柔性交流输电技术,通常简称为 FACTS (Flexible AC Transmission Systems)，是利用现代电力电子技术，对交流输电系统的电压、相位、阻抗、功率等参数进行快速、精确、连续控制的技术总称。
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可以把传统电网想象成一条只能通过固定大小水管的河道,而引入了FACTS技术后，就相当于安装了一系列精密的“智能水阀”，可以实时调节水流的速度、方向和压力，从而确保整个河道系统运行在最高效、最稳定的状态。
FACTS技术的主要目标与优势
在了解具体应用前,先要明白FACTS要解决什么问题，以及它的核心优势是什么。
核心目标：
- 提高输电线路的传输容量： 在不新建线路的情况下，让现有线路“满负荷”甚至“超负荷”安全运行。
- 增强电网的稳定性： 快速抑制系统振荡，防止大面积停电事故的发生。
- 优化潮流分布： 将电力按照预设的路径进行分配，避免某些线路过载，而另一些线路闲置。
- 提高电能质量： 稳定电压，减少电压波动和闪变。
核心优势：
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- 快速灵活： 响应速度是毫秒级的，远超传统机械式设备（如调相机、有载调压变压器）。
- 控制精确： 可以实现连续、平滑的调节，而不是“有”或“无”的阶跃变化。
- 功能强大： 一台设备通常能同时实现多种控制功能（如串补和调压）。
- 节省投资： 通过提升现有资产利用率，延缓或减少新建输电线路的需求。
FACTS技术的具体应用场景与设备类型
FACTS技术通过具体的FACTS设备来实现其功能,以下是一些典型的FACTS设备及其具体应用：
提高输电容量与控制潮流
这是FACTS最核心、最广泛的应用，当输电线路达到其热稳定极限（导线发热极限）或稳定极限（功角稳定极限）时，就无法再传输更多功率了，FACTS技术可以突破这些限制。
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串联补偿装置
- 典型设备： 串联补偿器
- 工作原理： 在输电线路上串联一个电容器，串联电容可以抵消线路自身的电感感抗（X=ωL），从而降低线路总阻抗，根据功率公式 P = U²sinδ / X，阻抗X降低，传输功率P就能显著提高。
- 应用场景：
- 长距离输电： 对于数百甚至上千公里的超/特高压线路，感抗非常大，是限制传输容量的主要瓶颈，串补技术可以“缩短”电气距离，大幅提升送电能力，中国的“西电东送”工程中广泛应用了串补技术。
- 潮流控制： 通过调节串补度（电容器的补偿程度），可以精确控制线路上的潮流分布，实现功率的经济调度。
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静止同步串联补偿器
（图片来源网络，侵删）- 工作原理： 这是一种基于电压源换流器 的、更高级的串联补偿装置，它不使用物理电容器，而是通过电力电子技术，快速在线路上注入一个与线路电流相位相差90°的补偿电压，从而动态改变线路的等效阻抗。
- 应用场景：
- 比传统串补更灵活： 可以从容性（X为负）到感性（X为正）连续调节，而传统串补只能提供容性补偿。
- 抑制次同步振荡： 这是SSSC的独特优势，可以有效防止汽轮发电机轴系因串联电容引起的谐振损坏，这在传统串补中是一个难题。
增强电压稳定性与支撑电网
电压是电能质量的关键指标,负荷的快速变化或线路故障都可能导致电压剧烈波动，甚至引发电压崩溃。
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静止无功补偿器
- 工作原理： 通过晶闸管控制电抗器和固定电容器（或晶闸管投切电容器）的组合，快速地吸收或发出无功功率，从而实现对电网电压的动态支撑。
- 应用场景：
- 冲击性负荷： 如电弧炉、轧钢机等，它们会引起电压剧烈波动和闪变，SVC可以快速补偿其无功需求，稳定母线电压。
