1　引言
　　21世纪的输电系统运行将承担更大的来自环境保护和电力市场等方面的压力。这些压力所产生的需求可以概括为以下三个方面：
　　(1)增大输送能力　以电力市场机制推进得较快的美国为例，已有2/3的发电量是由发电公司先卖到批发市场，然后再转卖给用户；从1990年开始，大约有2/3原来拟建的新线路因环保等要求而被减缩。这样，一方面输送需求增大，另一方面建设减缩的局面使提高输送能力的需求更为突出。据ERPI估计，很多输电走廊都将运行于现有的稳定极限附近。
　　(2)保持系统稳定　近几年多次发生的灾变性重大电力系统事故给广大供电区内的社会生活造成了严重“外伤”(交通中断、停水、停电、罪案增多等)和“内伤”(通信瘫痪、金融流通受到破坏、精密加工工艺过程受损害、计算机信息丢失等)，直接影响几百万各种用户的正常用电。因此如何在电力系统被迫更长距离输送更多电力的同时仍能保持系统的稳定性，就成为调度运行人员的另一重要任务。
　　(3)优化系统运行　因运行变化或电力市场所决定的功率输送的变化次数快速增加(以美国为例，据EPRI统计：1996年的变化次数比1995年增加10倍以上，1997年增加100倍以上)，因此，系统的控制变得更复杂，需要对整体系统的潮流进行优化。这种优化需要在越来越大的地区内综合考虑系统全局运行的情况。此外，电力市场要求系统能经过一特定的“合同途径”去控制电力流向，而这在交流输电系统中是很难做到的，因为其中每一“途径”的电力都是由其它所有输电线的电气特性决定的。
　　针对上述需求应运而生的柔性交流输电系统(FACTS)技术从根本上改变了交流输电网过去基本只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制和优化技术措施的局面。FACTS装置为交流输电网提供了空前快速、连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力，同时可以确保系统稳定性，并有助于在事故时防止连锁反应造成的大停电结局。
　　FACTS技术及其控制器发展迅猛，升级换代快速。当前已形成第一代、第二代和第三代FACTS控制器并存发展的局面。
　　FACTS技术及其控制器是随着电力电子技术及其元器件的发展而发展的，而电力电子技术又是随着半导体材料及其技术的进步而发展的。

2　FACTS控制器的换代发展
　　换代发展表明：基于电力电子技术的FACTS控制器在其性能和功能上出现的不同发展阶段，也是从其发展进程或技术进步角度上对各种FACTS控制器的另一种分类方法。
　　虽然IEEE PES对FACTS技术概念的建议^［1，2］中并没有列入FACTS控制器的换代发展，但美国引入和促进FACTS技术的权威单位，电力科学研究院(EPRI)在1997年公布的以其单位署名的文献［3］中却明确提出了换代的概念，而且在欧美近期发表的一些重要FACTS文章中已被多次引用。例如ABB的《定制型FACTS(Customized FACTS)》和美国四单位合著的《转换静止补偿器(CSC)》两篇重要文章(简要介绍皆见文［4］)，前者在其第2节中指出：“VSC技术昭示着无需升压变压器或大型滤波器这些庞大附加设备的第三代FACTS控制器的出现；后者在其前言中明确指出：“可使电网综合而柔韧控制潮流的CSC代表了基于电压源逆变器的第三代FACTS控制器”。
　　FACTS控制器换代发展的概念规范出其发展轨迹，也展示着发展前景，在FACTS技术概念中是一重要内容。
　　美国EPRI建议的FACTS控制器的发展换代阶段有：
　　(1)第一代FACTS装置　这是从20多年前就出现的SVC开始的。SVC是由晶闸管开关快速控制的并联电容器组和(或)电抗器组成的装置，以提供动态电压支持。其技术基础是常规晶闸管(即硅可控整流器SCR)。后来出现的第一代FACTS装置是晶闸管控制的串联电容器(TCSC)，它利用SCR控制串接在输电线中的电容器组，以控制线路阻抗，提高输送能力。
　　(2)第二代FACTS装置　这一代装置同样具有第一代装置具有的支持电压和控制功率等功能，但在外部回路中不需要大型的电力设备，如电容器组、并联电抗器或移相变压器等。这些新装置(STATCOM和SSSC等)是借助于由门极可关断晶闸管(GTO)一类全控型器件构成的装置，以电子回路模拟出电抗器或电容器的作用。装置造价大为降低，性能却明显改进。例如美国TVA，以投资1000万美元的STATCOM代替了投资达2000万美元的变压器组。
　　(3)第三代FACTS装置　将两台或多台控制器复合成一组FACTS装置，并使其具有一个共同的统一的控制系统，即称为第三代FACTS控制器。第一种典型装置就是由一台STATCOM和一台SSSC复合而成的UPFC。它的功能更强大，它以控制线路阻抗、电压或功角的办法同时控制输电的有功和无功潮流。第一台UPFC已在美国AEP公司的Inez变电所运行，它只占据一个100英尺×200英尺的标准建筑，而一台典型的TCSC却要占据一个足球场那样大的面积。Inez变电所的UPFC将完成的预定功能是：在增大送往一农村煤矿地区电力的同时还为一邻近工业城市保证电压支持，以改进系统的可靠性。
　　第三代FACTS装置发展迅速，已出现CSC的原理，其中包括调节双回线潮流的线间潮流控制器(IPFC)、控制多回线路的MCSC以及功能更强大的GUPFC，且已在为纽约电力系统的实际应用进行研制工作。此外，非常值得重视的是，ABB公司新创建的“定制型FACTS”概念，它是量体裁衣式地将基于VSC的控制器与常规带负荷调节抽头变压器(这在我国电网中的应用已相当多)巧妙地复合在一起，形成新型的第三代控制器，具有一系列更优越的性能和特点^［4］。
　　已在发展并将在21世纪广泛应用的另一FACTS装置是将蓄能装置(超导蓄能、蓄电池、燃料电池、飞轮等)中可瞬时抽取或注入的电能经逆变器接入电力系统的装置，称为“蓄能器接口”(ESI，energy storage interface)。它是将接入电网的电压源逆变器，或者直流至交流的换流器与蓄能装置的多相斩波器在两者的直流母线处复合在一起^［5］，见图1。整体装置采用一共同的闭环控制系统，协调直流至直流换流器和逆变器的运行，以实现电网、直流母线和蓄能装置之间的有功和无功功率的交换。

