提高電網(wǎng)性能和可靠性的關(guān)鍵

柔流輸電系統(tǒng)（FACTS）使用固態(tài)電力電子設(shè)備來(lái)增強(qiáng)控制并提高電網(wǎng)的電力傳輸性能。輸電效率低下占電網(wǎng)能量損失的8%至9%，使用FACTS來(lái)調(diào)節(jié)電壓，提高功率因數(shù)，調(diào)節(jié)諧波并穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)，可以使電網(wǎng)系統(tǒng)更好，更高效地運(yùn)行。

交流功率流

靜態(tài)同步補(bǔ)償器（STATCOM）使用現(xiàn)代電力電子設(shè)備來(lái)控制通過(guò)交流（AC）傳輸網(wǎng)絡(luò)的功率流，從而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。該器件有時(shí)被稱(chēng)為靜態(tài)同步調(diào)振器 （STATCON），充當(dāng)分流器，為電流通過(guò)電路創(chuàng)建一條低電阻路徑。這些器件屬于靜態(tài)VAR補(bǔ)償器（SVC）類(lèi)別，使用現(xiàn)代電力電子設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。

電氣負(fù)載

電路為兩種類(lèi)型的電氣負(fù)載供電 - 無(wú)功和非無(wú)功（或電阻）負(fù)載。純電阻負(fù)載（例如電加熱器）不存儲(chǔ)電能，并且在施加到交流電源系統(tǒng)時(shí)導(dǎo)致電壓和電流之間沒(méi)有相移。變壓器、電機(jī)或包含電感器或電容器的電路等無(wú)功負(fù)載通過(guò)磁場(chǎng)和靜電荷存儲(chǔ)電能，并根據(jù)交流系統(tǒng)中電壓和電流之間的相移表現(xiàn)出無(wú)功潮流。

電氣系統(tǒng)中的功率 （P） 等于電壓 V 乘以電流 I（或 P = VI，P 以瓦特為單位）。在交流網(wǎng)絡(luò)中，電壓和電流之間可能存在相位差（δ），這導(dǎo)致功率因數(shù)小于1。異相功率稱(chēng)為無(wú)功功率，稱(chēng)為伏安無(wú)功 （VAR），即 1930 年采用的無(wú)功功率單位。

在交流系統(tǒng)中，功率因數(shù)由負(fù)載使用的實(shí)際功率與電路中的視在功率之比定義 - 功率因數(shù)較低的系統(tǒng)在負(fù)載中具有更多的能量存儲(chǔ)，從而降低整體傳輸效率。

靜態(tài) VAR 補(bǔ)償器

STATCOM屬于一類(lèi)較大的設(shè)備，當(dāng)用作FACTS電網(wǎng)的一部分時(shí)，稱(chēng)為靜態(tài)VAR補(bǔ)償器。SVC 連接到輸電網(wǎng)，以通過(guò)電容器或電感器調(diào)節(jié)電壓。創(chuàng)建STATCOM設(shè)備的關(guān)鍵是通用電氣在1990年代開(kāi)發(fā)的柵極關(guān)閉晶閘管（GTO）。

阻性和無(wú)功負(fù)載

交流電網(wǎng)由電阻和無(wú)功負(fù)載的組合組成，電網(wǎng)的電壓可以使用無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于用電端電網(wǎng)上的負(fù)載可能每秒變化，因此需要調(diào)節(jié)器件來(lái)檢測(cè)這些變化并控制系統(tǒng)中的無(wú)功電壓量。

讓我們來(lái)看看無(wú)功功率如何調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的電壓?；叵胍幌?，電氣系統(tǒng)中的功率P等于電壓V乘以電流I，或P = VI，因此，如果用電端的負(fù)載增加，它會(huì)從電網(wǎng)吸收更多的電流（I），導(dǎo)致電壓（V）以恒定功率（P）水平下降。為了正常工作，負(fù)載還需要其額定電壓。這就是無(wú)功電壓發(fā)揮作用的地方。調(diào)節(jié)器件（如STATCOM）檢測(cè)即將發(fā)生的壓降，在電容器組中切換并增加系統(tǒng)中的無(wú)功電壓以將負(fù)載電壓提高到額定值。同樣，用電端負(fù)載的降低導(dǎo)致無(wú)功電壓分量的減少，電感被接通，從而將負(fù)載處的系統(tǒng)電壓降低到其額定電平。

SVC 通過(guò)傳輸線路的降壓變壓器運(yùn)行。電容器（TSC）和電感器（TCR）通過(guò)背靠背晶閘管切換，通過(guò)增加（TSC）或吸收（TCR）無(wú)功功率來(lái)控制電網(wǎng)中的電壓。圖片由電氣工作簿提供

增加或吸收無(wú)功功率

晶閘管控制的STATCOM器件不斷增加或吸收無(wú)功功率，以保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。STATCOM的電壓V1和電網(wǎng)的V2之間的相位角δ決定了電壓支持對(duì)電網(wǎng)的貢獻(xiàn)大小。

V1是STATCOM設(shè)備提供的電壓，而V2是輸電網(wǎng)的電壓。圖片由電氣概念提供

在上圖中，無(wú)功潮流Q的控制方程為：

[Q=Big（frac{V2}{X}Big）[V1cosdelta-V2]]

如果相位角δ=0，則有功功率的流量變?yōu)榱?，無(wú)功功率的流量取決于STATCOM和電網(wǎng)之間的電壓差（V1 – V2）。這提供了兩種可能性：

1.） 如果 V1 大于 V2，則無(wú)功功率從 SATCOM V1 流向電網(wǎng) V2

2.） 如果 V2 大于 V1，無(wú)功功率將從電網(wǎng) V2 流向 STATCOM 設(shè)備 V1

使用帶有GTO晶閘管的方波逆變器的STATCOM電壓源轉(zhuǎn)換器（VSC）通過(guò)改變直流電容器輸入電壓來(lái)控制輸出交流電壓，這使得轉(zhuǎn)換器輸出電壓與直流電壓成正比。變壓器將VSC的輸出耦合到電網(wǎng)，中和逆變器產(chǎn)生的方波中包含的諧波。最近，其他高功率半導(dǎo)體器件，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和集成柵極換向晶閘管（IGCT），已經(jīng)在STATCOM器件中得到了應(yīng)用。

由于STATCOM的電壓源由直流電容器產(chǎn)生，因此該器件的有功功率能力有限。但是，如果在直流電容器上連接更大規(guī)模的儲(chǔ)能裝置，允許STATCOM獨(dú)立發(fā)出或吸收無(wú)功功率，則可以增加這一比例，從而進(jìn)一步提高電網(wǎng)的可控性。

分布式能源

今天的電網(wǎng)看起來(lái)與過(guò)去幾十年不同，因?yàn)殚g歇性風(fēng)能和太陽(yáng)能等分布式能源以及不斷增加的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)增加了傳統(tǒng)公用事業(yè)服務(wù)的可變性。維護(hù)安全、穩(wěn)定和可靠的電網(wǎng)需要開(kāi)發(fā)工具，以便對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，并創(chuàng)建自動(dòng)系統(tǒng)，以提供近乎即時(shí)的電網(wǎng)參數(shù)控制?；陔娏﹄娮拥牟⒙?lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置（如STATCOMS）的持續(xù)發(fā)展將繼續(xù)提高國(guó)家電網(wǎng)的性能和可靠性。