第四節(jié) 電網(wǎng)新技術(shù)介紹

一、未來(lái)電網(wǎng)技術(shù)主導(dǎo)發(fā)展方向和特征

（一）特高壓和堅(jiān)強(qiáng)統(tǒng)一智能電網(wǎng)的建設(shè)與完善

特高壓和堅(jiān)強(qiáng)統(tǒng)一智能電網(wǎng)的建設(shè)與完善，必將加快全國(guó)電力聯(lián)網(wǎng)和提高長(zhǎng)距離供電可靠性的進(jìn)程，最大限度地滿足社會(huì)發(fā)展的用電需求。

（二）高可靠的輸配電系統(tǒng)

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，負(fù)荷密度和用戶重要性的增加，電力系統(tǒng)事故后果的嚴(yán)重，對(duì)輸配電系統(tǒng)的可靠性須不斷提高。未來(lái)的輸配電系統(tǒng)必須滿足環(huán)境保護(hù)的要求，把線路和變電站可能產(chǎn)生的電磁干擾、靜電感應(yīng)、噪聲、電磁場(chǎng)的生態(tài)效應(yīng)以及對(duì)景觀的影響降低到最低限度。

（三）優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量和個(gè)性化服務(wù)

隨著計(jì)算機(jī)、微電子設(shè)備等敏感設(shè)備的廣泛采用，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。如生產(chǎn)大規(guī)模集成電路的工廠，即使是電壓的瞬時(shí)下降或升高，也可導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。未來(lái)輸配電系統(tǒng)必須滿足重要用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求。

（四）靈活、開放的輸配電系統(tǒng)

電力行業(yè)面臨著“放松管制”的改革。政策法令允許實(shí)行躉售托送，發(fā)電廠和電力用戶可以根據(jù)協(xié)議通過(guò)電網(wǎng)售受電力。電網(wǎng)作為電力市場(chǎng)的物質(zhì)載體，即發(fā)電廠和電力用戶間電力交易的渠道，需要滿足對(duì)電力潮流靈活調(diào)節(jié)控制的要求。由于大范圍的電力交易，使線路的負(fù)載普遍增加，有的線路的負(fù)載已接近穩(wěn)定極限，需要在強(qiáng)化電網(wǎng)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，提高電網(wǎng)的靈活性和開放性。

（五）儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能三大類。儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)是儲(chǔ)能密度大、變換損耗小、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)較容易、不污染環(huán)境。根據(jù)各種儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能適合于需要提供短時(shí)較大的脈沖功率場(chǎng)合，如應(yīng)對(duì)電壓暫降和瞬時(shí)停電、提高用戶的用電質(zhì)量、抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等；而抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和電化學(xué)電池儲(chǔ)能適合于系統(tǒng)調(diào)峰、大型應(yīng)急電源、可再生能源并入等大規(guī)模、大容量的應(yīng)用場(chǎng)合。壓縮空氣儲(chǔ)能是另一種能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的儲(chǔ)能方式。利用這種儲(chǔ)能方式，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將富余電能用于驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，將空氣高壓密封在山洞、報(bào)廢礦井和過(guò)期油氣井中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動(dòng)燃汽輪機(jī)發(fā)電。由于壓縮空氣儲(chǔ)能具有效率高、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，且能源轉(zhuǎn)化效率較高（約為75%），因而是具有發(fā)展?jié)摿Φ膬?chǔ)能技術(shù)之一。

（六）微電網(wǎng)技術(shù)

微電網(wǎng)（Micro-Grid）是一種新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一組微電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)和控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)單元。微電網(wǎng)是大電網(wǎng)的有力補(bǔ)充，是智能電網(wǎng)領(lǐng)域的重要組成部分，在工商業(yè)區(qū)域、城市片區(qū)及偏遠(yuǎn)地區(qū)有廣泛的應(yīng)用前景。隨著微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)進(jìn)度加快，預(yù)計(jì)微電網(wǎng)將進(jìn)入快速發(fā)展期。

二、融合傳統(tǒng)技術(shù)的電網(wǎng)新技術(shù)

（一）靈活交流輸電技術(shù)

基于硅片的大規(guī)模集成電路是現(xiàn)代信息社會(huì)的基礎(chǔ)，被稱為“硅片引起的第一次革命”；基于硅片的電力電子器件向高電壓、大功率方向發(fā)展，將使電力系統(tǒng)發(fā)生重大變革，被稱為“硅片引起的第二次革命”。

靈活交流輸電（FACTS）是基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)，對(duì)交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓、相位實(shí)施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)。它可以用來(lái)對(duì)系統(tǒng)的有功和無(wú)功潮流進(jìn)行靈活控制，以達(dá)到大幅度提高線路輸送能力、阻尼系統(tǒng)振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平的目的。

（二）集成化電力設(shè)備

為了實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備緊湊化、模塊化的目標(biāo)，出現(xiàn)了不同電氣設(shè)備集成和強(qiáng)電設(shè)備、弱電設(shè)備集成的傾向。集成電力設(shè)備具有占地小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以減少變電站投資、縮短安裝周期、減少環(huán)境影響的優(yōu)點(diǎn)。

由于絕緣材料、光纖測(cè)量技術(shù)和制造工藝的進(jìn)步，現(xiàn)在已研究出包括斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓及電流互感器、傳感器及控制保護(hù)設(shè)備在內(nèi)的緊湊化、模塊化的智能開關(guān)設(shè)備，它可以視為GIS和敞開式設(shè)備以及控制設(shè)備的集成。這些設(shè)備有的稱為PASS，有的稱為COMPASS，集成的程度有所差別，但設(shè)計(jì)思想是相同的。絕緣材料的進(jìn)步，特別是電纜技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了發(fā)電機(jī)和變壓器的集成。國(guó)外公司最近研制成功“電力發(fā)生器” （Powerformer），實(shí)質(zhì)上是超高壓發(fā)電機(jī)。由于電纜技術(shù)的進(jìn)步，可以用電纜來(lái)代替原來(lái)發(fā)電機(jī)定子中的矩形截面的導(dǎo)線，使電機(jī)的絕緣耐壓成數(shù)量級(jí)的提高。發(fā)電機(jī)出口的電壓可以提高到400kV，不需要升壓變壓器就直接連接到架空線路。電力發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)，除了使升壓變電站大大簡(jiǎn)化以外，還有電機(jī)散熱性能好、短路電流小、便于檢修等。

（三）燃料電池

燃料電池是把燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，是一種很有發(fā)展前途的潔凈和高效的發(fā)電方式，被稱為21世紀(jì)的分布式電源。

燃料電池的工作原理頗似電解水的逆過(guò)程。通常，完整的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由電池堆、燃料供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電力電子換流器、保護(hù)與控制及儀表系統(tǒng)組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電池還應(yīng)配備燃料改質(zhì)器（又稱燃料重整器）。高溫燃料電池具有內(nèi)重整功能，無(wú)須配備重整器。

磷酸型燃料電池（PAFC）被稱為第一代燃料電池，目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行，能生產(chǎn)大容量加壓型11MW的設(shè)備以及便攜式250k W等各種設(shè)備；第二代燃料電池的熔融碳酸鹽電池（MCFC），工作在高溫（600～700℃）下，重整反應(yīng)可以在內(nèi)部進(jìn)行，可用于規(guī)模發(fā)電，現(xiàn)在正在進(jìn)行MW級(jí)的驗(yàn)證試驗(yàn)；第三代燃料電池是固體電解質(zhì)燃料電池（SOFC）。由于電解質(zhì)是氧化鋯等固體電解質(zhì)，未來(lái)可用于煤基燃料發(fā)電。質(zhì)子交換膜燃料電池則是最有希望的電動(dòng)車電源。