图1　蓄能器接口的原理接线图
Fig.1　Schematioc diagram of energy storage interface

　　ESI虽是一种基于电压源换流器的复合FACTS装置，但也是一种并联接入装置。其主要功能是瞬时调节(吸收或释出)功率，以改进系统在暂态、动态和长过渡过程中的性能。
　　随着电力电子技术及其元器件的发展，全控型(或称自关断型)器件的制造工艺和应用技术的发展也十分迅速。国内外都有研究工作在用全控型电力电子器件的斩波控制电压变换技术代替基于SCR的相控技术。对SVC和TCSC已有这方面的研究成果；对TCPST也已有同样的研究成果^［6，7］。所以，几种以TC命名的FACTS控制器将来可能名不符实，因此，采用哪种电力电子器件或电压控制方式不能成为FACTS控制器发展换代的标志。
　　 在前述美国EPRI提出的换代标志中，只有是否含有常规电力部件(电容器、电抗器、抽头变换器等)和控制器发展出现的前后是较肯定的，至于是否串并联或是否采用复合控制器，都难以作为换代的主要标志。例如：TCPST既可归入第一代、也可归入第三代；ESI既可归入第二代，也可归入第三代。上述情况可能就是正式被推荐的IEEE PES建议中未列入换代发展的原因，虽然这种分类方法已受到一些重要FACTS的研制厂家和一些著名的FACTS专家的重视，并被他们引用(见本文第2节)。
　　各种主要输电型FACTS控制器的功能和换代归类情况，综合示意于图2。

图2　主要输电型FACTS控制器的运行功能和换代发展示意图
Fig.2　Block scheme of operational functions and
generational development of main fransmission
type FACTS controtlers

3　电力电子器件的新成就
　　FACTS控制器的基础是电力电子器件，按其功能和结构特点以及发展顺序可分为不控及半控器件(SRD、SCR、GATT等)、全控器件(GTR、GTO、IGBT等)和功率集成电路(Smart Power、HVIC等)三大类。也有些学者从换代发展的角度将它们称为第一代器件、第二代器件、第三代器件。我国起步较晚，80年代出现较大差距，品种、规格、水平、合格率及产量等方面皆落后于工业发达国家。
　　FACTS技术主要采用SCR、GTO、IGBT等器件。但是两年前才问世的“集成门极换向晶体管”(IGCT，integrated-gate commutated transistor)^［8］也有专家沿用过去的称呼，称它为“绝缘栅换相晶体管”)崭露头角地在迅速发展。ABB公司已利用其优越的性能开发极有前途的“定制型FACTS”^［4］。仅仅两年，IGCT就以低损耗的优势占据了中压和中等功率电动机拖动器的大量市场份额。而两年以前，全部市场份额都属于晶闸管型的。它还具有进一步改进轻型直流输电(HVDC Light)的潜力。
　　IGCT将IGBT和GTO的优点结合了起来：IGCT比GTO的运行损耗低，同功率条件下的装置更小更轻，像IGBT一样地无需缓冲阻尼回路一类的附属元件(用于切换时防止过量暂态电压或电流的损害)，它只有一简化了的门极驱动回路，故可简化结构并提高装置的可靠性。而且和GTO相比，它采用空气冷却，而不是水冷却，这将更使装置简化。图3示出了应用IGCT代替GTO的单相风冷换流器。由此也证明了新型电力电子器件对改进FACTS控制器的重大意义。

