許順凱，朱吉然，唐海國，趙邈，張帝，鄧威

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410208)

0 引言

我國自然能源與主要負荷中心呈現(xiàn)逆向分布，電力系統(tǒng)正致力于向電網(wǎng)互聯(lián)、遠距離傳輸和特高壓方向邁進[1-3]。然而，大型網(wǎng)絡的功率分布主要取決于網(wǎng)絡結構、網(wǎng)絡參數(shù)及發(fā)電模式，在網(wǎng)架拓撲和參數(shù)確定的情況下，大型網(wǎng)絡的功率分布也就基本確定了[4-6]。因此，為了進一步提高新型電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，亟需一種有效的潮流調節(jié)手段，能對電力系統(tǒng)的運行方式和運行參數(shù)實施有效的調節(jié)，確保電網(wǎng)在各種工況下的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟性運行。

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

某些國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，采取裝設移相器來解決日益嚴重的輸電線路潮流受阻等問題[11-13]。而在國內，移相器工程應用非常少，這和對電網(wǎng)架構、運行調度方式、移相器的研究較少都有一定關系[14-16]。

我國變壓器制造能力增強及電網(wǎng)拓撲結構趨于飽和，根據(jù)我國未來靈活輸電工程的規(guī)劃，高壓移相變壓器具有巨大的發(fā)展?jié)摿17-20]。因此，針對高壓移相變壓器的參數(shù)設計及潮流調控應用研究具有廣闊市場前景和巨大經(jīng)濟效益。為此，本文以高壓移相變壓器(high-voltage phase shifting transformer，HVPST)為基礎，針對HVPST的拓撲結構、等效模型、工作原理及調節(jié)特性等方面開展研究，并研制等比例樣機，搭建實驗平臺驗證其有效性，為后續(xù)研究和示范工程提供支撐。

1 HVPST的拓撲結構和工作原理

1.1 拓撲結構

高壓移相變壓器(HVPST)的拓撲結構如圖1所示。

圖1 高壓移相變壓器(HVPST)的 拓撲結構

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

UPSTA、UPSTB、UPSTC分別為串聯(lián)變壓器二次側繞組aC、bC、cC產(chǎn)生的補償電壓，線路首端電壓UsA、UsB、UsC經(jīng)過補償后分別為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)變壓器二次側繞組aC、bC、cC輸出的串聯(lián)補償電壓分別記為UHVPSTA、UHVPSTB、UHVPSTC，令勵磁變壓器一次側繞組AL、BL、CL的輸出電壓相量分別為UAL、UBL、UCL，勵磁變壓器二次側繞組aL、bL、cL的輸出電壓相量分別為UaL、UbL、UcL，三相輸電線路補償后的首端電壓表達式為：

(1)

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

1.2 等效模型

為了更清楚地了解HVPST的接線方式，將A相輸電線路補償電壓UHVPSTA的部分結構進行放大，如圖2所示。

圖2 HVPST的A相線路局部結構放大圖 (極性選擇器“+”極性)

串聯(lián)變壓器一次側繞組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)過串聯(lián)變壓器，得到二次側繞組aC上的線路A相串聯(lián)補償電壓UHVPSTA。

IsA和IsA1分別為A相線路電源側和A相線路負載側的電流相量。IAL和IaL分別是勵磁變壓器一次側繞組AL和勵磁變壓器二次側繞組aL的電流相量。IAC、IBC和ICC則分別是串聯(lián)變壓器一次側繞組AC、繞組BC和繞組CC的電流相量。有載分接開關配合極性選擇器在km(0，±1，±2，…，±m(xù))級內投切，通過投切有載分接開關的投切位置和改變極性選擇器，每個繞組提供的補償電壓范圍在負極性到正極性變化。

1.3 工作原理

根據(jù)圖1和圖2所示的HVPST拓撲結構可得到如圖3所示高壓移相變壓器的電壓電流相量圖。以A相為例，此時有載分接開關在(0，±1)級范圍投切，其中，UsA、UsB、UsC和UsA1、UsB1、UsC1分別為三相線路補償前后的電壓相量，相量UAL、UBL、UCL分別為勵磁變壓器一次側繞組的三相電壓，相量UaL、UbL、UcL分別為勵磁變壓器二次側繞組的三相電壓。電壓相量UAC(即UAC=UbL-UcL)為串聯(lián)變壓器一次側繞組AC電壓，經(jīng)過變比kc，得到串聯(lián)變二次側繞組aC端電壓UaC(即UHVPSTA)。同理可得B相補償電壓UHVPSTB(即UbC)、C相補償電壓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(滯后調節(jié))