燃料電池的特點(diǎn)如下：

（1）效率高，其理論發(fā)電效率可達(dá)100%。實(shí)際發(fā)電效率可達(dá)60%。通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能，燃料電池的綜合熱效率可望達(dá)到80%以上。燃料電池發(fā)電效率與規(guī)模基本無(wú)關(guān)，小型設(shè)備也能得到高效率。

（2）處于熱備用狀態(tài)的燃料電池跟隨負(fù)荷變化的能力非常強(qiáng)，可以在1s內(nèi)跟隨50%的負(fù)荷變化。

（3）噪聲低；省水；可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際上的零排放。

（4）安裝周期短，安裝位置靈活，可省去新建輸配電系統(tǒng)的投資。

燃料電池商業(yè)化的技術(shù)關(guān)鍵是電池性能、壽命、大型化和價(jià)格等項(xiàng)目，主要涉及新的電解質(zhì)材料和催化劑。例如，磷酸燃料電池（PAFC）采用高濃度磷酸為電解質(zhì)。高濃度磷酸在電池工作溫度下腐蝕性很強(qiáng)，要求電池的組成材料有良好的導(dǎo)電性能和耐腐蝕性，電極載體用碳，催化劑則采用鉑系金屬。為保持電極防水性，將部分碳顆粒用防水性很好的聚四氟乙烯薄膜包埋，即以催化劑顆粒、載體碳粒和表面覆有聚四氟乙烯的碳顆粒為材料制備電極。成本是實(shí)現(xiàn)PAFC大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙之一。現(xiàn)在PC-25機(jī)組的設(shè)備費(fèi)為3000美元/k W，比常規(guī)的火電設(shè)備費(fèi)高出許多。研究的方向在于降低成本，通過(guò)開發(fā)廉價(jià)催化劑或減少催化劑用量，以及開發(fā)新的電解質(zhì)以取代腐蝕性強(qiáng)的磷酸。

（四）靈活、可靠的智能配電系統(tǒng)

靈活、可靠的智能配電系統(tǒng)是一種靈活、可靠性高、可提供多品質(zhì)電力的電能流通系統(tǒng)。它相當(dāng)于用戶附近的一個(gè)電力改質(zhì)中心。改質(zhì)中心產(chǎn)生多種品質(zhì)的電能，通過(guò)靜止開關(guān)可與高壓側(cè)配電線和低壓側(cè)配電線靈活地連接。另一方面，通過(guò)連接的光纜網(wǎng)，改質(zhì)中心還進(jìn)行信息處理和交換。它的重要功能是：

（1）通過(guò)電力電子開關(guān)和分散信息處理，構(gòu)成靈活的供電系統(tǒng)，能應(yīng)付平常、事故和作業(yè)停電等各種情況；

（2）利用分布式電源和電能貯存設(shè)備，做到基本不停電的，高可靠性供電；

（3）用戶可自由選擇電力品質(zhì)、種類和供電者；

（4）改善雙向信息服務(wù)和用戶服務(wù)；

（5）可以實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)控制。

（五）先進(jìn)的配電管理系統(tǒng)

配電管理系統(tǒng)是配電技術(shù)中更新最快的一個(gè)領(lǐng)域，其內(nèi)容通常包括SCADA系統(tǒng)、饋線自動(dòng)化系統(tǒng)、地理信息和設(shè)備管理系統(tǒng)GIS、故障報(bào)修應(yīng)答系統(tǒng)、負(fù)荷管理系統(tǒng)、自動(dòng)抄表系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)通常有不同的組合，并可與離線的管理信息系統(tǒng)集成。未來(lái)的配電自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是：發(fā)展建立在開放式計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的綜合配電自動(dòng)化系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)視、無(wú)功自動(dòng)調(diào)節(jié)、故障隔離、設(shè)備管理、負(fù)荷控制、用電管理等功能。同時(shí)，還可以與其他離線的管理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)交換、共享信息資源。

（六）先進(jìn)的表計(jì)系統(tǒng)和電力線通信系統(tǒng)

先進(jìn)儀表（Advanced Metering）是未來(lái)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分。現(xiàn)代電能表計(jì)系統(tǒng)，除電能計(jì)量的功能外，還具有負(fù)荷調(diào)查（實(shí)現(xiàn)所謂的“不打擾的調(diào)查”）、實(shí)時(shí)電價(jià)、電價(jià)區(qū)間指示、電能質(zhì)量監(jiān)控的功能，此外還具有雙向通信、用戶訪問(wèn)、自診斷及警報(bào)、誤差軟件補(bǔ)償?shù)戎匾墓δ堋ＴS多公司正在研究電力線通信（Power Line Telecommunication），即用配電線路傳送多媒體信息，主要是著眼利用電力線通道的寶貴資源。已經(jīng)有一些公司聲稱取得了成功，但由于配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，要獲得高質(zhì)量的多媒體信息傳送，還有許多技術(shù)困難有待克服。

傳統(tǒng)電力技術(shù)結(jié)合電子信息技術(shù)、電力電子技術(shù)、先進(jìn)控制理論及技術(shù)等高新技術(shù)的進(jìn)步，并結(jié)合我國(guó)實(shí)際的具體研究開發(fā)目標(biāo)和應(yīng)用，為面向21世紀(jì)的先進(jìn)電力系統(tǒng)技術(shù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)、可靠的基礎(chǔ)。

三、電網(wǎng)新技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目

下面以交/直流特高壓輸電技術(shù)、堅(jiān)強(qiáng)統(tǒng)一智能電網(wǎng)的建設(shè)、靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）為例做簡(jiǎn)單介紹。

（一）交/直流特高壓輸電技術(shù)

1.概述

特高壓（UHV），我國(guó)是指交流1000kV、直流±800kV及以上的電壓等級(jí)。特高壓輸電是世界上最先進(jìn)的輸電技術(shù)。由于電功率是電壓和電流的乘積，所以要想得到長(zhǎng)距離、大功率的輸電，就必須加大電壓或電流，而電流太大會(huì)引起輸電導(dǎo)線發(fā)熱、損耗增大，于是只能采取不斷升高電壓的辦法來(lái)提高輸電的效率。

我國(guó)的煤炭?jī)?chǔ)藏主要在西北，如山西、陜西、內(nèi)蒙古東部、寧夏以及新疆部分地區(qū)，中東部省份煤炭?jī)?chǔ)藏量很少。水力資源主要分布在西部地區(qū)和長(zhǎng)江中上游、黃河上游以及西南的雅礱江、金沙江、瀾滄江、雅魯藏布江等。而我國(guó)的電力重負(fù)荷主要集中在中東部及沿海地區(qū)。如何將電力遠(yuǎn)距離從一次能源集中地輸送到符合集中地，就有賴于特高壓輸電技術(shù)了。

