余珊，夏成軍，范國(guó)晨，李作紅，李峰，余夢(mèng)澤，劉若平

(1. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510080；3.廣東省新能源電力系統(tǒng)智能運(yùn)行與控制企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510663)

南方電網(wǎng)是一個(gè)具有遠(yuǎn)距離輸電、大容量輸電、交直流并聯(lián)運(yùn)行特征的大型復(fù)雜電力系統(tǒng)，隨著溪洛渡、糯扎渡、昆柳龍直流工程陸續(xù)投產(chǎn)，南方電網(wǎng)主網(wǎng)架已形成“八交十一直”的輸電格局。鑒于復(fù)雜的輸電格局，廣東電網(wǎng)存在著輸電、供電斷面因潮流分布不均受限，事故情況下的控制能力不足等典型問(wèn)題，主要體現(xiàn)在廣東500 kV東西交換斷面功率交換受限、粵東外送斷面功率受限、部分城市220 kV環(huán)網(wǎng)線路存在嚴(yán)重的潮流分布不均等方面。

移相變壓器(phase shifting transformer，PST)通過(guò)改變分接頭的方式進(jìn)行電壓相位的調(diào)節(jié)，其作為一種控制潮流的有效手段，在北美、歐洲及日本已經(jīng)應(yīng)用多年[1]。PST技術(shù)相對(duì)成熟，運(yùn)行維護(hù)相對(duì)容易，經(jīng)濟(jì)性顯著；但PST是通過(guò)傳統(tǒng)機(jī)械式調(diào)壓抽頭進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，響應(yīng)慢[2]。K.K.Sen在2003年提出了一種基于有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)的移相變壓器——Sen Transformer(ST)，用來(lái)進(jìn)行線路潮流的調(diào)節(jié)[3]。與PST相比，ST提供了更低的線路損耗，增強(qiáng)了潮流能力，并降低了成本[4]；但因負(fù)載分接開(kāi)關(guān)固有的離散特性，ST不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的調(diào)節(jié)輸出，其控制結(jié)果存在誤差且響應(yīng)速度慢[5-6]。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，柔性交流輸電系統(tǒng)(flexible AC transmission system，F(xiàn)ACTS)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，采用絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar translator，IGBT)控制的統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)是目前功能最完善的一種的潮流控制器，可快速、連續(xù)、獨(dú)立地調(diào)節(jié)輸電線路的有功、無(wú)功潮流，但安裝和運(yùn)行成本較高，限制了其在實(shí)際工程中的推廣和應(yīng)用[7]。可控移相器(thyristor controlled phase shifting transformer，TCPST)作為一種FACTS設(shè)備，具有穩(wěn)態(tài)潮流調(diào)控、抑制功率震蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等功能，是改善現(xiàn)有網(wǎng)架輸電能力的有效方法[8-9]。一方面，晶閘管調(diào)壓速度比機(jī)械調(diào)壓快得多，能夠滿足電力系統(tǒng)快速控制要求；另一方面，相較于UPFC，TCPST控制策略簡(jiǎn)單，造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用設(shè)備更低[10]。綜合考慮各種潮流控制器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和綜合效益以及工程實(shí)施的可行性，擬將TCPST應(yīng)用于廣東電網(wǎng)，以提高電網(wǎng)潮流控制水平，提高電網(wǎng)整體利用效率。

