1000 kV特高壓變壓器調(diào)壓原理及其仿真分析

馮 順， 曲 欣， 王 毅， 焦海龍， 張軍永， 封永才

(國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司, 河南 鄭州 450006)

0 引言

1000 kV特高壓變壓器是完成國家“三縱三橫”特高壓輸變電建設工程的重要設備，考慮其設備絕緣問題，其調(diào)壓原理與500 kV常規(guī)自耦變壓器有較大區(qū)別[1-3],因此特高壓變壓器調(diào)壓原理的理解及其仿真分析具有重要意義。文獻[4-6]介紹了特高壓主變調(diào)壓原理，但均未對其進行仿真建模分析。1000 kV特高壓南陽站是我國特高壓交流示范工程，站內(nèi)運行1號、2號主變分別為西安西電(簡稱西電)和特變電工(簡稱特變)生產(chǎn)，2臺主變分別使用目前常見的2種特高壓主變調(diào)壓方法。文中分析了2臺主變的調(diào)壓原理，并分別對其調(diào)壓原理進行Simulink建模仿真對比分析，并根據(jù)仿真結果提出特高壓建設建議。

1 特高壓南陽站主變調(diào)壓原理

1.1 主變結構特點

特高壓南陽站變壓器和常規(guī)500 kV變壓器一樣，由3個單相自耦變壓器組成，每個單相自耦變壓器都是由主體變壓器(簡稱主體變)和調(diào)壓補償變壓器(簡稱調(diào)補變)兩部分組成，主體變和調(diào)補變之間通過銅母排連接。1號西電主變繞組連接如圖1所示，2號特變主變繞組連接如圖2所示。圖中：HV為主體變公共繞組；MV為主體變串聯(lián)繞組；LV為主體變低壓繞組；BV為調(diào)補變調(diào)壓勵磁繞組；TV為調(diào)補變調(diào)壓繞組；LE為調(diào)補變補償勵磁繞組；PV為調(diào)補變補償繞組，其中BV和TV共鐵心，PV和LE共鐵心。從圖1和圖2可以看出1號、2號主變都采用中性點調(diào)壓方式，因此調(diào)壓時主磁通會發(fā)生變化，導致低壓繞組電壓發(fā)生變化，而調(diào)補變中LE和PV繞組的存在將會對低壓側(cè)電壓進行負反饋調(diào)節(jié)使其電壓輸出穩(wěn)定。

圖1 1號西電主變繞組連接Fig.1 Winding connection diagram of No.1 XD transformer

圖2 2號特變主變繞組連接Fig. 2 Winding connection diagram of No.2 TBEA transformer

繞組連接顯示1號西電主變調(diào)補變調(diào)壓勵磁繞組BV勵磁電源取自主體變低壓繞組LV和調(diào)補變補償繞組PV串聯(lián)電壓之和(即為低壓側(cè)電壓)，通常稱為完全補償方式；2號特變主變調(diào)補變調(diào)壓勵磁繞組BV勵磁電源取自主體變低壓繞組LV電壓，通常稱為非完全補償方式。

1.2 主變繞組電磁關系及調(diào)壓原理

根據(jù)主變的結構特點[7-9]可知，1號西電主變繞組電磁關系矩陣方程為：

圖3 1號西電主變仿真模型Fig.3 Themodel of No.1 XD transformer simulation

(1)

2號特電主變繞組電磁關系矩陣方程為：

(2)

根據(jù)2臺主變繞組連接原理可知，2臺主變中低壓電壓矩陣方程均為：

(3)

式(1—3)中：UH為已知量高壓側(cè)電壓有效值；UM，UL分別為中，低壓側(cè)電壓；NHV，NMV，NLV，NBV，NLE，NPV，NTV為1號、2號主變中各繞組自對應匝數(shù)；e1為主體變繞組每匝電動勢；e2為調(diào)補變繞組BV，TV為繞組每匝電動勢；e3為調(diào)補變繞組PV、LE繞組每匝電動勢。

特高壓南陽站1號西電主變、2號特變主變的各繞組匝數(shù)如表1所示，主變調(diào)節(jié)檔位調(diào)節(jié)抽頭和TV關系如表2所示。調(diào)補變調(diào)壓繞組有9檔調(diào)節(jié)。1號主變每級40匝調(diào)節(jié)，2號主變每級45匝調(diào)節(jié)，由式(1—3)及繞組匝數(shù)可得出中低壓側(cè)電壓與調(diào)補變調(diào)壓繞組不同檔位之間關系[10-13]。

