移相变压器在电网中的应用

何 璐,路秀丽,肖云峰，司青花

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065;2.陕西镇安抽水蓄能有限公司，陕西 镇安 711509)

0 前 言

在电力系统中，辐射性网络的潮流完全取决于各节点的负荷，当不采取任何控制手段时，并行线路、环网网络的潮流按照阻抗分布，功率的自然分布可能会造成线路潮流分布不合理，出现各通道的功率输送不均衡，送电通道中的某一条或者几条线路已经达到送电极限，而其他线路却处于轻载运行的情况，从而使整个送电断面的极限收到限制，影响电网的正常送电。移相变压器(Phase shifting transformer，简称PST)又称移相器，是国外电网中常用的一种电力设备，它串联在线路中，通过改变线路电压的始末相位角即功率角，来控制和改善不同电网之间的有功功率的分布。IEC62032-2012 《移相变压器的应用、规范及实验技术规程》和IEEE Std C57.135《移相变压器的应用、规范及实验技术规程》 Guide Guide for Application , Specification , and Testing of Phase-Shifting Transformers 等移相变压器的专用规范，对移相变压器的应用、特点和试验进行了详细的规定，为移相变压器的实际应用进行指导。本文通过介绍移相变压器的原理、分类、国内外的应用和研究现状，以国外某水电站工程为例，确定采用移相变压器的安装地点、接线方式和移相变压器的基本参数，根据国内移相变压器的研究现状以及国内电网的发展趋势，分析采用移相变压器进行潮流控制的可行性，为移相变压器在电网的推广应用提供借鉴。

1 移相变压器的原理

移相变压器两侧分别称作负载侧和电源侧，移相变压器串联在线路上使用，其电源侧和负载侧的电压模值相等，相角差在一定范围内是连续可调的。通过移相变的相角调节可以控制电力系统各支路的有功功率的流动，实现合理分配线路潮流以提高输电能力的目的。在未装设移相变压器前，输电线路的传输功率可表示：αδ

(1)

公式(1)其中：Um、Un分别是线路始端和末端电压的幅值;XL是输电线路的电抗,Ω;δ是线路首末端的功率角,(°)。

由公式(1)可得，输电线路传输功率与线路两端母线电压的模值、相位差正弦值成正比，与线路电抗反比，所以改变线路首末端的功率角，可以改变线路传输的有功功率。移相器正式基于这个原理，在线路输入侧叠加合适的角度，在不改变原线路电压幅值的基础上，使线路两侧功率角发生变化，从而起到控制线路传输功率的作用。系统稳态时，移相器可等效为串接在线路中的电抗和理想移相器模型，装设移相器后的线路传输功率为：

(2)

此时，输电线路等值模型和向量分别如图1、2所示。

由图2所示，安装移相变压器后，线路两侧电压相位差附加了±α分量，移相变压器通过改变α的正负和大小，使系统的潮流发生变化。图2中，移相器在线路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它线路上，减轻了该线路的负载；反之，若需要增大该线路潮流，则可通过移相器提供一个超前的相位。

2 移相变压器的分类

移相变压器按照本体结构来分，可分为传统机械式移相变、晶闸管式移相变、混合型移相变。

传统机械式移相变压器主要是由单台变压器绕组或者由并联励磁变与串联升压变共同联接，通过分接抽头专门设计来实现，它通过控制变压器的分接开关位置来改变输出侧电压幅值大小及相角偏移。此类PST响应速度慢、转换容量有限、寿命短，仅适用于电力系统稳态调节。晶闸管式移相变压器是由单台并联励磁变与串联升压变共同联接实现，利用晶闸管串并联组合来取代传统机械式分接开关。此类PST能够对电力系统的稳态进行调节，也能满足系统暂态调节需求。

混合型移相变压器集合了机械式和晶闸管式移相变压器的优点，还能改善线路动态性能，但造价高。目前移相变压器应用的工程实例，多是机械式的移相变压器。

3 移相变压器的应用和研究现状

移相变压器主要通过改变输电线路首末端的电压相角差，即功率角来控制线路上输送的有功功率，从而达到控制电网潮流分布的目的。此项技术在中国尚无相关应用。但是，早在20世纪30年代，移相变压器就被北美、日本以及欧洲多个国家如瑞典、荷兰、德国等国的学者和工程师们大量研究，随着电力系统的发展，交流电网日趋复杂，并形成大量环网，这使移相变压器在北美、日本、欧洲等许多国家的实际应用愈来愈广泛。

