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(wǎng)有限公司交流建設(shè)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(fēng)能、核能為主的新能源并網(wǎng)容量正在逐年攀升，但是風(fēng)力具有波動性、隨機性等特點，其可控性與可調(diào)度性與傳統(tǒng)的火電、水電相比較都較差，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性造成很大的影響。因此，根據(jù)電網(wǎng)容量輸送情況來動態(tài)調(diào)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(nèi)，是當(dāng)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(wǎng)的動態(tài)無功補償設(shè)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(diào)、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(diào)節(jié)的靈活性［6-8］。國家電網(wǎng)有限公司建設(shè)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(yīng)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(diào)節(jié)低壓側(cè)等效阻抗，實現(xiàn)分級式可控并聯(lián)電抗器的容量調(diào)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(jié)構(gòu)

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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(zé)調(diào)節(jié)電抗器本體二次側(cè)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(fù)合開關(guān)，將電流切換到斷路器上；輔助電抗器Xb11、Xb12主要負責(zé)為晶閘管動作提供啟動電壓［13-15］。

1.2 容量調(diào)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(shè)計方案，改變低壓側(cè)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(diào)，確保了該地區(qū)風(fēng)電外送無功調(diào)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(fù)合開關(guān)通斷，可改變對輔助設(shè)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(diào)節(jié)和越級調(diào)節(jié)［16］。

分級式可控并聯(lián)電抗器由小容量向大容量的調(diào)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(dǎo)通命令，由于閥的導(dǎo)通速度快于斷路器的閉合速度，晶閘管閥首先完成導(dǎo)通，0.08 s后斷路器完成閉合，晶閘管閥在導(dǎo)通0.2 s 后關(guān)斷，完成容量調(diào)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(wǎng)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(nèi)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(diào)節(jié)采用“基于無功平衡、兼顧無功穿越”的內(nèi)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(cè)無功補償、中壓側(cè)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(jié)合主變中壓側(cè)無功穿越容量Qm，實現(xiàn)內(nèi)層控制［19］。

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

當(dāng)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(yīng)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(yù)先設(shè)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(shè)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(dāng)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(diào)至最大以保障設(shè)備安全；當(dāng)檢測到線路電壓越下限（950 kV）時，將高抗容量迅速調(diào)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(yīng)對線路故障工況，設(shè)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(dāng)線路區(qū)內(nèi)故障跳閘時，迅速將分級式可控并聯(lián)電抗器容量調(diào)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(shè)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(jié)合上文內(nèi)容，分級式可控并聯(lián)電抗器控制策略分為內(nèi)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(nèi)層控制。

當(dāng)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(nèi)外層控制，將可控并聯(lián)電抗器容量調(diào)至最大。考慮到線路保護動作可能導(dǎo)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(zhǔn)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(dāng)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(diào)整至最低。

暫態(tài)控制持續(xù)2 s結(jié)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(nèi)層無功平衡優(yōu)化控制。

3.2 與主變低壓側(cè)無功設(shè)備的協(xié)調(diào)配合

特高壓變電站內(nèi)低壓無功補償裝置為110 kV 設(shè)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(cè)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(dāng)變壓器低壓側(cè)無功調(diào)節(jié)能力滿足系統(tǒng)無功需求時，可控并聯(lián)電抗器內(nèi)層無功優(yōu)化平衡控制不動作，當(dāng)變壓器低壓側(cè)無功調(diào)節(jié)能力不滿足系統(tǒng)無功需求時，內(nèi)層無功優(yōu)化平衡控制啟動，發(fā)出容量調(diào)節(jié)指令。

4 結(jié)語

特高壓分級式可控并聯(lián)電抗器的應(yīng)用，在一定程度上解決了特高壓骨干網(wǎng)架無功補償與新能源并網(wǎng)存在的諸多問題，為智能電網(wǎng)建設(shè)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(yīng)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(yīng)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(diào)功能的利用率有所降低，不能充分發(fā)揮其無功調(diào)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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