超/特高壓可控並聯電抗器

可控高壓並聯電抗器是超/特高壓輸電系統中重要的無功調節設備。相比於其他可控並聯電抗器，超/特高壓可控並聯電抗器電壓高、容量大，對回響速度、諧波含量以及可靠性等性能指標及相關技術有著更高的要求。介紹了超/特高壓可控並聯電抗器在本體結構設計、電磁暫態仿真模型構建、本體保護配置及原理研究、控制系統設計等4個方而關鍵技術的國內外研究現狀，評述了各技術方案的優缺點，指出了各關鍵技術的重、難點，並對相關技術的發展趨勢作出了展望。

基本介紹

• 中文名：超/特高壓可控並聯電抗器
• 外文名：Super / High Voltage ControllableShunt Reactor
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 套用範圍：超高壓、特高壓輸電網路
• 特點：電壓等級高、容量大、可靠性高

生產背景

隨著中國風電裝機容量的迅猛增長，建設超/特高壓輸電網路以實現跨大區電力傳輸，解決就地消納風電能力有限的問題成為當務之急。超/特高壓交流輸電線路劇烈的潮流變化、巨大的容性無功功率對系統的抑制過電壓和無功調節能力要求甚高。風電、光伏發電等新能源發電的大規模集中接入，使得輸電通道上潮流變化及無功電壓波動更加頻繁，進一步加劇了無功電壓控制的難度。

可控高壓並聯電抗器作為一種新型柔性交流輸電系統(FACTS)裝置，通過動態補償輸電線路過剩的容性無功功率，可以有效地抑制超/特高壓輸電線路的容升效應、操作過電壓、潛供電流等現象，降低線路損耗，提高電壓穩定水平及線路傳輸功率，在超/特高壓電網中套用前景廣闊口。

超/特高壓電網對可控並聯電抗器在技術和性能上提出了更高的要求。超/特高壓可控高壓並聯電抗器(簡稱可控高抗)關鍵技術主要包括本體結構設計、電磁暫態仿真模型構建、本體保護配置及原理研究、控制系統設計。本體結構設計關係到可控高抗的容量調節範圍、諧波含量、控制回響時間、過負荷能力、製造成本等重要技術性能和經濟指標；電磁暫態仿真模型是可控高抗電磁暫態研究及保護配置整定的基礎;本體保護配置是可控高抗安全可靠運行的保障;控制系統設計決定了可控高抗工程套用後性能的優劣。解決好上述4個方而的技術問題是超/特高壓可控高抗安全、穩定、高效運行的關鍵。

結構設計

可控高抗的本體結構設計包括本體結構形式及工作原理、鐵芯結構及繞組聯結方式、本體參數最佳化設計等方面。可控高抗根據其結構形式及原理不同，可分為晶閘管控制電抗器(TCR)、磁控式並聯電抗器(MCSR)、變壓器式和超導型等。TCR套用於高壓大容量場合，造價高昂，目前套用範圍限於35 kV及l0 kV配電網。而超導型可控高壓電抗器目前存在超導材料難以滿足性能要求的技術瓶頸少。工程套用於超/特高壓系統的可控高抗主要有磁控式和變壓器式兩大類，磁控式可控高抗可分為直流助磁式和磁閥式，變壓器式可控高抗可分為分級式和晶閘管控制變壓器式。

直流助磁式可控高抗

直流助磁式可控高抗又稱作裂芯式可控高抗。圖1為其單相鐵芯結構及繞組接線示意圖，網側繞組(對應編號1)和控制繞組(對應編號2)均採用兩分支繞組結構，分別套在分裂鐵芯柱p，q上。網側繞組直接與電網相連，控制繞組反極J陛串聯於直流電源。控制繞組中的直流電流Ik在p，q兩個芯柱中產生等幅反向的直流偏置磁通，該直流偏置磁通對網側電壓在p，q芯柱中引起的交流磁通分別形成正向和反向偏置，使得兩芯柱在交流磁通的正、負半周內輪流飽和。通過改變Ik的大小，可以改變主鐵芯的飽和程度，變相改變鐵芯磁導率進而控制電抗器的電抗值大小和工作容量。

