含可控移相器的超高压输电线路工频过电压分析

余珊，夏成军，范国晨，李作红，李峰，余梦泽，刘若平

(1. 华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641；2.广东电网有限责任公司电网规划研究中心，广东 广州 510080；3.广东省新能源电力系统智能运行与控制企业重点实验室，广东 广州 510663)

南方电网是一个具有远距离输电、大容量输电、交直流并联运行特征的大型复杂电力系统，随着溪洛渡、糯扎渡、昆柳龙直流工程陆续投产，南方电网主网架已形成“八交十一直”的输电格局。鉴于复杂的输电格局，广东电网存在着输电、供电断面因潮流分布不均受限，事故情况下的控制能力不足等典型问题，主要体现在广东500 kV东西交换断面功率交换受限、粤东外送断面功率受限、部分城市220 kV环网线路存在严重的潮流分布不均等方面。

移相变压器(phase shifting transformer，PST)通过改变分接头的方式进行电压相位的调节，其作为一种控制潮流的有效手段，在北美、欧洲及日本已经应用多年[1]。PST技术相对成熟，运行维护相对容易，经济性显著；但PST是通过传统机械式调压抽头进行电压调节，开关动作时间长，响应慢[2]。K.K.Sen在2003年提出了一种基于有载调压开关的移相变压器——Sen Transformer(ST)，用来进行线路潮流的调节[3]。与PST相比，ST提供了更低的线路损耗，增强了潮流能力，并降低了成本[4]；但因负载分接开关固有的离散特性，ST不能实现连续的调节输出，其控制结果存在误差且响应速度慢[5-6]。随着电力电子技术的快速发展，柔性交流输电系统(flexible AC transmission system，FACTS)技术应运而生，采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar translator，IGBT)控制的统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)是目前功能最完善的一种的潮流控制器，可快速、连续、独立地调节输电线路的有功、无功潮流，但安装和运行成本较高，限制了其在实际工程中的推广和应用[7]。可控移相器(thyristor controlled phase shifting transformer，TCPST)作为一种FACTS设备，具有稳态潮流调控、抑制功率震荡、提高系统稳定性等功能，是改善现有网架输电能力的有效方法[8-9]。一方面，晶闸管调压速度比机械调压快得多，能够满足电力系统快速控制要求；另一方面，相较于UPFC，TCPST控制策略简单，造价和维护费用设备更低[10]。综合考虑各种潮流控制器的技术经济和综合效益以及工程实施的可行性，拟将TCPST应用于广东电网，以提高电网潮流控制水平，提高电网整体利用效率。

20世纪70年代，国外学者就开始关注TCPST技术，并对TCPST短路电流水平、控制策略、稳态特性等方面展开研究。文献[11]研究不同操作模式下的TCPST数学模型，提出励磁阻抗切换控制策略来抑制短路电流，利用PSCAD仿真验证引入励磁阻抗切换控制对故障短路电流抑制的有效性。文献[12]考虑线路的阻塞信息，引入线路有功潮流性能指标，综合比较电压选址因子和相角选址因子这2个因素得到最佳安装位置。文献[13]采用基于仿真分析的复转矩系数法-测试信号法研究不同条件下TCPST对系统次同步振荡的影响，仿真结果表明TCPST能够有效地缓解甚至抑制次同步振荡。TCPST还处于理论研究阶段，目前已知2个晶闸管控制的TCPST工程在美国得到应用，但没有公开的实际工程资料参考。国内学者们对于TCPST应用于实际电网也进行了一定研究[14]，但是这些研究大多数集中在潮流建模和实现其功能的控制策略上，没有考虑安装TCPST后对系统过电压的影响。

工频过电压对超高压、远距离传输系统绝缘水平的确定起着决定性作用，工频过电压升高会威胁电气设备安全，为了保障安装TCPST后系统安全稳定运行，需要对含TCPST输电线路工频过电压进行校验。一般采用电磁暂态仿真分析典型故障下关键位置的电压分布及其影响因素[15]。文献[16]利用EMTP电磁暂态程序，以三端特高压简化网络分析静止TCPST对甩负荷工频过电压以及分合闸操作过电压的影响，但没有对TCPST影响过电压的机理进行分析。