- 风电/光伏并网点： 新能源发电的波动性大，可能导致并网点电压不稳，SVC可以作为动态无功补偿装置，提供电压支撑。
- 长距离输电的中间点： 为输电线路提供动态无功支撑，防止电压沿线路过度降落。
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静止同步补偿器
- 工作原理： SVC的“升级版”，它也是基于VSC的装置，可以看作是一个“可控制的电压源”，它通过向系统注入或吸收无功电流来调节电压，响应速度更快（毫秒级），调节范围更平滑，并且可以在不增加系统容量的情况下提供感性或容性无功。
- 应用场景：
- 城市电网中心： 在负荷密集、空间有限的市中心，STATCOM比SVC体积更小、性能更优越，是理想的电压支撑设备，上海、北京等城市的核心区域都部署了STATCOM。
- 新能源基地： 在大型风电场或光伏电站的汇集站，STATCOM提供强大的动态无功支撑，确保新能源电力平稳送出。
- 提高暂态稳定性： 在系统发生故障时，STATCOM能快速注入无功，帮助电压快速恢复，防止系统失稳。
抑制系统振荡
电网在受到扰动后,各发电机转子之间会发生相对摇摆，即“系统振荡”，如果振荡不能被抑制，就会导致功率传输中断，甚至引发连锁反应，导致大面积停电。
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可控串联补偿器
- 工作原理： 在传统串联补偿的基础上，增加了晶闸管控制的旁路阻尼回路，通过快速控制晶闸管的导通，可以动态改变线路的阻抗，从而产生一个与振荡电流方向相反的阻尼力矩，有效抑制低频功率振荡。
- 应用场景：
- 跨区互联电网： 在多个区域电网互联的联络线上，由于各区域发电机组的惯性常数和特性不同，容易引发区域间的低频振荡（如0.1-0.8Hz），TCSC是抑制这种振荡的有效手段。
- 提高暂态稳定极限： 在系统故障后，TCSC的快速控制可以帮助系统更快地恢复稳定，从而提高系统的暂态稳定水平。
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统一潮流控制器
- 工作原理： 这是FACTS家族中功能最强大的“全能冠军”，它由一个并联换流器和一个串联换流器通过直流电容耦合而成，它能够同时且独立地控制线路的电压、阻抗和相位角，从而实现对潮流的任意控制。
- 应用场景：
- 精确潮流控制： 当电网中存在一些“功率绕行”或“拥堵”的线路时，UPFC可以强制按指定路径分配潮流，消除拥堵，提高整个电网的利用效率。
- 多目标控制： 在一个设备上同时实现电压支撑、阻尼振荡、控制潮流等多个目标，是解决复杂电网问题的终极武器，但由于其结构和控制复杂，成本高昂，目前主要应用于对电网性能有极高要求的枢纽点。
应用案例总结
| 应用场景 | 核心问题 | 常用FACTS设备 | 实际案例 |
|---|---|---|---|
| 长距离大容量输电 | 线路感抗大，传输容量受限 | 串联补偿器、可控串联补偿器 | 中国“西电东送”南北通道、巴西伊泰普水电站送出工程 |
| 区域电网互联 | 易引发低频功率振荡 | 可控串联补偿器、统一潮流控制器 | 美国PJM电网、中国华东-华中电网互联 |
| 新能源并网 | 波动性大，电压支撑不足 | 静止无功补偿器、静止同步补偿器 | 酒泉风电基地、青海海南州光伏基地 |
| 城市/工业中心 | 负荷密集，电能质量要求高 | 静止无功补偿器、静止同步补偿器 | 上海世博园电网、深圳宝安工业区 |
| 消除线路拥堵 | 潮流分布不均，部分线路过载 | 统一潮流控制器 | 美国纽约电网、澳大利亚昆士兰电网 |
发展趋势与挑战
发展趋势：
- 模块化与标准化： 基于模块化多电平换流器 的FACTS设备成为主流，便于制造、扩容和维护。
- 与直流输电融合： 柔性直流输电本质上可以看作是应用于“点对点”输电的FACTS技术，未来FACTS与VSC
