利用移相變壓器提高川渝斷面輸電能力的研究

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(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

四川電網僅通過由500 kV洪溝—板橋雙回(簡稱洪板雙回)和500 kV黃巖—萬縣雙回(簡稱黃萬雙回)構成的川渝斷面與華中電網交流互聯。“十二五”期間，隨著以向家壩、溪洛渡等為代表的大型水電站的投運，川渝斷面輸電極限極大地限制了四川水電的送出。提高川渝斷面的輸送極限已經成為四川電網甚至華中電網重點關注的問題之一。

移相變壓器(phase-shifting transformer, PST)，簡稱移相器，可以實現按照一定方向和一定功率的潮流控制，改變環網潮流分布，進而達到避免輸電線路或變壓器主設備過負荷的情況，提高供電可靠性，并實現合理分配線路潮流以提高輸電斷面功率的目的[1]。此外，文獻[2]指出，移相器對于降低短路電流也有一定的作用，文獻[3]指出基于晶閘管技術的靜止移相器還能提高系統穩定性，通過恰當的控制手段實現對系統振蕩的抑制。

川渝斷面輸電能力受限的根本原因是洪板雙回和黃萬雙回潮流分布不均，潮流不均導致洪板雙回過早達到穩定極限，而黃萬雙回潮流很小得不到充分利用，極大的限制了川渝斷面的輸電能力。雅安—武漢1 000 kV交流特高壓建成后，將緩解川電外送的壓力，然而，受施工難度和其他不可抗拒因數的影響，工程進度存在較大的不確定性。因此，從充分利用現有網架資源的角度出發，研究配置移相器改善潮流分布進而提高川渝斷面的輸電能力具有重要意義。

首先對移相器在世界各地的應用與研究情況進行調研，并簡單介紹移相器的基本原理、選址原則以及設計方法，最后對移相器在川渝斷面應用的可行性進行了分析。基于PSASP的仿真研究結果表明，移相器能夠顯著提高川渝斷面的輸送能力；同時，對改善500 kV洪溝站的短路電流也有一定的作用。

1 移相器的應用與研究現狀

有關移相器的認知最早始于20世紀30年代。之后的若干年間，北美、日本以及歐洲多個國家如瑞典、荷蘭、德國等的學者和工程師們進行了大量研究，并實現了移相器在電網中的實際應用。截止到目前，世界上已有幾十臺移相器應用的記錄。典型的移相器應用記錄可歸納如表1所示。

從表1可以看到，國外的移相器應用已經相當成熟，各個電壓等級均有了應用的記錄。基于這些工程應用經驗，IEEE已經形成了移相器的標準[10]，為移相器的應用技術條件、設備規范和現場試驗要求等提供了指導。

表1 移相器的應用情況

目前，生產移相器的廠家主要有西門子、ABB、依林、Alstom、Cooper等。在國內，保定天威保變電氣股份有限公司是唯一擁有自主知識產權和供貨經驗的廠家，主要供貨美國、加拿大等海外國家[11-12]。然而，保定天威保變電氣目前的供貨記錄最高電壓等級為220 kV，不確定是否有生產500 kV等級移相器的能力。

2 移相器的基本原理

2.1 移相器的移相原理

根據對電壓幅值和相角的調節效果不同，移相器可分為縱向、橫向和斜向三種[3]。縱向移相器在線路中串入與輸入電壓相同或反相的附加電勢，以改變電壓幅值，而不能改變相位。橫向移相器在線路中串入與輸入電壓正交的附加電勢，可同時實現對幅值和相位的調節。橫向移相器雖然既可以調節電壓的大小也可以調節電壓的相位，但其補償電壓只有一個自由度，調節方式不夠靈活。為此，斜向移相器應運而生，它可以靈活地調節電壓的幅值和相位，得到了廣泛的應用。下面以斜向移相器為例對移相器的基本原理進行簡單說明。

如圖1所示，移相器一般由串聯變壓器和并聯變壓器兩部分組成[2]。串聯變壓器為Y/△聯接，并聯變壓器為Y/Y聯接，且中性點接地。串聯變壓器的原邊繞組與線路串聯，中間抽頭連接到并聯變壓器的原邊繞組。并聯變壓器與線路并聯，副邊繞組帶有極性選擇器KZF并具有分接頭控制，與串聯變壓器的副邊繞組相連，連接的相序對應關系為A→C、B→A、C→B。

