移相變壓器在電網(wǎng)中的應(yīng)用

何 璐,路秀麗,肖云峰，司青花

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065;2.陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司，陜西 鎮(zhèn)安 711509)

0 前 言

在電力系統(tǒng)中，輻射性網(wǎng)絡(luò)的潮流完全取決于各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷，當(dāng)不采取任何控制手段時(shí)，并行線路、環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的潮流按照阻抗分布，功率的自然分布可能會(huì)造成線路潮流分布不合理，出現(xiàn)各通道的功率輸送不均衡，送電通道中的某一條或者幾條線路已經(jīng)達(dá)到送電極限，而其他線路卻處于輕載運(yùn)行的情況，從而使整個(gè)送電斷面的極限收到限制，影響電網(wǎng)的正常送電。移相變壓器(Phase shifting transformer，簡稱PST)又稱移相器，是國外電網(wǎng)中常用的一種電力設(shè)備，它串聯(lián)在線路中，通過改變線路電壓的始末相位角即功率角，來控制和改善不同電網(wǎng)之間的有功功率的分布。IEC62032-2012 《移相變壓器的應(yīng)用、規(guī)范及實(shí)驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》和IEEE Std C57.135《移相變壓器的應(yīng)用、規(guī)范及實(shí)驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》 Guide Guide for Application , Specification , and Testing of Phase-Shifting Transformers 等移相變壓器的專用規(guī)范，對(duì)移相變壓器的應(yīng)用、特點(diǎn)和試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，為移相變壓器的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行指導(dǎo)。本文通過介紹移相變壓器的原理、分類、國內(nèi)外的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，以國外某水電站工程為例，確定采用移相變壓器的安裝地點(diǎn)、接線方式和移相變壓器的基本參數(shù)，根據(jù)國內(nèi)移相變壓器的研究現(xiàn)狀以及國內(nèi)電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，分析采用移相變壓器進(jìn)行潮流控制的可行性，為移相變壓器在電網(wǎng)的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 移相變壓器的原理

移相變壓器兩側(cè)分別稱作負(fù)載側(cè)和電源側(cè)，移相變壓器串聯(lián)在線路上使用，其電源側(cè)和負(fù)載側(cè)的電壓模值相等，相角差在一定范圍內(nèi)是連續(xù)可調(diào)的。通過移相變的相角調(diào)節(jié)可以控制電力系統(tǒng)各支路的有功功率的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)合理分配線路潮流以提高輸電能力的目的。在未裝設(shè)移相變壓器前，輸電線路的傳輸功率可表示：αδ

(1)

公式(1)其中：Um、Un分別是線路始端和末端電壓的幅值;XL是輸電線路的電抗,Ω;δ是線路首末端的功率角,(°)。

由公式(1)可得，輸電線路傳輸功率與線路兩端母線電壓的模值、相位差正弦值成正比，與線路電抗反比，所以改變線路首末端的功率角，可以改變線路傳輸?shù)挠泄β?。移相器正式基于這個(gè)原理，在線路輸入側(cè)疊加合適的角度，在不改變?cè)€路電壓幅值的基礎(chǔ)上，使線路兩側(cè)功率角發(fā)生變化，從而起到控制線路傳輸功率的作用。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，移相器可等效為串接在線路中的電抗和理想移相器模型，裝設(shè)移相器后的線路傳輸功率為：

(2)

此時(shí)，輸電線路等值模型和向量分別如圖1、2所示。

由圖2所示，安裝移相變壓器后，線路兩側(cè)電壓相位差附加了±α分量，移相變壓器通過改變?chǔ)恋恼?fù)和大小，使系統(tǒng)的潮流發(fā)生變化。圖2中，移相器在線路側(cè)附加了滯后的相位α，使得原來兩側(cè)電壓相位差由δ減小為δ′，從而將該線路的潮流轉(zhuǎn)移到其它線路上，減輕了該線路的負(fù)載；反之，若需要增大該線路潮流，則可通過移相器提供一個(gè)超前的相位。

2 移相變壓器的分類

移相變壓器按照本體結(jié)構(gòu)來分，可分為傳統(tǒng)機(jī)械式移相變、晶閘管式移相變、混合型移相變。

傳統(tǒng)機(jī)械式移相變壓器主要是由單臺(tái)變壓器繞組或者由并聯(lián)勵(lì)磁變與串聯(lián)升壓變共同聯(lián)接，通過分接抽頭專門設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，它通過控制變壓器的分接開關(guān)位置來改變輸出側(cè)電壓幅值大小及相角偏移。此類PST響應(yīng)速度慢、轉(zhuǎn)換容量有限、壽命短，僅適用于電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。晶閘管式移相變壓器是由單臺(tái)并聯(lián)勵(lì)磁變與串聯(lián)升壓變共同聯(lián)接實(shí)現(xiàn)，利用晶閘管串并聯(lián)組合來取代傳統(tǒng)機(jī)械式分接開關(guān)。此類PST能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也能滿足系統(tǒng)暫態(tài)調(diào)節(jié)需求。

混合型移相變壓器集合了機(jī)械式和晶閘管式移相變壓器的優(yōu)點(diǎn)，還能改善線路動(dòng)態(tài)性能，但造價(jià)高。目前移相變壓器應(yīng)用的工程實(shí)例，多是機(jī)械式的移相變壓器。

3 移相變壓器的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

移相變壓器主要通過改變輸電線路首末端的電壓相角差，即功率角來控制線路上輸送的有功功率，從而達(dá)到控制電網(wǎng)潮流分布的目的。此項(xiàng)技術(shù)在中國尚無相關(guān)應(yīng)用。但是，早在20世紀(jì)30年代，移相變壓器就被北美、日本以及歐洲多個(gè)國家如瑞典、荷蘭、德國等國的學(xué)者和工程師們大量研究，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，交流電網(wǎng)日趨復(fù)雜，并形成大量環(huán)網(wǎng)，這使移相變壓器在北美、日本、歐洲等許多國家的實(shí)際應(yīng)用愈來愈廣泛。

