串补技术

串补技术调研报告
一．国内外研究现状
串联补偿技术是灵活交流输电技术(FACTS)的一个分支，包括固定串补（FSC）和晶闸管控制的可控串补（TCSC），用来提高已建线路的输送容量，增加系统稳定性。

世界上已投运的工程绝大多数为FSC，并已积累了大量运行经验及统计资料。

常规固定串补FSC技术，国外的应用始于1928年的纽约电网33kV系统，1950年世界上第一个220KV串补站在瑞典Aleter变电站建成投运，1964年
瑞典Hlavero的380KV电网首次引入串补技术，1968年美国太平洋公司开始在500KV远距离输电电网中采用串补技术。

1989年第一个800KV串补站在巴
西电网投运。

20世纪90年代以后，在固定串补基础上发展起来的可控串补开始引入国外的超高压电网。

2004年，中国电科院完成了国家电网公司国产化示范工程——“甘肃碧成线220千伏交流输电线路可控串补示范工程”的制造、安装和调试任务，并一次投运成功。

在中国电机工程学会组织的鉴定会上，专家一致认为该装置的整体技术水平达到国际先进，部分技术达到国际领先水平。

目前，已在25条输电线路上安装了33套固定串补/可控串补装置，总容量10877.76Mvar，中国
国内市场占有率达50%以上，并已出口海外。

在基础理论方面，建立了包括稳态、机电暂态和电磁暂态的一整套可控串补分析数学模型和算法;研究了迭代学习控制、自抗扰控制和神经网络 阶逆系统控制等多种可控串补系统的稳定控制策略；提出了电力电子装置的过电压保
护及主动绝缘配合方法；分析了可控串补抑制次同步谐振的机制和条件，提出
了同时实现阻抗控制和抑制次同步谐振的晶闸管阀底层电容电压增量控制算法。

工程应用方面，提出了可控串补的技术条件和参数选择方法；基于对可控
串补系统暂态特性的分析，提出了采用可控串补后线路保护的配置方案。

模拟试验方面，在暂态网络分析仪（TNA）上实现了可控串补及发电机轴系的详细模型，其中研制了具有三层结构的DSP控制器和全面系统的仿真实验等具有开创性；形成了较完整的可控串补及其控制器的动模仿真试验环境，进行了系统特性和稳定控制试验，取得了具有创新意义的成果。

我国已基本掌握了可控串补的关键和核心技术，具有独立进行系统技术设计的能力。

研究成果为我国可控串补技术的工程应用打下了基础，并为今后进一步的灵活交流输电技术研究积累了经验，对提高我国超高压输电系统的技术水平和“西电东送”工程建设具有重要的理论和实际意义。

目前串补技术在电力系统已经有70多年的成功运行经验，同时国内外学者对串补线路的相关研究趋于全面而深入，对串补线路的相关研究主要包括二个方面，一是串补电容及其保护装置的硬件设计问题，比如电容器（组），非线性电阻MOV（氧化锌避雷器）的设计，保护间隙（火花间隙）和晶闸管（TCR）的设计等；二是串补对输电线路的影响，比如对保护的影响问题。

二．串联补偿装置的主要作用和原理
交流输电系统的串联补偿技术是将电容器串接于输电线路中，通过阻抗补偿减少功率输送引起的电压降和功角差，从而提高电力系统稳定性，扩大线路输送容量。

串补装置可分为固定式常规串补（FSC）和动态式可控串补（TCSC）. 1．固定串补
固定串补一般带火花间隙和MOV保护，基本接线如下：
1．电容器组C 2. 氧化锌避雷器MOV 3. 火花间隙J
4.阻尼装置D
5.旁路断路器DL
6.旁路隔离开关GI 7．串联隔离开关G2,G3 8.绝缘平台 9.控制保护系统
电容器组C：是串补装置基本元件，串补电容器容抗补偿线路部分感抗，使电气距离缩短，提高线路输送能力。