圖1 典型移相器的原理接線圖

圖2 移相器各變壓器繞組電壓相位關系圖

圖3 移相原理圖

2.2 移相器的等值模型

圖4 PSASP中移相器仿真等值模型示意圖

在進行仿真時，移相器可用漏抗ZPST串聯一個變比為復數的理想變壓器來模擬，其等值圖如圖4所示[15]。在仿真時，通常設置Gm和Bm為無窮大，RPST為0，即忽略激磁電導、激磁電納以及漏電阻，變比通常設置為1，輸入的控制角α為不考慮損耗時的理想值α=αJ-αI′，考慮漏抗ZPST=jXPST后，移相器實際的調整角度α′=αJ-αI跟仿真輸入的α會有一定的差異。

2.3 移相器控制線路潮流

對于兩端輸電系統，設受端母線的電壓相角為0，則線路傳輸功率為

(1)

式中，U1、U2分別為送、受端的電壓幅值；δ為送端電壓相角；XL為線路阻抗。

當線路中串聯有如圖4所示的移相器時，線路傳輸的功率為

(2)

從式(2)可知：1)移相器的串入，改變了線路傳輸功率的大小，若送端和受端還有其他線路相連，則移相器改變了潮流在兩回線路上的分布；2)移相器使得送受電兩端能夠用更小的相角差傳輸相同的功率，并且兩端傳送功率的最大值降低；3)移相器引入的漏電抗Xpst相當于在線路中串聯了一個電抗，增大了移相器安裝母線與系統的電氣距離，可以降低安裝位置的短路電流。

3 移相器的設計

3.1 移相器的選址

文獻[13]、[14]對移相器的選址問題進行了研究，綜合分析可知，在進行移相器的選址時，需要考慮如下幾個指標：1)安裝移相器后潮流的改變量；2)線路潮流變化關于移相器調節幅度的靈敏度。其中指標1直接體現了移相器的效果，指標2則體現了移相器的效率，對于改變相同的潮流，需要移相的角度越小，移相器的損耗越小。

當然，在實際應用時，還需要綜合考慮出線間隔、變電站建設場地等因素，需要針對實際問題進行具體分析。

3.2 移相器容量的選擇

移相器的容量即為所在線路的極限傳輸容量，根據文獻[3]的分析結論，串聯變壓器和并聯變壓器的容量相同。設配置移相器的線路極限傳輸容量為，移相器的空載移相角調節范圍為±α，則并聯和串聯變壓器的容量為[3]

S并=S串=Ssinα

(3)

由于通常α較小，可知，并聯變壓器和串聯變壓器的容量遠小于移相器的總容量。

4 移相器在川渝斷面的應用分析

川渝斷面由南部通道洪板雙回和北部通道黃萬雙回構成，實現四川電網與華中主網的交流互聯，如圖5所示。

圖5 川渝斷面輸電示意圖

由于四川的水電主要集中在西部和南部，重慶的負荷集中在南部，使得四川水電主要通過南部通道送至重慶南部負荷中心。進一步仿真分析表明，在同等負荷條件下，增加川西南水電開機會增加洪板線的潮流，進而增大洪板線和黃萬線的潮流；增加渝北火電開機會限制北部通道的潮流，同樣會增大洪板線和黃萬線的潮流，并且渝北火電對川渝斷面的潮流分布的影響更大。其原因是渝北火電的開機相當于在北部通道的受端增加了一個大的電源，從而限制北部通道的潮流傳輸；川西南水電的開機相當于在南部通道送端增加大電源，從而進一步增大南部通道的潮流水平。最終導致洪板雙回嚴重過載，限制川渝斷面的輸電極限，給四川水電的送出帶來了極大的壓力。與此同時，黃萬雙回潮流過輕，500 kV線路得不到充分利用，造成了資源的浪費。以PSASP軟件為仿真工具，研究通過裝配移相器改善潮流分布情況，提高黃萬線的利用率，進而提高川渝斷面的送出能力。

4.1 移相器安裝位置的選擇

按照前面給出的移相器安裝位置選擇原則，分別模擬在洪板雙回、黃萬雙回加裝移相器，仿真結果分別如表2和表3所示。仿真中忽略電阻，漏電抗選擇與相鄰的500 kV主變壓器正序電抗一致。

表2 洪板雙回洪溝側加裝移相器

表3 黃萬雙回黃巖側加裝移相器

從表2和表3可以看到，加裝移相器后實際的移相角與設置的控制角不同，這是由于等值漏抗的滯后作用。當洪板線加移相器時，由于移相器移相目標本來就是滯后角度，等值漏抗恰好起正作用，因此移相器僅需要很小的角度就能實現較好的潮流轉移結果；而在黃萬線安裝時，需要移相器移相目標為超前一定角度，這時漏抗起反作用，需要較大的移相角才能實現潮流的轉移。洪板線洪溝側加裝移相器時，移相器改變相同角度時引起的潮流轉移量遠大于在黃萬線黃巖側安裝的情況，因此移相器更適合配置在洪板雙回洪溝側。

