高壓移相變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)及其潮流調(diào)控應(yīng)用

許順凱，朱吉然，唐海國(guó)，趙邈，張帝，鄧威

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410208)

0 引言

我國(guó)自然能源與主要負(fù)荷中心呈現(xiàn)逆向分布，電力系統(tǒng)正致力于向電網(wǎng)互聯(lián)、遠(yuǎn)距離傳輸和特高壓方向邁進(jìn)[1-3]。然而，大型網(wǎng)絡(luò)的功率分布主要取決于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及發(fā)電模式，在網(wǎng)架拓?fù)浜蛥?shù)確定的情況下，大型網(wǎng)絡(luò)的功率分布也就基本確定了[4-6]。因此，為了進(jìn)一步提高新型電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，亟需一種有效的潮流調(diào)節(jié)手段，能對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式和運(yùn)行參數(shù)實(shí)施有效的調(diào)節(jié)，確保電網(wǎng)在各種工況下的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

移相變壓器(phase shifting transformer，PST)，簡(jiǎn)稱移相器或移相變，也稱相角調(diào)節(jié)器。通過(guò)在原線路輸入側(cè)電壓上疊加一個(gè)合適的電壓相量，使得線路兩側(cè)電壓相位差發(fā)生變化，合理分配電能傳輸，確保電力系統(tǒng)安全和提高運(yùn)行效率[7-8]。相較于其他調(diào)節(jié)方式，具有成本低、可靠性高、效率高等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，可有效提高現(xiàn)有電網(wǎng)資產(chǎn)的利用效率。

某些國(guó)家由于土地資源緊張，新建輸變電工程受制于環(huán)境、成本和時(shí)間等各方面因素，需要充分挖掘現(xiàn)有電網(wǎng)輸電潛力，采取裝設(shè)移相器來(lái)解決日益嚴(yán)重的輸電線路潮流受阻等問(wèn)題[11-13]。而在國(guó)內(nèi)，移相器工程應(yīng)用非常少，這和對(duì)電網(wǎng)架構(gòu)、運(yùn)行調(diào)度方式、移相器的研究較少都有一定關(guān)系[14-16]。

我國(guó)變壓器制造能力增強(qiáng)及電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)趨于飽和，根據(jù)我國(guó)未來(lái)靈活輸電工程的規(guī)劃，高壓移相變壓器具有巨大的發(fā)展?jié)摿17-20]。因此，針對(duì)高壓移相變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)及潮流調(diào)控應(yīng)用研究具有廣闊市場(chǎng)前景和巨大經(jīng)濟(jì)效益。為此，本文以高壓移相變壓器(high-voltage phase shifting transformer，HVPST)為基礎(chǔ)，針對(duì)HVPST的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、等效模型、工作原理及調(diào)節(jié)特性等方面開(kāi)展研究，并研制等比例樣機(jī)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證其有效性，為后續(xù)研究和示范工程提供支撐。

1 HVPST的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

高壓移相變壓器(HVPST)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓移相變壓器(HVPST)的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

HVPST由勵(lì)磁變壓器(簡(jiǎn)稱勵(lì)磁變)和串聯(lián)變壓器(簡(jiǎn)稱串聯(lián)變)組成。UsA、UsB、UsC分別為補(bǔ)償前的三相輸電線路首端電壓相量；AL、BL、CL和aL、bL、cL分別表示勵(lì)磁變壓器的一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組；AC、BC、CC和aC、bC、cC分別表示串聯(lián)變壓器的一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組。

UPSTA、UPSTB、UPSTC分別為串聯(lián)變壓器二次側(cè)繞組aC、bC、cC產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓，線路首端電壓UsA、UsB、UsC經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后分別為UsA1、UsB1、UsC1，線路末端電壓相量分別為UrA、UrB、UrC，忽略線路電阻，三相輸電線路電抗值分別為XLa、XLb、XLc。