2004年我國(guó)就開始規(guī)劃建設(shè)1000kV的輸電工程，2008年底建成了第一個(gè)試驗(yàn)示范工程（從山西的晉東南到河南南陽(yáng)，再到湖北荊門），如圖1-5所示。1000kV特高壓交流試驗(yàn)示范工程，實(shí)現(xiàn)了具有里程碑意義的創(chuàng)新和突破。該工程是世界上目前商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的、電壓等級(jí)最高的輸變電工程，驗(yàn)證了特高壓輸電技術(shù)的可行性、設(shè)備可靠性、運(yùn)行安全性、環(huán)境友好性和相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)供應(yīng)的現(xiàn)實(shí)可行性，為特高壓輸電技術(shù)在世界范圍內(nèi)更廣泛的應(yīng)用積累了有益的經(jīng)驗(yàn)。

繼晉東南——南陽(yáng)——荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程取得成功之后，2010年7月8日成功投運(yùn)的向家壩——上海特高壓直流輸電示范工程也是我國(guó)特高壓發(fā)展中具有里程碑意義的重大創(chuàng)新成果，標(biāo)志著我國(guó)全面進(jìn)入了特高壓交、直流混合電網(wǎng)時(shí)代，對(duì)推動(dòng)我國(guó)大規(guī)模發(fā)展遠(yuǎn)距離輸電工程、促進(jìn)電力資源由傳統(tǒng)的就地平衡轉(zhuǎn)變?yōu)槿珖?guó)統(tǒng)籌平衡將發(fā)揮重大作用。

2.特高壓交流輸電技術(shù)介紹

特高壓交流輸電是指1000kV及以上電壓等級(jí)的交流輸電工程及相關(guān)技術(shù)。特高壓交流輸電技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗、節(jié)約土地占用和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。目前，對(duì)特高壓交流輸電技術(shù)的研究主要集中在線路參數(shù)特性和傳輸能力、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性，以及絕緣與過(guò)電壓、電暈及工頻電磁場(chǎng)等方面。

（1）特點(diǎn)。

1）輸電能力。1000kV輸電線路的輸電能力為500kV輸電能力的4倍以上，但產(chǎn)生的容性無(wú)功也為500kV輸電線路的4.4倍及以上。因此，特高壓輸電線路的輸送功率較小時(shí)，送、受端系統(tǒng)的電壓將升高。為抑制特高壓線路的工頻過(guò)電壓，需要在線路兩端并聯(lián)電抗器以補(bǔ)償線路產(chǎn)生的容性無(wú)功。

2）線路參數(shù)特性。特高壓輸電線路單位長(zhǎng)度的電抗和電阻一般分別為500kV輸電線路的85%和25%左右，但其單位長(zhǎng)度的電納可為500kV輸電線路的1.2倍。

3）穩(wěn)定性。特高壓輸電線路的輸電能力很大程度上是由電力系統(tǒng)穩(wěn)定性決定的。對(duì)于中、長(zhǎng)距離輸電（300km及以上），特高壓輸電線路的輸電能力主要受功角穩(wěn)定的限制（包括靜態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定）；對(duì)于中、短距離輸電（80～300km），則主要受電壓穩(wěn)定性的限制；對(duì)于短距離輸電（80km以下），主要受熱穩(wěn)定極限的限制。

4）功率損耗。輸電線路的功率損耗與輸電電流的平方成正比，與線路電阻成正比。在輸送相同功率的情況下，1000kV輸電線路的線路電流約為500kV輸電線路的1/2，其電阻約為500kV線路的25%。因此，1000kV特高壓輸電線路單位長(zhǎng)度的功率損耗約為500kV超高壓輸電的1/16。

5）經(jīng)濟(jì)性。同超高壓輸電方式相比，特高壓輸電方式的輸電成本、運(yùn)行可靠性、功率損耗以及線路走廊寬度方面均優(yōu)于超高壓輸電方式。

（2）存在的問(wèn)題。特高壓交流線路產(chǎn)生的充電無(wú)功功率約為500kV輸電線路的5倍。為了抑制工頻過(guò)電壓，線路須裝設(shè)并聯(lián)電抗器。當(dāng)線路輸送功率變化，送、受端無(wú)功將發(fā)生大的變化。如果受端電網(wǎng)的無(wú)功功率分層分區(qū)平衡不合適，特別是動(dòng)態(tài)無(wú)功備用容量不足，在嚴(yán)重工況和嚴(yán)重故障條件下，電壓穩(wěn)定可能成為主要的穩(wěn)定問(wèn)題。

3.特高壓直流輸電技術(shù)介紹

直流輸電也是目前世界上電力大國(guó)解決高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離送電和電網(wǎng)互聯(lián)的一個(gè)重要手段。直流輸電將交流電通過(guò)換流器變換成直流電，然后通過(guò)直流輸電線路送至受電端并通過(guò)換流器變成交流電，最終注入交流電網(wǎng)。相比交流輸電，直流輸電具有輸送靈活、損耗小、能夠節(jié)約輸電走廊、能夠?qū)崿F(xiàn)快速控制等優(yōu)點(diǎn)。

我國(guó)擬建設(shè)15回特高壓直流項(xiàng)目，具體情況見(jiàn)表1-3。

其中，云南水電第一回特高壓直流工程（云——廣直流）是我國(guó)建成投產(chǎn)的第一個(gè)特高壓直流工程，也是世界上第一個(gè)特高壓直流輸電工程。該工程西起云南楚雄換流站，經(jīng)過(guò)云南、廣西、廣東三省，東止廣東增城穗東換流站，額定輸電電壓為±800kV，輸送容量為5GW，在2009年建成投運(yùn)。

（1）優(yōu)點(diǎn)。

1）經(jīng)濟(jì)性。由于直流輸電線路的造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用比交流輸電低，而換流站的造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用均比交流變電所要高。因此，對(duì)于同樣輸電容量，輸送距離越遠(yuǎn)，直流比交流的經(jīng)濟(jì)性越好。當(dāng)輸電距離大于等價(jià)距離時(shí)，直流輸電的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)便可以體現(xiàn)出來(lái)，并且輸電距離越遠(yuǎn)，其經(jīng)濟(jì)性越好。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于架空線路，此等價(jià)距離為600～700km；對(duì)于電纜線路，等價(jià)距離則可以降低至20～40km。另一方面，直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使得其工程可以按照電壓等級(jí)或級(jí)數(shù)分階段投資建設(shè)。這也同樣體現(xiàn)了高壓直流輸電經(jīng)濟(jì)性方面的特點(diǎn)。

2）互聯(lián)性。交流輸電能力受到同步發(fā)電機(jī)間功角穩(wěn)定問(wèn)題的限制，且隨著輸電距離的增大，同步機(jī)間的聯(lián)系電抗增大，穩(wěn)定問(wèn)題更為突出，交流輸電能力受到更大的限制。相比之下，直流輸電不存在功角穩(wěn)定問(wèn)題，可在設(shè)備容量及受段交流系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，大量輸送電力。交流系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展，會(huì)造成短路容量的增大，許多場(chǎng)合不得不更換斷路器，而選擇合適的斷路器又十分困難。而采用直流對(duì)交流系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)時(shí)，不會(huì)造成短路容量的增加，也有利于防止交流系統(tǒng)的故障進(jìn)一步擴(kuò)大。因此對(duì)于已經(jīng)存在的龐大交流系統(tǒng)，通過(guò)分割成相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，采用高壓直流互連，可有效減少短路容量，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

