電廠(chǎng)主變分接頭優(yōu)化配置研究分析

程思萌，劉 柳，陶 翔，陳 波，汪碩承

（國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

近年來(lái)，為滿(mǎn)足清潔能源大規(guī)模送出、負(fù)荷中心電力可靠供應(yīng)等方面的需求，國(guó)家電網(wǎng)正大力發(fā)展特高壓直流輸電技術(shù)[1-3]，但是直流接入的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)電壓穩(wěn)定水平惡化的問(wèn)題[4-5]。

目前提升系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的控制措施一般都是電源側(cè)控制措施。同步調(diào)相機(jī)提升系統(tǒng)電壓水平效果有限[6]；加裝并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備成本高，且需要經(jīng)常維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用高[7]；抽蓄機(jī)組空載調(diào)相運(yùn)行無(wú)功支撐效果有限，且增加抽蓄機(jī)組損耗[8]；機(jī)組留旋轉(zhuǎn)備用雖然動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力強(qiáng)，但降低發(fā)電廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益，大面積機(jī)組檢修期間不具備留旋備條件[9]。

電力系統(tǒng)最大的無(wú)功電源是發(fā)電機(jī)，如果能通過(guò)調(diào)整某些參數(shù)使得發(fā)電機(jī)在暫態(tài)過(guò)程中發(fā)揮最優(yōu)電壓無(wú)功特性，則可以大大提升系統(tǒng)的暫態(tài)電壓水平。因此，文中從電網(wǎng)側(cè)著手，基于分接頭檔位和發(fā)電機(jī)無(wú)功之間的關(guān)系，同時(shí)考慮分接頭檔位對(duì)機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力的影響，確定了一種發(fā)電廠(chǎng)主變分接頭最優(yōu)檔位計(jì)算方法，并以特高壓直流接入后的實(shí)際電網(wǎng)為研究算例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，計(jì)算出不同分接頭檔位下的系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定水平和機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力，最終給出主變最優(yōu)分接頭檔位。

1 分接頭的調(diào)整與系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平的關(guān)系

1.1 變壓器的基本調(diào)壓特性

調(diào)整主變分接頭檔位對(duì)改變系統(tǒng)電壓的作用可用圖1 來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。圖1（a）是變壓器原始等值網(wǎng)絡(luò)圖，圖1（b）是變壓器用阻抗表示的等值網(wǎng)絡(luò)。圖中各參數(shù)都用標(biāo)幺值表示，其中ZT為變壓器的短路阻抗；ZA、ZB分別為網(wǎng)絡(luò)A、B 側(cè)的等值阻抗；k為變壓器變比的標(biāo)么值。Z1=ZT/k（k-1），Z2=ZT/（1-k）[10]。

圖1 經(jīng)變壓器連接的等值網(wǎng)絡(luò)

由Z1、Z2的公式分析可得：

1）當(dāng)k>1時(shí)

Z1>0為感性，相當(dāng)于在變壓器一側(cè)放置并聯(lián)電抗器，向系統(tǒng)吸收感性無(wú)功；

Z2<0為容性，相當(dāng)于在變壓器一側(cè)放置并聯(lián)電容器，向系統(tǒng)送出感性無(wú)功。

2）當(dāng)k<1時(shí)

Z1<0為容性，相當(dāng)于在變壓器一側(cè)放置并聯(lián)電容器，向系統(tǒng)送出感性無(wú)功；

Z2>0為感性，相當(dāng)于在變壓器一側(cè)放置并聯(lián)電抗器，向系統(tǒng)吸收感性無(wú)功。

因此，改變主變分接頭檔位，即改變變壓器變比k，實(shí)質(zhì)上就是改變Z1和Z2的符號(hào)與大小，從而影響變壓器兩側(cè)系統(tǒng)無(wú)功潮流分布和變壓器兩側(cè)電壓[11]。

1.2 分接頭檔位與機(jī)組無(wú)功的關(guān)系

圖2 是電廠(chǎng)升壓變等值電路圖。其中Ug為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓（低壓側(cè)電壓），UT為發(fā)電機(jī)高壓側(cè)電壓，k為變壓器變比的標(biāo)么值。

圖2 電廠(chǎng)升壓變等值電路圖

由于低壓側(cè)往往接帶單臺(tái)發(fā)電機(jī)，單機(jī)對(duì)高壓側(cè)電網(wǎng)而言，高壓側(cè)可看作無(wú)窮大系統(tǒng)，因此高壓側(cè)電壓UT近似為不變。