20世紀(jì)70年代，國(guó)外學(xué)者就開(kāi)始關(guān)注TCPST技術(shù)，并對(duì)TCPST短路電流水平、控制策略、穩(wěn)態(tài)特性等方面展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[11]研究不同操作模式下的TCPST數(shù)學(xué)模型，提出勵(lì)磁阻抗切換控制策略來(lái)抑制短路電流，利用PSCAD仿真驗(yàn)證引入勵(lì)磁阻抗切換控制對(duì)故障短路電流抑制的有效性。文獻(xiàn)[12]考慮線路的阻塞信息，引入線路有功潮流性能指標(biāo)，綜合比較電壓選址因子和相角選址因子這2個(gè)因素得到最佳安裝位置。文獻(xiàn)[13]采用基于仿真分析的復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法-測(cè)試信號(hào)法研究不同條件下TCPST對(duì)系統(tǒng)次同步振蕩的影響，仿真結(jié)果表明TCPST能夠有效地緩解甚至抑制次同步振蕩。TCPST還處于理論研究階段，目前已知2個(gè)晶閘管控制的TCPST工程在美國(guó)得到應(yīng)用，但沒(méi)有公開(kāi)的實(shí)際工程資料參考。國(guó)內(nèi)學(xué)者們對(duì)于TCPST應(yīng)用于實(shí)際電網(wǎng)也進(jìn)行了一定研究[14]，但是這些研究大多數(shù)集中在潮流建模和實(shí)現(xiàn)其功能的控制策略上，沒(méi)有考慮安裝TCPST后對(duì)系統(tǒng)過(guò)電壓的影響。

工頻過(guò)電壓對(duì)超高壓、遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)絕緣水平的確定起著決定性作用，工頻過(guò)電壓升高會(huì)威脅電氣設(shè)備安全，為了保障安裝TCPST后系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)含TCPST輸電線路工頻過(guò)電壓進(jìn)行校驗(yàn)。一般采用電磁暫態(tài)仿真分析典型故障下關(guān)鍵位置的電壓分布及其影響因素[15]。文獻(xiàn)[16]利用EMTP電磁暫態(tài)程序，以三端特高壓簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)分析靜止TCPST對(duì)甩負(fù)荷工頻過(guò)電壓以及分合閘操作過(guò)電壓的影響，但沒(méi)有對(duì)TCPST影響過(guò)電壓的機(jī)理進(jìn)行分析。

TCPST裝設(shè)在超高壓輸電線路上改變了原有系統(tǒng)參數(shù)，必然會(huì)對(duì)線路工頻過(guò)電壓產(chǎn)生一定影響。目前TCPST對(duì)系統(tǒng)過(guò)電壓影響方面的研究不足，且已有文獻(xiàn)并未涉及TCPST檔位和安裝位置影響工頻過(guò)電壓的相關(guān)內(nèi)容。本文針對(duì)TCPST的安裝位置及檔位變化對(duì)系統(tǒng)工頻過(guò)電壓的影響展開(kāi)研究，通過(guò)TCPST原理分析和PSCAD電磁暫態(tài)仿真計(jì)算，分析TCPST對(duì)空載容升、不對(duì)稱故障、甩負(fù)荷引起的工頻過(guò)電壓的作用機(jī)理，總結(jié)加裝TCPST、改變TCPST檔位及安裝位置對(duì)不同工頻過(guò)電壓的影響規(guī)律，為T(mén)CPST在電網(wǎng)中的應(yīng)用提供理論參考。

1 系統(tǒng)參數(shù)和模型

1.1 TCPST電磁暫態(tài)模型及參數(shù)

本文以離散型雙芯對(duì)稱TCPST作為研究對(duì)象，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由串聯(lián)變壓器一次繞組B1、B2和二次繞組B3，并聯(lián)變壓器一次側(cè)繞組E1和二次側(cè)繞組E2、E3、E4，以及晶閘管調(diào)壓電路構(gòu)成，其中元件符號(hào)后的a、b、c表示三相。TCPST利用并聯(lián)變壓器取得所在支路首端電壓，根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓裝置得到指定相角與幅值的電壓，最后利用串聯(lián)變壓器將此電壓注入到線路中，改變輸電線路的潮流分配。

