高压移相变压器参数设计及其潮流调控应用

许顺凯，朱吉然，唐海国，赵邈，张帝，邓威

(国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙 410208)

0 引言

我国自然能源与主要负荷中心呈现逆向分布，电力系统正致力于向电网互联、远距离传输和特高压方向迈进[1-3]。然而，大型网络的功率分布主要取决于网络结构、网络参数及发电模式，在网架拓扑和参数确定的情况下，大型网络的功率分布也就基本确定了[4-6]。因此，为了进一步提高新型电力系统的可靠性和经济性，亟需一种有效的潮流调节手段，能对电力系统的运行方式和运行参数实施有效的调节，确保电网在各种工况下的安全、稳定和经济性运行。

移相变压器(phase shifting transformer，PST)，简称移相器或移相变，也称相角调节器。通过在原线路输入侧电压上叠加一个合适的电压相量，使得线路两侧电压相位差发生变化，合理分配电能传输，确保电力系统安全和提高运行效率[7-8]。相较于其他调节方式，具有成本低、可靠性高、效率高等优点[9-10]，可有效提高现有电网资产的利用效率。

某些国家由于土地资源紧张，新建输变电工程受制于环境、成本和时间等各方面因素，需要充分挖掘现有电网输电潜力，采取装设移相器来解决日益严重的输电线路潮流受阻等问题[11-13]。而在国内，移相器工程应用非常少，这和对电网架构、运行调度方式、移相器的研究较少都有一定关系[14-16]。

我国变压器制造能力增强及电网拓扑结构趋于饱和，根据我国未来灵活输电工程的规划，高压移相变压器具有巨大的发展潜力[17-20]。因此，针对高压移相变压器的参数设计及潮流调控应用研究具有广阔市场前景和巨大经济效益。为此，本文以高压移相变压器(high-voltage phase shifting transformer，HVPST)为基础，针对HVPST的拓扑结构、等效模型、工作原理及调节特性等方面开展研究，并研制等比例样机，搭建实验平台验证其有效性，为后续研究和示范工程提供支撑。

1 HVPST的拓扑结构和工作原理

1.1 拓扑结构

高压移相变压器(HVPST)的拓扑结构如图1所示。

图1 高压移相变压器(HVPST)的 拓扑结构

HVPST由励磁变压器(简称励磁变)和串联变压器(简称串联变)组成。UsA、UsB、UsC分别为补偿前的三相输电线路首端电压相量；AL、BL、CL和aL、bL、cL分别表示励磁变压器的一次侧绕组和二次侧绕组；AC、BC、CC和aC、bC、cC分别表示串联变压器的一次侧绕组和二次侧绕组。

UPSTA、UPSTB、UPSTC分别为串联变压器二次侧绕组aC、bC、cC产生的补偿电压，线路首端电压UsA、UsB、UsC经过补偿后分别为UsA1、UsB1、UsC1，线路末端电压相量分别为UrA、UrB、UrC，忽略线路电阻，三相输电线路电抗值分别为XLa、XLb、XLc。

串联变压器二次侧绕组aC、bC、cC输出的串联补偿电压分别记为UHVPSTA、UHVPSTB、UHVPSTC，令励磁变压器一次侧绕组AL、BL、CL的输出电压相量分别为UAL、UBL、UCL，励磁变压器二次侧绕组aL、bL、cL的输出电压相量分别为UaL、UbL、UcL，三相输电线路补偿后的首端电压表达式为：

(1)

kc为串联变压器一次侧绕组与二次侧绕组的变比值，串联变压器的一次侧绕组为三角形连接，从励磁变压器二次侧绕组取电，即串联变压器一次侧绕组相电压为励磁变压器二次侧绕组线电压。

1.2 等效模型

为了更清楚地了解HVPST的接线方式，将A相输电线路补偿电压UHVPSTA的部分结构进行放大，如图2所示。

图2 HVPST的A相线路局部结构放大图 (极性选择器“+”极性)

串联变压器一次侧绕组AC首末端分别与绕组bL与绕组cL相连，形成绕组AC上的端电压UAC(UAC=UbL-UcL)，最后经过串联变压器，得到二次侧绕组aC上的线路A相串联补偿电压UHVPSTA。

IsA和IsA1分别为A相线路电源侧和A相线路负载侧的电流相量。IAL和IaL分别是励磁变压器一次侧绕组AL和励磁变压器二次侧绕组aL的电流相量。IAC、IBC和ICC则分别是串联变压器一次侧绕组AC、绕组BC和绕组CC的电流相量。有载分接开关配合极性选择器在km(0，±1，±2，…，±m)级内投切，通过投切有载分接开关的投切位置和改变极性选择器，每个绕组提供的补偿电压范围在负极性到正极性变化。