圖1直流助磁式可控高抗單相鐵芯結構及繞組接線圖

在同時受到交流和直流激磁作用下p，q兩芯柱中磁感應強度波形是非正弦的，除基波外還含有高次諧波分量。芯柱p和y的磁感應強度呈鏡像對稱關係，使得反極性串聯的控制繞組兩端的總感應電動勢只含有偶次諧波，且以2倍頻交流分量為主仁。

直流助磁式可控高抗網側繞組的聯結方式有2種設計方案，分別為串聯結構和並聯結構，如圖1所示。當網側繞組採用圖1 (a)所示串聯結構時，網側電流中只含奇次諧波分量。當網側繞組採用圖1 (b)所示並聯結構時，網側繞組中有偶次諧波環流，該環流對鐵芯中的偶次諧波磁通有去磁的作用，能有效地減小控制繞組中2次諧波電流的含量。不過該種結構會降低可控高抗的回響速度。

三相直流助磁式可控高抗本體多採用3個單相電抗器組合構成，其三相網側繞組多接成星形;三相控制繞組的聯結方式也有2種設計方案，分別為三串兩並式腳和兩串三並式，一次接線見圖2。

圖2直流助磁式可控高抗三相控制繞組一次接線圖

三串兩並接線方式下，控制繞組感應電動勢中正序和負序分量三相各差120，相互抵消，零序分量反向並聯，在並聯的兩組控制繞組間形成環流，可對網側電流中零序諧波分量起到良好的濾波效果。

兩串三並接線方式下的分析過程與之前單相可控高抗相同，每相控制繞組中除了流過直流電流外，還將流過偶次諧波電流，以2次諧波電流為主。2次諧波電流經三相控制繞組支路構成迴路，僅在三相控制繞組間流通。

直流助磁式可控高抗容量大範圍平滑連續可調，能在很短時間內從空載調節到額定功率，其穩態控制特性優良、諧波含量小，且結構簡單，造價低廉，維護方便，在超/特高壓電網建設中套用前景廣闊。國外直流助磁式可控高抗主要在俄羅斯、白俄羅斯等前蘇聯國家有套用，多用作母線高抗，電壓等級為110-500 kV。目前中國己有一台直流助磁式可控高抗投入套用，其裝設在峽江11線江陵換流站側，額定電壓500 kV，於2007年9月順利投運。

分級式可控高抗

分級式可控高抗結構如圖3所示。

圖3分級式可控高抗結構

主電抗器包含原邊和副邊繞組，副邊接有負載小電抗，通過晶閘管閥和旁路斷路器改變接入小電抗的數量以分級調節容量。三相分級式可控高抗採用YNyn接線，低壓側中性點直接接地，作母線高抗時高壓側繞組中性點也直接接地，作線路高抗時高壓側繞組中性點經小電抗接地。單相分級式可控高抗容量5與副邊串接阻抗的關係為：

分級式可控高抗從小容量向大容量切換時先利用晶閘管閥的高速關合能力，使大容量閥導通，隨後將大容量旁路斷路器合閘以承擔迴路中的長期短路電流同時使大容量閥被旁路，最後退出大容量閥並打開小容量旁路斷路器，實現切換;從大容量向小容量切換時，先打開大容量旁路斷路器並發出小容量閥導通命令，待小容量閥導通、該級阻抗投入後閉合小容量斷路器，最後將小容量閥退出，完成切換。

分級式可控高抗原理簡單，回響速度快，且晶閘管工作時處於全導通或全關斷，理論上不產生諧波污染。缺點在於容量只能分級調節。考慮到成本等因素，其分級容量又不宜設定過多，故分級式可控高抗更適合於潮流變化劇烈但具有季節負荷特性的超/特高壓輸電系統。目前，中國己掌握了超/特高壓分級式可控並聯電抗器設計和研製方而的所有核心技術，具有完全的自主智慧財產權，己完成了500 kV忻州分級式可控並聯電抗器示範工程，750 kV敦煌變分級式可控並聯電抗器示範工程等在超/特高壓輸電系統中的工程套用。