若調(diào)低電廠(chǎng)升壓變分接頭檔位，即增大升壓變變比k，在高壓側(cè)電壓不變的前提下，機(jī)端電壓Ug降低。此時(shí)發(fā)電機(jī)為了保持機(jī)端電壓恒定，將在自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置作用下，增加無(wú)功出力。

因此，當(dāng)電廠(chǎng)升壓變分接頭檔位降低時(shí)，發(fā)電機(jī)的無(wú)功出力會(huì)增加；同理電廠(chǎng)升壓變分接頭檔位升高時(shí)，發(fā)電機(jī)的無(wú)功出力會(huì)減少。

1.3 機(jī)組無(wú)功和系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平的關(guān)系

文中從電壓穩(wěn)定水平和功角穩(wěn)定水平兩個(gè)方面分別進(jìn)行分析。

1.3.1 電壓穩(wěn)定水平

在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，隨著母線(xiàn)電壓的急劇跌落并聯(lián)電容器的無(wú)功功率補(bǔ)償量會(huì)大量減少，與發(fā)電機(jī)特性正好相反，在系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)無(wú)功支撐時(shí)卻減少了無(wú)功輸出，對(duì)受端電網(wǎng)而言表現(xiàn)出不利的動(dòng)態(tài)無(wú)功特性。發(fā)電機(jī)與電容器的動(dòng)態(tài)無(wú)功特性曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)與電容器的動(dòng)態(tài)無(wú)功特性曲線(xiàn)圖

因此，初始時(shí)刻在系統(tǒng)總無(wú)功一定時(shí)，發(fā)電機(jī)初始無(wú)功越多，即電容器初始投入的無(wú)功越少，故障時(shí)系統(tǒng)的總無(wú)功就越多，因此系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平越高。

1.3.2 功角穩(wěn)定水平

圖4 是發(fā)電機(jī)等值電路圖，圖5 是功率因素j角對(duì)電勢(shì)E 的影響。其中E為發(fā)電機(jī)內(nèi)電動(dòng)勢(shì)，U為受端電壓，d為內(nèi)電動(dòng)勢(shì)E與電壓U之間的相位角，j為功率因數(shù)角，是電壓U與電流I之間的相位角。

圖4 發(fā)電機(jī)等值電路圖

圖5 功率因素角j對(duì)電勢(shì)E的影響

因此，機(jī)組初始無(wú)功越大，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定水平和功角穩(wěn)定水平均越高。

2 主變分接頭對(duì)機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力的影響

機(jī)組的最大無(wú)功進(jìn)相能力主要與發(fā)電機(jī)功角、定子電流、機(jī)端電壓三個(gè)因素有關(guān)，主變分接頭檔位的改變會(huì)導(dǎo)致機(jī)端電壓發(fā)生變化。主變分接頭檔位越低，高壓側(cè)電壓相同時(shí)，機(jī)端電壓也越低，相同外部條件下更容易越下限，導(dǎo)致機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力相應(yīng)變小。

圖6 表示的是系統(tǒng)電壓與機(jī)端電壓之間的關(guān)系，其中Ug為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，Ut為系統(tǒng)電壓，k為變壓器變比。

圖6 系統(tǒng)電壓與機(jī)端電壓之間的關(guān)系

根據(jù)圖6可得：

則

機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行時(shí)Q＜0，顯然可得發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓Ug隨變比k單調(diào)遞減。變比k越大，即抽頭檔位越低，機(jī)端電壓也越低，機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力相應(yīng)變?。煌碜儽萲越小，即抽頭檔位越高，機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力也相應(yīng)增大[12]。

機(jī)組的最大進(jìn)相能力越小，意味著需要配備更多的電抗器來(lái)系統(tǒng)中多余的無(wú)功，大大增加了成本。因此，機(jī)組的最大無(wú)功進(jìn)相能力越大越好。

3 主變分接頭優(yōu)化配置計(jì)算流程

根據(jù)上述分析，綜合考慮分接頭的調(diào)整對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平和機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力兩方面的制約因素，確定最優(yōu)分接頭檔位的步驟如下所示：

1）通過(guò)給定的發(fā)電機(jī)和電廠(chǎng)主變的基礎(chǔ)參數(shù)，可以計(jì)算出i個(gè)檔位下機(jī)組的最大無(wú)功進(jìn)相能力Xi（通常電廠(chǎng)主變抽頭檔位為5個(gè)，即i=5）；