串聯(lián)變壓器二次側(cè)繞組aC、bC、cC輸出的串聯(lián)補(bǔ)償電壓分別記為UHVPSTA、UHVPSTB、UHVPSTC，令勵(lì)磁變壓器一次側(cè)繞組AL、BL、CL的輸出電壓相量分別為UAL、UBL、UCL，勵(lì)磁變壓器二次側(cè)繞組aL、bL、cL的輸出電壓相量分別為UaL、UbL、UcL，三相輸電線路補(bǔ)償后的首端電壓表達(dá)式為：

(1)

kc為串聯(lián)變壓器一次側(cè)繞組與二次側(cè)繞組的變比值，串聯(lián)變壓器的一次側(cè)繞組為三角形連接，從勵(lì)磁變壓器二次側(cè)繞組取電，即串聯(lián)變壓器一次側(cè)繞組相電壓為勵(lì)磁變壓器二次側(cè)繞組線電壓。

1.2 等效模型

為了更清楚地了解HVPST的接線方式，將A相輸電線路補(bǔ)償電壓UHVPSTA的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大，如圖2所示。

圖2 HVPST的A相線路局部結(jié)構(gòu)放大圖 (極性選擇器“+”極性)

串聯(lián)變壓器一次側(cè)繞組AC首末端分別與繞組bL與繞組cL相連，形成繞組AC上的端電壓UAC(UAC=UbL-UcL)，最后經(jīng)過(guò)串聯(lián)變壓器，得到二次側(cè)繞組aC上的線路A相串聯(lián)補(bǔ)償電壓UHVPSTA。

IsA和IsA1分別為A相線路電源側(cè)和A相線路負(fù)載側(cè)的電流相量。IAL和IaL分別是勵(lì)磁變壓器一次側(cè)繞組AL和勵(lì)磁變壓器二次側(cè)繞組aL的電流相量。IAC、IBC和ICC則分別是串聯(lián)變壓器一次側(cè)繞組AC、繞組BC和繞組CC的電流相量。有載分接開(kāi)關(guān)配合極性選擇器在km(0，±1，±2，…，±m(xù))級(jí)內(nèi)投切，通過(guò)投切有載分接開(kāi)關(guān)的投切位置和改變極性選擇器，每個(gè)繞組提供的補(bǔ)償電壓范圍在負(fù)極性到正極性變化。

1.3 工作原理

根據(jù)圖1和圖2所示的HVPST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可得到如圖3所示高壓移相變壓器的電壓電流相量圖。以A相為例，此時(shí)有載分接開(kāi)關(guān)在(0，±1)級(jí)范圍投切，其中，UsA、UsB、UsC和UsA1、UsB1、UsC1分別為三相線路補(bǔ)償前后的電壓相量，相量UAL、UBL、UCL分別為勵(lì)磁變壓器一次側(cè)繞組的三相電壓，相量UaL、UbL、UcL分別為勵(lì)磁變壓器二次側(cè)繞組的三相電壓。電壓相量UAC(即UAC=UbL-UcL)為串聯(lián)變壓器一次側(cè)繞組AC電壓，經(jīng)過(guò)變比kc，得到串聯(lián)變二次側(cè)繞組aC端電壓UaC(即UHVPSTA)。同理可得B相補(bǔ)償電壓UHVPSTB(即UbC)、C相補(bǔ)償電壓UHVPSTC(即UcC)，其他兩相線路電壓以此類推。

圖3 HVPST的三相電壓相量圖(滯后調(diào)節(jié))

由圖3可知，勵(lì)磁變壓器一次側(cè)A相繞組從相量UaC中點(diǎn)處取電，這樣就可以在電壓幅值不變的條件下實(shí)現(xiàn)電壓移相的功能，移相前后，線路首端電壓相量UsA和UsA1之間形成移相角α(圖3中為滯后調(diào)節(jié))，其他兩相線路電壓同理。

