余珊，夏成軍，范國晨，李作紅，李峰，余夢澤，劉若平

(1. 華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司電網(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)智能運行與控制企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510663)

南方電網(wǎng)是一個具有遠距離輸電、大容量輸電、交直流并聯(lián)運行特征的大型復雜電力系統(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)線路存在嚴重的潮流分布不均等方面。

移相變壓器(phase shifting transformer，PST)通過改變分接頭的方式進行電壓相位的調(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)相對成熟，運行維護相對容易，經(jīng)濟性顯著；但PST是通過傳統(tǒng)機械式調(diào)壓抽頭進行電壓調(diào)節(jié)，開關(guān)動作時間長，響應(yīng)慢[2]。K.K.Sen在2003年提出了一種基于有載調(diào)壓開關(guān)的移相變壓器——Sen Transformer(ST)，用來進行線路潮流的調(diào)節(jié)[3]。與PST相比，ST提供了更低的線路損耗，增強了潮流能力，并降低了成本[4]；但因負載分接開關(guān)固有的離散特性，ST不能實現(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)、獨立地調(diào)節(jié)輸電線路的有功、無功潮流，但安裝和運行成本較高，限制了其在實際工程中的推廣和應(yīng)用[7]?？煽匾葡嗥?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控制策略簡單，造價和維護費用設(shè)備更低[10]。綜合考慮各種潮流控制器的技術(shù)經(jīng)濟和綜合效益以及工程實施的可行性，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70年代，國外學者就開始關(guān)注TCPST技術(shù)，并對TCPST短路電流水平、控制策略、穩(wěn)態(tài)特性等方面展開研究。文獻[11]研究不同操作模式下的TCPST數(shù)學模型，提出勵磁阻抗切換控制策略來抑制短路電流，利用PSCAD仿真驗證引入勵磁阻抗切換控制對故障短路電流抑制的有效性。文獻[12]考慮線路的阻塞信息，引入線路有功潮流性能指標，綜合比較電壓選址因子和相角選址因子這2個因素得到最佳安裝位置。文獻[13]采用基于仿真分析的復轉(zhuǎn)矩系數(shù)法-測試信號法研究不同條件下TCPST對系統(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個晶閘管控制的TCPST工程在美國得到應(yīng)用，但沒有公開的實際工程資料參考。國內(nèi)學者們對于TCPST應(yīng)用于實際電網(wǎng)也進行了一定研究[14]，但是這些研究大多數(shù)集中在潮流建模和實現(xiàn)其功能的控制策略上，沒有考慮安裝TCPST后對系統(tǒng)過電壓的影響。

工頻過電壓對超高壓、遠距離傳輸系統(tǒng)絕緣水平的確定起著決定性作用，工頻過電壓升高會威脅電氣設(shè)備安全，為了保障安裝TCPST后系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，需要對含TCPST輸電線路工頻過電壓進行校驗。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[16]利用EMTP電磁暫態(tài)程序，以三端特高壓簡化網(wǎng)絡(luò)分析靜止TCPST對甩負荷工頻過電壓以及分合閘操作過電壓的影響，但沒有對TCPST影響過電壓的機理進行分析。

TCPST裝設(shè)在超高壓輸電線路上改變了原有系統(tǒng)參數(shù)，必然會對線路工頻過電壓產(chǎn)生一定影響。目前TCPST對系統(tǒng)過電壓影響方面的研究不足，且已有文獻并未涉及TCPST檔位和安裝位置影響工頻過電壓的相關(guān)內(nèi)容。本文針對TCPST的安裝位置及檔位變化對系統(tǒng)工頻過電壓的影響展開研究，通過TCPST原理分析和PSCAD電磁暫態(tài)仿真計算，分析TCPST對空載容升、不對稱故障、甩負荷引起的工頻過電壓的作用機理，總結(jié)加裝TCPST、改變TCPST檔位及安裝位置對不同工頻過電壓的影響規(guī)律，為TCPST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稱TCPST作為研究對象，其主電路拓撲結(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 雙芯對稱TCPST拓撲結(jié)構(gòu)

不考慮損耗時，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對應(yīng)的輸入電壓，ULA、ULB、ULC分別為輸出端LA、LB、LC對應(yīng)的輸出電壓，ULmA、ULmB、ULmC分別為A、B、C三相對應(yīng)的串聯(lián)變壓器中點電壓，ΔUA、ΔUB、ΔUC分別為A、B、C三相對應(yīng)的移相電壓幅值，α為移相角度。

圖2 雙芯對稱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的電路拓撲結(jié)構(gòu)和接線方式，采用PSCAD/EMTDC 4.6.2版本對TCPST進行電磁暫態(tài)建模和仿真，設(shè)備參數(shù)見表1[19]。

