雙芯對稱型移相變壓器應用場景分析

董靚媛,李曉軍,戎士洋,于騰凱,崔童飛

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

隨著新能源場站的大量集中接入,新能源已經成為電源的重要組成部分。由于新能源的隨機性、不確定性,使傳統電網的規劃在一定程度上受到限制,電網結構和參數無法適應新能源大量接入時,會出現部分輸電通道過載現象[12]。如何在新型電力系統條件下,提高新能源消納能力,充分發揮其在低碳、環保、節能方面的優勢,通過靈活的調控方式,合理控制電網潮流分布是電網亟待解決的問題。

移相變壓器是現代電力系統中實現潮流控制的一項關鍵技術[3-5],通過移相變壓器注入補償電壓改變線路端電壓相角,移相變壓器的潮流控制作用在潮流計算中可等效為設備支路兩側節點附加注入功率,從而起到調節線路潮流的作用。本文通過調節雙芯對稱型移相變壓器達到潮流控制目標,有效控制過載線路潮流,提升電網區域之間互聯互通和輸電靈活性。

1 移相變壓器工作原理及模型

1.1 工作原理

輸電線路的傳輸功率如下

式中:Um、Un、δ1、δ2分別為線路兩側節點的電壓幅值和相角;XL為線路電抗。

由式(1)可得,輸電線路傳輸功率與線路兩側節點電壓的幅值、相位差正弦值成正比,與線路電抗成反比。

移相變壓器工作原理相當于在裝置處疊加一個電壓,根據移相變壓器結構和系統接入方式不同,可實現裝置輸入/輸出側電壓幅值相同、相位差改變,以及幅值、相位差同時改變的功能,從而起到控制線路傳輸功率的作用。系統穩態時,移相變壓器可等效為理想變壓器附加阻抗模型,含移相變壓器支路等值電路如圖1所示。

圖1 含移相變壓器支路等值電路

移相變壓器接入后,線路兩側電壓相量如圖2所示。

圖2 移相變壓器輸入、輸出電壓相量

δ為未裝設移相變壓器時原線路兩側的電壓相位差;加入移相變壓器后,移相變壓器在原輸入電壓基礎上疊加了一個電壓相量,使得線路兩側電壓相位差變為δ'。裝設移相變壓器后的線路功率如下

1.2 模型

移相變壓器由1臺串聯變壓器和1臺勵磁變壓器組成,串聯變壓器一、二次側繞組為三角形連接,勵磁變壓器一、二次側繞組為星形連接,S、L分別代表移相變壓器輸入側和輸出側。

移相變壓器的輸入輸出側等式關系如下

式中:US、IS、UL、IL分別為移相變壓器輸入側、輸出側電壓和電流;NE、NS分別為勵磁變壓器、串聯變壓器一二次側繞組匝數比;ZS1、ZS3分別為串聯變壓器一、二次側繞組漏阻抗;ZE1、ZE2分別為勵磁變壓器一、二次側繞組漏阻抗;Zeq為移相變壓器的等值阻抗;φ為空載移相角;M為勵磁變壓器二次側繞組接入匝數與二次側總匝數的比值,當繞組極性轉換器選擇為反向時,M為負數。

電力設備廠商提供的機械式雙芯對稱型移相變壓器參數如表1所示[6]。該移相變壓器共有17個檔位,正、反向各8個。

表1 220 kV機械式雙芯對稱型移相變壓器參數

通過以上信息,可分別求得式(5)計算等效阻抗Zeq所 需 的NE、NS、ZE1、ZE2、ZS1、ZS3等 參數,由于移相變壓器電抗遠大于電阻,一般忽略電阻分量。移相變壓器檔位變化影響勵磁變壓器二次側繞組參與勵磁的繞組匝數,檔位越大接入電路繞組越多,相應等效電抗也越大。通過計算,當移相變壓器檔位調整為零檔時,即移相變壓器不參與系統調節,此時達到最小阻抗值12.2Ω;當檔位調整至正向最大或反向最大時,達到最大阻抗值18.6Ω,最大阻抗值約為最小阻抗值的1.5倍。

