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电力电子学在电力系统中的应用：灵活交流输电系统

灵活交流输电系统（FlexibleAlternatingCurrentTransmissionSystem，FACTS）是电力电子技术在电力系统中的一项重要应用。它通过将现代电力电子设备与控制技术相结合，显著提高了交流输电系统的灵活性、稳定性和传输能力。

FACTS的基本概念FACTS装置利用电力电子器件（如晶闸管、IGBT等）对输电系统的电压、电流和功率因数进行快速调节，从而优化电力系统的运行性能。其核心目标是改善电网的稳定性、增强潮流控制能力和减少线路损耗。根据功能和应用场景的不同，FACTS装置可分为串联补偿型、并联补偿型以及串并混合型。

FACTS的主要作用1.提高输电能力：通过动态调节线路阻抗或注入可控电压，FACTS能够有效提升线路的功率传输极限。2.增强系统稳定性：在短路故障或其他扰动情况下，FACTS可以快速响应，抑制振荡并维持系统稳定。3.优化潮流分布：通过灵活控制有功和无功功率流动，FACTS有助于缓解线路过载问题，并实现更均衡的电网负荷分配。4.改善电能质量：通过补偿无功功率和支持电压水平，FACTS可减少电压波动和谐波污染。

常见的FACTS装置静止同步补偿器（STATCOM）：用于动态调节无功功率，维持节点电压稳定。统一潮流控制器（UPFC）：集成了串联和并联补偿功能，可同时控制有功和无功功率。静态同步串联补偿器（SSSC）：通过注入可控电压改变线路阻抗，优化潮流分布。晶闸管控制串联电容器（TCSC）：通过调节等效电容值来控制线路阻抗。

应用前景随着新能源接入比例的增加以及智能电网的发展，FACTS技术的重要性日益凸显。它可以解决大规模风电、光伏等间歇性电源接入带来的挑战，同时支持特高压输电工程的高效运行。此外广场中心景观园林绿化工程施工组织设计，FACTS还为分布式发电和微电网提供了有效的调控手段。

总之，灵活交流输电系统作为电力电子学与传统电力系统结合的典范，正在推动现代电网向更加智能化、可靠化和高效化的方向发展。

于蓟门 2000年5月

《电力新技术丛书》出版说明 前言

电力电子技术的发展和应用简介 1.1电力系统与电力电子技术概况 ? 1.2 门极可关断晶闸管（GTO） Z 1.3 绝缘门极双极晶体管（IGBT) 15 1.4 换流器· 20 电力电子技术在发电、输电和配电、 用电中的应用简介（FACTS) 29 2.1 发电厂应用的电力电子技术 30 2.2 灵活交流输电系统 38 2.3 静止无功补偿系统（SVC) 44 2.4 无功发生器 52 2.5 晶闸管控制动电阻· 55 2.6 快速有载调压· 55 2.7 超导磁能存储系统（SMES） 57 2.8 蓄电池储能系统（BESS) 58 2.9 晶闸管控移相器·· 59 2.10 晶闸管控串联补偿器 ——可控串补（TCSC） 60 2.11 NGH次同步谐振阻尼器·· 62 2.12 高压直流输电简介（HVDC) 64 2.13 相间控制器 68

电力电子技术的发展和应用简介 1.1 电力系统与电力电子技术概况 1.2 门极可关断晶闸管（GTO） 2 1.3 绝缘门极双极晶体管（IGBT） 15 1.4 换流器 20 电力电 电子技术在发电、输电和配电、 用电 中的应用简介(FACTS) 29 2.1 发电厂应用的电力电子技术· 30 2.2 灵活交流输电系统 38 2.3 静止无功补偿系统（SVC) 44 2.4 无功发生器· 52 2.5 晶闸管控制动电阻· 55 2.6 快速有载调压· 55 2.7 超导磁能存储系统（SMES） 57 2.8 蓄电池储能系统（BESS) 58 2.9 晶闸管控移相器··· 59 2.10 晶闸管控串联补偿器 ——可控串补（TCSC） 60 2.11 NGH次同步谐振阻尼器· 62 2.12 高压直流输电简介（HVIXC） 64 2.13 相间控制器 68

1.1电力系统与电力电子技术概况

电力系统包括发电、送电和用电全过程，所用的器具有 些是线性的，即在主要运行参数范围内，所加电压与流过 的电流成正比，例如，变压器、输电线在其正常运行时都可 看成是线性设备。而非线性的器具可能产生更为特殊、也相 当有用的特性。电力系统使用的非线性元件有些不属于电力 电子的领域，例如为了防止过电压所采用的空气间隙和阀型 避雷器，利用磁饱和现象设计的磁电器件等。电真空技术的 发现和发展，给非线性元件的应用开辟了一个新阶段。电真 空器件的单向导电特点、电流可关断特点，以及它的可控性， 使其增加了极丰富的处理电能的方法。汞弧整流器、闸流管、 引燃管的应用，产生了可控整流器和直流拖动设备。 现代电力电子学是与固体物理学一起发展起来的。40年 代中期半导体二极晶体管和三极晶体管的发明是电子技术的 里程碑。随后，固体电子器件向高频化发展。同时还有两个 趋向，一是小型化、微形化（这就是现在通信和计算机系统 的技术基础），二是大容量化。这样它就开始取代电真空器件。 大容量化这个方向在子提高工作频率，首先解决的是提 高工作电压和工作电流。1957年，通用公司制造出300V、16A 的可控硅，其特性极像电真空器件的闸流管，后来被定名为晶