1.3 工作原理

根据图1和图2所示的HVPST拓扑结构可得到如图3所示高压移相变压器的电压电流相量图。以A相为例，此时有载分接开关在(0，±1)级范围投切，其中，UsA、UsB、UsC和UsA1、UsB1、UsC1分别为三相线路补偿前后的电压相量，相量UAL、UBL、UCL分别为励磁变压器一次侧绕组的三相电压，相量UaL、UbL、UcL分别为励磁变压器二次侧绕组的三相电压。电压相量UAC(即UAC=UbL-UcL)为串联变压器一次侧绕组AC电压，经过变比kc，得到串联变二次侧绕组aC端电压UaC(即UHVPSTA)。同理可得B相补偿电压UHVPSTB(即UbC)、C相补偿电压UHVPSTC(即UcC)，其他两相线路电压以此类推。

图3 HVPST的三相电压相量图(滞后调节)

由图3可知，励磁变压器一次侧A相绕组从相量UaC中点处取电，这样就可以在电压幅值不变的条件下实现电压移相的功能，移相前后，线路首端电压相量UsA和UsA1之间形成移相角α(图3中为滞后调节)，其他两相线路电压同理。

令励磁变压器二次侧绕组aL、bL、cL上有载分接开关的抽头数为m，当调节极性选择器及有载分接开关投切档位km在±m处时，HVPST的输出补偿电压幅值即为最大输出电压，也称为HVPST励磁变压器二次侧绕组的额定电压，用UL2N(UaLN=UbLN=UcLN=UL2N)表示。HVPST的A相输出电压UHVPSTA相对于线路首端电压UsA的相位记为βHVPSTA，如图4所示。

图4 HVPST的A相输出补偿电压和补偿前 后的线路首端电压(超前/滞后调节)

2 HVPST的潮流调节特性

接入HVPST装置的简单电力系统示意图，如图5所示，其中HVPST串联变压器的补偿电压用电压相量UHVPST表示，该电压相量的幅值为UHVPSTm，相位为βHVPST。输电线路两端简化为理想的单机无穷大系统。补偿前，线路首端电压用Us表示，其幅值为Usm，相位为0°；线路末端电压用Ur表示，其幅值为Urm，相位为-δ，即线路首末端本身的相位差即功角为δ。经过HVPST输出电压相量补偿后，线路首端电压相量用Us1表示，其幅值为Us1m，此时线路首末的相位差为δ1。忽略输电线路的电阻和电容，输电线路的等效电抗用XL表示。

图5 接入HVPST装置的输电线路

将线路的传输功率记为Sr=Pr+jQr，由图5可知，功率Sr可以表示为(式中*表示共轭)：

(2)

在没有加装HVPST装置时，HVPST的输出电压UHVPST=0，此时线路末端传输的功率为Sr0，其中有功功率与无功功率分别记为Pr0、Qr0，线路末端的功率计算式为(式中*表示共轭)：

(3)

在没有加装HVPST装置时，线路末端的有功功率Pr0和无功功率Qr0为：

(4)

线路首末端电压相量和HVPST的补偿电压相量表达式为：

(5)

将式(5)分别带入式(2)，得到加装HVPST装置后，输电线路末端的有功、无功功率、HVPST装置对线路末端有功与无功功率的调节量，如式(6)所示。

(6)

由于HVPST可在电压幅值不变的前提下实现电压移相功能，因此有U=Us=Ur，结合图3，令HVPST的移相角为αHVPST，也可得线路末端功率为：

由式(7)可知，通过HVPST调节移相角αHVPST，可改变线路末端功率Pr和Qr的数值，实现线路潮流的调节，从而达到调控稳态潮流、电压相位，均衡多线传输系统潮流，提高断面输电容量，增大备用线路紧急传输容量等目的。

3 HVPST的双端系统仿真研究

3.1 仿真模型参数设置

在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型的等效电路图如图6所示，两端电源为单机无穷大系统。

图6 HVPST仿真模型的等效电路图

将HVPST装设在500 kV线路首端，通过分析HVPST在各个调节级数的稳态调节效果和给定潮流目标时的暂态调节效果，来验证HVPST拓扑结构和工作原理的可行性，各参数设置见表1。

表1 HVPST和系统的仿真参数设置

3.2 仿真结果及分析

当HVPST的有载分接开关在-13～+13级调节时，HVPST可以输出27个电压相量。在表1所示的仿真参数设置下，HVPST在各个有载分接开关投切位置时，HVPST对线路首端的调节效果如图7所示。可以看出，HVPST补偿后线路首端电压的移相角范围为-27.37°～+24.25°。

在图7所示的各电压相量下，对应的线路末端的有功功率、无功功率调节结果如图8所示。其中横坐标代表有功功率Pr，纵坐标代表无功功率Qr。

图7 HVPST补偿后的线路首端电压相量

图8 HVPST补偿后的线路末端传输有功 功率Pr和传输无功功率Qr

图8中的各潮流调节点与图7中的各红色“*”点一一对应，D点代表未装设HVPST时系统末端的有功潮流为965.9 MW，无功潮流为-262.1 Mvar。图中各红色“●”点为HVPST的潮流调节点，从图8中可以看出，经HVPST装置调节后，线路末端无功运行范围为-720.4～-9.28 Mvar，线路末端的有功潮流运行范围为90.19～1 524 MW，最小有功功率和最大无功功率分别对应图中的H点和G点。