令勵(lì)磁變壓器二次側(cè)繞組aL、bL、cL上有載分接開(kāi)關(guān)的抽頭數(shù)為m，當(dāng)調(diào)節(jié)極性選擇器及有載分接開(kāi)關(guān)投切檔位km在±m(xù)處時(shí)，HVPST的輸出補(bǔ)償電壓幅值即為最大輸出電壓，也稱為HVPST勵(lì)磁變壓器二次側(cè)繞組的額定電壓，用UL2N(UaLN=UbLN=UcLN=UL2N)表示。HVPST的A相輸出電壓UHVPSTA相對(duì)于線路首端電壓UsA的相位記為βHVPSTA，如圖4所示。

圖4 HVPST的A相輸出補(bǔ)償電壓和補(bǔ)償前 后的線路首端電壓(超前/滯后調(diào)節(jié))

2 HVPST的潮流調(diào)節(jié)特性

接入HVPST裝置的簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)示意圖，如圖5所示，其中HVPST串聯(lián)變壓器的補(bǔ)償電壓用電壓相量UHVPST表示，該電壓相量的幅值為UHVPSTm，相位為βHVPST。輸電線路兩端簡(jiǎn)化為理想的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)。補(bǔ)償前，線路首端電壓用Us表示，其幅值為Usm，相位為0°；線路末端電壓用Ur表示，其幅值為Urm，相位為-δ，即線路首末端本身的相位差即功角為δ。經(jīng)過(guò)HVPST輸出電壓相量補(bǔ)償后，線路首端電壓相量用Us1表示，其幅值為Us1m，此時(shí)線路首末的相位差為δ1。忽略輸電線路的電阻和電容，輸電線路的等效電抗用XL表示。

圖5 接入HVPST裝置的輸電線路

將線路的傳輸功率記為Sr=Pr+jQr，由圖5可知，功率Sr可以表示為(式中*表示共軛)：

(2)

在沒(méi)有加裝HVPST裝置時(shí)，HVPST的輸出電壓UHVPST=0，此時(shí)線路末端傳輸?shù)墓β蕿镾r0，其中有功功率與無(wú)功功率分別記為Pr0、Qr0，線路末端的功率計(jì)算式為(式中*表示共軛)：

(3)

在沒(méi)有加裝HVPST裝置時(shí)，線路末端的有功功率Pr0和無(wú)功功率Qr0為：

(4)

線路首末端電壓相量和HVPST的補(bǔ)償電壓相量表達(dá)式為：

(5)

將式(5)分別帶入式(2)，得到加裝HVPST裝置后，輸電線路末端的有功、無(wú)功功率、HVPST裝置對(duì)線路末端有功與無(wú)功功率的調(diào)節(jié)量，如式(6)所示。

(6)

由于HVPST可在電壓幅值不變的前提下實(shí)現(xiàn)電壓移相功能，因此有U=Us=Ur，結(jié)合圖3，令HVPST的移相角為αHVPST，也可得線路末端功率為：

由式(7)可知，通過(guò)HVPST調(diào)節(jié)移相角αHVPST，可改變線路末端功率Pr和Qr的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)線路潮流的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到調(diào)控穩(wěn)態(tài)潮流、電壓相位，均衡多線傳輸系統(tǒng)潮流，提高斷面輸電容量，增大備用線路緊急傳輸容量等目的。

3 HVPST的雙端系統(tǒng)仿真研究

3.1 仿真模型參數(shù)設(shè)置

在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型的等效電路圖如圖6所示，兩端電源為單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)。

圖6 HVPST仿真模型的等效電路圖

將HVPST裝設(shè)在500 kV線路首端，通過(guò)分析HVPST在各個(gè)調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)效果和給定潮流目標(biāo)時(shí)的暫態(tài)調(diào)節(jié)效果，來(lái)驗(yàn)證HVPST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理的可行性，各參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 HVPST和系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果及分析