由圖3可知，勵磁變壓器一次側A相繞組從相量UaC中點處取電，這樣就可以在電壓幅值不變的條件下實現(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中為滯后調節(jié))，其他兩相線路電壓同理。

令勵磁變壓器二次側繞組aL、bL、cL上有載分接開關的抽頭數(shù)為m，當調節(jié)極性選擇器及有載分接開關投切檔位km在±m(xù)處時，HVPST的輸出補償電壓幅值即為最大輸出電壓，也稱為HVPST勵磁變壓器二次側繞組的額定電壓，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相輸出補償電壓和補償前 后的線路首端電壓(超前/滯后調節(jié))

2 HVPST的潮流調節(jié)特性

接入HVPST裝置的簡單電力系統(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。輸電線路兩端簡化為理想的單機無窮大系統(tǒng)。補償前，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HVPST輸出電壓相量補償后，線路首端電壓相量用Us1表示，其幅值為Us1m，此時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)

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

(3)

在沒有加裝HVPST裝置時，線路末端的有功功率Pr0和無功功率Qr0為：

(4)

線路首末端電壓相量和HVPST的補償電壓相量表達式為：

(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、無功功率、HVPST裝置對線路末端有功與無功功率的調節(jié)量，如式(6)所示。

(6)

由于HVPST可在電壓幅值不變的前提下實現(xiàn)電壓移相功能，因此有U=Us=Ur，結合圖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HVPST調節(jié)移相角αHVPST，可改變線路末端功率Pr和Qr的數(shù)值，實現(xiàn)線路潮流的調節(jié)，從而達到調控穩(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，兩端電源為單機無窮大系統(tǒng)。

圖6 HVPST仿真模型的等效電路圖

將HVPST裝設在500 kV線路首端，通過分析HVPST在各個調節(jié)級數(shù)的穩(wěn)態(tài)調節(jié)效果和給定潮流目標時的暫態(tài)調節(jié)效果，來驗證HVPST拓撲結構和工作原理的可行性，各參數(shù)設置見表1。

表1 HVPST和系統(tǒng)的仿真參數(shù)設置

3.2 仿真結果及分析

當HVPST的有載分接開關在-13～+13級調節(jié)時，HVPST可以輸出27個電壓相量。在表1所示的仿真參數(shù)設置下，HVPST在各個有載分接開關投切位置時，HVPST對線路首端的調節(jié)效果如圖7所示?？梢钥闯觯琀VPST補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，對應的線路末端的有功功率、無功功率調節(jié)結果如圖8所示。其中橫坐標代表有功功率Pr，縱坐標代表無功功率Qr。

圖7 HVPST補償后的線路首端電壓相量

圖8 HVPST補償后的線路末端傳輸有功 功率Pr和傳輸無功功率Qr

圖8中的各潮流調節(jié)點與圖7中的各紅色“*”點一一對應，D點代表未裝設HVPST時系統(tǒng)末端的有功潮流為965.9 MW，無功潮流為-262.1 Mvar。圖中各紅色“●”點為HVPST的潮流調節(jié)點，從圖8中可以看出，經(jīng)HVPST裝置調節(jié)后，線路末端無功運行范圍為-720.4～-9.28 Mvar，線路末端的有功潮流運行范圍為90.19～1 524 MW，最小有功功率和最大無功功率分別對應圖中的H點和G點。

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

4 HVPST的雙端電源實驗驗證

為證明裝置拓撲和參數(shù)設計的正確性，本文等比例研制了一臺具有±25°移相角的380 V實驗樣機，并搭建了380 V雙端電源實驗平臺，對HVPST的調節(jié)特性進行驗證。

4.1 380 V樣機參數(shù)設計

380 V小容量的HVPST實驗樣機三相繞組和有載分接開關的主要電氣參數(shù)設計見表2。

表2 380 V實驗樣機的主要電氣參數(shù)