TCPST装设在超高压输电线路上改变了原有系统参数，必然会对线路工频过电压产生一定影响。目前TCPST对系统过电压影响方面的研究不足，且已有文献并未涉及TCPST档位和安装位置影响工频过电压的相关内容。本文针对TCPST的安装位置及档位变化对系统工频过电压的影响展开研究，通过TCPST原理分析和PSCAD电磁暂态仿真计算，分析TCPST对空载容升、不对称故障、甩负荷引起的工频过电压的作用机理，总结加装TCPST、改变TCPST档位及安装位置对不同工频过电压的影响规律，为TCPST在电网中的应用提供理论参考。

1 系统参数和模型

1.1 TCPST电磁暂态模型及参数

本文以离散型双芯对称TCPST作为研究对象，其主电路拓扑结构如图1所示，主要由串联变压器一次绕组B1、B2和二次绕组B3，并联变压器一次侧绕组E1和二次侧绕组E2、E3、E4，以及晶闸管调压电路构成，其中元件符号后的a、b、c表示三相。TCPST利用并联变压器取得所在支路首端电压，根据系统需求调节晶闸管调压装置得到指定相角与幅值的电压，最后利用串联变压器将此电压注入到线路中，改变输电线路的潮流分配。

图1 双芯对称TCPST拓扑结构

不考虑损耗时，TCPST电压相量关系如图2所示[17]，其中：USA、USB、USC分别为输入端SA、SB、SC对应的输入电压，ULA、ULB、ULC分别为输出端LA、LB、LC对应的输出电压，ULmA、ULmB、ULmC分别为A、B、C三相对应的串联变压器中点电压，ΔUA、ΔUB、ΔUC分别为A、B、C三相对应的移相电压幅值，α为移相角度。

图2 双芯对称TCPST电压相量关系

并联变压器一次绕组和二次绕组都采用中心点接地的星形接法，二次侧绕组三部分匝数比为1∶3∶9，并与晶闸管控制器相连[18]。串联变压器一次绕组每相平均分为2个部分串联在输电线路中，中间引出抽头与并联变压器一次侧高压端相联，串联变压器二次绕组采用三角形接线。

根据TCPST的电路拓扑结构和接线方式，采用PSCAD/EMTDC 4.6.2版本对TCPST进行电磁暂态建模和仿真，设备参数见表1[19]。

表1 TCPST设备参数

串联变压器采用3个单相三绕组变压器表示，并联变压器采用3个单相四绕组表示，TCPST串联变压器和并联变压器之间通过晶闸管调压电路连接。图3所示为晶闸管调压电路，每相采用12组晶闸管组构成，利用晶闸管开关的通断控制不同极性副边绕组的串联获得不同的档位，实现TCPST档位的切换。控制触发信号使晶闸管组1和4、5和8、9和12导通，分别表示将并联变压器副边绕组2、3、4正向串入电路；触发晶闸管组1和2、5和6、9和10导通，则表示不接入相应的副边绕组；晶闸管组2和3、6和7、10和12导通，表示将反向接入相应绕组。不同的晶闸管开通和关断组合，可获得-13—+13共27个移相档位。

图3 晶闸管调压电路

仿真验证TCPST电磁暂态模型的有效性，得到TCPST档位和移相角度关系见表2，其中“-”表示反向接入，“+”表示正向接入，“×”表示不接入。

表2 TCPST档位、移相角与并联变压器副边绕组接入组合关系

1.2 系统概况

考虑线路间耦合作用，采用两端电源同塔双回输电线路模型。图4为安装有TCPST的500 kV超高压输电线路接线图，线路参数来源于广东电网某地区500 kV典型超高压输电系统。为了更清晰地分析加装TCPST后对系统过电压的影响，模型中暂未采取任何限压措施。首端电源电动势E1=230 kV∠0°，正序、负序、零序阻抗相等为Z11=Z12=Z10=j15 Ω；末端电源电动势E2=230 kV∠-20°，正序、负序、零序阻抗相等为Z21=Z22=Z20=j15 Ω。发电机变压器采用双绕组变压器模型，连接组标号为Y0/d11，容量为1 000 MVA。输电线路采用贝瑞隆模型(the Bergeron model)，全长200 km，线路导线型号为LGJ-630/45，采用四分裂，计算直流电阻为0.046 33 Ω/km，计算半径为14.658 mm，分裂间距为400 mm；2根地线全线采用JLB40-150，计算直流电阻为0.295 2 Ω/km，计算半径为7.875 mm，大地电阻率取300 Ω·m。线路杆塔参数如图5所示[20]。