TCT式可控高抗

單相晶閘管控制變壓器(TCT)式可控高抗原理如圖4所示。

圖4TCT可控高抗原理圖

TCT式可控高抗本質上是變壓器與TCR的結合，利用變壓器阻抗變換的特性，通過調節晶閘管的觸發角，改變副邊繞組等效電抗大小進而平滑地調節容量。TCT式可控高抗往往將一、二次側繞組間漏抗設計得很大(達100%額定阻抗)以省去TCR中同晶閘管串聯的小電抗。

無論是角接還是星接， TCT式可控高抗一次側線電流中都含有6k士1次諧波(k為整數)，而在觸發角相同情況下角形接線方式比星形接線方式的諧波含量少，故工程套用上多採用角形接線方式。

為進一步減小諧波電流，可在副邊設定2個繞組，一個星接一個角接，形成300的相位差，從而構成12脈波TCT，該結構的TCT式可控高抗一次側線電流中僅含12k士1次諧波(k為整數)，且當其中一個6脈波TCT故障時，另一個仍能正常工作。

TCT式可控高抗回響速度快，有較強的過負荷能力，既可作為線路高抗解決無功補償和過電壓抑制間的矛盾，又可作為母線高抗控制系統無功電壓。總之，TCT式可控高抗兼具分級式回響速度快和直流助磁式容量大範圍平滑可調的優點，在風電大規模集中接入的超/特高壓交流輸電系統中套用獨具優勢。TCT式可控高抗在國外套用較多，比較典型的如安裝於大阪Higashi-Osaka變電站的60 Mvar TCT式可控高抗、加拿大Loreatid變電站的735 kV ,450 Mvar TCT式可控高抗以及印度Itarsi的420 kV}50 Mvar TCT式可控高抗等。雖然目前中國TCT式可控高抗在裝置的關鍵技術研究和工程套用方而尚未成熟，但筆者認為若能借鑑國外TCT式可控高抗的研究成果，從本體結構設計的角度出發有效降低諧波含量，其在中國超/特高壓電網將有廣闊的套用前景。

模型構建

可控高抗的電磁暫態研究及保護配置整定大多建立在數字仿真的基礎之上，建立準確可靠的電磁暫態仿真模型尤為重要。目前國內外主要的幾種電力系統電磁暫態仿真軟體(如:ATP/EMTP,PSCAD/EMTDC, MATLAB/SIMULINK)及電力系統實時數字仿真系統(RTDS)中尚未集成各類可控高抗的模型，給仿真分析帶來了很大困難。分級式和TCT式可控高抗結構與變壓器類似，只是在漏抗等參數方而有別於普通變壓器，且正常運行時鐵芯飽和度低，其模型尚能通過常規變壓器、小電抗及晶閘管閥的組合搭建;而直流助磁式和磁閥式可控高抗由於其各電路與磁路結構的特殊性、工作原理與諧波含量的複雜性，建模難度最大。如何根據可控高抗的本體結構、工作原理、控制特性建立準確可靠的電磁暫態仿真模型是可控高抗關鍵技術中的重、難點之一。

有文獻提供了不同控制繞組聯結方式下的直流助磁式可控高抗的仿真模型，其方法採用常規變壓器的簡單組合近似等效原有結構，由於忽略了鐵芯旁扼的磁路效應，模型存在一定誤差，仿真結果中零序諧波含量大於實際情況。

針對直流助磁式可控高抗特殊的磁路結構與繞組接線方式，有文獻提出了一種磁路分解的思想，對於圖5所示的單相鐵芯結構和繞組分布，依據基爾霍夫磁路定理和安培環路定理對直流助磁式可控高抗的鐵芯磁路進行拆分，將原有鐵芯結構按圖5所示五段磁路拆分成5個部分，實現了通過3個常規雙繞組變壓器和2個電抗器的組合對原有結構進行等效。