2 移相變壓器應用仿真分析

基于某省電網度夏數據,利用BPA軟件對移相變壓器應用場景進行仿真研究[710]。移相變壓器應用場景網架結構如圖3所示。該區域負荷7.6 GW,西北部有大量風電場并網,西南部有大量光伏電站并網,風電裝機0.83 GW,光伏裝機1.08 GW。各線路額定潮流分別如表2所示。

圖3 移相變壓器應用場景網架結構

表2 線路額定潮流

夏季大負荷期間,新能源場站滿發時,A-B線路(LGJ-2×240)接近滿載。由于J-K線路型號為2×LGJ-300/25,當新能源滿發時,也存在過載問題。

為實現新能源有效利用,加強區域之間聯系,考慮將移相變壓器安裝在負載較重線路附近的聯絡線上。針對A-B線路負載率較重,提出2個移相變壓器應用場景:一是F站高壓母線合環運行,在F-A線路A側加裝移相變壓器;二是BC線路合環運行,在B-C線路C側加裝移相變壓器。2個應用場景分別分析正常方式下合環前后、投入移相變壓器及調節移相變壓器使得A-B線路達到目標潮流時對區域潮流影響,計算安裝移相變壓器線路潮流改變與周邊線路潮流靈敏度關系。同時給出正常方式下及重要線路N-1、N-2方式下,實現調節目標所需移相變壓器調節角度及注入電壓,對安裝移相變壓器后的電網開展短路計算及穩定分析。

2.1 F站220 k V母線合環運行

2.1.1 正常方式下移相變壓器應用潮流分析

夏季大負荷新能源滿發情況下,A-B線路負載率達到97%,接近滿載,J-K由于線路較細,處于過載狀態。F站高壓母線合環后,F站送A站潮流137 MW,加重A-B線路潮流,A-B線路過載4%,同時J-K線路過載更嚴重。F站高壓母線合環前后各線路負載率見表3。

表3 F站高壓母線合環前后各線路負載率 %

投入移相變壓器后,增加F-A線路等效阻抗,A-B線路潮流有所下降,但仍過載。通過調節移相變壓器,F-A線路潮流降到61 MW,AB線路達到熱穩極限。繼續調節移相變壓器,FA線路潮流反向,A站送F站潮流118 MW,AB線路潮流達到90%熱穩極限。當A站送F站潮流293 MW時,A-B線路潮流達到80%熱穩極限。將移相變壓器設置在F-A線路,A-B線路不過載的同時,J-K線路過載情況得到緩解。F-A線路投入移相變壓器以及調節移相變壓器使得A-B線路達到熱穩極限、90%熱穩極限、80%熱穩極限,各線路負載率如表4所示。

表4 F-A線路A側投入移相變壓器、調節移變壓器各線路負載率 %

通過仿真計算,F-A線路加裝移相變壓器后,各線路的潮流轉移關系如表5所示。

表5 線路潮流轉移比例 %

由表5得出,當調節移相變壓器使F-A線路潮流每改變100 MW,A-D線路改變10 MW,A-B線路改變21 MW,E-B線路改變31 MW,G-A雙線改變34 MW,H-A線路改變35 MW,J-K線路改變13 MW。

2.1.2 移相變壓器調節角度及注入電壓分析

通過調節移相變壓器,A-B線路潮流達到熱穩極限、90%熱穩極限、80%熱穩極限移相變壓器調節角度及注入電壓如表6所示。

表6 控制A-B線路潮流,移相變壓器調節角度及注入電壓

當相鄰500 k V南北通道I-H線路發生N-1、N-2故障時,F-A線路潮流增加,A-B線路潮流較未發生故障時潮流更大,均已過載,A-B線路潮流達到熱穩極限、達到90%熱穩極限、達到80%熱穩極限移相變壓器調節角度及注入電壓均增大,如表7、表8所示。

