双芯对称型移相变压器应用场景分析

董靓媛,李晓军,戎士洋,于腾凯,崔童飞

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

随着新能源场站的大量集中接入,新能源已经成为电源的重要组成部分。由于新能源的随机性、不确定性,使传统电网的规划在一定程度上受到限制,电网结构和参数无法适应新能源大量接入时,会出现部分输电通道过载现象[12]。如何在新型电力系统条件下,提高新能源消纳能力,充分发挥其在低碳、环保、节能方面的优势,通过灵活的调控方式,合理控制电网潮流分布是电网亟待解决的问题。

移相变压器是现代电力系统中实现潮流控制的一项关键技术[3-5],通过移相变压器注入补偿电压改变线路端电压相角,移相变压器的潮流控制作用在潮流计算中可等效为设备支路两侧节点附加注入功率,从而起到调节线路潮流的作用。本文通过调节双芯对称型移相变压器达到潮流控制目标,有效控制过载线路潮流,提升电网区域之间互联互通和输电灵活性。

1 移相变压器工作原理及模型

1.1 工作原理

输电线路的传输功率如下

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。

移相变压器工作原理相当于在装置处叠加一个电压,根据移相变压器结构和系统接入方式不同,可实现装置输入/输出侧电压幅值相同、相位差改变,以及幅值、相位差同时改变的功能,从而起到控制线路传输功率的作用。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,含移相变压器支路等值电路如图1所示。

图1 含移相变压器支路等值电路

移相变压器接入后,线路两侧电压相量如图2所示。

图2 移相变压器输入、输出电压相量

δ为未装设移相变压器时原线路两侧的电压相位差;加入移相变压器后,移相变压器在原输入电压基础上叠加了一个电压相量,使得线路两侧电压相位差变为δ'。装设移相变压器后的线路功率如下

1.2 模型

移相变压器由1台串联变压器和1台励磁变压器组成,串联变压器一、二次侧绕组为三角形连接,励磁变压器一、二次侧绕组为星形连接,S、L分别代表移相变压器输入侧和输出侧。

移相变压器的输入输出侧等式关系如下

式中:US、IS、UL、IL分别为移相变压器输入侧、输出侧电压和电流;NE、NS分别为励磁变压器、串联变压器一二次侧绕组匝数比;ZS1、ZS3分别为串联变压器一、二次侧绕组漏阻抗;ZE1、ZE2分别为励磁变压器一、二次侧绕组漏阻抗;Zeq为移相变压器的等值阻抗;φ为空载移相角;M为励磁变压器二次侧绕组接入匝数与二次侧总匝数的比值,当绕组极性转换器选择为反向时,M为负数。

电力设备厂商提供的机械式双芯对称型移相变压器参数如表1所示[6]。该移相变压器共有17个档位,正、反向各8个。

表1 220 kV机械式双芯对称型移相变压器参数

通过以上信息,可分别求得式(5)计算等效阻抗Zeq所 需 的NE、NS、ZE1、ZE2、ZS1、ZS3等 参数,由于移相变压器电抗远大于电阻,一般忽略电阻分量。移相变压器档位变化影响励磁变压器二次侧绕组参与励磁的绕组匝数,档位越大接入电路绕组越多,相应等效电抗也越大。通过计算,当移相变压器档位调整为零档时,即移相变压器不参与系统调节,此时达到最小阻抗值12.2Ω;当档位调整至正向最大或反向最大时,达到最大阻抗值18.6Ω,最大阻抗值约为最小阻抗值的1.5倍。

2 移相变压器应用仿真分析

基于某省电网度夏数据,利用BPA软件对移相变压器应用场景进行仿真研究[710]。移相变压器应用场景网架结构如图3所示。该区域负荷7.6 GW,西北部有大量风电场并网,西南部有大量光伏电站并网,风电装机0.83 GW,光伏装机1.08 GW。各线路额定潮流分别如表2所示。