图4 安装有TCPST的500 kV超高压输电线路接线图

图5 线路杆塔参数

2 空载长线的电容效应

由于超高压输电线距离比较长，采用分布式参数模型研究线路工频过电压。假定每相输电线路的电阻、电感、电导、电容效应是沿线均匀分布的，R0、G0、L0、C0为单位长度的电阻、电感、电导、电容。图6为均匀分布参数线路模型，其中，U2、I2为末端电压、电流，x为线路上任意一点到线路末端的距离。

图6 均匀分布参数的线路模型

为了方便计算，忽略线路损耗，得到线路传输矩阵

(1)

图7 TCPST等值电路

(2)

(3)

理想变压器没有功率损耗，则

(4)

因此，

(5)

由等值电路关系可得：

(6)

(7)

将式(7)代入式(6)，有

(8)

得到TCPST传输矩阵

(9)

带TCPST的复合二端口网络如图8所示，其中U1、I1为首端电压、电流。将TCPST装在线路首端，利用复合二端口理论求得带TCPST输电线路新的传输矩阵

图8 带TCPST的复合二端口网络

T3=[AB]，

(10)

由线路空载边界条件I2=0，可得沿线电压

(11)

式中Kp为工频电压升高系数。

在工程应用中，由于变压器绕组电抗的数值远大于电阻，为简化计算，通常忽略变压器绕组电阻，即阻抗Ze用jXeq表示。TCPST带空载长线沿线电压

(12)

为了更好地研究TCPST对空载电容效应的影响，利用PSCAD/EMTDC软件，分别在输电线路首端、末端安装TCPST并记录关键点过电压值(标幺值，下同)，见表4。

表4 空载长线引起的工频过电压

由表4可知，TCPST接入对输电线路的电容效应工频过电压有影响，TCPST装设后，线路首端、中点、末端工频过电压都增大。装设在首端时，随着TCPST档位增大，工频过电压倍数增加，这是由于TCPST档位与等效电抗成正比；安装在末端时，由于TCPST输出端开路，串联变压器没有电容电流流过，调节TCPST档位增大等效电抗，不会影响线路工频过电压。建议在使用TCPST时，要留有一定的过电压裕度。

3 不对称接地故障引起的工频过电压

不对称短路是电力系统中常见的故障形式，当发生单相或两相对地短路时，短路电流的零序分量会使健全相出现工频过电压，其中单相接地故障最为常见[21]。

设A相故障接地，采用对称分量法利用复合序网进行分析，非故障相电压升压计算公式为：

UB=UC=KwE,

(13)

(14)

式中：Kw为单相接地因数；X1为正序电抗，包括发电机的次暂态同步电抗、变压器漏抗及线路感抗等；X0为零序电抗，因系统中性点接地方式的不同有较大的差别；UB、UC为非故障相电压；E为电源电动势。

TCPST正序等效电抗值[22]

(15)

式中：m为TCPST变化一个档位时移相角近似改变的角度；XB1、XB3为串联变压器原边绕组B1和副边绕组B3的电抗值；XE1为并联变压器原边绕组E1的电抗值；nB为串联变压器的绕组B3与绕组B1的匝数比；XET为并联变压器副边绕组的等效漏电抗。

分接档位

(16)

结合式(15)、(16)，可知TCPST档位绝对值与等效正序阻抗成正比。

(17)

