電網(wǎng)移相器RTDS建模及應(yīng)用場景分析

李群，張寧宇，高山，劉建坤，周前

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211103；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

受電網(wǎng)電源和負(fù)荷分布影響，潮流呈自然分布特性，導(dǎo)致線路輕重載情況普遍存在。輕載會造成資源浪費，影響電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行；重載容易引起線路過載，制約電網(wǎng)供電能力提升[1—5]。因此，發(fā)展電網(wǎng)潮流控制技術(shù)對于實現(xiàn)潮流可控、均衡線路負(fù)載、提升電網(wǎng)運行經(jīng)濟(jì)性有著重要意義[6]。

近年來，隨著我國電力電子應(yīng)用技術(shù)水平的不斷提高，基于柔性交流輸電系統(tǒng)(flexible alternative current transmission systems，F(xiàn)ACTS)的柔性潮流控制技術(shù)日趨成熟，越來越多潮流控制裝置接入電網(wǎng)運行，如南京220 kV統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)[7]、蘇州500 kV UPFC、上海220 kV UPFC和天津220 kV 靜止同步串聯(lián)補償器[8—9]，實現(xiàn)了電網(wǎng)潮流的靈活精準(zhǔn)控制和供電能力的有效提升[10—11]。這些FACTS裝置可實現(xiàn)有功、無功潮流快速獨立精準(zhǔn)控制，在調(diào)控范圍大、控制快速性要求高的場景中具有很高的推廣價值。而穩(wěn)態(tài)、經(jīng)濟(jì)型潮流控制技術(shù)能夠以較低投資和運維成本實現(xiàn)有功潮流優(yōu)化調(diào)控和電網(wǎng)供電能力提升，可在電網(wǎng)的挖潛增效中發(fā)揮重要作用[12]。

移相器也稱相角調(diào)節(jié)器，是一種典型的經(jīng)濟(jì)性潮流控制裝置，通過在輸電線路中串入幅值可調(diào)的電壓，改變裝置安裝點電壓的相位或幅值，從而控制輸電線路穩(wěn)態(tài)潮流，實現(xiàn)合理分配線路輸送功率、降低輸電成本等作用。移相器按其控制回路形式主要分為機(jī)械式移相器以及晶閘管式移相器，前者采用有載調(diào)壓開關(guān)，具有運行成本低和可靠性高等優(yōu)點；后者采用換流閥，調(diào)節(jié)速度快，但是投資成本較高。由于機(jī)械式可控移相器運行可靠且成本較低，在歐、美等國家有著大量的應(yīng)用，目前最高電壓等級為500 kV，穿越功率1 630 MV·A，可調(diào)角度±85°。文獻(xiàn)[13]分析了移相器的主電路拓?fù)?，并提出并?lián)變壓器、串聯(lián)變壓器等主設(shè)備參數(shù)設(shè)計方法；文獻(xiàn)[14]采用相量分析法詳細(xì)推導(dǎo)了移相角度、開關(guān)組態(tài)、等效阻抗之間的穩(wěn)態(tài)相量關(guān)系，并通過實時數(shù)字仿真系統(tǒng)進(jìn)行驗證；文獻(xiàn)[15]研究了雙輸出移相器的三序等值電路，并采用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD建立了詳細(xì)的電磁暫態(tài)模型；文獻(xiàn)[16]分析了晶閘管式移相器中閥組觸發(fā)脈沖對系統(tǒng)運行的影響，提出觸發(fā)脈沖控制策略及相應(yīng)的檢測方法；文獻(xiàn)[17]探討了應(yīng)用移相變壓器實現(xiàn)輸電線路在線融冰的可行性，計算得到在空載和負(fù)載情況下線路融冰過程的電壓降落，并提出相應(yīng)的控制策略。

