移相变压器的选型方案研究

余梦泽 李 峰 李作红 曹华珍 韦 斌 隋 宇

（广东电网有限责任公司电网规划研究中心，广州 510080）

随着我国经济的持续发展，电网互联成为了电力系统发展的趋势。但随着互联电网规模的增大，电网复杂程度也在不断增加，并形成了更多的环网。电力系统工作过程中，常因潮流不均引起电网输电受阻，从而导致部分线路重载而部分线路利用效率不足[1]。因此，迫切需要充分挖掘现有电网的潜力、掌握输电潮流关键技术，以获得最大的安全裕度和最小的输电成本。

作为一种经济型潮流调节设备，移相变压器（Phase Shifting Transformer，PST）通过在线路中注入正交电压实现移相功能，注入同相电压实现调压功能[2]。早期的PST均采用机械方式的有载调压，在北美、欧洲及日本已应用多年，并发挥了重要作用。近些年，随着电力电子技术的快速发展，出现了晶闸管式移相器，即TCPST。晶闸管调压速度比机械调压更快，能够满足电力系统快速控制要求。TCPST除了稳态潮流和电压控制外，也可用来处理系统暂态和动态方面的问题，如提高暂态稳定性、减轻导致联络线失步的穿越潮流、抑制故障后线路功率突增所造成的开关过负荷以及阻尼振荡等。但TCPST成本很高，同电压等级下约为机械式PST成本的4～6倍[3-4]，因此工程应用中大多选择机械式开关PST。

1 移相变压器调节原理

电力系统中，辐射型网络的潮流完全取决于各节点的负荷，当不采取任何控制、调节手段时，并行线路、环网网络的潮流按阻抗分布。在未装设移相变压器前，输电线路的传输功率可表示为：

式中：Um、Un、δ1、δ2分别为线路两侧节点的电压幅值和相角；XL为线路电抗。

由式（1）可得，输电线路传输功率与线路两侧节点电压的幅值、相位差正弦值成正比，与线路电抗成反比。接入移相变压器后的输电线路模型如图1所示。

系统稳态时，移相变压器可等效为理想变压器附加阻抗模型。装设移相变压器后的线路传输功率为：

由式（2）可得，线路两侧电压相位差附加了一个±α分量。移相变压器通过改变α的正负和大小，能够使系统的潮流发生变化。图1中，移相变压器在线路m侧附加了滞后的相位α，使得原来两侧电压相位差由δ减小为δ´，从而将该线路的潮流转移到其他线路上，减轻了该线路的负载。反之，若需要增大该线路的潮流，可通过移相变压器提供一个超前的相位。

2 移相变压器选型方案

本文针对220 kV及以上高压电网进行了移相变压器选型方案研究，共提出3种方案，分别为Sen式移相器、双芯对称型移相器及单芯对称型移相器。

2.1 Sen式移相器

Sen式移相器（ST）是Kalyan K. Sen和Mey Ling Sen对移相变压器创造性的利用和拓展[5]，基本结构如图2所示。它是一个由3个原边绕组和9个副边绕组组成的变压器。其中，原边绕组以星型方式连接，然后并联接入系统（通常是靠近首端的一侧）构成变压器的励磁单元。每个原边绕组对应3个副边绕组，副边绕组每相分别由3个带着抽头的小绕组连接而成，然后以串联的方式接入系统提供电压补偿。ST的副边绕组是可以多级调节的。假设先不考虑ST副边绕组没有抽头，即ST的副边每个绕组只能输出0 p.u.或1 p.u.的电压，因此对于三相ST输出电压可表示为如图3所示的形式。

在一般的运行情况下，如果A、B、C三相电压补偿前是对称的，为了使补偿后电压依然对称，ST的三相副边绕组的输出电压也必然是三相对称的。也就是说，三相ST输出电压互差120°的相角。但是，如果A、B、C三相电压补偿前有一定偏差，那么为了使之补偿后能够平衡，ST的三相输出电压也不能对称。从这一点上，能够体现出ST的电压调节十分灵活。

ST副边各相每个绕组的中间抽头数量M决定了ST可输出电压不同相量的个数N。N的计算公式为：

由式（3）可以看出，抽头数量M越大，输出电压可以取得的相量就越多，即其控制的电压离散点分布就越密集。

2.2 双芯对称型PST拓扑结构

双芯移相变压器由励磁变压器和串联变压器构成，其中串联变压器的原边绕组串联在电网中，励磁变压器用于相位调节，其连接方式如图4所示，电压相量如图5所示。以A相为例，其中相量UE1A、UE1B、UE1C分别为励磁变压器原边绕组的电压，UE2A、UE2B、UE2C分别为励磁变压器二次侧绕组的电压。USA表示A相输入电压，ULA为A相输出电压，励磁变压器一次侧输入电压UE1A=USA+（ULA-USA）/2，与串联变压器输出电压相角差90°，这样就在电压幅值不变的条件下实现了电压移相的功能。

2.3 单芯对称型PST拓扑结构

单芯对称型PST的工作原理与双芯对称型PST基本相同，这里不再赘述，其结构及电压相量如图6所示。

单芯式移相变压器相对于双芯式移相变压器，具有绕组数量少和结构简单的优点。但其也有自身的缺点，如分接开关和调压绕组要直接接到线端上，这样就需要直接耐受系统过电压和短路电流。尤其是当单芯式移相变压器运行在零相角的分接位置时，其本身的短路阻抗会很小，要特别注意分接开关的选择和抗短路能力的设计。

3 移相变压器方案对比

ST、双芯对称型PST和单芯对称型PST都可以通过向系统串联电压来改变系统送端电压，从而对系统的有功功率和无功功率进行调节，但是各有优势与不足，具体比较如表1所示。

表1 3种方案PST对比（220 kV）

ST和单芯对称型PST都只需要一台变压器，结构较为简单，但其分接开关和调压绕组要直接或间接接到线端上，需要直接耐受系统过电压和短路电流。在高电压等级场合（220 kV以上），这两种方案并不适用。综合各项参数，双芯对称型PST在220 kV工程应用中是最优选择。

4 结语

本文介绍和分析了Sen式移相器（ST）、双芯对称型PST和单芯对称型PST的拓扑结构和工作原理的，并针对220 kV高压应用场合下3种移相器的各性能参数进行了综合比对。结果表明：双芯式对称型移相器在不改变电压幅值的情况下，能够通过改变电压相位来灵活调节线路有功功率和无功功率，其调压绕组不直接接到系统线路上。因此，调压绕组的级电压和电流可以依据分接开关的额定性能参数灵活设计，适用于高电压等级、容量大和移相角大的场合。