特高壓分級式可控并聯(lián)電抗器控制策略研究

張東旭，王 艷，馬衛(wèi)華，林福生，楊懷偉，劉搏晗，宋洪磊，董 然，李礬洵

（國家電網有限公司交流建設分公司，北京100052）

0 引言

近年來，新能源行業(yè)發(fā)展迅速，以太陽能、風能、核能為主的新能源并網容量正在逐年攀升，但是風力具有波動性、隨機性等特點，其可控性與可調度性與傳統(tǒng)的火電、水電相比較都較差，大規(guī)模風電并網會對電網的電壓穩(wěn)定性造成很大的影響。因此，根據(jù)電網容量輸送情況來動態(tài)調節(jié)系統(tǒng)無功容量，滿足系統(tǒng)的無功需求，進而使系統(tǒng)電壓保持在正常范圍之內，是當今一項研究的重點［1-5］。

分級式可控并聯(lián)電抗器（Hierarchical Controllable Shunt Reactor，HCSR）是一種直接接入超/特高壓電網的動態(tài)無功補償設備，它不僅具有傳統(tǒng)并聯(lián)電抗器改善系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高輸電能力、抑制過電壓等功能，同時又具有補償容量可調、運行損耗小等優(yōu)點，很好地解決了系統(tǒng)無功補償與限制過電壓對電抗器容量反向需求的矛盾，可有效提高無功調節(jié)的靈活性［6-8］。國家電網有限公司建設的張北至雄安1 000 kV特高壓交流輸變電工程將分級式可控并聯(lián)電抗器在特高壓輸變電工程中進行了首次應用，為張家口地區(qū)新能源送出創(chuàng)造了有利條件。

1 基本原理

區(qū)別于傳統(tǒng)固定式高壓并聯(lián)電抗器，1 000 kV 分級式可控并聯(lián)電抗器通過調節(jié)低壓側等效阻抗，實現(xiàn)分級式可控并聯(lián)電抗器的容量調節(jié)，其電氣主接線如圖1所示。

圖1 HCSR電氣主接線圖Fig.1 Main electrical wiring diagram of HCSR

1.1 電氣結構

1 000 kV分級式可控并聯(lián)電抗器由并聯(lián)電抗器本體及輔助設備組成，其中電抗器本體為高阻抗變壓器，利用了變壓器的壓降作用，使輔助設備工作于低電壓下，同時使漏抗值接近100%額定阻抗，將變壓器、電抗器融為一體［9］-［12］。

輔助設備主要由晶閘管閥、輔助電抗器、取能電抗器、組合電器及相關避雷器、刀閘組成。如圖1 所示，Xb1、Xb2為輔助電抗器，可與分級式可控并聯(lián)電抗器本體二次繞組連接，負責調節(jié)電抗器本體二次側等效阻抗；D11、D12為組合電器，其斷路器部分與晶閘管閥TK1、TK2并聯(lián)形成復合開關，將電流切換到斷路器上；輔助電抗器Xb11、Xb12主要負責為晶閘管動作提供啟動電壓［13-15］。

1.2 容量調節(jié)

以張北1 000 kV變電站分級式可控并聯(lián)電抗器為例，通過優(yōu)化設計方案，改變低壓側輔助電抗器組合形式，實現(xiàn)了特高壓輸變電工程高壓并聯(lián)電抗器33%（200 MVar）、67%（400 MVar）、100%（600 MVar）3 個容量級可調，確保了該地區(qū)風電外送無功調節(jié)需求。圖2給出了各容量級下HCSR的電氣主接線圖。

圖2 各容量級下HCSR電氣主接線圖Fig.2 Main electrical wiring diagram of HCSR under various capacity levels

通過控制復合開關通斷，可改變對輔助設備區(qū)電抗器組合切換方式，進而實現(xiàn)可控并聯(lián)電抗器各容量級之間的切換。根據(jù)系統(tǒng)運行工況要求，可控并聯(lián)電抗器容量須實現(xiàn)順序調節(jié)和越級調節(jié)［16］。

分級式可控并聯(lián)電抗器由小容量向大容量的調節(jié)方式如表1 所示，控制系統(tǒng)首先發(fā)出旁路斷路器閉合命令和晶閘管閥導通命令，由于閥的導通速度快于斷路器的閉合速度，晶閘管閥首先完成導通，0.08 s后斷路器完成閉合，晶閘管閥在導通0.2 s 后關斷，完成容量調節(jié)［17-18］。順序降容控制、越級控制原理同增容控制相同，此處不再贅述。

2 控制策略

考慮到特高壓骨干網架的重要地位，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定，必須對可控高抗在各種工況下的控制策略及切換方式進行考量。本方案綜合考慮系統(tǒng)運行工況，將分級式可控并聯(lián)電抗器控制策略分為基于支路電流測量的無功平衡優(yōu)化控制、基于線路電壓測量的外層邊界電壓緊急控制、基于線路保護的最外層電磁暫態(tài)控制。

