特高压分级式可控并联电抗器控制策略研究

张东旭，王 艳，马卫华，林福生，杨怀伟，刘搏晗，宋洪磊，董 然，李矾洵

（国家电网有限公司交流建设分公司，北京100052）

0 引言

近年来，新能源行业发展迅速，以太阳能、风能、核能为主的新能源并网容量正在逐年攀升，但是风力具有波动性、随机性等特点，其可控性与可调度性与传统的火电、水电相比较都较差，大规模风电并网会对电网的电压稳定性造成很大的影响。因此，根据电网容量输送情况来动态调节系统无功容量，满足系统的无功需求，进而使系统电压保持在正常范围之内，是当今一项研究的重点［1-5］。

分级式可控并联电抗器（Hierarchical Controllable Shunt Reactor，HCSR）是一种直接接入超/特高压电网的动态无功补偿设备，它不仅具有传统并联电抗器改善系统稳定性、提高输电能力、抑制过电压等功能，同时又具有补偿容量可调、运行损耗小等优点，很好地解决了系统无功补偿与限制过电压对电抗器容量反向需求的矛盾，可有效提高无功调节的灵活性［6-8］。国家电网有限公司建设的张北至雄安1 000 kV特高压交流输变电工程将分级式可控并联电抗器在特高压输变电工程中进行了首次应用，为张家口地区新能源送出创造了有利条件。

1 基本原理

区别于传统固定式高压并联电抗器，1 000 kV 分级式可控并联电抗器通过调节低压侧等效阻抗，实现分级式可控并联电抗器的容量调节，其电气主接线如图1所示。

图1 HCSR电气主接线图Fig.1 Main electrical wiring diagram of HCSR

1.1 电气结构

1 000 kV分级式可控并联电抗器由并联电抗器本体及辅助设备组成，其中电抗器本体为高阻抗变压器，利用了变压器的压降作用，使辅助设备工作于低电压下，同时使漏抗值接近100%额定阻抗，将变压器、电抗器融为一体［9］-［12］。

辅助设备主要由晶闸管阀、辅助电抗器、取能电抗器、组合电器及相关避雷器、刀闸组成。如图1 所示，Xb1、Xb2为辅助电抗器，可与分级式可控并联电抗器本体二次绕组连接，负责调节电抗器本体二次侧等效阻抗；D11、D12为组合电器，其断路器部分与晶闸管阀TK1、TK2并联形成复合开关，将电流切换到断路器上；辅助电抗器Xb11、Xb12主要负责为晶闸管动作提供启动电压［13-15］。

1.2 容量调节

以张北1 000 kV变电站分级式可控并联电抗器为例，通过优化设计方案，改变低压侧辅助电抗器组合形式，实现了特高压输变电工程高压并联电抗器33%（200 MVar）、67%（400 MVar）、100%（600 MVar）3 个容量级可调，确保了该地区风电外送无功调节需求。图2给出了各容量级下HCSR的电气主接线图。

图2 各容量级下HCSR电气主接线图Fig.2 Main electrical wiring diagram of HCSR under various capacity levels

通过控制复合开关通断，可改变对辅助设备区电抗器组合切换方式，进而实现可控并联电抗器各容量级之间的切换。根据系统运行工况要求，可控并联电抗器容量须实现顺序调节和越级调节［16］。

分级式可控并联电抗器由小容量向大容量的调节方式如表1 所示，控制系统首先发出旁路断路器闭合命令和晶闸管阀导通命令，由于阀的导通速度快于断路器的闭合速度，晶闸管阀首先完成导通，0.08 s后断路器完成闭合，晶闸管阀在导通0.2 s 后关断，完成容量调节［17-18］。顺序降容控制、越级控制原理同增容控制相同，此处不再赘述。

2 控制策略

考虑到特高压骨干网架的重要地位，为确保系统的稳定，必须对可控高抗在各种工况下的控制策略及切换方式进行考量。本方案综合考虑系统运行工况，将分级式可控并联电抗器控制策略分为基于支路电流测量的无功平衡优化控制、基于线路电压测量的外层边界电压紧急控制、基于线路保护的最外层电磁暂态控制。

2.1 内层无功优化平衡控制

考虑系统正常运行工况下，对分级式可控并联电抗器容量调节采用“基于无功平衡、兼顾无功穿越”的内层控制方式。如图3所示，通过实时采集、计算线路充电功率、无功消耗、高抗无功消耗、主变低压侧无功补偿、中压侧无功穿越容量等数据，可以计算出变电站局部无功需求量Qn，结合主变中压侧无功穿越容量Qm，实现内层控制［19］。