MOV：作为电容器的主保护，并联在电容器二端，防止线路故障或不在正常运行情况下的过电压直接作用在电容器组上，以保护电容器免遭破坏。

火花间隙J：是MOV和串联电容器组的后备保护，当通过MOV的能量或电流超过设定值时，间隙保护动作触发间隙，旁路MOV.
阻尼装置：是在间隙和旁路断路器动作时，限制并阻尼电容器放电电流，防止电容器，火花间隙，旁路断路器等设备在放电过程中损坏。

旁路断路器：是系统检修，调度的必要装置，同时为火花间隙灭弧及去游离提供必要的条件。

隔离开关：是投入或退出电容器的元件；为满足远方控制。

绝缘平台：在平台上安装串补电容器及其保护装置，平台与地绝缘。

保护和控制设备：是保护和控制串补装置的设备。

2．可控串补
可控串补基本接线如下：
1．电容器组C 2. 氧化锌避雷器MOV
3.旁路电感LB
4.晶闸管SCR
可控串补与固定串补类似，主要由电容器组、阻尼电路、旁路开关等主要部件组成，不同的是，增加了一个与电容器并联的回路，它由一双可控硅SCR和旁路电抗器LB串联组成。

反向并联晶闸管SCR，用于控制旁路电抗器
LB的导通时间。

通过可控硅不同的触发角来控制通过电抗器回路的电流从而控制总的等值阻抗，实现连续控制线路的补偿度的目的。

由于增加了调控速度很快的可控硅并联支路，控制串补通常取消了火花间隙支路。

三．常规串补与可控串补的差别
串联补偿装置在电力系统中的作用主要包括：
1)改善系统的稳定性，增加系统输送能力。

串联电容器的容抗抵消线路部分感抗，相当于缩短了线路的电气距离，
同时使线路二端电压的相角变小，抗干扰裕度增大，从而提高了线路输
电能力，提高了系统稳定水平。

2)改善运行电压和无功平衡条件；在配电网中主要用于补偿线路的感性压降，
改善电压质量。

串联电容器所产生的无功与通过电容器电流的平方成正比，即串联电容
对改善系统运行电压和无功平衡条件具有自适应性，与并联补偿装置相
比，如需提高线路末端电压，以采用串联电容补偿装置较经济；如需提
高系统电压水平或减少线路有功损耗，以选用并联电容补偿装置较宜。

3)降低网损：由于线路损耗主要由线路电阻造成，在一定情况下，串联电容
可以减少无功电流，抬高运行电压，从而减少网损。

4)均衡潮流分布和灵活调节潮流：串联电容器相当于缩短了线路的电气距离，
在由不同导线截面和不同电压线路经变压器组成的电网中，经优化后可
使潮流分布合理，有利于减少线路有功损耗。

5)经济性：串补技术在远距离、大容量输电中的应用，可减少输电线路回路
数，从而节省投资。

与固定串补FSC相比，可控串补TCSC有更大的技术优越性：可用于快速准确地控制线路潮流，提高断面输电能力；优化系统运行方式，降低网损；
可控串补快速可控，进一步提高了系统的稳定性和传输能力；阻尼系统低频震荡；能够消除次同步谐振风险，使补偿度提高；可降低短路电流和避雷器（MOV）的能量定值；抑制线路不对称分量。

从技术、经济和环境等方面考虑，在长距离大容量输电线路中应用TCSC是十分有益的。

与常规的串联电容补偿相比，TCSC在实际长期使用过程中还具有以下明显的优点：采用电子式的开关操作，理论上可以进行无数次操作而没有机械磨损；控制速度很快(ms级)；串联补偿程度可断续、连续地调节。

