電網移相器RTDS建模及應用場景分析

李群，張寧宇，高山，劉建坤，周前

(1.國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院,江蘇 南京 211103；2.東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

受電網電源和負荷分布影響，潮流呈自然分布特性，導致線路輕重載情況普遍存在。輕載會造成資源浪費，影響電網經濟運行；重載容易引起線路過載，制約電網供電能力提升[1—5]。因此，發展電網潮流控制技術對于實現潮流可控、均衡線路負載、提升電網運行經濟性有著重要意義[6]。

近年來，隨著我國電力電子應用技術水平的不斷提高，基于柔性交流輸電系統(flexible alternative current transmission systems，FACTS)的柔性潮流控制技術日趨成熟，越來越多潮流控制裝置接入電網運行，如南京220 kV統一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)[7]、蘇州500 kV UPFC、上海220 kV UPFC和天津220 kV 靜止同步串聯補償器[8—9]，實現了電網潮流的靈活精準控制和供電能力的有效提升[10—11]。這些FACTS裝置可實現有功、無功潮流快速獨立精準控制，在調控范圍大、控制快速性要求高的場景中具有很高的推廣價值。而穩態、經濟型潮流控制技術能夠以較低投資和運維成本實現有功潮流優化調控和電網供電能力提升，可在電網的挖潛增效中發揮重要作用[12]。

移相器也稱相角調節器，是一種典型的經濟性潮流控制裝置，通過在輸電線路中串入幅值可調的電壓，改變裝置安裝點電壓的相位或幅值，從而控制輸電線路穩態潮流，實現合理分配線路輸送功率、降低輸電成本等作用。移相器按其控制回路形式主要分為機械式移相器以及晶閘管式移相器，前者采用有載調壓開關，具有運行成本低和可靠性高等優點；后者采用換流閥，調節速度快，但是投資成本較高。由于機械式可控移相器運行可靠且成本較低，在歐、美等國家有著大量的應用，目前最高電壓等級為500 kV，穿越功率1 630 MV·A，可調角度±85°。文獻[13]分析了移相器的主電路拓撲，并提出并聯變壓器、串聯變壓器等主設備參數設計方法；文獻[14]采用相量分析法詳細推導了移相角度、開關組態、等效阻抗之間的穩態相量關系，并通過實時數字仿真系統進行驗證；文獻[15]研究了雙輸出移相器的三序等值電路，并采用電磁暫態仿真軟件PSCAD建立了詳細的電磁暫態模型；文獻[16]分析了晶閘管式移相器中閥組觸發脈沖對系統運行的影響，提出觸發脈沖控制策略及相應的檢測方法；文獻[17]探討了應用移相變壓器實現輸電線路在線融冰的可行性，計算得到在空載和負載情況下線路融冰過程的電壓降落，并提出相應的控制策略。

為掌握移相器在電網潮流控制中的調節特性，首先從理論上分析移相器調節電網潮流的原理；然后，基于RTDS平臺建立雙芯對稱型移相器的詳細電磁暫態模型，并對移相器的投切運行和潮流調節時的控制特性進行仿真分析；最后，對移相器在電網中的應用場景進行了歸納總結。

1 移相器結構及原理

1.1 工作原理

移相器在輸電線路送、受端之間引入相位偏移，從而達到控制潮流的目的。如圖1所示，移相器串聯安裝在線路中，在安裝點輸出一個幅值和相角可調的補償電壓，實現安裝點線路電壓US幅值和相角的調節。

圖1 移相器接入系統等效示意Fig.1 Equivalent schematic diagram of phase shift transformer feed into power grid

圖1中，X為線路等效阻抗；Xpst為移相器等效電抗；S，R分別為線路首端和末端；L為移相器的末端節點；ΔU為移相器的輸出電壓；US，UR分別為線路首端和末端的電壓幅值；θS，θR分別為線路首端和末端的電壓相角；UL，θL分別為節點L的電壓幅值和相角。

線路傳輸有功功率可表示為：

(1)

