第1章 引言

1.1 課題背景及意義

近年來，隨著我國工業化進程不斷發展，經濟結構持續優化，人民生活水平不斷提高，我國對能源的需求也在不斷攀升。全球工業化進程的加速同樣也加速了全球的氣候變化，對以煤炭、石油為主的傳統化石能源的過度開采與溫室氣體的大量排放給環境帶來了巨大的負面影響，并威脅經濟的可持續性發展。為了應對化石能源過度應用所導致的一系列社會以及環境問題，世界正在經歷重大的能源轉型過程。我國于2020年9月明確提出了“雙碳”目標以面對全球能源轉型。同時，作為能源轉型戰略核心的新能源體系得到了飛速發展，并有效緩解了當前所面臨的能源短缺與環境污染等問題。根據國家能源局統計，截至2021年底，我國可再生能源裝機規模達到10.68億kW，其中風電裝機容量達到3.28億kW、光伏裝機容量達到3.06億kW。在“雙碳”目標的推動下，我國將形成以風電與光伏為代表的可再生能源為主的能源體系，并即將步入可再生能源大規模并網、高滲透率分散并入并重的高比例發展階段。

光伏、風能等新能源的大量接入以及電網結構的復雜化使得電力系統的規劃和運行變得更加復雜和困難。一方面，從總體上看，我國的能源與負荷分布極為不均，西部地區風光等自然資源豐富但人口較少，東部地區人口密集但自然資源相對短缺，因此新能源的大容量長距離傳輸成為我國電網的典型特征。不平衡、不對稱的能源與負荷分布會導致潮流分布不合理、局部線路過載等情況的發生。雖然從根本上優化電力系統結構是一種明智的解決方案，但經濟成本、環境空間、法律法規等方面的限制對新建輸電線路與改造現有輸電線路等傳統方式形成了阻礙。另一方面，具有較強波動性與隨機性的可再生能源的大量接入，也使得電力系統存在電力電量概率化、電網潮流雙向化、源荷界限模糊化等特征，并導致了復雜的電力系統網絡結構。這些特征對電力系統整體的靈活性提出了新的需求。若系統靈活性不足，缺乏足夠的調節能力，便難以應對新能源出力的不確定性所帶來的系統穩定性降低、電能質量下降等問題。柔性交流輸電系統（Flexible AC Transmission System, FACTS）等的出現，為改善電網潮流分布、提高系統輸電容量以及保障系統可靠運行等問題提供了一個新的解決方法。

FACTS不僅能夠改變潮流分布，提高系統傳輸容量，還能夠改善電力系統的運行特性，在提高電力系統的靜態、暫態穩定性以及輸電能力等方面發揮著重要的作用。目前研究比較多的FACTS分為以下三種：

1）并聯型FACTS。典型的并聯型FACTS有靜止無功補償器（Static Var Compensator, SVC）與靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）等。

2）串聯型FACTS。典型的串聯型FACTS有靜止同步串聯補償器（Static Synchronous Series Compensator, SSSC）和晶閘管可控移相器（Thyristor Controlled Phase Shift Transformer, TCPST）等。

3）綜合型FACTS。典型的綜合型FACTS有統一潮流控制器（Unified Power Flow Controller, UPFC）與線間潮流控制器（Interline Power Flow Controller, IPFC）等。

并聯型FACTS能夠實現調控線路的無功功率，串聯型FACTS能夠實現調節線路電抗與有功功率。但這兩種系統并不能獨立控制有功功率與無功功率。UPFC作為當前功能最全面的綜合型FACTS之一，能夠同時調節線路的電壓幅值與相角，做到獨立控制線路的有功功率與無功功率。但是過高的安裝成本和運行成本以及復雜的控制方法限制了UPFC在電力系統中的應用。相較于UPFC，由于IPFC的串聯側串聯于多條線路，因此IPFC可以同時對多回臨近線路的潮流進行調控。但是與UPFC類似，IPFC的安裝和運行成本限制了其在電網的廣泛應用。

2003年K.K.SEN提出了一種新型電磁式潮流控制器：SEN Transformer（ST），其能夠獨立控制線路有功功率和無功功率，且安裝成本與運行成本均低于同等容量的UPFC。由于ST是基于多繞組變壓器技術與分接開關技術發展而來的新型潮流控制裝置，其具有成本低廉、技術成熟等優勢。這些優勢使得ST有可能成為其他FACTS的重要替代品，不同潮流控制裝置的功能特性比較見表1-1。因此，近年來國內外持續開展了針對ST及其變種的研究，涵蓋了裝置側建模與內部暫態過程分析，系統側潮流分析與控制方法研究等方面，并取得了不俗的進展。但是由于ST是一種基于變壓器與有載分接開關技術進行調控的潮流控制器，其存在著控制精度較低和調節速度慢等缺陷。而且傳統ST的二次繞組直接串聯在線路中，這種結構給ST在特/超高壓場景中的應用帶來了困難。因此，提高ST的調節精度與調節速度，拓展ST在特/超高壓場景下的應用對ST的發展存在重要的意義。

表1-1 不同潮流控制裝置的功能特性比較