表1 TCPST設(shè)備參數(shù)

串聯(lián)變壓器采用3個單相三繞組變壓器表示，并聯(lián)變壓器采用3個單相四繞組表示，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，實現(xiàn)TCPST檔位的切換?？刂朴|發(fā)信號使晶閘管組1和4、5和8、9和12導通，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導通，表示將反向接入相應(yīng)繞組。不同的晶閘管開通和關(guān)斷組合，可獲得-13—+13共27個移相檔位。

圖3 晶閘管調(diào)壓電路

仿真驗證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后對系統(tǒng)過電壓的影響，模型中暫未采取任何限壓措施。首端電源電動勢E1=230 kV∠0°，正序、負序、零序阻抗相等為Z11=Z12=Z10=j15 Ω；末端電源電動勢E2=230 kV∠-20°，正序、負序、零序阻抗相等為Z21=Z22=Z20=j15 Ω。發(fā)電機變壓器采用雙繞組變壓器模型，連接組標號為Y0/d11，容量為1 000 MVA。輸電線路采用貝瑞隆模型(the Bergeron model)，全長200 km，線路導線型號為LGJ-630/45，采用四分裂，計算直流電阻為0.046 33 Ω/km，計算半徑為14.658 mm，分裂間距為400 mm；2根地線全線采用JLB40-150，計算直流電阻為0.295 2 Ω/km，計算半徑為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 空載長線的電容效應(yīng)

由于超高壓輸電線距離比較長，采用分布式參數(shù)模型研究線路工頻過電壓。假定每相輸電線路的電阻、電感、電導、電容效應(yīng)是沿線均勻分布的，R0、G0、L0、C0為單位長度的電阻、電感、電導、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)值遠大于電阻，為簡化計算，通常忽略變壓器繞組電阻，即阻抗Ze用jXeq表示。TCPST帶空載長線沿線電壓

(12)

為了更好地研究TCPST對空載電容效應(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)鍵點過電壓值(標幺值，下同)，見表4。

表4 空載長線引起的工頻過電壓

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

3 不對稱接地故障引起的工頻過電壓

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

設(shè)A相故障接地，采用對稱分量法利用復合序網(wǎng)進行分析，非故障相電壓升壓計算公式為：

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為電源電動勢。

TCPST正序等效電抗值[22]

(15)

式中：m為TCPST變化一個檔位時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，計算不對稱故障引起的單相短路工頻過電壓，仿真結(jié)果見表5。

表5 單相接地故障引起的工頻過電壓

4 甩負荷引起的工頻過電壓

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

a)線路正常狀態(tài)下甩負荷引起工頻電壓升高的主要影響因素有3點：一是甩負荷前線路輸送潮流(特別是向線路輸送無功潮流)的大小，它決定了電源電動勢的大小，一般來講，向線路輸送無功越大，電源電動勢也越高，工頻過電壓也相對較高；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)的工頻過電壓越高；三是線路長度，線路越長，線路充電的容性無功越大，工頻過電壓越高。

不考慮電源電動勢和電源容量的變化，正常狀態(tài)下甩負荷過電壓與線路長度成正比。從第2章分析可知，加入TCPST后，其等效電抗相當于增加了線路長度，使諧振點提前，增加了工頻過電壓倍數(shù)。所以，TCPST會使線路正常狀態(tài)下甩負荷工頻過電壓增大，并且隨著TCPST檔位增加，過電壓倍數(shù)增大。

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

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

表6 無故障甩負荷引起的工頻過電壓

表7 故障甩負荷引起的工頻過電壓

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

故障甩負荷所引起的工頻過電壓是空載線路電容效應(yīng)與單相接地故障綜合產(chǎn)生的工頻過電壓。由表7可知，TCPST接入輸電線路，會產(chǎn)生更加強烈的故障甩負荷引起的過電壓，最大過電壓為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，對故障甩負荷過電壓進行校核，以保障輸電線路運行安全。

5 結(jié)論

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

a)對于空載容升引起工頻過電壓情況，裝設(shè)TCPST相當于增加線路長度，使得工頻過電壓升高，并且隨著TCPST檔位增加，工頻過電壓升壓增大。

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電壓升高，隨著TCPST檔位增大，抑制能力增強，最大工頻過電壓出現(xiàn)在不裝設(shè)TCPST時，因此不必針對TCPST采取特殊的抑制措施。

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

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

e)無論是否采用TCPST，500 kV線路帶空載長線運行、發(fā)生不對稱故障、無故障甩負荷和單相故障甩負荷時的工頻過電壓均在標準允許的范圍內(nèi)。但在故障甩負荷情況下，最大過電壓逼近行業(yè)標準限值，因此在TCPST接入線路后，需要重點監(jiān)測故障甩負荷時所引起的過電壓。