表7 I-H線路N-1故障,控制A-B線路潮流,移相變壓器調節角度及注入電壓

表8 I-H線路N-2故障,控制A-B線路潮流,移相變壓器調節角度及注入電壓

2.1.3 短路及穩定分析

F站合環運行,正常方式下及相鄰500 k V南北通道發生N-1、N-2方式下運行,投入移相變壓器后短路電流未超標,且無安全穩定問題。

2.2 B-C線路合環運行

2.2.1 正常方式下移相變壓器應用潮流分析

B-C線 路 合 環 后,B站 送C站175 MW,加重A-B線路潮流,A-B線路過載。B-C線路合環前后各線路負載率如表9所示。

表9 B-C線路合環前后各線路負載率 %

投入移相變壓器后,增加B-C線路等效阻抗,A-B線路潮流有所下降,但仍然過載。通過調節移相變壓器,B-C線路潮流降至36 MW時,A-B線路達到熱穩極限。繼續調節移相變壓器,B-C線路潮流反向,C站送B站潮流77 MW,A-B線路潮流達到90%熱穩極限;C站送B站潮流194 MW,80%熱穩極限。將移相變壓器設置在B-C線路,A-B線路不過載的同時,加重JK線路過載情況。B-C線路投入移相變壓器以及調節移相變壓器使得A-B線路達到熱穩極限、90%熱穩極限、80%熱穩極限各線路負載率如表10所示。表10中負號表示線路潮流方向發生改變。

通過仿真計算,B-C線路加裝移相變壓器后,各線路的潮流轉移關系如表11所示。

由表11得出,當調節移相變壓器使B-C線路潮流每改變100 MW,A-D線路改變16 MW,A-B線路改變32 MW,E-B線路改變52 MW,G-A雙線改變23 MW,H-A線路改變25 MW,J-K線路改變9 MW。

2.2.2 移相變壓器調節角度及注入電壓分析

通過調節移相變壓器,使A-B線路潮流降低到熱穩極限、達到90%熱穩極限、達到80%熱穩極限3種情況,移相變壓器調節角度及注入電壓如表12所示。

表12 控制A-B線路潮流,移相變壓器調節角度及注入電壓

當相鄰500 k V東西通道H-Y線路發生N-1、N-2故障時,B-C線路潮流增加,A-B線路潮流較未發生故障時潮流更大,均已過載,AB線路潮流降低到熱穩極限、達到90%熱穩極限、達到80%熱穩極限3種情況,移相變壓器調節角度及注入電壓均增大,如表13、表14所示。

表13 H-Y線路N-1故障,A-B線路潮流改變移相變壓器調節角度及注入電壓

表14 H-Y線路N-2故障,A-B線路潮流改變移相變壓器調節角度及注入電壓

2.2.3 短路及穩定分析

B-C線路合環運行,正常方式下及相鄰500 k V東西通道發生N-1、N-2方式下運行,投入移相變壓器后短路電流未超標,且無安全穩定問題。

2.3 小結

經過潮流計算、短路電流校核和穩定分析,F站合環,F-A線路A側加裝移相變壓器,能夠有效降低A-B線路潮流,同時對于J-K線路潮流有抑制作用。相較于B-C線路合環C側加裝移相變壓器,控制A-B線路達到熱穩極限所需調節角度及注入電壓更小,移相變壓器所需配置容量更小,經濟效益更高。

因此,為解決A-B線路過載問題,綜合考慮移相變壓器控制效果及經濟性,推薦F站合環,在F-A線路A側加裝移相變壓器方案。

3 結論

移相變壓器作為一種靈活的潮流控制設備,在原有電網拓撲結構下能夠有效調節電網潮流。本文對雙芯對稱型移相變壓器運行原理及數學模型建立進行深入研究,利用BPA電網仿真軟件對移相變壓器進行建模,開展移相變壓器在大電網應用場景仿真研究,結果表明,移相變壓器的投入能夠消除線路過載,提高線路潮流均衡度,同時保障區域互聯可靠性,提升輸電靈活性,可為未來電網投入移相變壓器地址選擇和容量設定奠定基礎。