直流輸電所連的兩側(cè)電網(wǎng)無(wú)須同步運(yùn)行，原因是直流輸電不存在傳輸無(wú)功問(wèn)題，兩側(cè)的系統(tǒng)之間沒(méi)有無(wú)功交換，也不存在交流系統(tǒng)中頻率的問(wèn)題。由于直流輸電的這一特性，它可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的非同步互連，進(jìn)而也可實(shí)現(xiàn)不同頻率交流電網(wǎng)的互連，起到頻率變換器的作用。

3）控制性。直流輸電另一個(gè)重要特點(diǎn)是潮流快速可控，可由于鎖鏈交流系統(tǒng)的穩(wěn)定與頻率控制。直流輸電的換流器是基于電力電子器件構(gòu)成的電能控制電路，因此其對(duì)電力潮流的控制迅速且精確。對(duì)于雙端直流輸電而言，可迅速實(shí)現(xiàn)潮流的反轉(zhuǎn)。潮流反轉(zhuǎn)有正常運(yùn)行中所需要的慢速潮流反轉(zhuǎn)和交流系統(tǒng)發(fā)生故障需要緊急功率支援時(shí)的快速潮流反轉(zhuǎn)。其迅速的潮流控制對(duì)于所連交流系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，應(yīng)對(duì)交流系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)的頻率控制及故障狀態(tài)下的頻率變動(dòng)控制都能發(fā)揮重要作用。

（2）缺點(diǎn)。

1）直流輸電換流站設(shè)備多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、損耗大、運(yùn)行費(fèi)用高、可靠性差。

2）直流輸電換流站的工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，處理不當(dāng)而流入交流系統(tǒng)的諧波就會(huì)對(duì)交流電網(wǎng)的運(yùn)行造成一系列問(wèn)題。因此，必須通過(guò)設(shè)置大量、成組的濾波器消除諧波。

3）傳統(tǒng)的電網(wǎng)換相直流輸電在傳送有功功率的同時(shí)，會(huì)吸收大量無(wú)功功率，可達(dá)有功功率的50%～60%。需要大量的無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備及其相應(yīng)的控制策略。

4）直流輸電的接地極問(wèn)題、直流斷路器問(wèn)題，都還存在一些沒(méi)有很好解決的技術(shù)難點(diǎn)。當(dāng)受端交流系統(tǒng)的短路容量與直流輸送容量之比小于2時(shí)，稱為弱受端系統(tǒng)，這時(shí)為了控制受端電壓的穩(wěn)定性，保證直流輸送的可靠運(yùn)行，通常要增設(shè)調(diào)相機(jī)、靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器或靜止無(wú)功發(fā)生器，且應(yīng)實(shí)現(xiàn)HVDC與這些補(bǔ)償設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。

（3）特點(diǎn)。我國(guó)對(duì)特高壓直流輸電經(jīng)過(guò)20多年的科學(xué)研究，為特高壓直流輸電提供了有力的技術(shù)支撐，保障了特高壓直流電網(wǎng)的建設(shè)。在建設(shè)過(guò)程以及建成投運(yùn)后，仍需要進(jìn)一步加深對(duì)特高壓直流問(wèn)題的研究，要結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

1）特高壓直流輸電系統(tǒng)中間不落點(diǎn)，可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、大功率、遠(yuǎn)距離直接將電力輸送至負(fù)荷中心；

2）特高壓直流輸電系統(tǒng)控制方式靈活、快速，可以減少或避免大量過(guò)網(wǎng)潮流，按照送、受兩端運(yùn)行方式變化而改變潮流；

3）特高壓直流輸電系統(tǒng)的電壓高、輸送容量大、線路走廊窄，適合大功率、遠(yuǎn)距離輸電；

4）在交、直流混合輸電的情況下，利用直流有功功率調(diào)制可以有效抑制與其并列的交流線路的功率振蕩，包括區(qū)域性低頻振蕩，提高交流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；

5）當(dāng)發(fā)生直流系統(tǒng)閉鎖時(shí)，UHVDC兩端交流系統(tǒng)將承受很大的功率沖擊。

（4）直流輸電適用的領(lǐng)域。

1）海底電纜輸電。從世界范圍來(lái)看，直流輸電工程中約有1/3為海底電纜送電，這是基于降低容性電流等影響的考慮。

2）長(zhǎng)距離架空線輸電。有研究工作表明，對(duì)于輸送10GW、300km的電力，直流架空線路輸送已開始占有優(yōu)勢(shì)，依據(jù)這一分析報(bào)告，適用直流架空線路的輸電容量將占到全球總輸電容量的26%以上。

3）BTB方式。BTB方式工程約占全世界直流工程的40%，主要用于在不增加交流電網(wǎng)短路容量的情況下，實(shí)現(xiàn)功率的融通和緊急功率支援。以其應(yīng)用可分為交流系統(tǒng)互連或不同頻率交流系統(tǒng)互連，如我國(guó)的靈寶工程（一般交流系統(tǒng)互連）和日本國(guó)內(nèi)工程（不同頻率交流系統(tǒng)互連）。

（5）需要關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。

1）過(guò)電壓和絕緣問(wèn)題。出現(xiàn)絕緣故障帶來(lái)的損失和系統(tǒng)擾動(dòng)問(wèn)題將很嚴(yán)重，因此過(guò)電壓保護(hù)以及絕緣配合將是特高壓直流輸電的最根本性問(wèn)題。另外，我國(guó)西部水電資源位于高海拔地區(qū)，存在較嚴(yán)重的污穢、履冰等問(wèn)題，合理優(yōu)化的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合將為系統(tǒng)安全穩(wěn)定提供有利的保障。

2）電磁環(huán)境問(wèn)題。電磁環(huán)境指的是輸電線路的電磁環(huán)境，包括線路下方電場(chǎng)效應(yīng)、無(wú)線電干擾和可聽(tīng)噪聲等幾方面的內(nèi)容，是工程設(shè)計(jì)、建設(shè)以及運(yùn)行中必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著電壓等級(jí)從±500kV提高到±800kV，電磁環(huán)境問(wèn)題將更加突出。目前我國(guó)已經(jīng)過(guò)研究論證給出了推薦方案。

3）控制保護(hù)問(wèn)題。直流工程的核心就是控制保護(hù)。控制保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)有軟硬件平臺(tái)技術(shù)、直流控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、閥觸發(fā)控制、直流保護(hù)。

4）安全、穩(wěn)定問(wèn)題。隨著我國(guó)1000kV特高壓交流網(wǎng)架與±800kV特高壓直流網(wǎng)架的建設(shè)，我國(guó)會(huì)逐漸形成1000kV交流與±800kV直流的大聯(lián)網(wǎng)，因此，保證交、直流聯(lián)網(wǎng)就能夠安全、穩(wěn)定，防止大停電將是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。

4.特高壓工程系統(tǒng)示例

向家壩——上海±800kV特高壓直流線路工程起于四川復(fù)龍換流站，途經(jīng)四川、重慶、湖南、湖北、安徽、浙江、江蘇、上海八省市，止于上海奉賢換流站。全長(zhǎng)約2000km，4次跨越長(zhǎng)江，如圖1-16所示。

（1）特高壓站部分工程設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖1-17所示。

（2）1000kV線路桿塔如圖1-18所示。

（3）漢江大跨越鐵塔。漢江大跨越主跨檔距1650m，是特高壓交流試驗(yàn)示范工程中最大的檔距；導(dǎo)線橫擔(dān)重量為91t，是特高壓工程中最重的橫擔(dān)；單件構(gòu)件最重達(dá)8t，也是特高壓工程中最重的單件構(gòu)件；直線跨越塔單基質(zhì)量為1100t，塔高181.8m，根開39.06m，為特高壓交流試驗(yàn)示范工程最高、最重、最大根開鐵塔，如圖1-19所示。