图3　风冷IGCT换流器(单相)
Fig.3　Air cooded IGCT converter (one phase)

　　短短两年中(自1997年7月问世开始)，IGCT的性能在最近又有明显改进：其回路中高压二极管的损耗又减少20%，另一方面对其门极元件进行了简化，采用一个印刷电路进行切换又可使其元件数量减少30%，并进一步提高了可靠性。ABB公司的新产品又将应用功率提高25%，并具有更好的热稳定性，其耐高温的性能也进一步得到提高。ABB公司在我国召开的POWERCON’98会议上提出的“定制型FACTS”研制报告表明，采用IGCT代替GTO的新一代电压源换流器，不仅可耐高电压，而且可切换4～5　kA的电流。IGCT应用于FACTS技术的前景十分良好。
　　应该提出的是，IGBT的性能也有显著的改进，例如1998年在日本京都国际电力电子器件和集成回路会议上，日本富士公司介绍其新研制的IGBT元件已具有处理1800 A、2500 V、即4.5 MW的能力，适用于高速火车和重工业逆变器系统等场合。

4　半导体新材料研制的新进展
　　电力电子器件的基础是功率半导体材料。现在通用的各种切换或换流设备以及FACTS控制器全都基于硅半导体。但下一代的化合物半导体已在通信领域中的便携电话、无线通信发射微波的部件以及光电信号转换的中继部件中普遍采用，其中最普及的是镓砷和铟磷的化合物半导体，其新应用的开发工作十分活跃。
　　在功率半导体范围内^［8］，碳化硅材料很有发展前途。已研制出的二极管内阻减低到现今硅片的几百分之一，将显著改善器件本身的损耗。但现在一个5　cm的碳化硅片就值3000美元，比硅片贵50倍。此外，每cm²片材中的晶体缺陷也比硅片中多1000倍。所以改进的研究工作量还很大，但它将是21世纪中的功率半导体材料，各发达国家都在政府资助下大力开展研究工作。
　　美国EPRI也已制订了三年的“后硅兆瓦级电子技术”规划，重点研究将宽带隙材料用于电力电子技术。碳化硅和氮化镓的带隙都比硅大3倍；这些材料也比硅可承受的场强大10倍；其结合点的运行温度可达250℃，而硅只有150℃。EPRI在努力先制造出可供商用的25　kV、200　A的器件，其大小和价格都将是今天同样硅产品的十分之一，这无疑对电力电子器件的革新具有重大意义。
　　另一发展方向是由特拉华大学和美国陆军研究实验所合作研制的采用碳化硅与锗制成合金的半导体材料。其导电量比硅片高1倍，而处理速度可达2　GHz，还可耐325℃的高温，提高了其应用的稳定性和耐用性。IBM已看中其高速性能，拟开发专门生产线，以改进其未来的电脑产品和GPS系统部件，以及飞机、汽车引擎等高温环境中的探测及控制零部件。

5　结束语
　　(1)我们应记取“60年代中，国内外电力电子器件研制生产水平的差距还不算太大，但80年代中，国外的飞速发展才形成了国内外的较大差距”的事实教训。更应密切注视功率半导体材料——电力电子器件FACTS和CusPow控制器这一高新技术相关链上任一处的新进展及其影响。
　　(2)FACTS技术换代发展的概念有助于预测其发展前景和促进其发展进程，且在世界上已具有一定影响，值得注意和了解。
　　(3)理解和关注上述功率电子技术的发展链和FACTS技术的换代发展，可以使我们的研究工作少走弯路，并有利于迎头赶上先进水平。例如，在对FACTS控制器进一步的研制工作中，到底是从UPFC着手，还是从定制型FACTS着手更有利，就很值得下一番功夫进行推敲比较。