2）將Xi分別與給定的最大無(wú)功進(jìn)相能力參考值Xref比較，Xref=k1QN=k1PNtanjN（其中PN、QN、分別為發(fā)電機(jī)的額定有功功率、額定無(wú)功功率、額定功率因數(shù)角，k1一般取0.3）。若Xi≥Xref，則輸出滿(mǎn)足要求的j個(gè)檔位（其中，j≤i），否則無(wú)優(yōu)化空間（根據(jù)檔位越低，機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力越小，滿(mǎn)足要求的j個(gè)檔位為高檔位）

3）在輸出的j個(gè)檔位下可以分別計(jì)算出機(jī)組的無(wú)功出力Qj；

4）將Qj分別與機(jī)組允許的無(wú)功出力最大值Qmax比較，Qmax=k2QN=k2PNtanjN（其中k2一般取0.85），若Qj≤Qmax，則輸出滿(mǎn)足要求的z個(gè)檔位（其中，z≤j），否則無(wú)優(yōu)化空間；

5）根據(jù)檔位越低，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定特性越好，選擇z個(gè)檔位中的最低檔位為最優(yōu)分接頭檔位。

主變分接頭檔位優(yōu)化配置的計(jì)算流程如圖7所示。

圖7 主變分接頭檔位優(yōu)化配置計(jì)算流程

4 算例分析

以江西電網(wǎng)2021 年豐水期平負(fù)荷數(shù)據(jù)（雅湖直流400萬(wàn)kW）為算例進(jìn)行仿真計(jì)算。

4.1 分接頭檔位調(diào)整對(duì)機(jī)組無(wú)功和主變兩側(cè)電壓的變化情況

在江西電網(wǎng)3 個(gè)不同區(qū)域分別選取A、B、C 三臺(tái)機(jī)組進(jìn)行升壓變分接頭檔位的調(diào)整，維持機(jī)端電壓不變，升壓變高壓側(cè)母線(xiàn)電壓以及發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功功率變化情況如表1所示。

表1 不同分接頭檔位下機(jī)組無(wú)功和主變高壓側(cè)電壓

方式一：3臺(tái)機(jī)組的初始主變分接頭均在3檔，江西500 kV母線(xiàn)電壓在520 kV左右；

方式二：在方式一基礎(chǔ)上將3 臺(tái)機(jī)組主變分接頭改為5檔；

方式三：在方式二基礎(chǔ)上投退無(wú)功補(bǔ)償裝置，調(diào)整電壓至520 kV左右。

三種方式下發(fā)電機(jī)的無(wú)功出力變化情況如圖8所示。

圖8 不同分接頭檔位下發(fā)電機(jī)無(wú)功出力

由表1和圖8可得，調(diào)高電廠(chǎng)升壓變分接頭檔位，即減小升壓變變比k，發(fā)電機(jī)無(wú)功出力會(huì)減少，電廠(chǎng)升壓變高壓側(cè)母線(xiàn)電壓會(huì)降低；若繼續(xù)投退無(wú)功補(bǔ)償裝置使得電壓恢復(fù)到原有水平，即系統(tǒng)總無(wú)功保持不變，發(fā)電機(jī)無(wú)功出力會(huì)進(jìn)一步降低甚至進(jìn)相運(yùn)行。

4.2 分接頭檔位調(diào)整對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平的變化情況

1）定性分析

在4.1 小節(jié)中方式一（抽頭檔位在3 檔）和方式三（抽頭檔位在5檔）兩種方式下，發(fā)生500 kV同桿并架線(xiàn)路N-2故障后換流站母線(xiàn)電壓曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 不同分接頭檔位下故障后換流站母線(xiàn)電壓曲線(xiàn)

由圖9 曲線(xiàn)可以明顯看出，抽頭檔位在3 檔的方式下，發(fā)生故障后系統(tǒng)的電壓恢復(fù)的更快，暫態(tài)穩(wěn)定特性更好。

2）定量分析

為保證雅湖直流受入400萬(wàn)kW電力，在方式一（抽頭檔位在3檔）和方式三（抽頭檔位在5檔）兩種方式下計(jì)算火電機(jī)組所需的旋轉(zhuǎn)備用量，結(jié)果如表2所示。

表2 不同分接頭檔位下火電機(jī)組所需旋備量

由表2 可以得出，抽頭檔位由3 檔提升至5 檔后，為保證雅湖直流受入400 萬(wàn)kW 電力，火電機(jī)組所需的旋備量增加了54 萬(wàn)kW。因此，抽頭檔位在3 檔的方式下系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定特性更好。

