第1章 引言
1.1 课题背景及意义
近年来，随着我国工业化进程不断发展，经济结构持续优化，人民生活水平不断提高，我国对能源的需求也在不断攀升。全球工业化进程的加速同样也加速了全球的气候变化，对以煤炭、石油为主的传统化石能源的过度开采与温室气体的大量排放给环境带来了巨大的负面影响，并威胁经济的可持续性发展。为了应对化石能源过度应用所导致的一系列社会以及环境问题，世界正在经历重大的能源转型过程。我国于2020年9月明确提出了“双碳”目标以面对全球能源转型。同时，作为能源转型战略核心的新能源体系得到了飞速发展，并有效缓解了当前所面临的能源短缺与环境污染等问题。根据国家能源局统计，截至2021年底，我国可再生能源装机规模达到10.68亿kW，其中风电装机容量达到3.28亿kW、光伏装机容量达到3.06亿kW。在“双碳”目标的推动下，我国将形成以风电与光伏为代表的可再生能源为主的能源体系，并即将步入可再生能源大规模并网、高渗透率分散并入并重的高比例发展阶段。
光伏、风能等新能源的大量接入以及电网结构的复杂化使得电力系统的规划和运行变得更加复杂和困难。一方面，从总体上看，我国的能源与负荷分布极为不均，西部地区风光等自然资源丰富但人口较少，东部地区人口密集但自然资源相对短缺，因此新能源的大容量长距离传输成为我国电网的典型特征。不平衡、不对称的能源与负荷分布会导致潮流分布不合理、局部线路过载等情况的发生。虽然从根本上优化电力系统结构是一种明智的解决方案，但经济成本、环境空间、法律法规等方面的限制对新建输电线路与改造现有输电线路等传统方式形成了阻碍。另一方面，具有较强波动性与随机性的可再生能源的大量接入，也使得电力系统存在电力电量概率化、电网潮流双向化、源荷界限模糊化等特征，并导致了复杂的电力系统网络结构。这些特征对电力系统整体的灵活性提出了新的需求。若系统灵活性不足，缺乏足够的调节能力，便难以应对新能源出力的不确定性所带来的系统稳定性降低、电能质量下降等问题。柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission System, FACTS）等的出现，为改善电网潮流分布、提高系统输电容量以及保障系统可靠运行等问题提供了一个新的解决方法。
FACTS不仅能够改变潮流分布，提高系统传输容量，还能够改善电力系统的运行特性，在提高电力系统的静态、暂态稳定性以及输电能力等方面发挥着重要的作用。目前研究比较多的FACTS分为以下三种：
1）并联型FACTS。典型的并联型FACTS有静止无功补偿器（Static Var Compensator, SVC）与静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）等。
2）串联型FACTS。典型的串联型FACTS有静止同步串联补偿器（Static Synchronous Series Compensator, SSSC）和晶闸管可控移相器（Thyristor Controlled Phase Shift Transformer, TCPST）等。
3）综合型FACTS。典型的综合型FACTS有统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller, UPFC）与线间潮流控制器（Interline Power Flow Controller, IPFC）等。
并联型FACTS能够实现调控线路的无功功率，串联型FACTS能够实现调节线路电抗与有功功率。但这两种系统并不能独立控制有功功率与无功功率。UPFC作为当前功能最全面的综合型FACTS之一，能够同时调节线路的电压幅值与相角，做到独立控制线路的有功功率与无功功率。但是过高的安装成本和运行成本以及复杂的控制方法限制了UPFC在电力系统中的应用。相较于UPFC，由于IPFC的串联侧串联于多条线路，因此IPFC可以同时对多回临近线路的潮流进行调控。但是与UPFC类似，IPFC的安装和运行成本限制了其在电网的广泛应用。
2003年K.K.SEN提出了一种新型电磁式潮流控制器：SEN Transformer（ST），其能够独立控制线路有功功率和无功功率，且安装成本与运行成本均低于同等容量的UPFC。由于ST是基于多绕组变压器技术与分接开关技术发展而来的新型潮流控制装置，其具有成本低廉、技术成熟等优势。这些优势使得ST有可能成为其他FACTS的重要替代品，不同潮流控制装置的功能特性比较见表1-1。因此，近年来国内外持续开展了针对ST及其变种的研究，涵盖了装置侧建模与内部暂态过程分析，系统侧潮流分析与控制方法研究等方面，并取得了不俗的进展。但是由于ST是一种基于变压器与有载分接开关技术进行调控的潮流控制器，其存在着控制精度较低和调节速度慢等缺陷。而且传统ST的二次绕组直接串联在线路中，这种结构给ST在特/超高压场景中的应用带来了困难。因此，提高ST的调节精度与调节速度，拓展ST在特/超高压场景下的应用对ST的发展存在重要的意义。
表1-1 不同潮流控制装置的功能特性比较