结合图7和图8可知，HVPST能够调节线路首端电压的相位，灵活调节线路末端传输的有功功率和无功功率，仿真结果证明了HVPST用于调节线路潮流的有效性和可行性。

4 HVPST的双端电源实验验证

为证明装置拓扑和参数设计的正确性，本文等比例研制了一台具有±25°移相角的380 V实验样机，并搭建了380 V双端电源实验平台，对HVPST的调节特性进行验证。

4.1 380 V样机参数设计

380 V小容量的HVPST实验样机三相绕组和有载分接开关的主要电气参数设计见表2。

表2 380 V实验样机的主要电气参数

图9为380 V实验样机的励磁变压器和串联变压器实物图，其中有载分接开关的型号为WSPIII 63/10-5×5。

(a)380 V样机的串联变压器部分

(b)380 V样机的励磁变压器部分

图9 380 V实验样机的实物图

4.2 380 V双端电源实验平台搭建

HVPST的380 V双端电压源实验平台搭建如图10所示。该实验平台采用线电压为380 V的电压源，通过380 V/(0～430)V调压器1得到相电压为220 V的线路首端初始电压UDsA、UDsB、UDsC。此外，三相电压源通过380 V/(0～430)V调压器及3个380 V/220 V单相降压变压器得到线路末端电压UDrA、UDrB、UDrC。

图10 380 V双端电压源实验平台搭建

在HVPST实验样机中，串联变压器的一次侧绕组为三角形连接，绕组首末端分别与励磁变压器二次侧绕组另两相绕组相连，二次侧绕组则分三相分别串接三相线路、提供补偿电压，绕组中点引线分别连接至相同组别的励磁变压器一次侧绕组。通过上述绕组连接，HVPST可在电压幅值不变的前提下实现较大范围的移相，从而调节线路潮流。实际的实验平台系统的参数见表3。

表3 380 V双端电压源实验平台的主要参数

4.3 实验结果及分析

图11为双端电源实验电气参数随调节级数的变化曲线，可以看出在电压幅值基本保持不变的前提下，所对应的相位在-24.78°～+24.52°内变化。

图11 双端电源实验电气参数随调节级数的变化曲线

因此，在380 V双端电压源实验平台参数下，HVPST对线路首端电压幅值的调节范围在-0.18%～+0.23%，相位的调节范围在-24.78°～+24.52°。最小相位角-24.78°是在有载分接开关投切档位km=-4时测得，最大移相角+24.52°是在有载分接开关投切档位km=+4时测得的。

图12为380 V样机的有载分接开关投切在+2和-4档位时，记录的示波器波形，其中横坐标5 ms/格，纵坐标100 V/格。图12中，波形CH1表示线路A相首端初始电压UDsA，波形CH2表示补偿后的线路A相首端电压UDsA1，波形CH3表示线路A相电阻器后电压UDsA2，波形CH4表示线路A相末端电压UDrA。

(a)开关投切+2档时

(b)开关投切-4档时

电压波形图

以上实验数据验证了HVPST对线路首端初始电压相位和幅值的调节作用，对于380 V实验样机的其他档位投切点，本实验也记录了线路末端的有功功率变化情况。

双端电压源实验中，对应线路的有功功率和无功功率测量结果随HVPST调节级数的变化曲线如图13所示，对应的PDr-QDr运行曲线如图14所示。

图13中的PDr=138.69 W、Qr=-51.21 var为380 V样机的有载分接开关投切在0档位时，线路末端有功功率和无功功率的实测值。由图13可知，在电压允许偏差范围内，对应的线路末端有功功率可以在+24.86～+214.83 W内调节，有功功率的最小值在-4档位时获得，有功功率的最大值在+4档位时获得。因此，在380 V双端电源实验平台参数设计下，380 V HVPST实验样机对线路末端有功功率的调节范围是+24.86～+214.83 W，无功功率的调节范围是-136.72～-3.21 var。

图13 三相线路末端有功功率PDr和无功功率 QDr随HVPST调节级数的变化曲线

图14 PDr-QDr运行曲线

5 结语

本文详细分析了高压移相变压器(HVPST)的拓扑结构和工作原理，推导等效模型，并深入研究潮流调节理论和在双端电源系统中的潮流调控应用，以典型500 kV双端电源系统为例，开展了HVPST针对具体高压大容量应用场景的潮流调控仿真研究，验证了HVPST的有效性。

研制了一台380 V/11.6 kVA的HVPST实验样机，对移相性能和潮流调控效果开展实验，验证了HVPST是一种经济可靠的潮流调节手段，具体应用中可以根据实际调控需求合理选择HVPST的主要电气参数，达到投资效益比更优。