（4）黃河大跨越鐵塔。黃河大跨越鐵塔位于黃河南岸，跨越塔N3的酒杯形窗口高度達(dá)40m，橫擔(dān)全長(zhǎng)71m，單基塔全重465t、安裝高度達(dá)122.8m，是國(guó)內(nèi)單次吊重最大、就位難度最大的跨越塔。采用耐——直——直——直——耐的跨越方式，主跨檔距1220m，單回路架設(shè)，跨越耐張段總長(zhǎng)3651m，如圖1-20所示。

（5）特高壓調(diào)壓補(bǔ)償變。由于長(zhǎng)治站變壓器為變磁通調(diào)壓方式，為了保證低壓側(cè)電壓恒定，在調(diào)壓變壓器中還裝設(shè)有低壓補(bǔ)償變壓器，用于補(bǔ)償?shù)蛪簜?cè)電壓的波動(dòng)，故調(diào)壓變中有調(diào)壓器和補(bǔ)償器兩部分。調(diào)壓變、補(bǔ)償變兩個(gè)器身共用一個(gè)油箱，通過(guò)管母與主變壓器連接。

特高壓1000kV#1調(diào)壓補(bǔ)償變?nèi)鐖D1-21所示。

（6）特高壓高抗。長(zhǎng)南I線高抗采用自然油循環(huán)強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻方式，共4臺(tái)，其中1臺(tái)備用，單臺(tái)容量為320Mvar，總重350t，高壓套管由ABB公司生產(chǎn)，高18.7m。中性點(diǎn)裝設(shè)一臺(tái)110kV電壓等級(jí)的中性點(diǎn)小電抗。特高壓高抗如圖1-22所示。

（7）并聯(lián)電抗器。并聯(lián)電抗器是為了減弱“工頻電壓升高”效應(yīng)，常在遠(yuǎn)距離輸電線路的中途或末端裝設(shè)。1000kV特高壓輸電線路容升效應(yīng)及過(guò)電壓是由于線路容性充電功率的存在，將引起一種“長(zhǎng)線的電容效應(yīng)”而導(dǎo)致“工頻電壓升高”的現(xiàn)象產(chǎn)生，即由于容性無(wú)功使電壓升高，使得線路的末端電壓反而超過(guò)首端電壓，依靠電抗器的感性無(wú)功來(lái)補(bǔ)償線路上的容性充電功率，從而達(dá)到減低工頻電壓升高的目的。

（8）特高壓GIS組合電器。特高壓GIS組合電器布置為雙斷路器并聯(lián)接線。GIS組合電器包括斷路器、電流互感器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、避雷器、母線、波紋管、套管和匯控柜等設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)一字型排列，安裝在1000kVGIS區(qū)域，每相21個(gè)氣室。1000kVGIS斷路器采用雙斷口結(jié)構(gòu)，通過(guò)大功率液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)進(jìn)行分閘、合閘及自動(dòng)重合閘操作，如圖1-23、圖1-24所示。特高壓GIS組合電器現(xiàn)場(chǎng)布置模型圖如圖1-25所示。

（二）堅(jiān)強(qiáng)統(tǒng)一智能電網(wǎng)

1.定義

堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)是指電網(wǎng)的智能化，它是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率，有效利用電力能源的資源，降低大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)，提高用戶用電的效率、可靠性和電能質(zhì)量；激勵(lì)節(jié)約用電，向用戶提供充分的分時(shí)電價(jià)信息、提供滿足21世紀(jì)用戶需求的電能質(zhì)量、具有多種方案和電價(jià)可供用戶選擇，提供分布式電源補(bǔ)充和容許各種不同發(fā)電形式的接入，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化與資產(chǎn)管理軟件深度的集成，可在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)減少停電影響實(shí)現(xiàn)自愈，可在恐怖攻擊或自然災(zāi)害時(shí)實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)供電等。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)智能電網(wǎng)的叫法并不統(tǒng)一，我國(guó)稱為“堅(jiān)強(qiáng)統(tǒng)一智能電網(wǎng)”，歐洲稱為“超級(jí)智能電網(wǎng)”，美國(guó)使用的是“統(tǒng)一智能電網(wǎng)”。盡管叫法不一，但實(shí)質(zhì)性的內(nèi)涵基本差不多。

智能電網(wǎng)涵蓋了電網(wǎng)的發(fā)、輸、變、配、用電各個(gè)環(huán)節(jié)。以與電力用戶直接相關(guān)聯(lián)的配電網(wǎng)為例，它首先是一種集成化的自動(dòng)化系統(tǒng)，其范圍包括以10kV （20kV）饋線自動(dòng)化為主，覆蓋了400V低壓配電臺(tái)區(qū)自動(dòng)化，并延伸到用戶集中抄表系統(tǒng)；在在線實(shí)時(shí)狀態(tài)下，能夠監(jiān)控、協(xié)調(diào)、管理配電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備優(yōu)化控制。例如，美國(guó)科羅拉多州的博爾德在2008年成為了全球第一個(gè)智能電網(wǎng)城市。該市的每個(gè)家庭都安裝了智能電表，人們可以直觀地了解即時(shí)電價(jià)，把洗衣服、燙衣服、熱水器加溫等事情安排在電價(jià)低的時(shí)間段，幫助人們優(yōu)先使用風(fēng)電和太陽(yáng)能等清潔能源，配電站可以收集到每家每戶的用電情況，一旦有問(wèn)題出現(xiàn)，可以重新配備電力。

2.特征

堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)以堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺(tái)為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個(gè)環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級(jí)，實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合，是堅(jiān)強(qiáng)可靠、經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動(dòng)的現(xiàn)代電網(wǎng)。

堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)能夠有效提高線路輸送能力和電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平，具有強(qiáng)大的資源優(yōu)化配置能力和有效抵御各類嚴(yán)重故障及外力破壞的能力；能夠適應(yīng)各類電源與用戶便捷接入、退出的需要，實(shí)現(xiàn)電源、電網(wǎng)和用戶資源的協(xié)調(diào)運(yùn)行，顯著提高電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)效率；能夠精確高效集成、共享與利用各類信息，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度；能夠滿足用戶對(duì)電力供應(yīng)開放性和互動(dòng)性的要求，全面提高用電服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化。

3.發(fā)展

（1）智能電網(wǎng)概念發(fā)展的3個(gè)里程碑。

1）2006年美國(guó)IBM公司提出了“智能電網(wǎng)”解決方案，主要是解決電網(wǎng)安全運(yùn)行、提高可靠性。在我國(guó)發(fā)布的《建設(shè)智能電網(wǎng)創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)管理——中國(guó)電力發(fā)展的新思路》白皮書主要包括以下幾個(gè)方面：一是通過(guò)傳感器連接資產(chǎn)和設(shè)備以提高數(shù)字化程度；二是數(shù)據(jù)的整合體系和數(shù)據(jù)的收集體系；三是進(jìn)行分析的能力，即依據(jù)已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，以優(yōu)化運(yùn)行和管理。該方案提供了一個(gè)大的框架，通過(guò)對(duì)電力生產(chǎn)、輸送、零售的各個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化管理，為相關(guān)企業(yè)提高運(yùn)行效率及可靠性、降低成本描繪了一個(gè)藍(lán)圖。這是IBM一個(gè)市場(chǎng)推廣策略。

