利用移相變壓器提高川渝斷面輸電能力的研究

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(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

四川電網(wǎng)僅通過(guò)由500 kV洪溝—板橋雙回(簡(jiǎn)稱洪板雙回)和500 kV黃巖—萬(wàn)縣雙回(簡(jiǎn)稱黃萬(wàn)雙回)構(gòu)成的川渝斷面與華中電網(wǎng)交流互聯(lián)?！笆濉逼陂g，隨著以向家壩、溪洛渡等為代表的大型水電站的投運(yùn)，川渝斷面輸電極限極大地限制了四川水電的送出。提高川渝斷面的輸送極限已經(jīng)成為四川電網(wǎng)甚至華中電網(wǎng)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。

移相變壓器(phase-shifting transformer, PST)，簡(jiǎn)稱移相器，可以實(shí)現(xiàn)按照一定方向和一定功率的潮流控制，改變環(huán)網(wǎng)潮流分布，進(jìn)而達(dá)到避免輸電線路或變壓器主設(shè)備過(guò)負(fù)荷的情況，提高供電可靠性，并實(shí)現(xiàn)合理分配線路潮流以提高輸電斷面功率的目的[1]。此外，文獻(xiàn)[2]指出，移相器對(duì)于降低短路電流也有一定的作用，文獻(xiàn)[3]指出基于晶閘管技術(shù)的靜止移相器還能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，通過(guò)恰當(dāng)?shù)目刂剖侄螌?shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)振蕩的抑制。

川渝斷面輸電能力受限的根本原因是洪板雙回和黃萬(wàn)雙回潮流分布不均，潮流不均導(dǎo)致洪板雙回過(guò)早達(dá)到穩(wěn)定極限，而黃萬(wàn)雙回潮流很小得不到充分利用，極大的限制了川渝斷面的輸電能力。雅安—武漢1 000 kV交流特高壓建成后，將緩解川電外送的壓力，然而，受施工難度和其他不可抗拒因數(shù)的影響，工程進(jìn)度存在較大的不確定性。因此，從充分利用現(xiàn)有網(wǎng)架資源的角度出發(fā)，研究配置移相器改善潮流分布進(jìn)而提高川渝斷面的輸電能力具有重要意義。

首先對(duì)移相器在世界各地的應(yīng)用與研究情況進(jìn)行調(diào)研，并簡(jiǎn)單介紹移相器的基本原理、選址原則以及設(shè)計(jì)方法，最后對(duì)移相器在川渝斷面應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析?；赑SASP的仿真研究結(jié)果表明，移相器能夠顯著提高川渝斷面的輸送能力；同時(shí)，對(duì)改善500 kV洪溝站的短路電流也有一定的作用。

1 移相器的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

有關(guān)移相器的認(rèn)知最早始于20世紀(jì)30年代。之后的若干年間，北美、日本以及歐洲多個(gè)國(guó)家如瑞典、荷蘭、德國(guó)等的學(xué)者和工程師們進(jìn)行了大量研究，并實(shí)現(xiàn)了移相器在電網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用。截止到目前，世界上已有幾十臺(tái)移相器應(yīng)用的記錄。典型的移相器應(yīng)用記錄可歸納如表1所示。

從表1可以看到，國(guó)外的移相器應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，各個(gè)電壓等級(jí)均有了應(yīng)用的記錄?；谶@些工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，IEEE已經(jīng)形成了移相器的標(biāo)準(zhǔn)[10]，為移相器的應(yīng)用技術(shù)條件、設(shè)備規(guī)范和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求等提供了指導(dǎo)。

表1 移相器的應(yīng)用情況

目前，生產(chǎn)移相器的廠家主要有西門子、ABB、依林、Alstom、Cooper等。在國(guó)內(nèi)，保定天威保變電氣股份有限公司是唯一擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和供貨經(jīng)驗(yàn)的廠家，主要供貨美國(guó)、加拿大等海外國(guó)家[11-12]。然而，保定天威保變電氣目前的供貨記錄最高電壓等級(jí)為220 kV，不確定是否有生產(chǎn)500 kV等級(jí)移相器的能力。

