特高压分级式可控并联电抗器控制策略研究

Vol.44No4Aug.2020DOI：10.19308/j.hep.2020.04.002

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

（国家电网有限公司交流建设分公司，北京100052）

［摘要］阐述了1000kV分级式可控并联电抗器的特点及工作原理，对分级式可控并联电抗器容量顺序调节、越级调节的操作原理及控制顺序进行了分析，结合系统运行工况，对分级式可控并联电抗器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种控制策略及优先级进行了研究，给出了分级式可控并联电抗器各层控制策略的适用条件、切换方式及无功补偿协调配合方案，最后指出了分级式可控并联电抗器的应用前景和后续研究方向。

［关键词］特高压；分级式可控并联电抗器；控制策略；无功补偿；无功穿越［中图分类号］TM472

［文献标志码］B

［文章编号］1006-3986（2020）04-0008-06

然，李矾洵

ResearchonControlStrategyofUHVHierarchicalControllableShuntReactor

ZHANGDongxu，WANGYan，MAWeihua，LINFusheng，YANGHuaiwei，

LIUBohan，SONGHonglei，DONGRan，LIFanxun

（ACConstructionBranchofStateGridCorporationofChina，Beijing100052，China）

［Abstract］Thispaperdescribesthecharacteristicsandworkingprincipleofhierarchicalcontrollableshunt

reactor（HCSR）.Combinedwithpowersystemoperationconditions，thispaperanalyzesthecapacitysequentialcombinationwiththeoperatingconditionsofthesystem，thepaperstudiesthreecontrolstrategiesandtheir

regulation，theoperatingprincipleofstep-crossingregulationandthecontrolsequenceoftheHCSR.Andthen，inpriorities，namely，optimalbalancecontrolofinnerreactivepower，outerboundaryvoltageemergencycontrol，andoutermostelectromagnetictransientcontroloftheHCSR，presentingthesuitableconditions，switchingmodeandpointsouttheapplicationprospectandfutureresearchdirectionoftheHCSR.compensation；reactivepowercrossing

coordinationschemeofreactivepowercompensationforeachlayercontrolstrategyoftheHCSR.Finally，thepaper［Keywords］

UHV；hierarchicalcontrollableshuntreactor（HCSR）；controlstrategy；reactivepower

0引言

近年来，新能源行业发展迅速，以太阳能、风能、核

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1000kV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。

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（HierarchicalControllableShuntReactor，HCSR）是一种直接接入超/特高压电网

［收稿日期］2020-06-07

［作者简介］张东旭（1987），男，河北保定人，硕士研究生，工程师。

1基本原理

区别于传统固定式高压并联电抗器，1000kV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。

·8·

Vol.44No4Aug.2020湖北电力

第44卷第4期2020年8月抗器融为一体［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

图1

Fig.1

HCSR电气主接线图

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

MainelectricalwiringdiagramofHCSR

容量调节

以张北1000kV变电站分级式可控并联电抗器为

1.1电气结构

1000kV分级式可控并联电抗器由并联电抗器本

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%（200MVar）、67%（400MVar）、100%（600MVar）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。

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

图2

Fig.2

各容量级下HCSR电气主接线图

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］。

MainelectricalwiringdiagramofHCSRundervariouscapacitylevels

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，0.08s后断路器完成闭合，晶闸管阀在导通0.2s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。

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

表1容量顺序调节操作（增容）

Table1操作初始状态T=0s

D11、D12分闸TK1、TK2截止

Capacityadjustmentoperationsequence(capacityincrease)33%→67%D11分闸、D12合闸TK1、TK2截止

67%→100%T=0.05sT=0.2s

触发TK2，持续0.2s发送D12合闸命令D12完成合闸操作

TK2触发结束，电流转移到D12上D11分闸、D12合闸，TK1、TK2均截止

触发TK1，持续0.2s发送D11合闸命令D11完成合闸操作D11、D12均合闸TK1、TK2均截止

TK1的触发结束，电流转移到D11上

完成调节

·9·

第202044卷年第84月期湖北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

当局部系统无功需求Fig.3

OptimalcontrolofinnerQreactivepowerbalance

并联电抗器容量（200MVar）时，n的绝对值大于一级可控

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（200MVar），但局部系统无功穿越Q值时，根据无功穿越的流向投切一级分级式可控并联

m的绝对值大于预先设定的阈电抗器容量。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（1100kV）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（950kV）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10·

电力

Vol.44Aug.2020No4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100，控ms制，确保最外层暂态控制准确动作系统将低电压越限控制启动时间延时了［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当线路主保护拒动，Fig.4

Controlstrategy线路故障由后备保护切除。switchingflowchart

在此情况下，200ms进入外层边界电压紧急控制，最外层暂态控制不启动，由低电压越限控

控制系统延时·Vol.44Aug.2020No4湖北制系统将可控并联电抗器容量调整至最低。

暂态控制持续2s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3~5min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110kV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.WANphotovoltaicsLi，ZHOUKunpengpeakoutputcharacteristic，WANGTaoElectricanalysis，etal.WindPowerduringpower，2016typicaland（12）：load14-18in，Hubei37.

grid［J］.Hubei，40

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.

