０８ｓ使ＡＶＩ从０Ｈ改变到－０．２５８ｍＨ，由理论计算可得单相输电线有功功率相应地由
１８５．１９Ｗ到
２６４．５５Ｗ。
图７ａ示出ＡＶＩ的端电压ｕ和电流ｉ的波形，它具有电容特性。图７ｂ示出有功功率
Ｐ的波形，
稳态时与理论计算近似。
实验中，Ｕｓ＝Ｕｒ＝１０Ｖ，Ｒ＝５Ω，在０．２ｓ时控制ＡＶＩ，使电路总有效电感从２１ｍＨ减小到１６ｍＨ，
图８示出采用ＤＦＣ潮流控制得到的传输线电流ｉｘ实验波
形。可见，结果与理论分析及仿真一致。
４结论
阐述了Ｄ－ＦＡＣＴＳ概念及ＤＦＣ的结构，对ＤＦＣ和ＦＡＣＴＳ装置进行总结对比。对伊－冯输电线使用ＤＦＣ进行了仿真。仿真和实验均证明了ＤＦＣ可以实现集中ＦＡＣＴＳ的潮流控制功能。由于ＤＦＣ采用的电力电子器件在市场上有大量供货，采用低压成熟的设计和制造技术。因此，Ｄ－ＦＡＣＴＳ具有低成本和高可靠性的潜能，对于我国电网线路输送能力偏低，网络建设规模较小，电网新技术应用较少，以及资金缺乏等现状具有深远的意义。
芯撑
本文仅对Ｄ－ＦＡＣＴＳ做了初步研究，今后还将继续深入研究ＤＦＣ的制造，接入线路后的动态性能，
ＤＦＣ的相互影响，对无功的影响，以及损耗等。参考文献
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ＨＦｕｎａｔｏ，ＡＫａｗａｍｕｒａ．ＰｒｏｐｏｓａｌｏｆＶａｒｉａｂｌｅＡｃｔｉｖｅ－ｐａｓｓｉｖｅＲｅａｃｔａｎｃｅ［Ａ］．１９９２ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎ
ｃｅｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ［Ｃ］．１９９２，ＰＥ－１０（１）：３８１～３８８．
图６基于ＡＶＩ的ＤＦＣ潮流
控制仿真电路图７ＤＦＣ潮流控制仿真和实验波形
图８实验波形
１４２
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