圖5直流助磁式可控高抗鐵芯結構及繞組分布圖

網側繞組和控制繞組不同的接線方式均可通過改變等效五段磁路模型中電壓連線埠的連線方式實現，對於三柱、五柱等其他鐵芯結構或增設補償繞組的情況，該方法依然適用。該模型除了能夠套用於各種工頻和操作過電壓校核、單相重合閘過程對潛供電流及恢復電壓的影響、線路非全相運行時諧振過電壓校核等各項電磁暫態研究外，其在內部故障仿真尤其是匝間故障仿真方而獨具優勢，為直流助磁式可控高抗的保護配置與整定提供了必要的技術支持。動模試驗和現場錄波都驗證了該建模方法的有效性和可靠性。

磁閥式可控高抗結構與接線相對更加複雜，建模較直流助磁式可控高抗更為困難，有文獻推導了單相磁閥式電抗器的數學模型並給出了相應的仿真模型;文獻巨1川通過引入繞組連線埠等效磁通的概念建立了磁閥式可控高抗的數學模型，並給出了其等效物理模型。

綜上所述，基於磁路分解思想的可控高抗仿真建模方法原理清晰、建模靈活、適用範圍廣，關鍵在於無需單獨開發模型，易於實現，且在內部故障仿真方而獨具優勢，為保護配置和整定提供了必要的技術支持，該方法廣泛套用於具有複雜磁路的可控高抗建模。如何準確實現可控高抗繞組匝間、匝地等內部故障仿真以及如何精確模擬鐵芯磁化曲線的非線性特徵、考慮直流激磁對磁化特性的影響將是未來可控高抗電磁暫態仿真建模需要進一步關注的內容。

保護配置

可控高抗本體結構較為複雜，故障率遠高於同電壓等級的其他設備，對保護要求很高。

目前國內可控高抗本體保護配置主要針對的是直流助磁式和分級式可控高抗。有文獻給出了直流助磁式可控高抗的本體保護方案。

網側繞組主保護配置有分側差動保護、零序差動保護和匝間保護，保護範圍分別為主電抗器網側繞組的接地和相間故障、接地故障、匝間故障。後備保護配有過流保護和零序過流保護，過流和零序過流保護延時動作於跳開本體網側開關及整流支路。過負荷保護延時動作於發信號告警。

控制繞組配備的平衡差動保護實質是由TA1和TA2構成的電流橫差保護結合由TV1與TV2構成的電壓差動保護，保護範圍為控制繞組接地、相間故障及匝間故障，動作跳開本體網側開關及整流支路。

有文獻介紹了安裝在忻州500 kV開關站分級式可控高抗的本體保護配置，其原邊繞組的保護與直流助磁式可控高抗的網側繞組保護配置類似，不同之處在於增設縱差動保護作為原、副邊繞組內部故障的主保護，側重於保護副邊繞組的相間故障。電抗器副邊設有外接零序電流保護和帶零序電壓閉鎖的自產零序電流保護作為後備保護，前者側重於保護電抗器副邊繞組及負載小電抗的接地故障，後者可作為電抗器內部接地和匝間故障的後備保護。也有文獻提出用分側差動取代零序差動和縱差動保護，除了在原邊設定分側差動保護針對原邊繞組的接地故障外，在副邊另外增設兩組分側差動保護分別針對副邊繞組和負載小電抗的接地故障。後備保護設有高壓側中性點零序電流保護和低壓側零序電流保護。