目前，生产移相变压器的厂家有西门子、ABB等。在国内，保定天威保变电气股份有限公司是拥有自主知识产权和供货经验的厂家，主要供货美国、加拿大等海外国家[1]。沈变、西变等可以根据西门子、ABB的技术进行生产。

表1 移相变压器的应用情况

目前，移相变压器在中国尚无工程实例，但是我国对此也开展了仿真计算。李文平等指出[2-3]东北电网辽西系统的一个500/220 kV电磁环网中的220 kV线路负载较大问题，提出将该地区联络变压器改造为移相变压器的方案，结果表明移相变压器能够减小网损，并消除了某条220 kV线路在其它线路断开时的过载问题。徐征强等[3]将移相变压器装设在辽中输电断面的某一变压器处，降低了电能损失。赵学强等[4-6]分析了将移相变压器运用于华东电网的场景，移相变压器安装后分别使上海电网的受电通道受电能力、江苏电网过江通道以及安徽送江苏断面输电能力大幅提高，与此同时降低了移相变压器安装处附近的母线短路电流。陈刚等[7]针对川渝断面输电能力受限问题，在潮流较重的洪板线加装移相变压器，从而提高了断面的输电能力，确保四川水电向外输送。郭家鹏等[8]对基于零序故障分量的对称双芯移相变压器的纵联保护进行了仿真计算，计算结果表明该保护方案能够识别对称双芯移相变压器内部的接地故障、匝间故障、匝地短路等区内故障和区外故障，并能够很好地保护移相变压器的电气连接部分。

4 国外某电站移相变压器的应用

我们在进行国外某水电站的可研阶段设计工作时，此电站北岸以330 kV电压等级接入电力系统，出线5回，其中三回送至变电站；2回与南岸电站400 kV开关站联络。

南岸电站以400 kV电压等级接入电力系统，出线6回，其中2回与北岸电站330 kV 开关站相连；2回接入400 kV变电站；预留2回出线用于拟建的另一座400 kV开关站。根据《EMPLOYERREQUIREMENT》和当地电力系统初步的接入系统报告，以及当地电力部门关于本电站研讨会的会议纪要，需要对本电站送出的两回线路进行潮流控制，采取的方式即为在这两条线路上加装移相变压器。为了避免移相变压器检修或者系统运行时无需进行功率调节的状况，还需为移相变压器设置旁路断路器。我们对如下2个方案接线进行了对比。两种方案接线如图4、5所示。

经过技术经济比选，方案1连接复杂，一回出线采用2个400 kV出线间隔，出线回路多个断路器串联，而且在为每组移相变压器设置旁路断路器的同时，还为每个出线断路器设置旁路隔离开关，设备配置冗余。

方案2接线简单，设备较少，当需要移相变压器进行功率调节时，旁路隔离开关打开，潮流自移相变压器支路通过；当移相变压器检修或者系统无需进行功率调节时，先打开移相变压器两端的断路器及隔离开关，移相变压器退出运行，再合上旁路隔离开关断路器以及断路器外侧隔离开关，电能自旁路隔离开关支路送出，满足系统对电站功率调节的需要。移相变压器的主要参数如下：

表2 移相变压器主要参数

5 结 论

(1) 通过介绍移相变压器的原理、国内外的应用现状，以国外某水电站工程为例，确定了采用移相变压器的安装地点、接线方式和移相变压器的基本参数。

(2) 移相变压器作为一种灵活的潮流控制设备，可在不改变原有机组发电功率、电网拓扑结构的情况下有效地实现对电网潮流的调节。

伴随着我国电力发展步伐的不断加快，电网的蓬勃发展，为实现“碳达峰”“碳中和”的重大目标，需要加快构建以风、光、水、储等的新能源为主体、高电压远距离输电以及地区电网互联的新型电力系统。电力系统日益复杂，在供需平衡、系统调节、稳定特性等方面都将发生显著变化，为提高电网的可控性和传输能力，移相变压器作为一种灵活的潮流控制设备，可作为电网潮流控制功率调节的一个选择。