2 移相器的基本原理

2.1 移相器的移相原理

根據(jù)對(duì)電壓幅值和相角的調(diào)節(jié)效果不同，移相器可分為縱向、橫向和斜向三種[3]?？v向移相器在線路中串入與輸入電壓相同或反相的附加電勢(shì)，以改變電壓幅值，而不能改變相位。橫向移相器在線路中串入與輸入電壓正交的附加電勢(shì)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)幅值和相位的調(diào)節(jié)。橫向移相器雖然既可以調(diào)節(jié)電壓的大小也可以調(diào)節(jié)電壓的相位，但其補(bǔ)償電壓只有一個(gè)自由度，調(diào)節(jié)方式不夠靈活。為此，斜向移相器應(yīng)運(yùn)而生，它可以靈活地調(diào)節(jié)電壓的幅值和相位，得到了廣泛的應(yīng)用。下面以斜向移相器為例對(duì)移相器的基本原理進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。

如圖1所示，移相器一般由串聯(lián)變壓器和并聯(lián)變壓器兩部分組成[2]。串聯(lián)變壓器為Y/△聯(lián)接，并聯(lián)變壓器為Y/Y聯(lián)接，且中性點(diǎn)接地。串聯(lián)變壓器的原邊繞組與線路串聯(lián)，中間抽頭連接到并聯(lián)變壓器的原邊繞組。并聯(lián)變壓器與線路并聯(lián)，副邊繞組帶有極性選擇器KZF并具有分接頭控制，與串聯(lián)變壓器的副邊繞組相連，連接的相序?qū)?yīng)關(guān)系為A→C、B→A、C→B。

圖1 典型移相器的原理接線圖

圖2 移相器各變壓器繞組電壓相位關(guān)系圖

圖3 移相原理圖

2.2 移相器的等值模型

圖4 PSASP中移相器仿真等值模型示意圖

在進(jìn)行仿真時(shí)，移相器可用漏抗ZPST串聯(lián)一個(gè)變比為復(fù)數(shù)的理想變壓器來(lái)模擬，其等值圖如圖4所示[15]。在仿真時(shí)，通常設(shè)置Gm和Bm為無(wú)窮大，RPST為0，即忽略激磁電導(dǎo)、激磁電納以及漏電阻，變比通常設(shè)置為1，輸入的控制角α為不考慮損耗時(shí)的理想值α=αJ-αI′，考慮漏抗ZPST=jXPST后，移相器實(shí)際的調(diào)整角度α′=αJ-αI跟仿真輸入的α?xí)幸欢ǖ牟町悺?/p>

2.3 移相器控制線路潮流

對(duì)于兩端輸電系統(tǒng)，設(shè)受端母線的電壓相角為0，則線路傳輸功率為

(1)

式中，U1、U2分別為送、受端的電壓幅值；δ為送端電壓相角；XL為線路阻抗。

當(dāng)線路中串聯(lián)有如圖4所示的移相器時(shí)，線路傳輸?shù)墓β蕿?/p>

(2)

從式(2)可知：1)移相器的串入，改變了線路傳輸功率的大小，若送端和受端還有其他線路相連，則移相器改變了潮流在兩回線路上的分布；2)移相器使得送受電兩端能夠用更小的相角差傳輸相同的功率，并且兩端傳送功率的最大值降低；3)移相器引入的漏電抗Xpst相當(dāng)于在線路中串聯(lián)了一個(gè)電抗，增大了移相器安裝母線與系統(tǒng)的電氣距離，可以降低安裝位置的短路電流。

3 移相器的設(shè)計(jì)

3.1 移相器的選址

文獻(xiàn)[13]、[14]對(duì)移相器的選址問(wèn)題進(jìn)行了研究，綜合分析可知，在進(jìn)行移相器的選址時(shí)，需要考慮如下幾個(gè)指標(biāo)：1)安裝移相器后潮流的改變量；2)線路潮流變化關(guān)于移相器調(diào)節(jié)幅度的靈敏度。其中指標(biāo)1直接體現(xiàn)了移相器的效果，指標(biāo)2則體現(xiàn)了移相器的效率，對(duì)于改變相同的潮流，需要移相的角度越小，移相器的損耗越小。

當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需要綜合考慮出線間隔、變電站建設(shè)場(chǎng)地等因素，需要針對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行具體分析。

3.2 移相器容量的選擇

移相器的容量即為所在線路的極限傳輸容量，根據(jù)文獻(xiàn)[3]的分析結(jié)論，串聯(lián)變壓器和并聯(lián)變壓器的容量相同。設(shè)配置移相器的線路極限傳輸容量為，移相器的空載移相角調(diào)節(jié)范圍為±α，則并聯(lián)和串聯(lián)變壓器的容量為[3]

S并=S串=Ssinα

(3)