原理研究

可控高抗匝間故障率較高，匝間保護一直是可控高抗本體保護技術的關鍵。傳統電抗器匝間保護多採用零序功率方向保護，主要有以下2個問題。

1)小匝間短路時零序電壓、電流較小，保護靈敏度不足。

2)空充電抗器、非全相運行、區外故障引起振盪等暫態過程中保護易勿動，可靠性不足。

針對上述2個問題提出了一些匝間保護新方案。有文獻提出以繞組中性點電流代替各相電流構成零序功率方向保護以克服空充電抗器時各相電流互感器飽和程度不同帶來的測量誤差，不過對於磁控式可控高抗，空充時網側繞組中涌流較大，中性點有零序電流流過，仍然存在誤動可能。也有文獻利用電抗器匝間故障時負序分量模值比零序分量大的特點提出以負序功率方向替代零序功率方向保護以提高靈敏度，但事實上對於中性點直接接地的母線高抗，電抗器零序電抗等於負序電抗，負序功率方向保護的靈敏度與零序功率方向保護相差不大。有研究在傳統方法基礎上，提出帶容錯復判的自適應零序功率方向保護，在小匝間短路時對零序電壓進行補償，保證匝間保護的靈敏度;輔以突變數和穩態判據構成的輔助判據保證匝間保護的可靠性。

有研究提出了一種基於等效電感的匝間保護新原理，實質是對故障前後相鄰周期進行能量積分，以二者之差作為是否發生匝間故障的判據。該方法單純依靠自身電氣量構成兩種判據，提高了保護的可靠性。

針對於直流助磁式可控高抗控制繞組反極性串聯的特殊結構，在正常運行時兩分支繞組感應電動勢相互抵消、匝間故障時電壓不平衡的特點，有研究提出電壓差動保護作為控制繞組匝間故障的主保護。

考慮到可控高抗保護對可靠性要求很高，保護原理與運算過程不宜太複雜，目前實際工程中對於小匝間故障仍然沒有很好的方法，如何在保證匝間短路保護安全可靠性的前提下提高保護的靈敏度仍然是未來可控高抗本體保護研究的重點。筆者認為可利用超/特高壓可控高抗電壓等級高、容量大等特點，從可控高抗自身的繞組結構特點出發，尋求故障特徵，探索簡單可靠、高靈敏度的匝間保護新原理。

系統設計

就控制模式來說，可控高抗可以採用開環控制，也可以採用閉環控制。開環控制相對簡單，回響速度快，多用於直接對負載進行補償的情況;閉環控制策略相對複雜，回響速度慢，但控制精度高，適用於對線路進行補償的情況，月。由於超/特高壓系統對無功補償的穩定性和精確性要求較高，故多採用閉環控制模式。

超/特高壓可控高抗的控制系統設計方案主要可分為以傳統比例一積分(PI)環節構成的控制系統和以現代控制理論構成的控制系統。相比於以各種現代控制理論構成的控制系統，以傳統PI為控制器的控制系統具有穩定、可靠的特點，且有較高的性價比，故多套用於實際工程。

超/特高壓可控高抗按照具體控制方法可以分為基於電壓的控制方法和基於無功功率的控制方法。基於電壓的控制方法多用於母線高抗，主要利用無功負荷增大時母線電壓下降的特點，維持安裝點電壓在一定範圍內。基於電壓的控制方法又可以分為基於電壓變化的控制方法和基於母線電壓範圍的控制方法。基於電壓變化的控制方法以可控高抗接入點的母線電壓為輸入，計算出電壓變化量，與母線短路容量相乘得到可控高抗的投切容量，該方法多用於直流助磁式母線高抗。基於母線電壓範圍的控制方法預先設定母線電壓上下限，當檢測到的母線電壓值在設定時間段連續越上限，便增大一級的電抗器工作容量，設定時間重新計時，

如設定時間段內電壓仍然連續越上限，再繼續增大一級的電抗器容量，依此類推，該方法多用於分級式母線高抗。上述兩種基於電壓的控制方法以電壓為控制目標，物理意義明確、便於操作，但不能反映本地無功平衡情況，另外由於高壓電壓互感器的誤差大，可能對控制效果有較大影響。基於無功功率的控制方法，以無功平衡為出發點，根據線路傳輸或母線上交換的無功功率的變化改變可控高抗的容

