柔性交流輸電系統 (FACTS)

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電網的基本功能之一是保持網路中的功率平衡。這意味著任何時刻的發電量必須等於用電量。這可以透過高效的輸電系統來實現。

在智慧電網中，有幾種不同型別的輸電系統，如FACTS、HVDC等，用於最佳化能量流。本章將解釋**FACTS（柔性交流輸電系統）**的基礎知識及其優點。

什麼是柔性交流輸電系統 (FACTS)？

在電網中，**FACTS**代表**柔性交流輸電系統**。FACTS是一種輸電系統，它由靜態控制器組成，用於提高輸電網路的可控性和增加輸電能力。

FACTS基本上是一種基於電力電子的輸電系統。這些電力電子元件或裝置提供了控制交流輸電系統的一個或多個引數的能力，以增強其可控性和輸電能力。

因此，可以說FACTS的主要目標是管理和最佳化交流輸電網路的執行。它提高了電力網路的效率、可靠性和功能。

柔性交流輸電系統的重要性

無功功率補償是實現最有效和經濟的電力傳輸的最大問題之一。在智慧電網中，有被稱為FACTS器件的著名裝置，用於精確補償無功功率。這些裝置透過將串聯和並聯補償結合在一起，提供動態控制的無功功率補償。

為了理解FACTS技術的重要性，我們首先需要了解下面解釋的交流系統的輸電能力。

交流系統的輸電能力

考慮一個典型的無損交流輸電系統，如下圖所示。

在這個系統中，

$$\mathrm{V_{s} \: = \: 傳送端電壓}$$

$$\mathrm{V_{r} \: = \: 受端電壓}$$

$$\mathrm{I \: = \: 線路電流}$$

$$\mathrm{X \: = \: 輸電線路電抗}$$

由於我們考慮的是無損輸電系統，因此傳送端電壓和受端電壓相同，即：

$$\mathrm{V_{s} \: = \: V_{r} \: = \: V(假設)}$$

輸電線路電流和電壓之間存在δ的相位滯後，這取決於輸電線路的電抗X。因此，傳送端電壓和受端電壓可以表示為：

$$\mathrm{V_{s} \: = \: V \: \cos(\frac{\delta}{2}) \: + \: jV \: \sin(\frac{\delta}{2})}$$

$$\mathrm{V_{r} \: = \: V \: \cos(\frac{\delta}{2}) \: − \: jV \: \sin(\frac{\delta}{2})}$$

因此，輸電線路電流將為：

$$\mathrm{I \: = \: \frac{V_{s} \: - \: V_{r}}{jX}}$$

$$\mathrm{\Rightarrow \: I \: = \: \frac{V \: \cos(\frac{\delta}{2}) \: + \: jV \: \sin(\frac{\delta}{2}) \: - \: V \: \cos(\frac{\delta}{2}) \: + \: jV \: \sin(\frac{\delta}{2})}{X} \: = \: \frac{2V \sin(\frac{\delta}{2})}{X}}$$

同樣，輸電線路是無損線路。因此，線路任何一點的有功功率P都是相同的，即：

$$\mathrm{P_{s} \: = \: P_{r} \: = \: P \: = \: VI \cos(\frac{\delta}{2})}$$

$$\mathrm{\Rightarrow \: P \: = \: V \cos(\frac{\delta}{2}) \: \cdot \: \frac{2V \sin(\frac{\delta}{2})}{X} \: = \: \frac{V^{2} \sin\delta}{X}}$$

此外，傳送端的無功功率與受端的無功功率大小相等方向相反，即：

$$\mathrm{Q_{s} \: = \: -Q_{r} \: = \: Q \: = \: VI \sin(\frac{\delta}{2})}$$

$$\mathrm{Q \: = \: V \sin(\frac{\delta}{2}) \: \cdot \: \frac{2V \sin(\frac{\delta}{2})}{X} \: = \: \frac{V^{2} (1 \: - \: \cos\delta)}{X}}$$

由於相角δ非常小。因此，有功功率取決於δ，而無功功率取決於電壓的大小。因此，我們應該對電壓進行嚴格控制以控制電力線中的無功功率流。

柔性交流輸電系統技術的型別

FACTS器件使用以下三種類型的技術來提高交流輸電系統的可控性和輸電能力：它們是：

• **串聯補償** - 在串聯補償中，線路阻抗X減小以增加可傳輸的有功功率。
• **並聯補償** - 在並聯補償中，將無功功率注入輸電線路以控制電壓幅度。
• **組合補償** - 在組合補償中，將串聯和並聯技術結合起來，對透過輸電線路的功率流進行全面控制。

柔性交流輸電系統裝置的型別

根據使用的補償技術型別，FACTS器件可分為以下主要型別：

靜態無功功率補償器 (SVC)

SVC是一種FACTS器件，用於透過產生或吸收無功功率來控制輸電線路的電壓。它使用並聯補償技術。SVC的輸出透過控制電感或電容電流來調節。SVC的電路圖如下圖所示。