為掌握移相器在電網(wǎng)潮流控制中的調(diào)節(jié)特性，首先從理論上分析移相器調(diào)節(jié)電網(wǎng)潮流的原理；然后，基于RTDS平臺建立雙芯對稱型移相器的詳細(xì)電磁暫態(tài)模型，并對移相器的投切運行和潮流調(diào)節(jié)時的控制特性進(jìn)行仿真分析；最后，對移相器在電網(wǎng)中的應(yīng)用場景進(jìn)行了歸納總結(jié)。

1 移相器結(jié)構(gòu)及原理

1.1 工作原理

移相器在輸電線路送、受端之間引入相位偏移，從而達(dá)到控制潮流的目的。如圖1所示，移相器串聯(lián)安裝在線路中，在安裝點輸出一個幅值和相角可調(diào)的補償電壓，實現(xiàn)安裝點線路電壓US幅值和相角的調(diào)節(jié)。

圖1 移相器接入系統(tǒng)等效示意Fig.1 Equivalent schematic diagram of phase shift transformer feed into power grid

圖1中，X為線路等效阻抗；Xpst為移相器等效電抗；S，R分別為線路首端和末端；L為移相器的末端節(jié)點；ΔU為移相器的輸出電壓；US，UR分別為線路首端和末端的電壓幅值；θS，θR分別為線路首端和末端的電壓相角；UL，θL分別為節(jié)點L的電壓幅值和相角。

線路傳輸有功功率可表示為：

(1)

通過調(diào)節(jié)移相器輸出電壓ΔU，改變裝置兩側(cè)電壓相角，進(jìn)而改變線路首末兩端的相角差，最終實現(xiàn)線路有功潮流的控制。各電壓之間的相量關(guān)系如圖2所示。

圖2 移相器接入系統(tǒng)后電壓相角變化示意Fig.2 Schematic diagram of voltage phase angle change after the phase shift trans-former is connected to the system

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文中以雙芯對稱型移相器為研究對象，其主要由串聯(lián)變壓器、變聯(lián)變壓器和有載調(diào)壓機(jī)構(gòu)組成，串聯(lián)變壓器一次側(cè)繞組帶有中心抽頭，其余兩端開口串聯(lián)于輸電線路中，副邊繞組三角形連接，分別與調(diào)壓機(jī)構(gòu)輸出端連接。并聯(lián)變壓器一次側(cè)接于串聯(lián)變壓器一次側(cè)中心抽頭處，星形連接，且中性點接地，副邊繞組開路連接與對應(yīng)的有載調(diào)壓結(jié)構(gòu)輸入端連接。調(diào)壓機(jī)構(gòu)通過開關(guān)不同位置，可獲得雙向共27個電壓檔位，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，下標(biāo)A，B，C為不同相序；UE1A為并聯(lián)變壓器A相一次側(cè)電壓。

圖3 雙芯式移相器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of double core phase shift transformer

2 基于RTDS的電磁暫態(tài)建模

基于RTDS仿真平臺，建立移相器電磁暫態(tài)模型，整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，分為串聯(lián)變壓器和并聯(lián)變壓器，串聯(lián)變壓器接入線路中，輸出幅值可變的電壓；并聯(lián)變壓器為串變提供勵磁電壓，詳細(xì)模型可見圖5和圖6。

圖4 移相器建模整體結(jié)構(gòu)Fig.4 Overall structure of phase shift transformer modeling

圖5 串聯(lián)變壓器模型整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Overall structure of series transformer model

圖6 并聯(lián)變壓器模型整體結(jié)構(gòu)Fig.6 Overall structure of shunt transformer

3 移相器動態(tài)調(diào)節(jié)性能分析

為驗證文中建立的移相器電磁暫態(tài)模型的有效性，同時掌握移相器的潮流調(diào)節(jié)特性，基于RTDS平臺建立圖7所示的含移相器電網(wǎng)仿真算例，電壓等級為220 kV，電源與負(fù)荷通過2條長度和型號相同的220 kV線路連接，其中移相器接入線路1參與潮流控制，具體參數(shù)如表1所示。