量以實現無功補償。其可以分為基於本線路輸送功率大小的控制策略和基於變電站高、中壓側無功功率變化的控制策略，前者用於線路高抗，後者用於母線高抗。基於無功功率的控制方法能夠將無功功率控制在最小的範圍內，是最直接的控制方案。

目前中國分級式可控高抗採取的控制策略是基於無功增量結合基於母線電壓的控制方法，其由基於無功需求增量內層控制和基於母線電壓的外層控制構成。內層控制以電流為輸入，計算無功增量控制可控高抗的投切;外層控制以電壓量為輸入，為內層控制器階段性附初值，兼有動態無功控制功能。

超/特高壓可控高抗控制系統設計的關鍵在於在確保控制精確穩定的前提下儘可能地提高回響速度。未來可控高抗的控制系統將朝著多目標協調最佳化的方向發展，除了穩態控制策略，還將包含機電暫態控制策略、電磁暫態控制策略等，保證系統在遭受偶然性擾動處於暫態過渡過程中時，通過可控高抗的調節對系統電壓、無功等進行有效的控制。

結語

綜述了超/特高壓可控高抗在本體結構設計、電磁暫態和數字仿真模型構建、本體保護研究、控制系統設計這四個方而關鍵技術的研究現狀，評述了各種方案的優缺點，指出了研究而臨的重、難點，結論與展望如下。

1)直流助磁式可控高抗容量平滑可調、控制特性優良、結構簡單、成本較低但回響速度比變壓器式可控高抗慢且會產生一定諧波;分級式可控高抗回響速度快且理論上不產生諧波，但容量只能分級調節，適合於潮流變化劇烈但具有季節負荷特性的系統;TCT式可控高抗兼具分級式回響速度快和直流助磁式容量平滑調節的優點，在風電大規模集中接入的超/特高壓交流輸電系統中套用獨具優勢，若能從本體結構設計的角度出發，在控制成本的前提下有效降低諧波含量，其在超/特高壓系統工程中將有廣闊的套用前景。

2)超/特高壓可控高抗在朝著高電壓、大容量、小體積、低諧波、快回響、容量連續可調的方向發展，採用集成、組合的思想是未來可控高抗本體結構設計的發展趨勢。一方而通過集成發揮各類可控電抗器的點，如TCT式可控高抗將變壓器與TCR結合實現了快速回響且容量連續可調;另一方而通過組合克服傳統可控高抗的缺點，如在TCT式可控高抗副邊通過角形聯結和星形聯結繞組的組合以減少網側電流諧波。如何通過合理的設計實現集成後的裝置結構緊湊並保證可靠性是研究的熱點。

3)目前廣泛採用的可控高抗建模方法基於磁路分解的思想，該方法原理清晰、建模靈活、適用範圍廣，無需單獨開發模型，易於實現，且該模型在內部故障仿真尤其是匝間故障仿真方而獨具優勢，為可控高抗的保護配置與整定提供了必要的技術支持。如何準確實現可控高抗匝間、匝地等內部故障仿真以及精確模擬鐵芯磁化曲線的非線性特徵、考慮直流激磁對磁化特性的影響是需要進一步關注的內容。

4)工程實際中針對可控高抗小匝間短路仍然沒有很好的方法，目前多採用改進型的零、負序功率方向保護。利用超/特高壓可控高抗電壓等級高、容量大等特點，從可控高抗自身的繞組結構特點出發，尋求故障特徵，探索簡單可靠、高靈敏度的匝間保護新原理可以作為未來超/特高壓可控高抗本體保護研究的思路。

5)目前超/特高壓可控高抗的控制系統以PI環節構成的閉環控制系統為主，控制策略以穩態的電壓無功調節為主。控制系統設計的關鍵在於確保控制精確穩定的前提下儘可能地提高回響速度。未來可控高抗的控制系統將朝著多目標協調最佳化的方向發展，除了穩態控制策略，還將包含機電暫態控制策略、電磁暫態控制策略等。