图3 内层无功平衡优化控制Fig.3 Optimal control of inner reactive power balance

当局部系统无功需求Qn的绝对值大于一级可控并联电抗器容量（200 MVar）时，根据无功需求的正负值相应投切一级可控并联电抗器容量。若局部无功需求小于一级分级式可控并联电抗器容量（200 MVar），但局部系统无功穿越Qm的绝对值大于预先设定的阈值时，根据无功穿越的流向投切一级分级式可控并联电抗器容量。

2.2 外层边界电压紧急控制

考虑系统电压稳定，设计了外层边界电压紧急控制方式。该控制方式主要基于对线路电压测量，当检测到线路电压越上限（1 100 kV）时，将分级式可控并联电抗器容量迅速调至最大以保障设备安全；当检测到线路电压越下限（950 kV）时，将高抗容量迅速调至最小，以进行紧急电压支撑［20］。

2.3 最外层电磁暂态控制

为应对线路故障工况，设计了最外层电磁暂态控制方式。该方式下控制保护系统接受线路保护出口信号，当线路区内故障跳闸时，迅速将分级式可控并联电抗器容量调至最大，抑制操作过电压和潜供电流，满足电磁暂态控制要求，保障设备安全，提高单相重合闸成功率［21-23］。

3 控制策略切换及无功配合

3.1 控制策略层间切换

结合上文内容，分级式可控并联电抗器控制策略分为内层无功优化平衡控制、外层边界电压紧急控制、最外层电磁暂态控制3 种。为确保系统稳定，同时确保各控制策略执行有序，将3 种控制策略的优先级定义为：最外层控制>外层控制>内层控制。

当线路保护动作后，分级式可控并联电抗器随即进入暂态控制方式，控制系统将闭锁内外层控制，将可控并联电抗器容量调至最大。考虑到线路保护动作可能导致外层边界电压紧急控制层的低电压越限控制动作，控制系统将低电压越限控制启动时间延时了100 ms，确保最外层暂态控制准确动作［24-25］。图4 给出了控制策略层间切换的基本流程。

图4 控制策略切换流程图Fig.4 Control strategy switching flow chart

当线路主保护拒动，线路故障由后备保护切除。在此情况下，最外层暂态控制不启动，控制系统延时200 ms 进入外层边界电压紧急控制，由低电压越限控制系统将可控并联电抗器容量调整至最低。

暂态控制持续2 s结束后，控制系统启动外层边界电压紧急控制。外层动作保持3～5 min 后，控制系统进入内层无功平衡优化控制。

3.2 与主变低压侧无功设备的协调配合

特高压变电站内低压无功补偿装置为110 kV 设备，其投入与退出受到电压无功优化控制（AVC）系统的控制，而目前分级式可控并联电抗器并未纳入AVC系统控制范围。

为避免分级式可控并联电抗器动作与变压器低压侧无功补偿装置动作冲突，对分级式可控并联电抗器动作采取了“后投后退”的配合策略［25］。当变压器低压侧无功调节能力满足系统无功需求时，可控并联电抗器内层无功优化平衡控制不动作，当变压器低压侧无功调节能力不满足系统无功需求时，内层无功优化平衡控制启动，发出容量调节指令。

4 结语

特高压分级式可控并联电抗器的应用，在一定程度上解决了特高压骨干网架无功补偿与新能源并网存在的诸多问题，为智能电网建设与发展起到了重要的支撑作用［26］。随着新能源的发展，其应用前景将更加广泛。但与此同时，特高压分级式可控并联电抗器的应用层面还存在一些不足，例如，目前采用的“后投后退”的配合策略，使可控高抗容量可调功能的利用率有所降低，不能充分发挥其无功调节作用。因此，将特高压分级式可控并联电抗器控制纳入AVC系统控制，制定更加灵活的控制策略，将成为后续特高压分级式可控并联电抗器研究的重要方向［27-30］。

［参考文献］（References）

［1］ 万黎，周鲲鹏，王涛，等.湖北电网典型大负荷日风电光伏出力特性分析［J］.湖北电力，2016，40（12）：14-18，37.WAN Li，ZHOU Kunpeng，WANG Tao，et al.Wind power and photovoltaics output characteristic analysis during typical peak load in Hubei grid［J］.Hubei Electric Power，2016，40（12）：14-18，37.

［2］ 沈阳，陈凤，刘元，等.气候变化对中低风速风电场发电出力影响分析［J］.湖北电力，2019，43（05）：71-78.SHEN Yang，CHEN Feng，LIU Yuan，et al. Analysis on influence of climate change on electricity generation of wind farms with medium and low wind speeds［J］.Hubei Electric Power，2019，43（05）：71-78.

［3］ 李明，龙霏，易杨.柔直不同无功控制模式对某电网异步联网后电网运行的影响［J］.湖北电力，2018，42（05）：8-16.LI Ming，LONG Fei，YI Yang.Influence of different reactive power control modes of flexible HVDC on power grid operation after asynchronous interconnection in a certain grid［J］.Hubei Electric Power，2018，42（05）：8-16.