圖9為380 V實驗樣機的勵磁變壓器和串聯(lián)變壓器實物圖，其中有載分接開關的型號為WSPIII 63/10-5×5。

(a)380 V樣機的串聯(lián)變壓器部分

(b)380 V樣機的勵磁變壓器部分

圖9 380 V實驗樣機的實物圖

4.2 380 V雙端電源實驗平臺搭建

HVPST的380 V雙端電壓源實驗平臺搭建如圖10所示。該實驗平臺采用線電壓為380 V的電壓源，通過380 V/(0～430)V調壓器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380 V/(0～430)V調壓器及3個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雙端電壓源實驗平臺搭建

在HVPST實驗樣機中，串聯(lián)變壓器的一次側繞組為三角形連接，繞組首末端分別與勵磁變壓器二次側繞組另兩相繞組相連，二次側繞組則分三相分別串接三相線路、提供補償電壓，繞組中點引線分別連接至相同組別的勵磁變壓器一次側繞組。通過上述繞組連接，HVPST可在電壓幅值不變的前提下實現(xiàn)較大范圍的移相，從而調節(jié)線路潮流。實際的實驗平臺系統(tǒng)的參數(shù)見表3。

表3 380 V雙端電壓源實驗平臺的主要參數(shù)

4.3 實驗結果及分析

圖11為雙端電源實驗電氣參數(shù)隨調節(jié)級數(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，所對應的相位在-24.78°～+24.52°內變化。

圖11 雙端電源實驗電氣參數(shù)隨調節(jié)級數(shù)的變化曲線

因此，在380 V雙端電壓源實驗平臺參數(shù)下，HVPST對線路首端電壓幅值的調節(jié)范圍在-0.18%～+0.23%，相位的調節(jié)范圍在-24.78°～+24.52°。最小相位角-24.78°是在有載分接開關投切檔位km=-4時測得，最大移相角+24.52°是在有載分接開關投切檔位km=+4時測得的。

圖12為380 V樣機的有載分接開關投切在+2和-4檔位時，記錄的示波器波形，其中橫坐標5 ms/格，縱坐標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)開關投切+2檔時

(b)開關投切-4檔時

電壓波形圖

以上實驗數(shù)據(jù)驗證了HVPST對線路首端初始電壓相位和幅值的調節(jié)作用，對于380 V實驗樣機的其他檔位投切點，本實驗也記錄了線路末端的有功功率變化情況。

雙端電壓源實驗中，對應線路的有功功率和無功功率測量結果隨HVPST調節(jié)級數(shù)的變化曲線如圖13所示，對應的PDr-QDr運行曲線如圖14所示。

圖13中的PDr=138.69 W、Qr=-51.21 var為380 V樣機的有載分接開關投切在0檔位時，線路末端有功功率和無功功率的實測值。由圖13可知，在電壓允許偏差范圍內，對應的線路末端有功功率可以在+24.86～+214.83 W內調節(jié)，有功功率的最小值在-4檔位時獲得，有功功率的最大值在+4檔位時獲得。因此，在380 V雙端電源實驗平臺參數(shù)設計下，380 V HVPST實驗樣機對線路末端有功功率的調節(jié)范圍是+24.86～+214.83 W，無功功率的調節(jié)范圍是-136.72～-3.21 var。

圖13 三相線路末端有功功率PDr和無功功率 QDr隨HVPST調節(jié)級數(shù)的變化曲線

圖14 PDr-QDr運行曲線

5 結語

本文詳細分析了高壓移相變壓器(HVPST)的拓撲結構和工作原理，推導等效模型，并深入研究潮流調節(jié)理論和在雙端電源系統(tǒng)中的潮流調控應用，以典型500 kV雙端電源系統(tǒng)為例，開展了HVPST針對具體高壓大容量應用場景的潮流調控仿真研究，驗證了HVPST的有效性。

研制了一臺380 V/11.6 kVA的HVPST實驗樣機，對移相性能和潮流調控效果開展實驗，驗證了HVPST是一種經(jīng)濟可靠的潮流調節(jié)手段，具體應用中可以根據(jù)實際調控需求合理選擇HVPST的主要電氣參數(shù)，達到投資效益比更優(yōu)。