當(dāng)HVPST的有載分接開(kāi)關(guān)在-13～+13級(jí)調(diào)節(jié)時(shí)，HVPST可以輸出27個(gè)電壓相量。在表1所示的仿真參數(shù)設(shè)置下，HVPST在各個(gè)有載分接開(kāi)關(guān)投切位置時(shí)，HVPST對(duì)線路首端的調(diào)節(jié)效果如圖7所示?？梢钥闯?，HVPST補(bǔ)償后線路首端電壓的移相角范圍為-27.37°～+24.25°。

在圖7所示的各電壓相量下，對(duì)應(yīng)的線路末端的有功功率、無(wú)功功率調(diào)節(jié)結(jié)果如圖8所示。其中橫坐標(biāo)代表有功功率Pr，縱坐標(biāo)代表無(wú)功功率Qr。

圖7 HVPST補(bǔ)償后的線路首端電壓相量

圖8 HVPST補(bǔ)償后的線路末端傳輸有功 功率Pr和傳輸無(wú)功功率Qr

圖8中的各潮流調(diào)節(jié)點(diǎn)與圖7中的各紅色“*”點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，D點(diǎn)代表未裝設(shè)HVPST時(shí)系統(tǒng)末端的有功潮流為965.9 MW，無(wú)功潮流為-262.1 Mvar。圖中各紅色“●”點(diǎn)為HVPST的潮流調(diào)節(jié)點(diǎn)，從圖8中可以看出，經(jīng)HVPST裝置調(diào)節(jié)后，線路末端無(wú)功運(yùn)行范圍為-720.4～-9.28 Mvar，線路末端的有功潮流運(yùn)行范圍為90.19～1 524 MW，最小有功功率和最大無(wú)功功率分別對(duì)應(yīng)圖中的H點(diǎn)和G點(diǎn)。

結(jié)合圖7和圖8可知，HVPST能夠調(diào)節(jié)線路首端電壓的相位，靈活調(diào)節(jié)線路末端傳輸?shù)挠泄β屎蜔o(wú)功功率，仿真結(jié)果證明了HVPST用于調(diào)節(jié)線路潮流的有效性和可行性。

4 HVPST的雙端電源實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為證明裝置拓?fù)浜蛥?shù)設(shè)計(jì)的正確性，本文等比例研制了一臺(tái)具有±25°移相角的380 V實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并搭建了380 V雙端電源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)HVPST的調(diào)節(jié)特性進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 380 V樣機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

380 V小容量的HVPST實(shí)驗(yàn)樣機(jī)三相繞組和有載分接開(kāi)關(guān)的主要電氣參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 380 V實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主要電氣參數(shù)

圖9為380 V實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的勵(lì)磁變壓器和串聯(lián)變壓器實(shí)物圖，其中有載分接開(kāi)關(guān)的型號(hào)為WSPIII 63/10-5×5。

(a)380 V樣機(jī)的串聯(lián)變壓器部分

(b)380 V樣機(jī)的勵(lì)磁變壓器部分

圖9 380 V實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)物圖

4.2 380 V雙端電源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

HVPST的380 V雙端電壓源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖10所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用線電壓為380 V的電壓源，通過(guò)380 V/(0～430)V調(diào)壓器1得到相電壓為220 V的線路首端初始電壓UDsA、UDsB、UDsC。此外，三相電壓源通過(guò)380 V/(0～430)V調(diào)壓器及3個(gè)380 V/220 V單相降壓變壓器得到線路末端電壓UDrA、UDrB、UDrC。

圖10 380 V雙端電壓源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

在HVPST實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中，串聯(lián)變壓器的一次側(cè)繞組為三角形連接，繞組首末端分別與勵(lì)磁變壓器二次側(cè)繞組另兩相繞組相連，二次側(cè)繞組則分三相分別串接三相線路、提供補(bǔ)償電壓，繞組中點(diǎn)引線分別連接至相同組別的勵(lì)磁變壓器一次側(cè)繞組。通過(guò)上述繞組連接，HVPST可在電壓幅值不變的前提下實(shí)現(xiàn)較大范圍的移相，從而調(diào)節(jié)線路潮流。實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 380 V雙端電壓源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要參數(shù)