圖1 雙芯對(duì)稱TCPST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

不考慮損耗時(shí)，TCPST電壓相量關(guān)系如圖2所示[17]，其中：USA、USB、USC分別為輸入端SA、SB、SC對(duì)應(yīng)的輸入電壓，ULA、ULB、ULC分別為輸出端LA、LB、LC對(duì)應(yīng)的輸出電壓，ULmA、ULmB、ULmC分別為A、B、C三相對(duì)應(yīng)的串聯(lián)變壓器中點(diǎn)電壓，ΔUA、ΔUB、ΔUC分別為A、B、C三相對(duì)應(yīng)的移相電壓幅值，α為移相角度。

圖2 雙芯對(duì)稱TCPST電壓相量關(guān)系

并聯(lián)變壓器一次繞組和二次繞組都采用中心點(diǎn)接地的星形接法，二次側(cè)繞組三部分匝數(shù)比為1∶3∶9，并與晶閘管控制器相連[18]。串聯(lián)變壓器一次繞組每相平均分為2個(gè)部分串聯(lián)在輸電線路中，中間引出抽頭與并聯(lián)變壓器一次側(cè)高壓端相聯(lián)，串聯(lián)變壓器二次繞組采用三角形接線。

根據(jù)TCPST的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接線方式，采用PSCAD/EMTDC 4.6.2版本對(duì)TCPST進(jìn)行電磁暫態(tài)建模和仿真，設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1[19]。

表1 TCPST設(shè)備參數(shù)

串聯(lián)變壓器采用3個(gè)單相三繞組變壓器表示，并聯(lián)變壓器采用3個(gè)單相四繞組表示，TCPST串聯(lián)變壓器和并聯(lián)變壓器之間通過(guò)晶閘管調(diào)壓電路連接。圖3所示為晶閘管調(diào)壓電路，每相采用12組晶閘管組構(gòu)成，利用晶閘管開(kāi)關(guān)的通斷控制不同極性副邊繞組的串聯(lián)獲得不同的檔位，實(shí)現(xiàn)TCPST檔位的切換?？刂朴|發(fā)信號(hào)使晶閘管組1和4、5和8、9和12導(dǎo)通，分別表示將并聯(lián)變壓器副邊繞組2、3、4正向串入電路；觸發(fā)晶閘管組1和2、5和6、9和10導(dǎo)通，則表示不接入相應(yīng)的副邊繞組；晶閘管組2和3、6和7、10和12導(dǎo)通，表示將反向接入相應(yīng)繞組。不同的晶閘管開(kāi)通和關(guān)斷組合，可獲得-13—+13共27個(gè)移相檔位。

圖3 晶閘管調(diào)壓電路

仿真驗(yàn)證TCPST電磁暫態(tài)模型的有效性，得到TCPST檔位和移相角度關(guān)系見(jiàn)表2，其中“-”表示反向接入，“+”表示正向接入，“×”表示不接入。

表2 TCPST檔位、移相角與并聯(lián)變壓器副邊繞組接入組合關(guān)系

1.2 系統(tǒng)概況

考慮線路間耦合作用，采用兩端電源同塔雙回輸電線路模型。圖4為安裝有TCPST的500 kV超高壓輸電線路接線圖，線路參數(shù)來(lái)源于廣東電網(wǎng)某地區(qū)500 kV典型超高壓輸電系統(tǒng)。為了更清晰地分析加裝TCPST后對(duì)系統(tǒng)過(guò)電壓的影響，模型中暫未采取任何限壓措施。首端電源電動(dòng)勢(shì)E1=230 kV∠0°，正序、負(fù)序、零序阻抗相等為Z11=Z12=Z10=j15 Ω；末端電源電動(dòng)勢(shì)E2=230 kV∠-20°，正序、負(fù)序、零序阻抗相等為Z21=Z22=Z20=j15 Ω。發(fā)電機(jī)變壓器采用雙繞組變壓器模型，連接組標(biāo)號(hào)為Y0/d11，容量為1 000 MVA。輸電線路采用貝瑞隆模型(the Bergeron model)，全長(zhǎng)200 km，線路導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-630/45，采用四分裂，計(jì)算直流電阻為0.046 33 Ω/km，計(jì)算半徑為14.658 mm，分裂間距為400 mm；2根地線全線采用JLB40-150，計(jì)算直流電阻為0.295 2 Ω/km，計(jì)算半徑為7.875 mm，大地電阻率取300 Ω·m。線路桿塔參數(shù)如圖5所示[20]。