由于通常α較小，可知，并聯(lián)變壓器和串聯(lián)變壓器的容量遠(yuǎn)小于移相器的總?cè)萘俊?/p>

4 移相器在川渝斷面的應(yīng)用分析

川渝斷面由南部通道洪板雙回和北部通道黃萬(wàn)雙回構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)四川電網(wǎng)與華中主網(wǎng)的交流互聯(lián)，如圖5所示。

圖5 川渝斷面輸電示意圖

由于四川的水電主要集中在西部和南部，重慶的負(fù)荷集中在南部，使得四川水電主要通過(guò)南部通道送至重慶南部負(fù)荷中心。進(jìn)一步仿真分析表明，在同等負(fù)荷條件下，增加川西南水電開機(jī)會(huì)增加洪板線的潮流，進(jìn)而增大洪板線和黃萬(wàn)線的潮流；增加渝北火電開機(jī)會(huì)限制北部通道的潮流，同樣會(huì)增大洪板線和黃萬(wàn)線的潮流，并且渝北火電對(duì)川渝斷面的潮流分布的影響更大。其原因是渝北火電的開機(jī)相當(dāng)于在北部通道的受端增加了一個(gè)大的電源，從而限制北部通道的潮流傳輸；川西南水電的開機(jī)相當(dāng)于在南部通道送端增加大電源，從而進(jìn)一步增大南部通道的潮流水平。最終導(dǎo)致洪板雙回嚴(yán)重過(guò)載，限制川渝斷面的輸電極限，給四川水電的送出帶來(lái)了極大的壓力。與此同時(shí)，黃萬(wàn)雙回潮流過(guò)輕，500 kV線路得不到充分利用，造成了資源的浪費(fèi)。以PSASP軟件為仿真工具，研究通過(guò)裝配移相器改善潮流分布情況，提高黃萬(wàn)線的利用率，進(jìn)而提高川渝斷面的送出能力。

4.1 移相器安裝位置的選擇

按照前面給出的移相器安裝位置選擇原則，分別模擬在洪板雙回、黃萬(wàn)雙回加裝移相器，仿真結(jié)果分別如表2和表3所示。仿真中忽略電阻，漏電抗選擇與相鄰的500 kV主變壓器正序電抗一致。

表2 洪板雙回洪溝側(cè)加裝移相器

表3 黃萬(wàn)雙回黃巖側(cè)加裝移相器

從表2和表3可以看到，加裝移相器后實(shí)際的移相角與設(shè)置的控制角不同，這是由于等值漏抗的滯后作用。當(dāng)洪板線加移相器時(shí)，由于移相器移相目標(biāo)本來(lái)就是滯后角度，等值漏抗恰好起正作用，因此移相器僅需要很小的角度就能實(shí)現(xiàn)較好的潮流轉(zhuǎn)移結(jié)果；而在黃萬(wàn)線安裝時(shí)，需要移相器移相目標(biāo)為超前一定角度，這時(shí)漏抗起反作用，需要較大的移相角才能實(shí)現(xiàn)潮流的轉(zhuǎn)移。洪板線洪溝側(cè)加裝移相器時(shí)，移相器改變相同角度時(shí)引起的潮流轉(zhuǎn)移量遠(yuǎn)大于在黃萬(wàn)線黃巖側(cè)安裝的情況，因此移相器更適合配置在洪板雙回洪溝側(cè)。

4.2 移相器的容量設(shè)計(jì)

按照洪板線單回?zé)岱€(wěn)極限1 900 MW設(shè)計(jì)移相器的容量，移相器的額定功率可選擇為2 000 MVA。根據(jù)前面分析，洪溝側(cè)的移相器不需要太大的移相角就能夠取得很好的潮流轉(zhuǎn)移效果，設(shè)計(jì)移相角為±10°，則串聯(lián)和并聯(lián)電壓的容量均為2 000×sin 10°=347 MVA，可設(shè)計(jì)為350 MVA。由于遠(yuǎn)期洪板線可能更換為耐熱導(dǎo)線，單回容量為3 000 MW，此時(shí)按照移相器設(shè)計(jì)容量3 200 MVA，串聯(lián)變壓器和并聯(lián)變壓器的容量同理可計(jì)算為555 MVA，可設(shè)計(jì)為560 MVA。

4.3 2013年豐大典型方式數(shù)據(jù)校核

對(duì)加裝移相器后的控制效果進(jìn)行校核，采用2013年豐大數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果如表4所示。

表4 洪板雙回洪溝側(cè)加裝移相器熱穩(wěn)定分析(2013)