SHENinfluenceYang，farmswithofmediumclimateCHENandchangeFeng，lowonLIUwindelectricityYuan，etspeeds［generational.AnalysisJ］.HubeiElectricofwindon3］Power李明，，龙霏，2019，易杨43（05.柔直不同无功控制模式对某电网异步联

）：71-78.

网后电网运行的影响［J］.湖北电力，2018，42（05）：8-16.

电力

第202044卷年第84月期LIpowerMingcontrol，LONGmodesFei，YIofYang.flexibleInfluenceHVDCofdifferentonpowerreactivegrid［operationJ］.HubeiafterElectricasynchronousPower，2018interconnection，42（05）：8-16.

inacertaingrid

［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.HOUontypecharacteristicsTingting，ZHOUareaofwindXiaobingpower，J］.HubeiandZHANGphotovoltaicWei，etal.AnalysisElectricPowerpower，2016inthe40（01）：24-30ofHubei，66.

province［，［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.

BIEinfluenceFangmeiof，winterCHENMengtemperature，TONGonYafangload，etandal.Analysisof［6］consumption马坤，叶鹏，［郭帅，J］.Hubei等.Electric特高压交流电网运行与控制研究综

Power，2019，43（02）electricity：42-49.

述［J］.沈阳工程学院学报（自然科学版），2017，13（01）：37-42MAtheShenyangUHVACKun，49.

，YEpowerPeng，gridGUOoperatingShuai，etNaturalandal.ResearchcontrolScience［J］overviewof

）.Journal，2017，13

of（01）：37-42Institute，49.

ofEngineering（［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.

WANGmethodsYangofpower，TAOtransformerYueyue，WEITianyi，etal.Thestudyof8］Electric谢珍建，Power王海潜，，2017杨林，，41（等03.）特高压交直流背景下的江苏电

：25-31.

stateassessment［J］.Hubei［网无功电压控制分析［J］.华东电力，2014，42（07）：1310-1315.

XIEvoltageZhenjiancontrol，ofWANGUHVAC/DCHaiqianJiangsu，YANGpowerLin，systemetal.［ReactiveChinaElectricPower，2014，42（07）：1310-1315.

J］.East［9］崔巍，刘万英，唐放.1000kV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.CUIclassifyingWei，LIUcontrollableWanying，shuntTANGreactorFang.ApplicationinUHVsubstationof1000［kVJilinElectricPower，2017，45（02）：34-36，44.J］.［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.

YANGofhighGuang.［D］impedanceResearch.Beijing：NorthcontrolledonelectromagneticChinashuntElectricreactorcharacteristicsPoweroftransformer2018.

typeUniversity，

［11］王惠中，郭文科，秦睿.750kV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.WANG750voltagekVHuizhongshuntSwitching-type，GUOreactor［J］.classificationWenke，QINElectricalAutomationcontrollableRui.Researchof，2012high-，34·11·

［［［第202044卷年第84月期湖北（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.

ZHOUYuanqing.Applicationoflinemagnetically［D］.ChangshacontrolledUniversityreactorsin，UHV2007.

ACtransmission：Hunan

［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.

ANapplicationZhen，BAIof750Baodong，MAYunfei，etal.Developmentand［J］.Transformer，2016kV，magnetically53（06）：1-4.

controlledshuntreactor

［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.

ZHANGthyristorSong，LILanfang，ZHAOGang，etal.typecontrollableenergy-gainingshuntreactorsofthyristorcontrolledAnalysistransformeron15］Power苟晓毅，Systems肖岚，，兰强，2016，等40（.特高压交直流混合电网无功电压

08）：98-102.

［J］.AutomationofElectric

［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.

GOUvoltageXiaoyi，XIAOLan，LANQiangcontrolsystemcharacteristics［J］andcoordinated，etPowerautomatical.DesignonSciencevoltagevar/Technology，2012，27.Journal（04）：81-86.

ofElectricand

［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.