表1 1號和2號主變繞組匝數(shù)Tab.1 Number of turns of No.1 and No.2 transformer winding

表2 1號和2號主變調(diào)壓檔位Tab.2 Chart of No.1 and No.2 transformer tap position

圖4 2號特變主變仿真模型Fig.4 Themodel of No.2 TBEA transformer simulation

2 特高壓南陽站主變調(diào)壓仿真分析

2.1 主變調(diào)壓原理Simulink建模

由于Simulink中沒有單獨的特高壓變壓器模型，故采用powerlib模塊中的Multi-Winding Transformer(多繞組變壓器)變壓器模型，主體變設置tapped winding(抽頭繞組)為中壓側(cè)電壓。調(diào)補變分別建立調(diào)壓變壓器和補償變壓器模型，其中調(diào)壓變模型設置抽頭繞組進行調(diào)壓[14-17]。模型具體參數(shù)按表1、表2進行設置，建立的1號西電主變仿真模型，2號特變主變仿真模型分別如圖3、圖4所示。其中，RMS為交流電壓有效值輸出；VH為主變高壓側(cè)交流電壓；VM為主變中壓側(cè)交流電壓；VL為主變低壓側(cè)交流電壓；VL1為主變低壓側(cè)補償前交流電壓；powergui采用離散設置。

2.2 主變調(diào)壓原理仿真結果分析

按照表2調(diào)壓檔位對應調(diào)壓抽頭分別進行仿真，并輸出低壓側(cè)補償前電壓進行分析，對仿真結果和主變銘牌中低壓電壓進行對比，1號西電主變、2號特變主變仿真及對比數(shù)據(jù)分別如表3、表4所示。從仿真結果來看，仿真數(shù)據(jù)和主變銘牌數(shù)據(jù)基本吻合，驗證了Simulink仿真模型的正確性。從仿真數(shù)據(jù)我們看到1號、2號主變低壓側(cè)補償前電壓最大調(diào)壓波動在10 kV左右，而補償后電壓波動基本控制在0.2 kV之內(nèi)，補償繞組效果明顯。

表3 1號主變仿真數(shù)據(jù)Tab.3 The date of No.1 transformer simulation kV

表4 2號主變仿真數(shù)據(jù)Tab.4 The date of No.2 transformer simulation kV

對比1號西電主變、2號特電主變低壓側(cè)電壓可知，1號西電主變在主變調(diào)壓時低壓側(cè)電壓更加穩(wěn)定。對比1號和2號主變中壓側(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)同一調(diào)壓檔位時，中壓側(cè)電壓有電壓差，因此當1號、2號主變并聯(lián)運行時，中壓側(cè)會產(chǎn)生電流環(huán)流。

3 結語

特高壓南陽站1號和2號主變仿真數(shù)據(jù)和銘牌數(shù)據(jù)的基本吻合說明了仿真模型的正確性。數(shù)據(jù)顯示2臺主變同一調(diào)壓檔位時中壓側(cè)電壓有偏差，且1號主變調(diào)壓時低壓側(cè)電壓更加穩(wěn)定，因此建議特高壓建設時同一變電站使用同一調(diào)壓原理的變壓器以防止中壓側(cè)環(huán)流，建議使用低壓側(cè)電壓更加穩(wěn)定的完全補償方式原理的特高壓主變。

[1] 劉振亞. 特高壓電網(wǎng)[M]． 北京：中國經(jīng)濟出版社,2005.

LIU Zhenya. Ultrahigh voltage grid[M]． Beijing：China Economic Press,2005.

[2] 郭慧浩，付錫年． 特高壓變壓器調(diào)壓方式的探討[J]． 高電壓技術，2006，32(12)：112-114.

GUO Huihao, FU Xinian． Inquire into voltage regulating method for UHV transformer[J]． High Voltage Engineering，2006，32(12)：112-114.

[3] 孫 昕,丁 揚,印永華,等. 中國特高壓交流試驗示范工程建設的基本原則[J]. 電力建設,2007,28(10):12-16.

SUN Xin, DING Yang, YIN Yonghua, et al. Basic principles of China’s UHV AC demonstration Project[J]. Electric Power Construction,2007,28(10):12-16.

[4] 高文彪，趙宇亭，趙成運． 特高壓變壓器兩種調(diào)壓方法及壓補償變保護淺析[J]． 變壓器，2013，50(1)：38-41.

GAO Wenbiao, ZHAO Yuting, ZHAO Chengyun. Analysis of two kinds of UHV transformer regulationmethod and voltage regulation compensation transformer protection[J]． Transformer，2013，50(1)：38-41.

[5] 車 薪，郭天嘯. 特高壓晉東南變電站調(diào)壓補償變壓器運行分析[J]. 電力建設，2009,30(10):23-25.