4.2 移相器的容量設計

按照洪板線單回熱穩極限1 900 MW設計移相器的容量，移相器的額定功率可選擇為2 000 MVA。根據前面分析，洪溝側的移相器不需要太大的移相角就能夠取得很好的潮流轉移效果，設計移相角為±10°，則串聯和并聯電壓的容量均為2 000×sin 10°=347 MVA，可設計為350 MVA。由于遠期洪板線可能更換為耐熱導線，單回容量為3 000 MW，此時按照移相器設計容量3 200 MVA，串聯變壓器和并聯變壓器的容量同理可計算為555 MVA，可設計為560 MVA。

4.3 2013年豐大典型方式數據校核

對加裝移相器后的控制效果進行校核，采用2013年豐大數據的仿真結果如表4所示。

表4 洪板雙回洪溝側加裝移相器熱穩定分析(2013)

表4中，雙回線路的潮流轉移比按式(4)計算為

(4)

從表4可以看到，不加移相器時，洪板線N-1后的潮流轉移比達到86.1%；洪板線與黃萬線的潮流比為2:1。按照洪板線單回1 900 MW的能力計算，川渝斷面的外送能力僅為1 900÷86.1%×(1/2+1)=3 310 MW。加裝移相器后，洪板線N-1后潮流轉移比顯著降低，川渝斷面外送能力提升至5 090 MW。因此，移相器能夠顯著改善斷面的潮流分布，提高斷面的輸電能力。

“十二五”期間，隨著四川電網網架結構不斷加強，以及以錦屏、向家壩、溪洛渡為代表的大型電站的投運，導致四川電網500 kV母線的短路電流急劇增加，部分母線500 kV開關已經逼近遮斷容量，威脅電網安全運行。根據電網發展規劃，未來5年四川電網抑制短路電流的工作將十分緊迫。

從圖4所示的移相器等值電路可以看到，移相器可視為在線路中串聯了一個電抗XPST(忽略RPST)和只改變相位的變壓器。電抗XPST的接入將改善系統的短路電流。基于PSASP的仿真結果表明，洪板雙回有無移相器時四川電網短路電流超過45 kA的500 kV站點如圖6所示。可以看到，加裝移相器后，洪溝站的短路電流有明顯下降，其他站點短路電流也有一定程度的降低。

圖6 洪板雙回洪溝側加裝移相器前后短路電流對比(2013)

4.4 2015年豐大方式數據校核

隨著重慶負荷增加，重慶北部大型火電機組的投運，洪板雙回和黃萬雙回的潮流比呈現逐漸拉大的趨勢，2015年豐大方式計算仿真結果如表5所示。

從表5可以看到，2015年洪板雙回和黃萬雙回的潮流比達到5:1，洪板線輸電壓力更大，同時黃萬線利用率更低，造成川渝斷面的外送靜穩極限僅有2 641 MW。配置移相器后，洪板雙回和黃萬雙回的潮流比降為約1.6:1，川渝斷面的外送能力可提高至4 167 MW，較未加裝移相器提高約1 500 MW，很好的改善了川渝斷面的潮流分布不均問題，提高了外送能力。

表5 洪板雙回洪溝側加裝移相器熱穩定分析(2015)

同時，四川電網短路電流超過45 kA的500 kV站點在加裝移相器前后的短路電流變化情況如圖7所示。可以看到，洪溝站短路電流依然有1.5 kA的下降，其他站點的短路電流都有一定程度的降低。

圖7 洪板雙回洪溝側加裝移相器后短路電流對比(2015)

5 結 論

前面概述了移相器在世界各地的應用與研究情況，分析了移相器的基本原理，給出了移相器的選址以及容量設計方法。最后，對移相器應用于川渝斷面以改善四川電網的外送能力的可行性進行了分析，有以下幾點結論。

(1)移相器在國外已經有較多的應用，但500 kV應用實例不多，且國內廠商未見有生產500 kV等級移相器的能力；

(2)移相器能夠顯著改變線路潮流分布，并且裝在洪板線效果優于裝在黃萬線；

(3)線路加裝移相器后，洪板雙回N-1后潮流轉移比降低，在不改變開機方式的條件下，川渝斷面輸電能力可提高至5 090 MW，提升約1 800 MW；

(4)線路加裝移相器后，由于移相器漏抗在一定程度上可視為串抗，系統短路電流水平降低。

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