2）奧巴馬上任后提出的美國(guó)能源計(jì)劃，將著重集中對(duì)每年要耗費(fèi)1200億美元的電路損耗和故障維修的電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)換代，建立美國(guó)橫跨四個(gè)時(shí)區(qū)的統(tǒng)一電網(wǎng)；發(fā)展智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，最大限度地發(fā)揮美國(guó)國(guó)家電網(wǎng)的價(jià)值和效率，將逐步實(shí)現(xiàn)新能源的統(tǒng)一入網(wǎng)管理；全面推進(jìn)分布式能源管理，創(chuàng)造世界上最高的能源使用效率。

3）我國(guó)提出的互動(dòng)電網(wǎng)是在開放和互連的信息模式基礎(chǔ)上，通過(guò)加載系統(tǒng)數(shù)字設(shè)備和升級(jí)電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、輸電、供電、用電、客戶售電、電網(wǎng)分級(jí)調(diào)度、綜合服務(wù)等電力產(chǎn)業(yè)全流程的智能化、信息化、分級(jí)化互動(dòng)管理，再造電網(wǎng)的信息回路，構(gòu)建用戶新型的反饋方式，推動(dòng)電網(wǎng)整體轉(zhuǎn)型為節(jié)能基礎(chǔ)設(shè)施，提高能源效率，降低客戶成本，減少溫室氣體排放，創(chuàng)造電網(wǎng)價(jià)值的最大化。

（2）國(guó)外智能電網(wǎng)發(fā)展概況。就在中國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)定義爭(zhēng)論不休、普羅大眾對(duì)此既新鮮又陌生之際，美國(guó)人已經(jīng)付諸行動(dòng)了。

在北美“統(tǒng)一智能電網(wǎng)”啟動(dòng)的同時(shí)，歐洲也開始了一項(xiàng)超級(jí)智能電網(wǎng)的工程，最前沿地分析認(rèn)為，“智能電網(wǎng)”將重塑世界經(jīng)濟(jì)和能源格局。

美國(guó)政府下令盡快構(gòu)建一個(gè)新的“智能電網(wǎng)”的法案，同時(shí)委任了一名專家擔(dān)任首任智能電網(wǎng)互動(dòng)操作全國(guó)協(xié)調(diào)員，并且美國(guó)目前至少有15家機(jī)構(gòu)在協(xié)同制定智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）國(guó)內(nèi)智能電網(wǎng)發(fā)展概況。我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)統(tǒng)一智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)的三個(gè)階段如圖1-26所示。

我國(guó)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)統(tǒng)一智能電網(wǎng)的發(fā)展主要是基于未來(lái)幾十年將是我國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)，向工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化和現(xiàn)代化深入推進(jìn)的重要發(fā)展時(shí)期，經(jīng)濟(jì)社會(huì)將繼續(xù)保持平穩(wěn)較快發(fā)展。這一時(shí)期，也是我國(guó)加強(qiáng)節(jié)能減排，建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會(huì)，實(shí)現(xiàn)能源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)和諧發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。同時(shí)，對(duì)電網(wǎng)發(fā)展的要求更高、更多，主要體現(xiàn)在：大范圍能源資源配置和可再生能源的大規(guī)模集中接入要求電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)強(qiáng)合理，控制管理更加靈活便利；“兩型”社會(huì)建設(shè)要求電網(wǎng)在確保安全可靠的前提下，著重提升其運(yùn)行效率和靈活管理能力；現(xiàn)有電網(wǎng)的輸送能力、電能質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)服務(wù)需要適應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展；能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和提高能源效率是我國(guó)提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。

（三）靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）

1.定義

靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的英文表達(dá)為Flexible Alternative Current Transmis-sion Systems，又稱為基于電力電子技術(shù)的柔性交流輸電系統(tǒng)，是由美國(guó)著名的電力專家N. G. Hingorani于1986年首次提出的。IEEE及國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）于1995年共同認(rèn)定的定義是：“一類以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)并具有其他靜止控制器的交流輸電設(shè)備，它們能增強(qiáng)可控能力，并增大輸電容量”。因此，柔性交流輸電技術(shù)就是基于電力電子變換器技術(shù)，并直接作用于輸電系統(tǒng)的一些快速控制設(shè)備的集合群。

FACTS是綜合電力電子技術(shù)、微處理和微電子技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術(shù)。

2.作用

FACTS通過(guò)控制電力系統(tǒng)的基本參數(shù)來(lái)靈活控制系統(tǒng)潮流，使電力傳輸容量更接近線路的熱穩(wěn)定極限。從這一意義來(lái)講，F(xiàn)ACTS是目前提高供電可靠性和提高輸電系統(tǒng)傳輸容量的最有效措施。

FACTS是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的重要方面。作為在交流輸電系統(tǒng)中引入的可控制的一次設(shè)備，F(xiàn)ACTS裝置的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中相量角度的控制，為未來(lái)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定性控制的新策略提供了必要手段。

電力電子器件的快速發(fā)展使FACTS的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。近十年來(lái)，可控整流器、可關(guān)斷器件的開斷能力不斷提高。目前，100mm直徑的晶閘管的耐壓已達(dá)到6～10kV的水平，通過(guò)電流已達(dá)到6k A以上，6kV、6k A的可關(guān)斷晶閘管元件（GTO）已有商品。單個(gè)電力電子器件的開斷能力已達(dá)到30～40MW的水平，使電子開關(guān)用于高電壓、大功率的輸配電一次系統(tǒng)成為可能。

在以晶閘管控制串聯(lián)電容器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器、可控并聯(lián)電抗器、故障電流限制器為代表的第一代FACTS裝置研究與應(yīng)用方面，我國(guó)走在世界前列，關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)已經(jīng)接近甚至超過(guò)了國(guó)外先進(jìn)電氣設(shè)備供應(yīng)商的技術(shù)水平，并在我國(guó)電網(wǎng)中推廣應(yīng)用，獲得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

在以靜止同步補(bǔ)償器和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器為代表的第二代FACTS裝置方面，我國(guó)已開展相關(guān)技術(shù)研究，其中，靜止同步補(bǔ)償器在輸電網(wǎng)中已有示范應(yīng)用，但在容量、電壓等級(jí)和可靠性等方面與國(guó)外技術(shù)水平尚存在一定差距；靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器仍然處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，還沒(méi)有實(shí)際的工業(yè)裝置投入運(yùn)行。

以統(tǒng)一潮流控制器、線間潮流控制器、可轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器為代表的第三代FACTS裝置是對(duì)第二代FACTS裝置的創(chuàng)新和發(fā)展，功能更強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)更加緊湊，性能大幅度提升，可以為電網(wǎng)提供更先進(jìn)的控制手段，代表了FACTS技術(shù)的發(fā)展方向。

在智能電網(wǎng)中大規(guī)模應(yīng)用FACTS裝置，還要解決一些全局性的技術(shù)問(wèn)題，例如：多個(gè)FACTS裝置間的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，F(xiàn)ACTS裝置與已有常規(guī)控制、繼電保護(hù)的配合問(wèn)題，F(xiàn)ACTS裝置納入智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的問(wèn)題等。