表4中，雙回線路的潮流轉(zhuǎn)移比按式(4)計(jì)算為

(4)

從表4可以看到，不加移相器時(shí)，洪板線N-1后的潮流轉(zhuǎn)移比達(dá)到86.1%；洪板線與黃萬(wàn)線的潮流比為2:1。按照洪板線單回1 900 MW的能力計(jì)算，川渝斷面的外送能力僅為1 900÷86.1%×(1/2+1)=3 310 MW。加裝移相器后，洪板線N-1后潮流轉(zhuǎn)移比顯著降低，川渝斷面外送能力提升至5 090 MW。因此，移相器能夠顯著改善斷面的潮流分布，提高斷面的輸電能力。

“十二五”期間，隨著四川電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不斷加強(qiáng)，以及以錦屏、向家壩、溪洛渡為代表的大型電站的投運(yùn)，導(dǎo)致四川電網(wǎng)500 kV母線的短路電流急劇增加，部分母線500 kV開關(guān)已經(jīng)逼近遮斷容量，威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。根據(jù)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，未來(lái)5年四川電網(wǎng)抑制短路電流的工作將十分緊迫。

從圖4所示的移相器等值電路可以看到，移相器可視為在線路中串聯(lián)了一個(gè)電抗XPST(忽略RPST)和只改變相位的變壓器。電抗XPST的接入將改善系統(tǒng)的短路電流?；赑SASP的仿真結(jié)果表明，洪板雙回有無(wú)移相器時(shí)四川電網(wǎng)短路電流超過(guò)45 kA的500 kV站點(diǎn)如圖6所示?？梢钥吹?，加裝移相器后，洪溝站的短路電流有明顯下降，其他站點(diǎn)短路電流也有一定程度的降低。

圖6 洪板雙回洪溝側(cè)加裝移相器前后短路電流對(duì)比(2013)

4.4 2015年豐大方式數(shù)據(jù)校核

隨著重慶負(fù)荷增加，重慶北部大型火電機(jī)組的投運(yùn)，洪板雙回和黃萬(wàn)雙回的潮流比呈現(xiàn)逐漸拉大的趨勢(shì)，2015年豐大方式計(jì)算仿真結(jié)果如表5所示。

從表5可以看到，2015年洪板雙回和黃萬(wàn)雙回的潮流比達(dá)到5:1，洪板線輸電壓力更大，同時(shí)黃萬(wàn)線利用率更低，造成川渝斷面的外送靜穩(wěn)極限僅有2 641 MW。配置移相器后，洪板雙回和黃萬(wàn)雙回的潮流比降為約1.6:1，川渝斷面的外送能力可提高至4 167 MW，較未加裝移相器提高約1 500 MW，很好的改善了川渝斷面的潮流分布不均問(wèn)題，提高了外送能力。

表5 洪板雙回洪溝側(cè)加裝移相器熱穩(wěn)定分析(2015)

同時(shí)，四川電網(wǎng)短路電流超過(guò)45 kA的500 kV站點(diǎn)在加裝移相器前后的短路電流變化情況如圖7所示?？梢钥吹剑闇险径搪冯娏饕廊挥?.5 kA的下降，其他站點(diǎn)的短路電流都有一定程度的降低。

圖7 洪板雙回洪溝側(cè)加裝移相器后短路電流對(duì)比(2015)

5 結(jié) 論

前面概述了移相器在世界各地的應(yīng)用與研究情況，分析了移相器的基本原理，給出了移相器的選址以及容量設(shè)計(jì)方法。最后，對(duì)移相器應(yīng)用于川渝斷面以改善四川電網(wǎng)的外送能力的可行性進(jìn)行了分析，有以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)移相器在國(guó)外已經(jīng)有較多的應(yīng)用，但500 kV應(yīng)用實(shí)例不多，且國(guó)內(nèi)廠商未見(jiàn)有生產(chǎn)500 kV等級(jí)移相器的能力；

(2)移相器能夠顯著改變線路潮流分布，并且裝在洪板線效果優(yōu)于裝在黃萬(wàn)線；

(3)線路加裝移相器后，洪板雙回N-1后潮流轉(zhuǎn)移比降低，在不改變開機(jī)方式的條件下，川渝斷面輸電能力可提高至5 090 MW，提升約1 800 MW；

(4)線路加裝移相器后，由于移相器漏抗在一定程度上可視為串抗，系統(tǒng)短路電流水平降低。

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