通過調節移相器輸出電壓ΔU，改變裝置兩側電壓相角，進而改變線路首末兩端的相角差，最終實現線路有功潮流的控制。各電壓之間的相量關系如圖2所示。

圖2 移相器接入系統后電壓相角變化示意Fig.2 Schematic diagram of voltage phase angle change after the phase shift trans-former is connected to the system

1.2 拓撲結構

文中以雙芯對稱型移相器為研究對象，其主要由串聯變壓器、變聯變壓器和有載調壓機構組成，串聯變壓器一次側繞組帶有中心抽頭，其余兩端開口串聯于輸電線路中，副邊繞組三角形連接，分別與調壓機構輸出端連接。并聯變壓器一次側接于串聯變壓器一次側中心抽頭處，星形連接，且中性點接地，副邊繞組開路連接與對應的有載調壓結構輸入端連接。調壓機構通過開關不同位置，可獲得雙向共27個電壓檔位，具體結構如圖3所示。其中，下標A，B，C為不同相序；UE1A為并聯變壓器A相一次側電壓。

圖3 雙芯式移相器結構Fig.3 Structure of double core phase shift transformer

2 基于RTDS的電磁暫態建模

基于RTDS仿真平臺，建立移相器電磁暫態模型，整體結構如圖4所示，分為串聯變壓器和并聯變壓器，串聯變壓器接入線路中，輸出幅值可變的電壓；并聯變壓器為串變提供勵磁電壓，詳細模型可見圖5和圖6。

圖4 移相器建模整體結構Fig.4 Overall structure of phase shift transformer modeling

圖5 串聯變壓器模型整體結構Fig.5 Overall structure of series transformer model

圖6 并聯變壓器模型整體結構Fig.6 Overall structure of shunt transformer

3 移相器動態調節性能分析

為驗證文中建立的移相器電磁暫態模型的有效性，同時掌握移相器的潮流調節特性，基于RTDS平臺建立圖7所示的含移相器電網仿真算例，電壓等級為220 kV，電源與負荷通過2條長度和型號相同的220 kV線路連接，其中移相器接入線路1參與潮流控制，具體參數如表1所示。

圖7 電網仿真模型Fig.7 Power grid simulation model

表1 移相器主要參數Table 1 The mian parameters of phase shift transformer

3.1 啟動特性分析

移相器接入電網前后，線路潮流及電壓變化情況見圖8。移相器接入前，兩回線路輸送的有功功率均為78.55 MW；移相器接入后，受串聯變壓器漏抗影響，線路1等效阻抗增加，輸送有功功率降低至76.48 MW，而線路2輸送有功功率增加至81.64 MW。

圖8 移相器接入后線路有功功率變化Fig.8 Change of transmission lines′ active power after phase shift transformer is connected

3.2 調節特性分析

(1) 減少潮流輸送。移相器接入電網后，移相角從0變化至20°，線路潮流及相關電壓變化情況分別如圖9和圖10所示。

圖9 串聯變壓器電壓相角變化情況Fig.9 Change of voltage angle variation of series transformer

圖10 移相器正向調節時線路有功功率變化情況Fig.10 Change of transmission lines′ active power when the phase shift transformer is adjusted forward

由圖9可知，移相角度調節至20°時，首端節點L的三相電壓明顯滯后于節點S，導致移相器串入線路1的等效阻抗進一步增加，線路輸送有功功率減少至-51.26 MW，同時，線路2輸送有功功率則增加至176.7 MW。

(2) 增加潮流輸送。移相器移相角度從20°變化至-20°時，線路潮流及相關電壓變化情況見圖11。

圖11 移相器反向調節時線路有功功率變化情況Fig.11 Change of transmission lines′ active power when the phase shift transformer is adjusted backward

分析圖11可知，移相角度變化至-20°時，節點L的電壓相角超前于節點S，導致線路1等效阻抗降低，線路輸送有功功率增加至170.5 MW；線路2輸送有功功率則降低至-44.6 MW。同時，并聯變壓器一次側A相電壓相角始終位于串聯變壓器首末兩端電壓的中間位置，具體如圖12所示。