（1）靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）。靜止無(wú)功補(bǔ)償器是在機(jī)械投切式電容器和電感器的基礎(chǔ)上，采用大容量晶閘管代替機(jī)械開關(guān)而發(fā)展起來(lái)的，它可以快速地改變其發(fā)出的無(wú)功功率，具有較強(qiáng)的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，可為電力系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功電源。SVC在電網(wǎng)運(yùn)行中可以起到提高電壓穩(wěn)定性、提高穩(wěn)態(tài)傳輸容量、增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼、緩解次同步諧振（振蕩）、降低網(wǎng)損、抑制沖擊負(fù)荷引起的母線電壓波動(dòng)、補(bǔ)償負(fù)荷三相不平衡等作用。SVC主要包括以下4種結(jié)構(gòu)：晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、TCR+固定電容器（FC）混合裝置、TCR+TSC混合裝置。

（2）晶閘管控制串聯(lián)電容器（FSC）。輸電線路采用串聯(lián)電容器補(bǔ)償線路感抗的方式可以縮短線路的等效電氣距離，減小功率輸送引起的電壓降和功角差，從而提高線路輸送能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。常規(guī)串聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償容抗固定，也稱為固定串聯(lián)電容器補(bǔ)償，它不能靈活地調(diào)整補(bǔ)償容抗值以適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行條件的變化。晶閘管控制串聯(lián)電容器（TCSC）應(yīng)用了電力電子技術(shù)，利用對(duì)晶閘管閥的觸發(fā)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償容抗值的平滑調(diào)節(jié)，使輸電線路的等效阻抗成為動(dòng)態(tài)可調(diào)，系統(tǒng)的靜態(tài)、暫態(tài)和動(dòng)態(tài)性能得到改善。TCSC是FACTS技術(shù)應(yīng)用的典型裝置之一，在電網(wǎng)中可以起到控制電網(wǎng)潮流分布、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性極限、阻尼系統(tǒng)振蕩、緩解次同步諧振、預(yù)防電壓崩潰等作用。

（3）可控并聯(lián)電抗器（CSR）。可控并聯(lián)電抗器是一種新型FACTS裝置，它并聯(lián)于電力系統(tǒng)，且其電抗值可以在線調(diào)節(jié)，在一定程度上解決電壓在小負(fù)荷方式下過(guò)高或大負(fù)荷方式下過(guò)低的情況，緊急情況下可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)補(bǔ)以抑制工頻過(guò)電壓，配合中性點(diǎn)電抗器還可以抑制潛供電流、降低恢復(fù)電壓。CSR的投入運(yùn)行，使雙回或多回線發(fā)生N-1故障時(shí)，可按其最大調(diào)節(jié)范圍實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。同時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)在各種擾動(dòng)下出現(xiàn)的電壓振蕩或功率振蕩也能起到一定的抑制作用，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。CSR主要有磁控式并聯(lián)電抗器（MCSR）和分級(jí)式可控并聯(lián)電抗器（SCSR）兩種。MCSR通過(guò)晶閘管控制勵(lì)磁系統(tǒng)電流來(lái)改變電抗器鐵芯的飽和程度，可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電抗值的快速、連續(xù)、大范圍調(diào)節(jié)。SCSR通過(guò)晶閘管分級(jí)投切變壓器低壓側(cè)電抗器，可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電抗值在有限個(gè)級(jí)別間的快速切換。

（4）故障電流限制器（FCL）。故障電流限制器是一種串聯(lián)在輸電線路中的FACTS裝置，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)其阻抗為零，不對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生任何影響。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)CL通過(guò)投切或以其他的方式迅速增大串聯(lián)阻抗，來(lái)達(dá)到限制線路短路電流的目的。在適當(dāng)位置裝設(shè)合適的FCL可使電網(wǎng)的互聯(lián)和電源容量的增加不再受制于短路電流水平，這對(duì)于電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行具有重要意義。

（5）靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）。靜止同步補(bǔ)償器是一種基于電壓源換流器（VSC）的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，是第二代FACTS裝置的典型代表。STATCOM以VSC為核心，直流側(cè)采用電容器為儲(chǔ)能元件，VSC將直流電壓轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率的交流電壓，通過(guò)連接電抗器或耦合變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)。當(dāng)只考慮基波頻率時(shí)，STATCOM可以看成一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源通過(guò)電抗器連到電網(wǎng)上。由于STATCOM直流側(cè)電容僅起電壓支撐作用，所以相對(duì)于SVC中的電容容量要小得多。此外，與SVC相比，STATCOM還擁有調(diào)節(jié)速度更快、調(diào)節(jié)范圍更廣、欠壓條件下的無(wú)功調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)諧波含量和占地面積都大大減小。STATCOM以VSC為核心，將直流電容電壓變換為與電網(wǎng)同頻率的交流電壓，通過(guò)等效連接電抗器接入系統(tǒng)。STATCOM可被看做一個(gè)電抗后的可控電壓源，這意味著無(wú)需并聯(lián)電容器或并聯(lián)電抗器來(lái)產(chǎn)生或吸收無(wú)功功率。

（6）靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）。靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器屬于第二代FACTS裝置，它可以等效為串聯(lián)在線路中的同步電壓源，通過(guò)注入與線電流呈合適相角的電壓來(lái)改變輸電線路的等效阻抗，具有與輸電系統(tǒng)交換有功功率和無(wú)功功率的能力。若注入的電壓與線路電流同相，那么就可以與電網(wǎng)交換有功功率；若注入的電壓與線路電流正交，那么就可以與電網(wǎng)交換無(wú)功功率。SSSC不僅調(diào)節(jié)線路電抗，還可以同時(shí)調(diào)節(jié)線路電阻，且補(bǔ)償電壓不受線路電流大小影響，是比TCSC更具潛力的一種FACTS裝置。

（7）統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）。統(tǒng)一潮流控制器是由并聯(lián)補(bǔ)償?shù)腟TATCOM和串聯(lián)補(bǔ)償?shù)腟SSC相結(jié)合構(gòu)成的新型潮流控制裝置，是目前通用性最好的FACTS裝置，僅通過(guò)控制規(guī)律的改變，就能分別或同時(shí)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償和移相等作用。

3.特性

柔性交流輸電系統(tǒng)的主要特性有以下幾點(diǎn)：

（1）能在較大范圍有效地控制潮流；

（2）線路的輸送能力可增大至接近導(dǎo)線的熱極限，例如：一條500kV線路的安全送電極限為1000～2000MW，線路的熱極限為3000MW，采用FACTS技術(shù)后，可使輸送能力提高50%～100%；

（3）備用發(fā)電機(jī)組容量可從典型的18%減少到15%，甚至更少；

（4）電網(wǎng)和設(shè)備故障的危害可得到限制，防止線路串級(jí)跳閘，以避免事故擴(kuò)大；

（5）易阻尼消除電力系統(tǒng)振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.功能

FACTS系統(tǒng)的技術(shù)功能主要指應(yīng)用技術(shù)及其控制器技術(shù)，該技術(shù)已被國(guó)內(nèi)外一些權(quán)威的電力工作者確定為“未來(lái)輸電系統(tǒng)新時(shí)代的三項(xiàng)支持技術(shù)之一”。這三項(xiàng)支持技術(shù)指的是柔性輸電技術(shù)、先進(jìn)的控制中心技術(shù)和綜合自動(dòng)化技術(shù)。