利用PSCAD/EMTDC，在输电线路末端设置A相接地故障，计算不对称故障引起的单相短路工频过电压，仿真结果见表5。

表5 单相接地故障引起的工频过电压

4 甩负荷引起的工频过电压

输电线路传输重负荷时，由于某种原因线路末端断路器突然跳闸甩掉负荷，也是造成工频电压升高的原因之一，通常称为甩负荷效应。在工频过电压研究中，取正常送电状态下甩负荷和在线路末端(或受端)单相接地故障下甩负荷作为确定电网工频过电压的条件。2种故障方式下的工频过电压影响因素不尽相同。

a)线路正常状态下甩负荷引起工频电压升高的主要影响因素有3点：一是甩负荷前线路输送潮流(特别是向线路输送无功潮流)的大小，它决定了电源电动势的大小，一般来讲，向线路输送无功越大，电源电动势也越高，工频过电压也相对较高；二是馈电电源的容量，它决定了电源的等值阻抗，电源容量越小，阻抗越大，可能出现的工频过电压越高；三是线路长度，线路越长，线路充电的容性无功越大，工频过电压越高。

不考虑电源电动势和电源容量的变化，正常状态下甩负荷过电压与线路长度成正比。从第2章分析可知，加入TCPST后，其等效电抗相当于增加了线路长度，使谐振点提前，增加了工频过电压倍数。所以，TCPST会使线路正常状态下甩负荷工频过电压增大，并且随着TCPST档位增加，过电压倍数增大。

b)不对称短路引起的甩负荷工频过电压除了与上述因素有关，还与单相接地点向电源侧看进去的X0/X1有很大关系。在不考虑电源电动势和电源容量变化的情况下，单相接地故障甩负荷引起的工频过电压为空载线路电容效应与单相接地故障综合产生的工频过电压。

甩负荷仿真计算时，考虑正常运行状态下甩负荷以及线路末端有单相接地故障下甩负荷2种故障跳闸方式。500 kV输电线路无故障甩负荷引起的工频过电压见表6，故障甩负荷引起的工频过电压见表7，表中数据均为线路末端过电压值。

表6 无故障甩负荷引起的工频过电压

表7 故障甩负荷引起的工频过电压

由表6可知，将TCPST接入线路，正常送电甩负荷会产生更大的工频过电压，且随着TCPST档位增加，过电压倍数增加。TCPST安装在末端时，断路器断开后，电容电流并没有流过串联变压器，TCPST对线路过电压影响很小，而由第2章分析可知，TCPST安装在首端时，会加剧电容效应，增大工频过电压。所以TCPST安装在首端相比安装在末端处的工频过电压倍数更大一点，最大过电压为1.154，符合GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》规定。

故障甩负荷所引起的工频过电压是空载线路电容效应与单相接地故障综合产生的工频过电压。由表7可知，TCPST接入输电线路，会产生更加强烈的故障甩负荷引起的过电压，最大过电压为1.358，略低于GB/T 50064—2014中规定的限值(1.4)。建议在安装TCPST前，对故障甩负荷过电压进行校核，以保障输电线路运行安全。

5 结论

本文通过理论分析和建模仿真，计算装设TCPST后500 kV输电线路的工频过电压，得到以下结论：

a)对于空载容升引起工频过电压情况，装设TCPST相当于增加线路长度，使得工频过电压升高，并且随着TCPST档位增加，工频过电压升压增大。

b)TCPST装设使得线路X0/X1降低，抑制单相接地故障引起的工频过电压升高，随着TCPST档位增大，抑制能力增强，最大工频过电压出现在不装设TCPST时，因此不必针对TCPST采取特殊的抑制措施。

c)无故障甩负荷工频过电压与线路长度成正比，装设TCPST将增加无故障甩负荷引起的工频过电压，随着TCPST档位增加，过电压倍数增加；故障甩负荷引起的过电压受容升效应和单相接地故障的影响较大，甩负荷产生的过电压是二者的叠加，最大故障甩负荷过电压为1.358，略低于行业标准限值(1.4)。

d)TCPST对电网的影响结果存在安装位置的差异化，结合工程实际，本文建议TCPST安装在线路末端，对线路工频过电压具有积极影响。

e)无论是否采用TCPST，500 kV线路带空载长线运行、发生不对称故障、无故障甩负荷和单相故障甩负荷时的工频过电压均在标准允许的范围内。但在故障甩负荷情况下，最大过电压逼近行业标准限值，因此在TCPST接入线路后，需要重点监测故障甩负荷时所引起的过电压。