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖11為雙端電源實(shí)驗(yàn)電氣參數(shù)隨調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)的變化曲線，可以看出在電壓幅值基本保持不變的前提下，所對(duì)應(yīng)的相位在-24.78°～+24.52°內(nèi)變化。

圖11 雙端電源實(shí)驗(yàn)電氣參數(shù)隨調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)的變化曲線

因此，在380 V雙端電壓源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)下，HVPST對(duì)線路首端電壓幅值的調(diào)節(jié)范圍在-0.18%～+0.23%，相位的調(diào)節(jié)范圍在-24.78°～+24.52°。最小相位角-24.78°是在有載分接開(kāi)關(guān)投切檔位km=-4時(shí)測(cè)得，最大移相角+24.52°是在有載分接開(kāi)關(guān)投切檔位km=+4時(shí)測(cè)得的。

圖12為380 V樣機(jī)的有載分接開(kāi)關(guān)投切在+2和-4檔位時(shí)，記錄的示波器波形，其中橫坐標(biāo)5 ms/格，縱坐標(biāo)100 V/格。圖12中，波形CH1表示線路A相首端初始電壓UDsA，波形CH2表示補(bǔ)償后的線路A相首端電壓UDsA1，波形CH3表示線路A相電阻器后電壓UDsA2，波形CH4表示線路A相末端電壓UDrA。

(a)開(kāi)關(guān)投切+2檔時(shí)

(b)開(kāi)關(guān)投切-4檔時(shí)

電壓波形圖

以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了HVPST對(duì)線路首端初始電壓相位和幅值的調(diào)節(jié)作用，對(duì)于380 V實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的其他檔位投切點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)也記錄了線路末端的有功功率變化情況。

雙端電壓源實(shí)驗(yàn)中，對(duì)應(yīng)線路的有功功率和無(wú)功功率測(cè)量結(jié)果隨HVPST調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)的變化曲線如圖13所示，對(duì)應(yīng)的PDr-QDr運(yùn)行曲線如圖14所示。

圖13中的PDr=138.69 W、Qr=-51.21 var為380 V樣機(jī)的有載分接開(kāi)關(guān)投切在0檔位時(shí)，線路末端有功功率和無(wú)功功率的實(shí)測(cè)值。由圖13可知，在電壓允許偏差范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的線路末端有功功率可以在+24.86～+214.83 W內(nèi)調(diào)節(jié)，有功功率的最小值在-4檔位時(shí)獲得，有功功率的最大值在+4檔位時(shí)獲得。因此，在380 V雙端電源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)設(shè)計(jì)下，380 V HVPST實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)線路末端有功功率的調(diào)節(jié)范圍是+24.86～+214.83 W，無(wú)功功率的調(diào)節(jié)范圍是-136.72～-3.21 var。

圖13 三相線路末端有功功率PDr和無(wú)功功率 QDr隨HVPST調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)的變化曲線

圖14 PDr-QDr運(yùn)行曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了高壓移相變壓器(HVPST)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，推導(dǎo)等效模型，并深入研究潮流調(diào)節(jié)理論和在雙端電源系統(tǒng)中的潮流調(diào)控應(yīng)用，以典型500 kV雙端電源系統(tǒng)為例，開(kāi)展了HVPST針對(duì)具體高壓大容量應(yīng)用場(chǎng)景的潮流調(diào)控仿真研究，驗(yàn)證了HVPST的有效性。

研制了一臺(tái)380 V/11.6 kVA的HVPST實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)移相性能和潮流調(diào)控效果開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了HVPST是一種經(jīng)濟(jì)可靠的潮流調(diào)節(jié)手段，具體應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際調(diào)控需求合理選擇HVPST的主要電氣參數(shù)，達(dá)到投資效益比更優(yōu)。