圖4 安裝有TCPST的500 kV超高壓輸電線路接線圖

圖5 線路桿塔參數(shù)

2 空載長(zhǎng)線的電容效應(yīng)

由于超高壓輸電線距離比較長(zhǎng)，采用分布式參數(shù)模型研究線路工頻過(guò)電壓。假定每相輸電線路的電阻、電感、電導(dǎo)、電容效應(yīng)是沿線均勻分布的，R0、G0、L0、C0為單位長(zhǎng)度的電阻、電感、電導(dǎo)、電容。圖6為均勻分布參數(shù)線路模型，其中，U2、I2為末端電壓、電流，x為線路上任意一點(diǎn)到線路末端的距離。

圖6 均勻分布參數(shù)的線路模型

為了方便計(jì)算，忽略線路損耗，得到線路傳輸矩陣

(1)

圖7 TCPST等值電路

(2)

(3)

理想變壓器沒(méi)有功率損耗，則

(4)

因此，

(5)

由等值電路關(guān)系可得：

(6)

(7)

將式(7)代入式(6)，有

(8)

得到TCPST傳輸矩陣

(9)

帶TCPST的復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)如圖8所示，其中U1、I1為首端電壓、電流。將TCPST裝在線路首端，利用復(fù)合二端口理論求得帶TCPST輸電線路新的傳輸矩陣

圖8 帶TCPST的復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)

T3=[AB]，

(10)

由線路空載邊界條件I2=0，可得沿線電壓

(11)

式中Kp為工頻電壓升高系數(shù)。

在工程應(yīng)用中，由于變壓器繞組電抗的數(shù)值遠(yuǎn)大于電阻，為簡(jiǎn)化計(jì)算，通常忽略變壓器繞組電阻，即阻抗Ze用jXeq表示。TCPST帶空載長(zhǎng)線沿線電壓

(12)

為了更好地研究TCPST對(duì)空載電容效應(yīng)的影響，利用PSCAD/EMTDC軟件，分別在輸電線路首端、末端安裝TCPST并記錄關(guān)鍵點(diǎn)過(guò)電壓值(標(biāo)幺值，下同)，見(jiàn)表4。

表4 空載長(zhǎng)線引起的工頻過(guò)電壓

由表4可知，TCPST接入對(duì)輸電線路的電容效應(yīng)工頻過(guò)電壓有影響，TCPST裝設(shè)后，線路首端、中點(diǎn)、末端工頻過(guò)電壓都增大。裝設(shè)在首端時(shí)，隨著TCPST檔位增大，工頻過(guò)電壓倍數(shù)增加，這是由于TCPST檔位與等效電抗成正比；安裝在末端時(shí)，由于TCPST輸出端開(kāi)路，串聯(lián)變壓器沒(méi)有電容電流流過(guò)，調(diào)節(jié)TCPST檔位增大等效電抗，不會(huì)影響線路工頻過(guò)電壓。建議在使用TCPST時(shí)，要留有一定的過(guò)電壓裕度。

3 不對(duì)稱接地故障引起的工頻過(guò)電壓

不對(duì)稱短路是電力系統(tǒng)中常見(jiàn)的故障形式，當(dāng)發(fā)生單相或兩相對(duì)地短路時(shí)，短路電流的零序分量會(huì)使健全相出現(xiàn)工頻過(guò)電壓，其中單相接地故障最為常見(jiàn)[21]。

設(shè)A相故障接地，采用對(duì)稱分量法利用復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行分析，非故障相電壓升壓計(jì)算公式為：