闸管（thyristor）。它的额定电压、电流都逐渐增大。由于晶闸 管的高可靠性和低成本，很快就在各应用领域取代容量近似 的电真空器件。容量最大的电力电子器件是电力系统中的高 压直流输电，也在70年代被半导体器件一晶闸管所占领。 为了便于阅读，本章将简略回顾晶闸管的特性。至于晶闸 管的具体知识，在直流输电的书籍或其他专著中已有详细的 讨论，读者可以自行参看。另外，本章还将介绍电力系统可能 使用或已在使用的几种较新的半导体（固体）电力电子器件。

1.2门极可关断晶闸管（GTO）

晶闸管也称可控硅，是50年代发展起来的开关器件，它 在阳极加正电压，门极用正向电流触发而开始导通，电流流 过阳极和阴极，当电流降到零时晶闸管即呈断开状态。由于 晶闸管是最基本的开关器件，并已广泛应用，成为电工知识 的素材，故此处不详细讨论，而只说明大容量晶闸管的情况。 80年代晶闸管的容量发展到5kV、3kA的水平，硅片直 径达到100mm。如今，100mm直径的晶闸管是直流输电的基 本开关元件。较低电压的晶闸管其额定电流已达5伙A，较小 电流的晶闸管耐压达8kV。大容量晶闸管也用在无功静止补 偿器和大容量电机启动和变速上。 与晶闸管几乎同时出现的门极可关断晶闸管（gateturn offthyristors，以下简称GTO）是另一种功率大的开关元件。 GTO与普通晶闸管性能不同之处在于它可由门极注入一个 反方向电流，使阳极与阴极间不为零的电流关断。目前由于 GTO的容量达到5MVA左右，又有可控关断的特点，因而在 很多领城广泛采用。现代电力电子技术在大容量的应用方面，

GTO是使用最广的开关部件，担当最重要的角色。 1.2.1GT0晶闸管介绍 这里只描述GTO晶闸管使用的有关问题，希望通过这 个介绍，能使读者基本上了解与晶闸管应用有关的原理和特 性。GTO晶闸管是PNPN四层半导体器件，有三个引I出端， 这与晶闸管相同。GTO的阳极A加正电压，阴极K加负电 压，负载在这个电路里与GTO晶闸管串联，当门极与阴极间 加一个门极G为正的电压时，GTO被触发导通，如果阳极和 阴极电流足够大，在触发电压不存在时阳阴极之间仍然导通， 电流过小则自行关断，这些特点与普通晶闸管相同。 GTO的独特之处是门极G可关断阳阴极间的电流。只 要在门极与阴极间加一个负偏置电压形成负电流，并有足够 大的幅值，则负荷电流将关断，这个行为可由电子空穴的理 论说明。 图1.1是GTO关断时的电子流动断面，在关断时门极

图1.1GTO晶闸管关断过程

电流为一IG，门极电压一EG。 GTO在导通状态电流从阳极A通过P1、N1、P2、N2四 层中的三个结流向阴极，相当于从A到K的电流。当门极G 加人电压一EG，中和了非平衡空穴载流子、阻断N2非平衡电 子流的流入，门极电流一相当于空穴电流从门极通过，电 子则从此门极为正的阴极排空，当空穴和电子在J3结门极附 近消失，3结这个部件形成耗尽层，并向远离门极的部件扩 展。这样N2层不再供应电子，P2层将中和掉过剩载流子。√3 结这种离断的反偏使J2结循复了阴断能力，从而关断了 GTO，在J2结上恢复耗尽层。GTO晶闸管的三极管说明图和 符号见图1.2。

无砂大孔混凝土管井降水工程技术 安全交底图1.2GTO晶闸管的三极管说明图和符号 （a）功能示意图：（b）等值电路：（c）符号

某些出版物中所用Tr1和Tr2与此处规定不同，请读者 注意。被关断阳极电流与门极关断电流之比称为关断增益 Goff，这一概念已被广泛采用，其值为

1.2.2GT0晶闸管的主要参数

1.2.2GTO晶闸管的主要参

α1 A Joff α+α2 IGQ

为了便于查阅样本等资料，此处列出GTO晶闸管各主 要参数的英文名称，有的还列出参数的指定条件（GTO关断 时的等值电路见图1.3），

图1.3GTO关断时的等值电路

（22）ta—延迟时间（delaytime）。在开通的时间a内， 1极开通电流达到10%1GM时开始某产业园入口绿化施工组织设计，到阳极电压下降到90%