FACTS系統(tǒng)能夠增強(qiáng)交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性，并降低電力傳輸?shù)某杀尽Ｔ摷夹g(shù)通過(guò)為電網(wǎng)提供感應(yīng)或無(wú)功功率，從而提高輸電質(zhì)量和效率。

5.發(fā)展

（1）國(guó)外發(fā)展概況。作為世界領(lǐng)先的西門子公司的多種柔性交流輸電系統(tǒng)已經(jīng)在全球的多個(gè)項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。近年來(lái)，靈活交流輸電技術(shù)已經(jīng)在美國(guó)、日本、瑞典、巴西等國(guó)的重要超高壓輸電工程中得到應(yīng)用。有代表性的FACTS工程有美國(guó)卡因塔230kV可控串補(bǔ)工程、美國(guó)斯拉脫500kV可控串補(bǔ)工程、瑞典斯多德可控串補(bǔ)工程、美國(guó)TVA公司沙利文靜止同步補(bǔ)償器工程、美國(guó)AEP公司依乃茲統(tǒng)一潮流控制器工程等。

美國(guó)卡因塔230kV可控串補(bǔ)工程投運(yùn)后，使這條輸電線路的輸送能力突破了穩(wěn)定極限，收到顯著的經(jīng)濟(jì)效益，四年就收回投資。

1999年1月巴西在500kV的聯(lián)絡(luò)線上安裝了兩套部分可控串補(bǔ)設(shè)備，成功地阻尼了南北電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的低頻振蕩。

在新的電力電子器件的研究方面也取得重要進(jìn)展：一方面正在研制經(jīng)濟(jì)性能好的器件，以便降低設(shè)備造價(jià)；另一方面，研制開斷功率更大的高性能器件。最近，國(guó)外公司宣布研制成功以碳化硅（Si C）為基片的電力電子器件。基片的耐壓和熱容量可大幅度提高，而元件損耗卻大大降低，從而使元件開斷功率可望有數(shù)量級(jí)的飛躍。這預(yù)示用固態(tài)斷路器取代傳統(tǒng)機(jī)械的高壓斷路器（油開關(guān)、六氟化硫開關(guān)、真空開關(guān)等），使數(shù)字化電力系統(tǒng)成為可能。

自20世紀(jì)80年代后期，F(xiàn)ACTS技術(shù)的提出、研究、開發(fā)和工程實(shí)踐已取得大量成果。目前，F(xiàn)ACTS技術(shù)的開發(fā)和工程應(yīng)用又有新的發(fā)展。具有對(duì)電壓、阻抗、相位綜合控制功能的統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的示范工程（并、串聯(lián)裝置容量各160MVA）在美國(guó)AEP電力公司投運(yùn)。

國(guó)外一些先進(jìn)國(guó)家對(duì)柔性配電技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)行了大規(guī)模的投入。其中，美國(guó)電力科學(xué)研究院EPRI、瑞典ABB公司、德國(guó)Sicmens公司已有了配電靜止同步補(bǔ)償器和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的商業(yè)化產(chǎn)品，并有數(shù)十例在配電系統(tǒng)和特殊的用戶端投入了運(yùn)行。

國(guó)外已投入運(yùn)行的DFACTS及FACTS系統(tǒng)的主要裝置，見(jiàn)表1-4。

（2）國(guó)內(nèi)發(fā)展概況。我國(guó)已開始對(duì)FACTS技術(shù)進(jìn)行有系統(tǒng)的研究、開發(fā)和應(yīng)用。其中，對(duì)500kV超高壓輸電線路TCSC的研究已取得階段成果。結(jié)合伊敏——馮屯500kV輸電線路的研究表明，采用25%串聯(lián)補(bǔ)償電容的可控串補(bǔ)裝置，可顯著提高暫態(tài)穩(wěn)定水平和阻尼振蕩能力。

對(duì)于我國(guó)下一步FACTS技術(shù)研究開發(fā)的主要目標(biāo)是，首先應(yīng)對(duì)TCSC和STAT-COM進(jìn)行工程化研究、開發(fā)和完善，促進(jìn)實(shí)際工程的實(shí)施。同時(shí)，應(yīng)開展對(duì)具有綜合控制功能的UPFC和IPC（相間功率控制器）的研究開發(fā)。對(duì)FACTS的系統(tǒng)應(yīng)用理論，應(yīng)進(jìn)一步開展系統(tǒng)建模和分析、系統(tǒng)控制策略等的研究。

我國(guó)由清華大學(xué)和原河南省電力局共同研制出的20Mvar STATCOM工業(yè)應(yīng)用裝置，標(biāo)志著我國(guó)是繼美、日、德之后，第四個(gè)掌握制造大容量FACTS裝置核心技術(shù)的國(guó)家。該裝置具有補(bǔ)償動(dòng)態(tài)電壓、抑制系統(tǒng)不平衡和振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定極限等功能，也是迄今為止我國(guó)唯一具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的FACTS工業(yè)裝置。

作為FACTS技術(shù)在配電系統(tǒng)應(yīng)用的延伸，DFACTS技術(shù)已成為改善電能質(zhì)量的有力工具。該技術(shù)的核心器件——絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）比門極GTO具有更快的開關(guān)頻率，并且關(guān)斷容量已達(dá)MV·A級(jí)，因此DFACTS裝置具有更快的響應(yīng)特性，是解決電能質(zhì)量問(wèn)題的有效手段。目前主要的DFACTS裝置有有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）、固態(tài)斷路器等。其中，APF是補(bǔ)償諧波的有效工具；而DVR通過(guò)自身的儲(chǔ)能單元，能夠在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)向系統(tǒng)注入正常電壓與故障電壓之差，因此是抑制電壓跌落的有效裝置。

柔性配電技術(shù)及其裝置的應(yīng)用已逐漸成為國(guó)外先進(jìn)國(guó)家電力企業(yè)和電力用戶的最優(yōu)選擇。但國(guó)內(nèi)目前在該領(lǐng)域的研究還剛剛起步。有必要加大投入，采取積極應(yīng)對(duì)的措施，開展先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、消化、應(yīng)用研究和開發(fā)應(yīng)用國(guó)產(chǎn)化設(shè)備的工作。

圖1-27、圖1-28分別是20Mvar STATCOM裝置實(shí)物圖及響應(yīng)曲線。

思考題

1. 《建設(shè)工程監(jiān)理規(guī)范》GB/T50319—2013修訂了哪些主要內(nèi)容？

2. 《建設(shè)工程監(jiān)理規(guī)范》GB/T50319—2013對(duì)監(jiān)理的定位是什么？

3. 《建設(shè)工程監(jiān)理規(guī)范》GB/T50319—2013調(diào)整了哪些專業(yè)監(jiān)理工程師的職責(zé)？

4. 《核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定》HAF003要求質(zhì)量保證文件包括哪三個(gè)層次？

5.如何理解火力發(fā)電新技術(shù)的應(yīng)用對(duì)我國(guó)節(jié)能減排的作用？

6.簡(jiǎn)述火力發(fā)電新技術(shù)應(yīng)用推廣面臨的問(wèn)題。

7.未來(lái)電網(wǎng)技術(shù)的主導(dǎo)發(fā)展方向和特征是什么？

8.特高壓交流輸電技術(shù)、特高壓直流輸電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)有哪些？

9.堅(jiān)強(qiáng)統(tǒng)一智能電網(wǎng)的定義是什么？

10.靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的含義及作用是什么？