高壓移相變壓器參數設計及其潮流調控應用

許順凱，朱吉然，唐海國，趙邈，張帝，鄧威

(國網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逆向分布，電力系統正致力于向電網互聯、遠距離傳輸和特高壓方向邁進[1-3]。然而，大型網絡的功率分布主要取決于網絡結構、網絡參數及發電模式，在網架拓撲和參數確定的情況下，大型網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的可靠性和經濟性，亟需一種有效的潮流調節手段，能對電力系統的運行方式和運行參數實施有效的調節，確保電網在各種工況下的安全、穩定和經濟性運行。

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生變化，合理分配電能傳輸，確保電力系統安全和提高運行效率[7-8]。相較于其他調節方式，具有成本低、可靠性高、效率高等優點[9-10]，可有效提高現有電網資產的利用效率。

某些國家由于土地資源緊張，新建輸變電工程受制于環境、成本和時間等各方面因素，需要充分挖掘現有電網輸電潛力，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拓撲結構趨于飽和，根據我國未來靈活輸電工程的規劃，高壓移相變壓器具有巨大的發展潛力[17-20]。因此，針對高壓移相變壓器的參數設計及潮流調控應用研究具有廣闊市場前景和巨大經濟效益。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)和串聯變壓器(簡稱串聯變)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分別表示串聯變壓器的一次側繞組和二次側繞組。

UPSTA、UPSTB、UPSTC分別為串聯變壓器二次側繞組aC、bC、cC產生的補償電壓，線路首端電壓UsA、UsB、UsC經過補償后分別為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。

串聯變壓器二次側繞組aC、bC、cC輸出的串聯補償電壓分別記為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為串聯變壓器一次側繞組與二次側繞組的變比值，串聯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)，最后經過串聯變壓器，得到二次側繞組aC上的線路A相串聯補償電壓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)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)為串聯變壓器一次側繞組AC電壓，經過變比kc，得到串聯變二次側繞組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)

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)，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為m，當調節極性選擇器及有載分接開關投切檔位km在±m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)

2 HVPST的潮流調節特性

接入HVPST裝置的簡單電力系統示意圖，如圖5所示，其中HVPST串聯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。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，此時線路末端傳輸的功率為Sr0，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量，如式(6)所示。

(6)

由于HVPST可在電壓幅值不變的前提下實現電壓移相功能，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調節移相角αHVPST，可改變線路末端功率Pr和Qr的數值，實現線路潮流的調節，從而達到調控穩態潮流、電壓相位，均衡多線傳輸系統潮流，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的雙端系統仿真研究

3.1 仿真模型參數設置

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。

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在各個調節級數的穩態調節效果和給定潮流目標時的暫態調節效果，來驗證HVPST拓撲結構和工作原理的可行性，各參數設置見表1。

表1 HVPST和系統的仿真參數設置

3.2 仿真結果及分析

當HVPST的有載分接開關在-13～+13級調節時，HVPST可以輸出27個電壓相量。在表1所示的仿真參數設置下，HVPST在各個有載分接開關投切位置時，HVPST對線路首端的調節效果如圖7所示?？梢钥闯?，HVPST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的潮流調節點，從圖8中可以看出，經HVPST裝置調節后，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能夠調節線路首端電壓的相位，靈活調節線路末端傳輸的有功功率和無功功率，仿真結果證明了HVPST用于調節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的調節特性進行驗證。

4.1 380 V樣機參數設計

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設計見表2。

表2 380 V實驗樣機的主要電氣參數

圖9為380 V實驗樣機的勵磁變壓器和串聯變壓器實物圖，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較大范圍的移相，從而調節線路潮流。實際的實驗平臺系統的參數見表3。

表3 380 V雙端電壓源實驗平臺的主要參數

4.3 實驗結果及分析

圖11為雙端電源實驗電氣參數隨調節級數的變化曲線，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隨調節級數的變化曲線

因此，在380 V雙端電壓源實驗平臺參數下，HVPST對線路首端電壓幅值的調節范圍在-0.18%～+0.23%，相位的調節范圍在-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

以上實驗數據驗證了HVPST對線路首端初始電壓相位和幅值的調節作用，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調節級數的變化曲線如圖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，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設計下，380 V HVPST實驗樣機對線路末端有功功率的調節范圍是+24.86～+214.83 W，無功功率的調節范圍是-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調節級數的變化曲線

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理論和在雙端電源系統中的潮流調控應用，以典型500 kV雙端電源系統為例，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是一種經濟可靠的潮流調節手段，具體應用中可以根據實際調控需求合理選擇HVPST的主要電氣參數，達到投資效益比更優。