圖7 電網(wǎng)仿真模型Fig.7 Power grid simulation model

表1 移相器主要參數(shù)Table 1 The mian parameters of phase shift transformer

3.1 啟動特性分析

移相器接入電網(wǎng)前后，線路潮流及電壓變化情況見圖8。移相器接入前，兩回線路輸送的有功功率均為78.55 MW；移相器接入后，受串聯(lián)變壓器漏抗影響，線路1等效阻抗增加，輸送有功功率降低至76.48 MW，而線路2輸送有功功率增加至81.64 MW。

圖8 移相器接入后線路有功功率變化Fig.8 Change of transmission lines′ active power after phase shift transformer is connected

3.2 調(diào)節(jié)特性分析

(1) 減少潮流輸送。移相器接入電網(wǎng)后，移相角從0變化至20°，線路潮流及相關(guān)電壓變化情況分別如圖9和圖10所示。

圖9 串聯(lián)變壓器電壓相角變化情況Fig.9 Change of voltage angle variation of series transformer

圖10 移相器正向調(diào)節(jié)時線路有功功率變化情況Fig.10 Change of transmission lines′ active power when the phase shift transformer is adjusted forward

由圖9可知，移相角度調(diào)節(jié)至20°時，首端節(jié)點L的三相電壓明顯滯后于節(jié)點S，導(dǎo)致移相器串入線路1的等效阻抗進(jìn)一步增加，線路輸送有功功率減少至-51.26 MW，同時，線路2輸送有功功率則增加至176.7 MW。

(2) 增加潮流輸送。移相器移相角度從20°變化至-20°時，線路潮流及相關(guān)電壓變化情況見圖11。

圖11 移相器反向調(diào)節(jié)時線路有功功率變化情況Fig.11 Change of transmission lines′ active power when the phase shift transformer is adjusted backward

分析圖11可知，移相角度變化至-20°時，節(jié)點L的電壓相角超前于節(jié)點S，導(dǎo)致線路1等效阻抗降低，線路輸送有功功率增加至170.5 MW；線路2輸送有功功率則降低至-44.6 MW。同時，并聯(lián)變壓器一次側(cè)A相電壓相角始終位于串聯(lián)變壓器首末兩端電壓的中間位置，具體如圖12所示。

圖12 并聯(lián)變壓器一次側(cè)A相電壓與串聯(lián)變壓器兩側(cè)電壓示意Fig.12 Schematic diagram of A-phase voltage at primary side of shunt transformer and voltage at both sides of series transformer

通過上述仿真計算，證明了文中建立電磁暫態(tài)模型的正確性，通過移相器在-20°～20°之間調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)線路潮流在線路1和線路2之間的靈活分布，可根據(jù)電網(wǎng)實際需求進(jìn)行潮流控制。

4 電網(wǎng)移相器的應(yīng)用場景分析

隨著特高壓直流工程的投運及新能源并網(wǎng)規(guī)模的不斷增加，我國電網(wǎng)跨區(qū)特高壓落點、區(qū)內(nèi)新能源消納及負(fù)荷密集程度高等多種因素導(dǎo)致局部電網(wǎng)存在潮流通道受阻、電網(wǎng)受電能力不足等情況，具體如下:(1) 受負(fù)荷分布及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性影響，線路間潮流分布不合理，輸變電設(shè)備在時間和空間上存在負(fù)載不均衡，重載線路限制電網(wǎng)供電能力提升，輕載線路導(dǎo)致設(shè)備利用率低；(2) 大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)后，其自身的間歇性、隨機(jī)性和波動性導(dǎo)致部分輸電設(shè)備在局部時段出現(xiàn)過載情況。