UB=UC=KwE,

(13)

(14)

式中：Kw為單相接地因數(shù)；X1為正序電抗，包括發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)同步電抗、變壓器漏抗及線路感抗等；X0為零序電抗，因系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的不同有較大的差別；UB、UC為非故障相電壓；E為電源電動(dòng)勢(shì)。

TCPST正序等效電抗值[22]

(15)

式中：m為T(mén)CPST變化一個(gè)檔位時(shí)移相角近似改變的角度；XB1、XB3為串聯(lián)變壓器原邊繞組B1和副邊繞組B3的電抗值；XE1為并聯(lián)變壓器原邊繞組E1的電抗值；nB為串聯(lián)變壓器的繞組B3與繞組B1的匝數(shù)比；XET為并聯(lián)變壓器副邊繞組的等效漏電抗。

分接檔位

(16)

結(jié)合式(15)、(16)，可知TCPST檔位絕對(duì)值與等效正序阻抗成正比。

(17)

利用PSCAD/EMTDC，在輸電線路末端設(shè)置A相接地故障，計(jì)算不對(duì)稱故障引起的單相短路工頻過(guò)電壓，仿真結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 單相接地故障引起的工頻過(guò)電壓

4 甩負(fù)荷引起的工頻過(guò)電壓

輸電線路傳輸重負(fù)荷時(shí)，由于某種原因線路末端斷路器突然跳閘甩掉負(fù)荷，也是造成工頻電壓升高的原因之一，通常稱為甩負(fù)荷效應(yīng)。在工頻過(guò)電壓研究中，取正常送電狀態(tài)下甩負(fù)荷和在線路末端(或受端)單相接地故障下甩負(fù)荷作為確定電網(wǎng)工頻過(guò)電壓的條件。2種故障方式下的工頻過(guò)電壓影響因素不盡相同。

a)線路正常狀態(tài)下甩負(fù)荷引起工頻電壓升高的主要影響因素有3點(diǎn)：一是甩負(fù)荷前線路輸送潮流(特別是向線路輸送無(wú)功潮流)的大小，它決定了電源電動(dòng)勢(shì)的大小，一般來(lái)講，向線路輸送無(wú)功越大，電源電動(dòng)勢(shì)也越高，工頻過(guò)電壓也相對(duì)較高；二是饋電電源的容量，它決定了電源的等值阻抗，電源容量越小，阻抗越大，可能出現(xiàn)的工頻過(guò)電壓越高；三是線路長(zhǎng)度，線路越長(zhǎng)，線路充電的容性無(wú)功越大，工頻過(guò)電壓越高。

不考慮電源電動(dòng)勢(shì)和電源容量的變化，正常狀態(tài)下甩負(fù)荷過(guò)電壓與線路長(zhǎng)度成正比。從第2章分析可知，加入TCPST后，其等效電抗相當(dāng)于增加了線路長(zhǎng)度，使諧振點(diǎn)提前，增加了工頻過(guò)電壓倍數(shù)。所以，TCPST會(huì)使線路正常狀態(tài)下甩負(fù)荷工頻過(guò)電壓增大，并且隨著TCPST檔位增加，過(guò)電壓倍數(shù)增大。

b)不對(duì)稱短路引起的甩負(fù)荷工頻過(guò)電壓除了與上述因素有關(guān)，還與單相接地點(diǎn)向電源側(cè)看進(jìn)去的X0/X1有很大關(guān)系。在不考慮電源電動(dòng)勢(shì)和電源容量變化的情況下，單相接地故障甩負(fù)荷引起的工頻過(guò)電壓為空載線路電容效應(yīng)與單相接地故障綜合產(chǎn)生的工頻過(guò)電壓。