2.1 內層無功優(yōu)化平衡控制

考慮系統(tǒng)正常運行工況下，對分級式可控并聯(lián)電抗器容量調節(jié)采用“基于無功平衡、兼顧無功穿越”的內層控制方式。如圖3所示，通過實時采集、計算線路充電功率、無功消耗、高抗無功消耗、主變低壓側無功補償、中壓側無功穿越容量等數(shù)據(jù)，可以計算出變電站局部無功需求量Qn，結合主變中壓側無功穿越容量Qm，實現(xiàn)內層控制［19］。

圖3 內層無功平衡優(yōu)化控制Fig.3 Optimal control of inner reactive power balance

當局部系統(tǒng)無功需求Qn的絕對值大于一級可控并聯(lián)電抗器容量（200 MVar）時，根據(jù)無功需求的正負值相應投切一級可控并聯(lián)電抗器容量。若局部無功需求小于一級分級式可控并聯(lián)電抗器容量（200 MVar），但局部系統(tǒng)無功穿越Qm的絕對值大于預先設定的閾值時，根據(jù)無功穿越的流向投切一級分級式可控并聯(lián)電抗器容量。

2.2 外層邊界電壓緊急控制

考慮系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，設計了外層邊界電壓緊急控制方式。該控制方式主要基于對線路電壓測量，當檢測到線路電壓越上限（1 100 kV）時，將分級式可控并聯(lián)電抗器容量迅速調至最大以保障設備安全；當檢測到線路電壓越下限（950 kV）時，將高抗容量迅速調至最小，以進行緊急電壓支撐［20］。

2.3 最外層電磁暫態(tài)控制

為應對線路故障工況，設計了最外層電磁暫態(tài)控制方式。該方式下控制保護系統(tǒng)接受線路保護出口信號，當線路區(qū)內故障跳閘時，迅速將分級式可控并聯(lián)電抗器容量調至最大，抑制操作過電壓和潛供電流，滿足電磁暫態(tài)控制要求，保障設備安全，提高單相重合閘成功率［21-23］。

3 控制策略切換及無功配合

3.1 控制策略層間切換

結合上文內容，分級式可控并聯(lián)電抗器控制策略分為內層無功優(yōu)化平衡控制、外層邊界電壓緊急控制、最外層電磁暫態(tài)控制3 種。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時確保各控制策略執(zhí)行有序，將3 種控制策略的優(yōu)先級定義為：最外層控制>外層控制>內層控制。

當線路保護動作后，分級式可控并聯(lián)電抗器隨即進入暫態(tài)控制方式，控制系統(tǒng)將閉鎖內外層控制，將可控并聯(lián)電抗器容量調至最大。考慮到線路保護動作可能導致外層邊界電壓緊急控制層的低電壓越限控制動作，控制系統(tǒng)將低電壓越限控制啟動時間延時了100 ms，確保最外層暫態(tài)控制準確動作［24-25］。圖4 給出了控制策略層間切換的基本流程。

圖4 控制策略切換流程圖Fig.4 Control strategy switching flow chart

當線路主保護拒動，線路故障由后備保護切除。在此情況下，最外層暫態(tài)控制不啟動，控制系統(tǒng)延時200 ms 進入外層邊界電壓緊急控制，由低電壓越限控制系統(tǒng)將可控并聯(lián)電抗器容量調整至最低。

暫態(tài)控制持續(xù)2 s結束后，控制系統(tǒng)啟動外層邊界電壓緊急控制。外層動作保持3～5 min 后，控制系統(tǒng)進入內層無功平衡優(yōu)化控制。

3.2 與主變低壓側無功設備的協(xié)調配合

特高壓變電站內低壓無功補償裝置為110 kV 設備，其投入與退出受到電壓無功優(yōu)化控制（AVC）系統(tǒng)的控制，而目前分級式可控并聯(lián)電抗器并未納入AVC系統(tǒng)控制范圍。

為避免分級式可控并聯(lián)電抗器動作與變壓器低壓側無功補償裝置動作沖突，對分級式可控并聯(lián)電抗器動作采取了“后投后退”的配合策略［25］。當變壓器低壓側無功調節(jié)能力滿足系統(tǒng)無功需求時，可控并聯(lián)電抗器內層無功優(yōu)化平衡控制不動作，當變壓器低壓側無功調節(jié)能力不滿足系統(tǒng)無功需求時，內層無功優(yōu)化平衡控制啟動，發(fā)出容量調節(jié)指令。

4 結語

特高壓分級式可控并聯(lián)電抗器的應用，在一定程度上解決了特高壓骨干網架無功補償與新能源并網存在的諸多問題，為智能電網建設與發(fā)展起到了重要的支撐作用［26］。隨著新能源的發(fā)展，其應用前景將更加廣泛。但與此同時，特高壓分級式可控并聯(lián)電抗器的應用層面還存在一些不足，例如，目前采用的“后投后退”的配合策略，使可控高抗容量可調功能的利用率有所降低，不能充分發(fā)揮其無功調節(jié)作用。因此，將特高壓分級式可控并聯(lián)電抗器控制納入AVC系統(tǒng)控制，制定更加靈活的控制策略，將成為后續(xù)特高壓分級式可控并聯(lián)電抗器研究的重要方向［27-30］。

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