因此，通過(guò)上述仿真分析結(jié)果可以驗(yàn)證升壓變抽頭檔位越低，系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平越高。

4.3 分接頭檔位調(diào)整對(duì)機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力的變化情況

在江西電網(wǎng)3 個(gè)不同區(qū)域分別選取D、E、F 三臺(tái)機(jī)組，在不同電廠(chǎng)升壓變分接頭檔位下計(jì)算機(jī)組的最大無(wú)功進(jìn)相能力。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同分接頭檔位下機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力MVar

由表4 可以得出，升壓變抽頭檔位越高，機(jī)組的最大無(wú)功進(jìn)相能力越大。

表4 所有檔位下機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力MVar

4.4 分接頭檔位優(yōu)化配置

選取江西電網(wǎng)某臺(tái)220 kV機(jī)組開(kāi)展仿真分析。

1）機(jī)組參數(shù)：Xd=184.5%；發(fā)電機(jī)額定容量為711 MVA；額定有功功率為640 MW；定子額定電流為18 661.8 A；額定功率因數(shù)為0.9；機(jī)端額定電壓為22 kV；

機(jī)組升壓變參數(shù)：短路阻抗為Xt=8%；升壓變高壓側(cè)額定容量為780 MVA；額定電壓為（242±2×2.5%/22）kV。

根據(jù)以上參數(shù)，可以計(jì)算出機(jī)組在所有分接頭檔位下的最大無(wú)功進(jìn)相能力，結(jié)果如表4所示。

2）機(jī)組的最大無(wú)功進(jìn)相能力參考值Xref=k1tanPN=（0.3×0.48×640）MVar=92.16 MVar，將表4 中5 個(gè)檔位下的數(shù)值與Xref比較，其中只有3 檔、4 檔和5 檔這3個(gè)檔位滿(mǎn)足要求；

3）在3 檔、4 檔和5 檔這3 個(gè)檔位下分別計(jì)算機(jī)組的無(wú)功出力，分別為380.24 MVar、250.76 MVar 和140.15MVar；

4）機(jī)組允許的無(wú)功出力最大值Qmax=k2tanPN=（0.85×0.48×640）MVar =261.12 MVar，與3 檔、4 檔和5 檔這3 個(gè)檔位下機(jī)組的無(wú)功出力進(jìn)行比較，只有4檔和5檔這2個(gè)檔位滿(mǎn)足要求；

5）根據(jù)檔位越低，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定特性越好，因此選擇4檔為最優(yōu)分接頭檔位。

5 結(jié)語(yǔ)

文中主要分析了電廠(chǎng)主變分接頭檔位的調(diào)整對(duì)主變兩側(cè)電壓、機(jī)組無(wú)功、系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平以及機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力的影響變化并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，基于上述影響因素提出一種主變分接頭優(yōu)化配置方法，以江西電網(wǎng)實(shí)際廠(chǎng)站算例進(jìn)行仿真計(jì)算。主要結(jié)論如下：

1）現(xiàn)有提升系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的控制措施一般都是電源側(cè)控制措施，而調(diào)整電廠(chǎng)主變分接頭檔位是從電網(wǎng)側(cè)來(lái)提升系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平的措施，且具有操作方便、效果顯著、經(jīng)濟(jì)好等優(yōu)點(diǎn)；

2）優(yōu)化電廠(chǎng)主變分接頭檔位，可以改變變壓器兩側(cè)電壓和系統(tǒng)無(wú)功潮流分布，當(dāng)分接頭檔位降低時(shí)，發(fā)電機(jī)的無(wú)功增加，從而電容器投入組數(shù)減少（即改變系統(tǒng)的網(wǎng)源穩(wěn)態(tài)無(wú)功占比），因此系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平有所提高；

3）電廠(chǎng)主變分接頭檔位越低，機(jī)組機(jī)端電壓也越低，機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力也相應(yīng)變小。機(jī)組的最大進(jìn)相能力越小，意味著需要配備更多的電抗器來(lái)系統(tǒng)中多余的無(wú)功，大大增加了成本。因此，機(jī)組的最大進(jìn)相能力越大越好。

4）綜合考慮分接頭檔位對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平和機(jī)組最大無(wú)功進(jìn)相能力兩方面制約因素，結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)用性，提出一種主變分接頭檔位優(yōu)化配置方法，通過(guò)實(shí)際算例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明了該方法的可行性。