目前，生產(chǎn)移相變壓器的廠家有西門子、ABB等。在國內(nèi)，保定天威保變電氣股份有限公司是擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和供貨經(jīng)驗(yàn)的廠家，主要供貨美國、加拿大等海外國家[1]。沈變、西變等可以根據(jù)西門子、ABB的技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。

表1 移相變壓器的應(yīng)用情況

目前，移相變壓器在中國尚無工程實(shí)例，但是我國對(duì)此也開展了仿真計(jì)算。李文平等指出[2-3]東北電網(wǎng)遼西系統(tǒng)的一個(gè)500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)中的220 kV線路負(fù)載較大問題，提出將該地區(qū)聯(lián)絡(luò)變壓器改造為移相變壓器的方案，結(jié)果表明移相變壓器能夠減小網(wǎng)損，并消除了某條220 kV線路在其它線路斷開時(shí)的過載問題。徐征強(qiáng)等[3]將移相變壓器裝設(shè)在遼中輸電斷面的某一變壓器處，降低了電能損失。趙學(xué)強(qiáng)等[4-6]分析了將移相變壓器運(yùn)用于華東電網(wǎng)的場景，移相變壓器安裝后分別使上海電網(wǎng)的受電通道受電能力、江蘇電網(wǎng)過江通道以及安徽送江蘇斷面輸電能力大幅提高，與此同時(shí)降低了移相變壓器安裝處附近的母線短路電流。陳剛等[7]針對(duì)川渝斷面輸電能力受限問題，在潮流較重的洪板線加裝移相變壓器，從而提高了斷面的輸電能力，確保四川水電向外輸送。郭家鵬等[8]對(duì)基于零序故障分量的對(duì)稱雙芯移相變壓器的縱聯(lián)保護(hù)進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明該保護(hù)方案能夠識(shí)別對(duì)稱雙芯移相變壓器內(nèi)部的接地故障、匝間故障、匝地短路等區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障，并能夠很好地保護(hù)移相變壓器的電氣連接部分。

4 國外某電站移相變壓器的應(yīng)用

我們?cè)谶M(jìn)行國外某水電站的可研階段設(shè)計(jì)工作時(shí)，此電站北岸以330 kV電壓等級(jí)接入電力系統(tǒng)，出線5回，其中三回送至變電站；2回與南岸電站400 kV開關(guān)站聯(lián)絡(luò)。

南岸電站以400 kV電壓等級(jí)接入電力系統(tǒng)，出線6回，其中2回與北岸電站330 kV 開關(guān)站相連；2回接入400 kV變電站；預(yù)留2回出線用于擬建的另一座400 kV開關(guān)站。根據(jù)《EMPLOYERREQUIREMENT》和當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)初步的接入系統(tǒng)報(bào)告，以及當(dāng)?shù)仉娏Σ块T關(guān)于本電站研討會(huì)的會(huì)議紀(jì)要，需要對(duì)本電站送出的兩回線路進(jìn)行潮流控制，采取的方式即為在這兩條線路上加裝移相變壓器。為了避免移相變壓器檢修或者系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)無需進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的狀況，還需為移相變壓器設(shè)置旁路斷路器。我們對(duì)如下2個(gè)方案接線進(jìn)行了對(duì)比。兩種方案接線如圖4、5所示。

經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，方案1連接復(fù)雜，一回出線采用2個(gè)400 kV出線間隔，出線回路多個(gè)斷路器串聯(lián)，而且在為每組移相變壓器設(shè)置旁路斷路器的同時(shí)，還為每個(gè)出線斷路器設(shè)置旁路隔離開關(guān)，設(shè)備配置冗余。

方案2接線簡單，設(shè)備較少，當(dāng)需要移相變壓器進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時(shí)，旁路隔離開關(guān)打開，潮流自移相變壓器支路通過；當(dāng)移相變壓器檢修或者系統(tǒng)無需進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時(shí)，先打開移相變壓器兩端的斷路器及隔離開關(guān)，移相變壓器退出運(yùn)行，再合上旁路隔離開關(guān)斷路器以及斷路器外側(cè)隔離開關(guān)，電能自旁路隔離開關(guān)支路送出，滿足系統(tǒng)對(duì)電站功率調(diào)節(jié)的需要。移相變壓器的主要參數(shù)如下：

表2 移相變壓器主要參數(shù)

5 結(jié) 論

(1) 通過介紹移相變壓器的原理、國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，以國外某水電站工程為例，確定了采用移相變壓器的安裝地點(diǎn)、接線方式和移相變壓器的基本參數(shù)。

(2) 移相變壓器作為一種靈活的潮流控制設(shè)備，可在不改變?cè)袡C(jī)組發(fā)電功率、電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)潮流的調(diào)節(jié)。

伴隨著我國電力發(fā)展步伐的不斷加快，電網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的重大目標(biāo)，需要加快構(gòu)建以風(fēng)、光、水、儲(chǔ)等的新能源為主體、高電壓遠(yuǎn)距離輸電以及地區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的新型電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)日益復(fù)雜，在供需平衡、系統(tǒng)調(diào)節(jié)、穩(wěn)定特性等方面都將發(fā)生顯著變化，為提高電網(wǎng)的可控性和傳輸能力，移相變壓器作為一種靈活的潮流控制設(shè)備，可作為電網(wǎng)潮流控制功率調(diào)節(jié)的一個(gè)選擇。