［4］ 侯婷婷，周小兵，张维，等.湖北省典型地区风电和光伏电站出力特性分析［J］.湖北电力，2016，40（01）：24-30，66.HOU Tingting，ZHOU Xiaobing，ZHANG Wei，et al.Analysis on characteristics of wind power and photovoltaic power in the type area of Hubei province［J］.Hubei Electric Power，2016，40（01）：24-30，66.

［5］ 别芳玫，陈梦，童雅芳，等.冬季气温对负荷及用电量的影响分析研究［J］.湖北电力，2019，43（02）：42-49.BIE Fangmei，CHEN Meng，TONG Yafang，et al.Analysis of influence of winter temperature on load and electricity consumption［J］.Hubei Electric Power，2019，43（02）：42-49.

［6］ 马坤，叶鹏，郭帅，等.特高压交流电网运行与控制研究综述［J］.沈阳工程学院学报（自然科学版），2017，13（01）：37-42，49.MA Kun，YE Peng，GUO Shuai，et al.Research overview of the UHVAC power grid operating and control［J］.Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science），2017，13（01）：37-42，49.

［7］ 汪洋，陶悦玥，魏天一，等.电力变压器状态评价方法研究［J］.湖北电力，2017，41（03）：25-31.WANG Yang，TAO Yueyue，WEI Tianyi，et al.The study of methods of power transformer state assessment［J］. Hubei Electric Power，2017，41（03）：25-31.

［8］ 谢珍建，王海潜，杨林，等.特高压交直流背景下的江苏电网无功电压控制分析［J］.华东电力，2014，42（07）：1310-1315.XIE Zhenjian，WANG Haiqian，YANG Lin，et al.Reactive voltage control of UHV AC/DC Jiangsu power system［J］.East China Electric Power，2014，42（07）：1310-1315.

［9］ 崔巍，刘万英，唐放.1 000 kV分级式可控并联电抗器在特高压变电站的应用［J］.吉林电力，2017，45（02）：34-36，44.CUI Wei，LIU Wanying，TANG Fang.Application of 1 000 kV classifying controllable shunt reactor in UHV substation［J］.Jilin Electric Power，2017，45（02）：34-36，44.

［10］ 杨光.高阻抗变压器型可控并联电抗器电磁特性研究［D］.北京：华北电力大学，2018.YANG Guang.Research on electromagnetic characteristics of high impedance controlled shunt reactor of transformer type［D］.Beijing：North China Electric Power University，2018.

［11］ 王惠中，郭文科，秦睿.750 kV 分级投切式可控高压并联电抗器研究［J］.电气自动化，2012，34（01）：74-76.WANG Huizhong，GUO Wenke，QIN Rui. Research of 750 kV Switching-type classification controllable highvoltage shunt reactor［J］.Electrical Automation，2012，34（01）：74-76.

［12］ 周元清.磁控电抗器在特高压交流输电线路中的应用研究［D］.长沙：湖南大学，2007.ZHOU Yuanqing. Application of magnetically controlled reactors in UHV AC transmission line［D］.Changsha：Hunan University，2007.

［13］ 安振，白保东，马云飞，等.750kV磁控式可控并联电抗器的研制与应用［J］.变压器，2016，53（06）：1-4.AN Zhen，BAI Baodong，MA Yunfei，et al.Development and application of 750 kV magnetically controlled shunt reactor［J］.Transformer，2016，53（06）：1-4.

［14］ 张松，李兰芳，赵刚，等.TCT 式可控并联电抗器晶闸管阀取能方式分析［J］.电力系统自动化，2016，40（08）：98-102.ZHANG Song，LI Lanfang，ZHAO Gang，et al.Analysis on thyristor energy-gaining of thyristor controlled transformer type controllable shunt reactors［J］.Automation of Electric Power Systems，2016，40（08）：98-102.

［15］ 苟晓毅，肖岚，兰强，等.特高压交直流混合电网无功电压特性与电压控制协调系统设计［J］.电力科学与技术学报，2012，27（04）：81-86.GOU Xiaoyi，XIAO Lan，LAN Qiang，et al.Design on var/voltage characteristics and coordinated automatic voltage control system［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2012，27（04）：81-86.

［16］ 郑涛，赵彦杰.超/特高压可控并联电抗器关键技术综述［J］.电力系统自动化，2014，38（07）：127-135.ZHENG Tao，ZHAO Yanjie.Overview of key techniques of EHV/UHV controllable shunt reactor［J］. Automation of Electric Power Systems，2014，38（07）：127-135.