使用TCSC可大大提高系统控制的灵活性和可靠性。

关于补偿度的问题，采用串联补偿后，一个突出的问题是过高的串联补偿度有可能引起次同步谐振，从而导致发电机组轴系破坏。

在一般情况下，采用固定串补时，串联补偿度不应超过50%。

而采用可控串补时，因不会引起次同步谐振，串联补偿度可接近100%。

四、关键技术
1)光供电的电子式互感器技术：包括高可靠性的激光功率器件、激光功率
发送和控制电路、低功耗远端数据采集电路
2)高压平台上的阀组触发、冷却、监视技术
3)高压平台上阀组制造、集成技术
4)串补系统各元件的保护原理和技术
5)MOV温度模型及计算方法的研究和实现
6)控制保护系统实现
7)控制器是设计TCSC装置的关键，其性能的优劣直接影响整个系统的运
行。

由于系统对TCSC控制器响应的速度不同，以系统对控制命令的响应时间作为依据，将TCSC控制器分为底层、中层和上层控制。

底层控
制：取TCSC模块本身参变量作为控制输入，实施对晶闸管触发角控制；
中层控制：即阻抗控制，是对TCSC实施的内环控制，潮流控制和其他
上层控制的功能通过阻抗控制来实现；上层控制：即稳定控制，实现暂
态稳定控制，增加功率摇摆时的阻尼，并根据具体控制策略取不同系统
变量为反馈量。

四．国内外应用情况
据不完全统计，在世界各国的输电系统中，目前已投入运行的串补工程约有200个，其中一半在北美大陆，电容器总容量已超过90GMar，输电系统的电压等级从220KV到800KV。

目前最高电压等级765kV（巴西Itaipu水电外
送）。

串联补偿由于其技术和经济优势，在未来的世界各国的超高压输电系统以及国与国之间的大区域互联电网中仍将有十分广泛的应用前景。

在美国，晶闸管控制的串联电容器项目已在3处投入运行：1991年ABB 公司改建的Kanawha River变电站345kV单相串补投切工程，用来提高线路传输能力(从950 MW提高到1 450 MW)，提高暂态稳定极限和阻尼功率振荡；
1992年Siemens公司建造的Kayenta变电站220kV新型串联补偿(ASC)工程，同样用来提高线路传输能力(从300 MW提高到400 MW)；1993年GE公司承担的Slatt变电站500kV TCSC试验工程，作用是阻尼功率振荡和次同步谐振。

此后，巴西、瑞典、日本等其它国家也开始实施TCSC工程，以达到提高输电线路容量、阻尼低频振荡和消除次同步谐振等目的。

几年前，掌握可控串补这一先进技术的都是发达国家的几个跨国公司，国际上提供串补技术的公司有ABB、Siemens、GE和Alston公司。

国内的大区电网要引进串联补偿项目，其报价远远高于实际成本，严重制约了可控串补技术在我国的推广应用。

我国自上个世纪五十年代起开始将串补技术用于改善电网的电压质量，六七十年代分别应用于部分220KV和330KV系统来提高系统的稳定能力和输电能力。

后因设备质量问题和系统条件变化串补装置相续退出运行。

直到九十年代，我国又重新将串补技术应用在超高压电网中。

2003年6月，我国第一个可控串补站在南方电网天广线上天生桥至平果线路的平果侧建成投运，其中固定串补度为35%，补偿量为350MVar，可控串补度为5%，补偿量为55MVar，这也是当时亚洲首个可控串补工程。

目前中国串补项目（包括固定串补和可控串补）：
1.2003年6月，我国第1个TCSC工程(平果TCSC)在南方电网天广线上天生桥至平
果段处平果侧建成投运，这也是亚洲首个TCSC工程。

总串联补偿度为40％，可控补偿与固定补偿装在同一个平台上，固定补偿部分的设计额定功率为2*350 MVar占35％，可控补偿部分2*50MVar占5％。

加装串联补偿后，相当于将天平段线路缩短40％，天广线TCSC工程的投产，提高了线路输送能力，可为“西电东送”增加约300 Mw 的输电容量，能改善系统的暂态稳定性水平及阻尼功率振荡。