甩負(fù)荷仿真計(jì)算時(shí)，考慮正常運(yùn)行狀態(tài)下甩負(fù)荷以及線路末端有單相接地故障下甩負(fù)荷2種故障跳閘方式。500 kV輸電線路無(wú)故障甩負(fù)荷引起的工頻過(guò)電壓見(jiàn)表6，故障甩負(fù)荷引起的工頻過(guò)電壓見(jiàn)表7，表中數(shù)據(jù)均為線路末端過(guò)電壓值。

表6 無(wú)故障甩負(fù)荷引起的工頻過(guò)電壓

表7 故障甩負(fù)荷引起的工頻過(guò)電壓

由表6可知，將TCPST接入線路，正常送電甩負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生更大的工頻過(guò)電壓，且隨著TCPST檔位增加，過(guò)電壓倍數(shù)增加。TCPST安裝在末端時(shí)，斷路器斷開(kāi)后，電容電流并沒(méi)有流過(guò)串聯(lián)變壓器，TCPST對(duì)線路過(guò)電壓影響很小，而由第2章分析可知，TCPST安裝在首端時(shí)，會(huì)加劇電容效應(yīng)，增大工頻過(guò)電壓。所以TCPST安裝在首端相比安裝在末端處的工頻過(guò)電壓倍數(shù)更大一點(diǎn)，最大過(guò)電壓為1.154，符合GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定。

故障甩負(fù)荷所引起的工頻過(guò)電壓是空載線路電容效應(yīng)與單相接地故障綜合產(chǎn)生的工頻過(guò)電壓。由表7可知，TCPST接入輸電線路，會(huì)產(chǎn)生更加強(qiáng)烈的故障甩負(fù)荷引起的過(guò)電壓，最大過(guò)電壓為1.358，略低于GB/T 50064—2014中規(guī)定的限值(1.4)。建議在安裝TCPST前，對(duì)故障甩負(fù)荷過(guò)電壓進(jìn)行校核，以保障輸電線路運(yùn)行安全。

5 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析和建模仿真，計(jì)算裝設(shè)TCPST后500 kV輸電線路的工頻過(guò)電壓，得到以下結(jié)論：

a)對(duì)于空載容升引起工頻過(guò)電壓情況，裝設(shè)TCPST相當(dāng)于增加線路長(zhǎng)度，使得工頻過(guò)電壓升高，并且隨著TCPST檔位增加，工頻過(guò)電壓升壓增大。

b)TCPST裝設(shè)使得線路X0/X1降低，抑制單相接地故障引起的工頻過(guò)電壓升高，隨著TCPST檔位增大，抑制能力增強(qiáng)，最大工頻過(guò)電壓出現(xiàn)在不裝設(shè)TCPST時(shí)，因此不必針對(duì)TCPST采取特殊的抑制措施。

c)無(wú)故障甩負(fù)荷工頻過(guò)電壓與線路長(zhǎng)度成正比，裝設(shè)TCPST將增加無(wú)故障甩負(fù)荷引起的工頻過(guò)電壓，隨著TCPST檔位增加，過(guò)電壓倍數(shù)增加；故障甩負(fù)荷引起的過(guò)電壓受容升效應(yīng)和單相接地故障的影響較大，甩負(fù)荷產(chǎn)生的過(guò)電壓是二者的疊加，最大故障甩負(fù)荷過(guò)電壓為1.358，略低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限值(1.4)。

d)TCPST對(duì)電網(wǎng)的影響結(jié)果存在安裝位置的差異化，結(jié)合工程實(shí)際，本文建議TCPST安裝在線路末端，對(duì)線路工頻過(guò)電壓具有積極影響。

e)無(wú)論是否采用TCPST，500 kV線路帶空載長(zhǎng)線運(yùn)行、發(fā)生不對(duì)稱故障、無(wú)故障甩負(fù)荷和單相故障甩負(fù)荷時(shí)的工頻過(guò)電壓均在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。但在故障甩負(fù)荷情況下，最大過(guò)電壓逼近行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限值，因此在TCPST接入線路后，需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)故障甩負(fù)荷時(shí)所引起的過(guò)電壓。