靜態同步補償器 (STATCOM)

STATCOM也是一種基於並聯補償的FACTS器件。它類似於SVC，但它可以提供更快、更精確的無功功率流控制。

STATCOM的獨特之處在於其電容和電感輸出電流可以獨立控制。因此，它可以在電感和電容區域都工作。STATCOM器件的電路圖如下圖所示。

閘流體控制串聯電容器 (TCSC)

TCSC是一種FACTS器件，它由一個串聯電容器組組成，該電容器組與一個閘流體控制的電抗器並聯連線。它用於提供平滑可變的串聯電容電抗，以修改輸電線路的等效電抗並控制功率流。下圖描繪了TCSC的電路圖。

閘流體開關串聯電容器 (TSSC)

TSSC是一種串聯補償FACTS器件，它由一個串聯電容器組組成，該電容器組與一個閘流體開關的電抗器並聯連線。電抗器提供輸電線路中串聯電容電抗的分步控制。TSSC的電路圖如下所示：

閘流體控制串聯電抗器 (TCSR)

TCSR是一種串聯補償FACTS器件，它提供平滑可變的電感電抗。它由一個串聯電感與一個閘流體控制的電抗器並聯組成，如下圖所示：

閘流體控制電抗器 (TCR)

在這種型別的FACTS器件中，電抗器與閘流體閥串聯連線。其中，閘流體閥由兩個反並聯連線的閘流體組成。

TCR是超高壓輸電線路中常用的器件，用於在空載或輕載條件下進行無功功率補償。閘流體控制電抗器的電路圖如下圖所示：

閘流體開關電容器 (TSC)

TSC是一種FACTS器件，也用於超高壓輸電線路。但它在過載條件下用於滿足無功功率需求。TSC的電路圖如下圖所示：

閘流體開關電抗器 (TSR)

TSR是另一種基於電抗器的FACTS器件，類似於閘流體控制電抗器(TCR)。但它可以在零或全功率狀態下執行，其等效電抗可以分步變化。TSR的電路圖如下所示：

靜態同步串聯補償器 (SSSC)

SSSC也是一種串聯補償FACTS器件。它由一個電壓源轉換器組成，該轉換器透過變壓器與輸電線路串聯連線。SSSC最重要的特點是它可以作為可控串聯電容器和串聯電感器執行，其注入電壓與線路強度無關。

統一潮流控制器 (UPFC)

統一潮流控制器（UPFC）是一種FACTS器件，它結合了靜態同步補償器（STATCOM）和靜態同步串聯補償器（SSSC），並透過直流環節連線在一起。該FACTS器件能夠在SSSC的串聯輸出端和STATCOM的並聯輸出端之間實現雙向有功功率流動。因此，UPFC同時採用了串聯補償和並聯補償。UPFC的電路圖如下所示：

柔性交流輸電系統(FACTS)器件的優點

FACTS器件的主要優點如下：

• 在輸電線路中使用FACTS器件可以提高其輸電能力，並減少對新建輸電線路的需求。
• FACTS器件還可以提高輸電線路的負載能力。
• FACTS器件可以減少輸電線路中的無功功率，並提供向負載傳輸大量有功功率的方法。
• FACTS器件可以控制電力傳輸，從而實現電力流最佳化。
• 在輸電線路中使用FACTS器件可以降低輸電成本，從而降低能源成本。
• 它們可以穩定線路引數，例如電壓、頻率、熱因素、暫態等。因此，FACTS器件可以提高電力質量。
• FACTS技術是環保的，因為它不包含任何環境威脅性材料。
• FACTS器件還可以提高輸電網路的功率因數。
• 在輸電線路中使用FACTS器件還可以增強線路的可靠性和靈活性。

柔性交流輸電系統(FACTS)器件的缺點

然而，在輸電網路中使用FACTS器件雖然提供了上述諸多好處，但也存在一些缺點。

FACTS器件的一些常見缺點如下：

• 在FACTS器件中，使用電力電子開關來控制線路中的電力流動。這些電力電子開關會在電源中引入諧波。因此，需要使用有源濾波器來消除這些諧波，這會增加額外的成本。
• FACTS器件價格昂貴，會增加輸電系統的成本。
• FACTS器件也有一定的輸電能力限制。
• 這些FACTS器件需要持續維護，這是一項成本密集型任務。
• FACTS器件內部也會有一定的功率損耗。
• 意外的電流尖峰或波動會損壞FACTS器件的元件，而更換這些元件非常昂貴。

結論

柔性交流輸電系統(FACTS)是一種先進的電力傳輸技術，旨在提高輸電網路的可靠性、穩定性、可控性和效率。FACTS器件在採用智慧電網的輸電網路中至關重要。

使用FACTS技術的主要目的是控制輸電線路中無功功率的流動，並透過無功功率補償提高輸電能力，從而用最少的輸電線路滿足能源需求。