2. 2004年，中国电科院研制的我国首套国产化可控串补装置——甘肃碧成220
千伏可控串补装置顺利投入运行；
3. 2006年，中国电科院在国际议标中战胜ABB、Nokian等跨国公司中标越南老
街串补工程，这是国产串补首次跨出国门；
4. 2007年，世界上可控补偿容量最大、运行环境最复杂、设计难度最大的国产化超高压可控串补装置——伊冯500千伏可控串补装置顺利投入运行；伊冯500kV可控串补工程使伊冯双回378km线路的极限供电能力得到了大幅度提高（每回线加装两套串补，分别为30％固定部分＋15％可控部分），其极限输送能力由1460MW提高到2500MW，相当于增加了1回500KV线路的输送能力。

伊冯500kV可控串补工程使东北电网有限公司少建一条约380km的500千伏线路，节省基建投资约3亿元人民币。

按照本装置年平均运行时间为5500小时计算，电网输电利润为0.08元/千瓦时计算，年度新增产值4亿多元。

同时，该工程减少了输电走廊面积1500公顷，减少了大兴安岭原始森林砍伐约750公顷，有效保护了中国大兴安岭原始生态资源。

5.2008年，中国电科院承担的三堡东三Ⅰ、Ⅱ线500千伏进口串补装置控制保
护系统自主创新改造获得成功。

安装在从山西阳城电厂到江苏三堡变的500KV 输变电系统中，建设东明开关站到三堡变电所的第三回500KV（线路长约267KM）,同时本线路的三堡变电所侧装设1组容量为529Mvar、补偿度为41.4%串补装置。

加装此组串补装置及输电线路后将提高系统稳定水平和提高系统输电容量。

6．山西阳城电厂送出工程装机容量2100MW，送电距离700KM,远景装机3300MW,采用3-2-3方案，串补度为40%，（远景提高到70%），安置在三堡开关站。

容量为2*500Mvar；MOV安装容量59MJ（计算容量26MJ,推荐容量37MJ）。

7．华北电网大房双回线路500KV输电距离290KM,目前输电能力为双回线1800MW，采用串补度为35%，使大房双回线输电能力提高40多万千瓦。

串补安置在线路中间，电容器容量为2*375Mvar，电容器4串20并；MOV安装容量40MJ。

8．川渝电网与华中主干电网联网工程现有2回500KV线路，该双汇线路西起万县500KV变电站约130KM处，串补站址位于重庆市万州区奉节县。

电容器容
量为2*600Mvar，采用串补度为35%。

另外国内先后有河池出线侧、百色出线侧、昭觉工程装设了串补装置。

五、发展建议
与发达国家相比，我国电网技术水平存在明显差距。

一是500千伏电网线路输送能力偏低。

我国目前正处在500千伏网络初步形成、220千伏电网逐步改造实现分区运行的发展阶段，电网运行中存在的主要问题是输送容量较低。

受暂稳极限限制，500千伏长距离送电线路输送能力在60 万—100万千瓦，与国外相比有40 万— 80万千瓦的差距。

增加线路输送能力，提高系统稳定性，在同样的输电容量条件下，尽可能地减少所需的输电回路数，充分利用每一条线路走廊，无论从节省工程投资还是环境保护来看，都是非常重要的。

我国要大力发展串补技术，提高电网输出能力，串补技术将是全国范围内应用最为广泛的提高超高压、远距离输电线路输送能力的技术之一。

由于减少新建线路，节省了导线、杆塔及其附属设备的投资以及输电走廊的征地费用，例如三堡串补站采用500kV串联电容器补偿装置净节约投资3.4亿元，提高系统稳定水平10％，蔚县串补站采用500kV串联电容器补偿装置净节约投资4.1亿元，提高大房线输送能力30％，具有显著的经济效益。

另外减少超高压输电走廊，可以减少超高压输电线路对周围环境的电磁污染，以及减少输电走廊通过森林时，对树木的大量砍伐，具有显著的综合经济效益和社会效益。