ZHENGEHV/UHVTaocontrollable，ZHAOYanjie.shuntOverviewreactorofkeytechniquesofElectricPowerSystems杨帆，，等2014.分级式可控并联电抗器协

，38（07）：127-135.

［J］.Automationof

［17］朱岸明，周启文，制策略［J］.电力系统及其自动化学报，2015，27（10）：81-86ZHU，92.

controlAnmingstrategy，ZHOUofsteppedQiwen，controllableYANGFan，shuntetal.CooperationProceedingsoftheCSU-EPSA，2015，27（10）：81-86reactor，92.［J］.

［18］郭文科.750kV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.

GUOcontrollableWenke.highTheresearchoncontrolstrategyfor750kV［19］Lanzhou柯贤波，University孙骁强，程林，ofvoltageTechnologyshunt等.变压器式可控并联高压电抗器

，2012.

reactor［D］.Lanzhou：

的稳态建模［J］.智慧电力，2018，46（03）：20-24，30.KEmodelingXianboof，SUNcontrollableXiaoqiangshunt，CHENGLin，etal.Steady-state［J］.SmartPower，2018，46（03）：20-24reactor，30.

oftransformertype

［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.

·12·

电力

Vol.44Aug.2020No4LIUeffectGeminglinedifferentialofcontrollable，YANGYanprotectionshunt，WUandreactorDianfengcountermeasuresoftransformer，etal.AstudytypeonofSystemProtection文继锋，鲍斌，andControl等.分级可控型高压并联电抗器控

，2015，43（16）：133-138.［J］.Power

［21］莫品豪，制绕组的匝间保护［J］.电力系统自动化，2016，40（14）：105-109.

MOprotectionPinhao，WENJifeng，BAOBin，etshuntreactorforcontrolwindingofhighvoltagestepal.Inter-turncontrolled2016，40（14）［：105-109.

J］.AutomationofElectricPowerSystems，

［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.WANGcharacteristicsZiwei，WANGJingphotovoltaicofsingle-phase，XIAOFan.groundingAnalysisfaultoncurrent2017ina41（09）：7-10.

powerstation［J］.HubeiElectricPower，，

［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.

ZHENGcontrollableWeijie.Transientcontrolalgorithmandstrategyovervoltageandshuntsecondaryreactorsindividualphasesuppressingof24］CSEE牛拴保，，2014柯贤波，，34（19王吉利，）：3187-3193.

arccurrent［J］.Proceedingsofthe

［等.计及分级式可控高抗的750

kV39联网通道自动电压控制［J］NIU（15.电力系统自动化，2015，voltageShuanbao）：149-153.

，KEXianbocontrolledcontrolfor750kVgrid，WANGchannelJili，etal.Automatic［25］Systems刘红恩，shuntreactors［J］.AutomationconsideringofElectricsteppedPower.2015可控并联电抗器及其在特高压交流输电中的应

，39（15）：149-153.

用研究［D］.北京：华北电力大学，2012.

LIUapplicationHongen.inResearchultra-highoncontrolledvoltagetransmissionshuntreactorlinesand［DitsBeijing：NorthChinaElectricPowerUniversity，2012.］.

［26］李润秋，王中阳，邢琳，等.750kV可控高压电抗器的布置

研究［J］.电力建设，2013，34（04）：47-50.

LI750Runqiu，WANG［27］ConstructionkVcontrollableZhongyang孙会洁.VSC-HVDC，2013，34（系统有功无功调节的控制策略

04shunt，）：47-50.

reactorXING［LinJ］.，Electricetal.LayoutPowerof与仿真研究［D］.南宁：广西大学，2008.

SUNHVDCHuijie.forseparateControlControlstrategyofandrealSimulationandreactivestudypowerofVSC-Nanning：GuangxiUniversity，2008.

［D］.

［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.

XIELei.ResearchoncontrolstrategyofVSC-HVDC

Vol.44No4Aug.2020湖北电力

第44卷第4期2020年8月connectingoffshorewindfarm［D］.Shanghai：Shanghai

［29］赵成勇，李金丰，李广凯.基于有功和无功调节的

（09）：20-24，30.JiaotongUniversity，2009.

VSC-HVDC控制策略［J］.电力系统自动化，2005，29ZHAOChengyong，LIJinfeng，LIGuangkai.VSC-HVDCcontrolstrategybasedonrespectiveadjustmentofactiveand

reactivepower［J］.AutomationofElectricPowerSystems，

［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.

KONGNing.ReactivepowerandvoltagecontrolofUHVACChinaElectricPowerUniversity，2011.2005，29（09）：20-24，30.

transmissionsystembasedonMCR［D］.Beijing：North

·13·