［17］ 朱岸明，周启文，杨帆，等.分级式可控并联电抗器协调控制策略［J］.电力系统及其自动化学报，2015，27（10）：81-86，92.ZHU Anming，ZHOU Qiwen，YANG Fan，et al.Cooperation control strategy of stepped controllable shunt reactor［J］.Proceedings of the CSU-EPSA，2015，27（10）：81-86，92.

［18］ 郭文科.750 kV 可控高压并联电抗器控制策略研究［D］.兰州：兰州理工大学，2012.GUO Wenke.The research on control strategy for 750 kV controllable high voltage shunt reactor［D］. Lanzhou：Lanzhou University of Technology，2012.

［19］ 柯贤波，孙骁强，程林，等.变压器式可控并联高压电抗器的稳态建模［J］.智慧电力，2018，46（03）：20-24，30.KE Xianbo，SUN Xiaoqiang，CHENG Lin，et al.Steady-state modeling of controllable shunt reactor of transformer type［J］.Smart Power，2018，46（03）：20-24，30.

［20］ 刘革明，杨琰，吴殿峰，等.变压器式可控高抗对线路差动保护的影响及对策研究［J］.电力系统保护与控制，2015，43（16）：133-138.LIU Geming，YANG Yan，WU Dianfeng，et al.A study of effect of controllable shunt reactor of transformer type on line differential protection and countermeasures［J］.Power System Protection and Control，2015，43（16）：133-138.

［21］ 莫品豪，文继锋，鲍斌，等.分级可控型高压并联电抗器控制绕组的匝间保护［J］.电力系统自动化，2016，40（14）：105-109.MO Pinhao，WEN Jifeng，BAO Bin，et al. Inter-turn protection for control winding of high voltage step controlled shunt reactor［J］.Automation of Electric Power Systems，2016，40（14）：105-109.

［22］ 王紫薇，王晶，肖繁.光伏电站集电线路单相接地故障相电流特性分析［J］.湖北电力，2017，41（09）：7-10.WANG Ziwei，WANG Jing，XIAO Fan.Analysis on current characteristics of single-phase grounding fault in a photovoltaic power station［J］.Hubei Electric Power，2017，41（09）：7-10.

［23］ 郑伟杰.可控高抗分相抑制过电压和潜供电流的暂态控制方法和策略［J］.中国电机工程学报，2014，34（19）：3187-3193.ZHENG Weijie.Transient control algorithm and strategy of controllable shunt reactors individual phase suppressing overvoltage and secondary arc current［J］.Proceedings of the CSEE，2014，34（19）：3187-3193.

［24］ 牛拴保，柯贤波，王吉利，等.计及分级式可控高抗的750 kV 联网通道自动电压控制［J］.电力系统自动化，2015，39（15）：149-153.NIU Shuanbao，KE Xianbo，WANG Jili，et al.Automatic voltage control for 750 kV grid channel considering stepped controlled shunt reactors［J］.Automation of Electric Power Systems，2015，39（15）：149-153.

［25］ 刘红恩.可控并联电抗器及其在特高压交流输电中的应用研究［D］.北京：华北电力大学，2012.LIU Hongen.Research on controlled shunt reactor and its application in ultra-high voltage transmission lines［D］.Beijing：North China Electric Power University，2012.

［26］ 李润秋，王中阳，邢琳，等.750 kV可控高压电抗器的布置研究［J］.电力建设，2013，34（04）：47-50.LI Runqiu，WANG Zhongyang，XING Lin，et al.Layout of 750 kV controllable shunt reactor［J］. Electric Power Construction，2013，34（04）：47-50.

［27］ 孙会洁.VSC-HVDC 系统有功无功独立调节的控制策略与仿真研究［D］.南宁：广西大学，2008.SUN Huijie.Control strategy and Simulation study of VSCHVDC for separate Control of real and reactive power［D］.Nanning：Guangxi University，2008.

［28］ 解蕾.用于海上风电并网连接的VSC-HVDC 系统的控制策略研究［D］.上海：上海交通大学，2009.XIE Lei. Research on control strategy of VSC-HVDC connecting offshore wind farm［D］. Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2009.

［29］ 赵成勇，李金丰，李广凯.基于有功和无功独立调节的VSC-HVDC 控制策略［J］.电力系统自动化，2005，29（09）：20-24，30.ZHAO Chengyong，LI Jinfeng，LI Guangkai.VSC-HVDC control strategy based on respective adjustment of active and reactive power［J］.Automation of Electric Power Systems，2005，29（09）：20-24，30.

［30］ 孔宁.基于MCR的特高压交流输电系统的无功电压控制［D］.北京：华北电力大学，2011.KONG Ning.Reactive power and voltage control of UHV AC transmission system based on MCR［D］. Beijing：North China Electric Power University，2011.