CHE Xin, GUO Tianxiao. Operation analysis of regulation compensation transformer in Jindongnan substation[J]. Electric Power Construction,2009,30(10):23-25.

[6] 原敏宏，李忠全，田 慶． 特高壓變壓器調(diào)壓方式分析[J]． 水電能源科學，2008，26(14)：172-174.

YUAN Minhong，LI Zhongquan，TIAN Qing. Analysis on problems of voltage regulation for UHV transformer[J]． Water Resources and Power，2008，26(14)：172-174.

[7] 李建生. 基于PSCAD/EMTDC的1000 kV特高壓變壓器仿真[J]. 江蘇電機工程，2016,35(6):18-21.

LI Jiansheng. Simulation of 1000 kV transformers based on PSCAD/EMTDC[J]. Jiangsu Electrical Engineering,2016,35(6):18-21.

[8] 金 夢,李修金,劉一丹,等. 基于PSModel的江蘇電網(wǎng)機電-電磁混合仿真[J]. 電力工程技術,36(3):36-41.

JIN Meng,LI Xiujin,LIU Yidan,et al． Electromechanical-electromagnetic hybrid simulation of Jiangsu Power Grid using PSModel[J]. Electric Power Engineering Technology,36(3):36-41.

[9] 柳維衡,鄭 濤. 基于不同故障情況的特高壓變壓器差動保護仿真研究[J]. 現(xiàn)代電力,2010,27(1):12-16.

LIU Weiheng, ZHENG Tao. Simulation research on UHV transformer DIFP based on different fault conditions[J]. Modern Electric Power,2010,27(1):12-16.

[10] 馮 順, 曲 欣, 王 毅,等. 某變電站500 kV母線保護TA斷線保護閉鎖分析[J]. 電氣技術, 2017, 18(7): 113-116.

FENG Shun, QU Xin, WANG Yi, et al.The analysis on 500 kV bus-differential protection latch of a substation because of TA break[J]. Electrical Engineering, 2017, 18(7): 113-116.

[11] 馮 順, 曲 欣, 王 毅,等. 淺析500 kV智能變電站三跳失靈回路的設計[J]. 電氣技術, 2017, 18(6): 120-122.

FENG Shun, QU Xin, WANG Yi, et al. Brief analysis the genera circuit design of failure protection of three-phase trip in 500 kV smart substation[J]. Electrical Engineering, 2017, 18(6): 120-122.

[12] 石吉銀. 特高壓變電站TPY級電流互感器暫態(tài)特性現(xiàn)場校核方法研究[J]. 陜西電力，2017,45(5):83-87.

SHI Jiyin. Field checkout method of TPY class current transformer transient characteristics in UHV substation[J]. Shaanxi Electric Power，2017,45(5):83-87.

[13] 田秋松,張勁光,張健毅,等. 兩種不同芯柱特高壓變壓器的差異分析[J]. 河南電力,2013(1):1-4.

TIAN Qiusong, ZHANG Jinguang, ZHANG Jianyi, et al. Difference analysis on the two different core column UHV transformer[J]. Henan Electric Power,2013(1):1-4.

[14] 朱 翊,房大中,王慶平. 考慮變壓器勵磁非線性的電磁暫態(tài)仿真算法[J]. 電網(wǎng)技術,2015,36(4):116-120.

ZHU Yi, FANG Dazhong, WANG Qingping. An approach for electromagnetic transient simulation of power transformers with nonlinear exciting branch[J]. Power System Technology,2015,36(4):116-120.

[15] 曾麟鈞,林湘寧,黃景光,等. 特高壓自耦變壓器的建模和電磁暫態(tài)仿真[J]. 中國電機工程學報,2010,30(1):91-97.

ZENG Linjun, LIN Xiangning, HUANG Jingguang, et al. Modeling and electromagnetic transientsimulation of UHV autotransformer[J]. Proceedings of the CSEE,2010,30(1):91-97.

[16] 陳繼瑞,鄧茂軍,樊占峰,等. 1000 kV特高壓調(diào)壓補償變壓器保護方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2016,40(14)：110-114.

CHEN Jirui, DENG Maojun, FAN Zhanfeng, et al. Protection scheme for 1000 kV UHV regulation and compensation transformer[J]. Automation of Electric Power Systems,2016,40(14):110-114.

[17] 李巖軍,周春霞,肖遠清,等. 特高壓有載調(diào)壓變壓器差動保護特性分析[J]. 中國電力,2014,47(9):112-117.

LI Yanjun, ZHOU Chunxia, XIAO Yuanqing, et al. Analysis of differential protection characteristic for on-load-tap-changer transformer of UHV[J]. Electric Power,2014,47(9):112-117.