針對上述電網(wǎng)存在的潮流分布不均、供電能力提升受限的問題，移相器在電網(wǎng)中的應(yīng)用場景總結(jié)為以下幾種。

(1) 均衡輸變電設(shè)備負(fù)載，提升電網(wǎng)受電能力。根據(jù)電網(wǎng)的實際運行情況，大部分220 kV分區(qū)電網(wǎng)存在500 kV主變負(fù)載不均衡情況(負(fù)載差20%以上)，如負(fù)荷進(jìn)一步增加，重載主變將出現(xiàn)過載，限制了分區(qū)電網(wǎng)受電能力；移相器調(diào)節(jié)可均衡主變負(fù)載，并在負(fù)荷增加過程中使主變負(fù)載保持均勻增加，從而實現(xiàn)分區(qū)電網(wǎng)受電能力的提升，具體如圖13所示。

圖13 移相器提升電網(wǎng)供電能力示意Fig.13 Schematic diagram of phase shift transformer to enhance power supply capacity of power grid

以東部某省220 kV分區(qū)電網(wǎng)為例，接線方式如圖14所示，DS、LQ220 kV母線短路電流超標(biāo)，采取DS—CX單線的短路措施后，2片電網(wǎng)僅通過DS—JY—HN鏈?zhǔn)酵ǖ老噙B，供電可靠性較差，DS、LQ主變潮流不均衡，分區(qū)受電能力受限。

圖14 220 kV分區(qū)電網(wǎng)示意Fig.14 Schematic diagram of 220 kV distict grid

考慮在220 kV DS—CX單線長新側(cè)加裝移相器，具體安裝位置見圖14。移相器接入后，DS—CX單線可恢復(fù)運行，220 kV分區(qū)電網(wǎng)間有DS—CX—LQ和DS—JY—HN 2條通道相連，供電可靠性提升，通過移相器調(diào)節(jié)可均衡DS變電站和LQ變電站下送功率，可提升電網(wǎng)受電能力400 MW。

(2) 新能源并網(wǎng)潮流控制應(yīng)用。大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)后，其自身的間歇性、隨機(jī)性和波動性導(dǎo)致電網(wǎng)既存在有功功率的控制問題，也可能由于輸電通道的不足存在電能輸送問題，通過加裝移相器等裝置可豐富潮流控制手段。

新能源大發(fā)期間，某東部電網(wǎng)有功潮流由220 kV電網(wǎng)輸送至500 kV電網(wǎng)，其中，GR—BY—XC—JH—YD通道輸送潮流較多，如圖15所示。

圖15 東部某220 kV分區(qū)電網(wǎng)示意Fig.15 Schematic diagram of a 220 kV district grid in east

考慮在GR—BY雙線GR站內(nèi)加裝移相器，通過移相器調(diào)節(jié)可消除GR—BY雙線N-1過載問題，提升電網(wǎng)新能源消納能力約1 GW。

此外，移相器串聯(lián)變壓器漏抗相對線路阻抗較大，參與電網(wǎng)潮流控制的同時，可有效減小電網(wǎng)短路電流。

5 結(jié)語

文中從理論上分析了電網(wǎng)移相器調(diào)節(jié)電網(wǎng)潮流的原理，基于RTDS平臺建立雙芯對稱型移相器的電磁暫態(tài)模型，并對移相器的投切運行和潮流調(diào)節(jié)時的控制特性進(jìn)行仿真分析，掌握了移相器參與電網(wǎng)潮流調(diào)節(jié)時的控制特性，為移相器接入電網(wǎng)后的仿真計算奠定了基礎(chǔ)。同時，總結(jié)了移相器在實際電網(wǎng)中的不同應(yīng)用場景，經(jīng)分析，通過移相器接入可解決輸變電設(shè)備負(fù)載不均引起的供電能力受限、新能源消納能力不足等問題。最后，探討了移相器在電網(wǎng)中大規(guī)模推廣應(yīng)用的可行性。

本文得到國網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項目“電網(wǎng)可控移相器(TCPST)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化技術(shù)研究”(J2019134)資助，謹(jǐn)此致謝！