圖12 并聯變壓器一次側A相電壓與串聯變壓器兩側電壓示意Fig.12 Schematic diagram of A-phase voltage at primary side of shunt transformer and voltage at both sides of series transformer

通過上述仿真計算，證明了文中建立電磁暫態模型的正確性，通過移相器在-20°～20°之間調節，可實現線路潮流在線路1和線路2之間的靈活分布，可根據電網實際需求進行潮流控制。

4 電網移相器的應用場景分析

隨著特高壓直流工程的投運及新能源并網規模的不斷增加，我國電網跨區特高壓落點、區內新能源消納及負荷密集程度高等多種因素導致局部電網存在潮流通道受阻、電網受電能力不足等情況，具體如下:(1) 受負荷分布及電網結構特性影響，線路間潮流分布不合理，輸變電設備在時間和空間上存在負載不均衡，重載線路限制電網供電能力提升，輕載線路導致設備利用率低；(2) 大規模可再生能源并網后，其自身的間歇性、隨機性和波動性導致部分輸電設備在局部時段出現過載情況。

針對上述電網存在的潮流分布不均、供電能力提升受限的問題，移相器在電網中的應用場景總結為以下幾種。

(1) 均衡輸變電設備負載，提升電網受電能力。根據電網的實際運行情況，大部分220 kV分區電網存在500 kV主變負載不均衡情況(負載差20%以上)，如負荷進一步增加，重載主變將出現過載，限制了分區電網受電能力；移相器調節可均衡主變負載，并在負荷增加過程中使主變負載保持均勻增加，從而實現分區電網受電能力的提升，具體如圖13所示。

圖13 移相器提升電網供電能力示意Fig.13 Schematic diagram of phase shift transformer to enhance power supply capacity of power grid

以東部某省220 kV分區電網為例，接線方式如圖14所示，DS、LQ220 kV母線短路電流超標，采取DS—CX單線的短路措施后，2片電網僅通過DS—JY—HN鏈式通道相連，供電可靠性較差，DS、LQ主變潮流不均衡，分區受電能力受限。

圖14 220 kV分區電網示意Fig.14 Schematic diagram of 220 kV distict grid

考慮在220 kV DS—CX單線長新側加裝移相器，具體安裝位置見圖14。移相器接入后，DS—CX單線可恢復運行，220 kV分區電網間有DS—CX—LQ和DS—JY—HN 2條通道相連，供電可靠性提升，通過移相器調節可均衡DS變電站和LQ變電站下送功率，可提升電網受電能力400 MW。

(2) 新能源并網潮流控制應用。大規模可再生能源并網后，其自身的間歇性、隨機性和波動性導致電網既存在有功功率的控制問題，也可能由于輸電通道的不足存在電能輸送問題，通過加裝移相器等裝置可豐富潮流控制手段。

新能源大發期間，某東部電網有功潮流由220 kV電網輸送至500 kV電網，其中，GR—BY—XC—JH—YD通道輸送潮流較多，如圖15所示。

圖15 東部某220 kV分區電網示意Fig.15 Schematic diagram of a 220 kV district grid in east

考慮在GR—BY雙線GR站內加裝移相器，通過移相器調節可消除GR—BY雙線N-1過載問題，提升電網新能源消納能力約1 GW。

此外，移相器串聯變壓器漏抗相對線路阻抗較大，參與電網潮流控制的同時，可有效減小電網短路電流。

5 結語

文中從理論上分析了電網移相器調節電網潮流的原理，基于RTDS平臺建立雙芯對稱型移相器的電磁暫態模型，并對移相器的投切運行和潮流調節時的控制特性進行仿真分析，掌握了移相器參與電網潮流調節時的控制特性，為移相器接入電網后的仿真計算奠定了基礎。同時，總結了移相器在實際電網中的不同應用場景，經分析，通過移相器接入可解決輸變電設備負載不均引起的供電能力受限、新能源消納能力不足等問題。最后，探討了移相器在電網中大規模推廣應用的可行性。

本文得到國網江蘇省電力有限公司科技項目“電網可控移相器(TCPST)拓撲結構及其關鍵參數優化技術研究”(J2019134)資助，謹此致謝！