图3 移相变压器应用场景网架结构

表2 线路额定潮流

夏季大负荷期间,新能源场站满发时,A-B线路(LGJ-2×240)接近满载。由于J-K线路型号为2×LGJ-300/25,当新能源满发时,也存在过载问题。

为实现新能源有效利用,加强区域之间联系,考虑将移相变压器安装在负载较重线路附近的联络线上。针对A-B线路负载率较重,提出2个移相变压器应用场景:一是F站高压母线合环运行,在F-A线路A侧加装移相变压器;二是BC线路合环运行,在B-C线路C侧加装移相变压器。2个应用场景分别分析正常方式下合环前后、投入移相变压器及调节移相变压器使得A-B线路达到目标潮流时对区域潮流影响,计算安装移相变压器线路潮流改变与周边线路潮流灵敏度关系。同时给出正常方式下及重要线路N-1、N-2方式下,实现调节目标所需移相变压器调节角度及注入电压,对安装移相变压器后的电网开展短路计算及稳定分析。

2.1 F站220 k V母线合环运行

2.1.1 正常方式下移相变压器应用潮流分析

夏季大负荷新能源满发情况下,A-B线路负载率达到97%,接近满载,J-K由于线路较细,处于过载状态。F站高压母线合环后,F站送A站潮流137 MW,加重A-B线路潮流,A-B线路过载4%,同时J-K线路过载更严重。F站高压母线合环前后各线路负载率见表3。

表3 F站高压母线合环前后各线路负载率 %

投入移相变压器后,增加F-A线路等效阻抗,A-B线路潮流有所下降,但仍过载。通过调节移相变压器,F-A线路潮流降到61 MW,AB线路达到热稳极限。继续调节移相变压器,FA线路潮流反向,A站送F站潮流118 MW,AB线路潮流达到90%热稳极限。当A站送F站潮流293 MW时,A-B线路潮流达到80%热稳极限。将移相变压器设置在F-A线路,A-B线路不过载的同时,J-K线路过载情况得到缓解。F-A线路投入移相变压器以及调节移相变压器使得A-B线路达到热稳极限、90%热稳极限、80%热稳极限,各线路负载率如表4所示。

表4 F-A线路A侧投入移相变压器、调节移变压器各线路负载率 %

通过仿真计算,F-A线路加装移相变压器后,各线路的潮流转移关系如表5所示。

表5 线路潮流转移比例 %

由表5得出,当调节移相变压器使F-A线路潮流每改变100 MW,A-D线路改变10 MW,A-B线路改变21 MW,E-B线路改变31 MW,G-A双线改变34 MW,H-A线路改变35 MW,J-K线路改变13 MW。

2.1.2 移相变压器调节角度及注入电压分析

通过调节移相变压器,A-B线路潮流达到热稳极限、90%热稳极限、80%热稳极限移相变压器调节角度及注入电压如表6所示。

表6 控制A-B线路潮流,移相变压器调节角度及注入电压

当相邻500 k V南北通道I-H线路发生N-1、N-2故障时,F-A线路潮流增加,A-B线路潮流较未发生故障时潮流更大,均已过载,A-B线路潮流达到热稳极限、达到90%热稳极限、达到80%热稳极限移相变压器调节角度及注入电压均增大,如表7、表8所示。

表7 I-H线路N-1故障,控制A-B线路潮流,移相变压器调节角度及注入电压

表8 I-H线路N-2故障,控制A-B线路潮流,移相变压器调节角度及注入电压

2.1.3 短路及稳定分析

F站合环运行,正常方式下及相邻500 k V南北通道发生N-1、N-2方式下运行,投入移相变压器后短路电流未超标,且无安全稳定问题。

2.2 B-C线路合环运行

2.2.1 正常方式下移相变压器应用潮流分析

B-C线 路 合 环 后,B站 送C站175 MW,加重A-B线路潮流,A-B线路过载。B-C线路合环前后各线路负载率如表9所示。

表9 B-C线路合环前后各线路负载率 %

投入移相变压器后,增加B-C线路等效阻抗,A-B线路潮流有所下降,但仍然过载。通过调节移相变压器,B-C线路潮流降至36 MW时,A-B线路达到热稳极限。继续调节移相变压器,B-C线路潮流反向,C站送B站潮流77 MW,A-B线路潮流达到90%热稳极限;C站送B站潮流194 MW,80%热稳极限。将移相变压器设置在B-C线路,A-B线路不过载的同时,加重JK线路过载情况。B-C线路投入移相变压器以及调节移相变压器使得A-B线路达到热稳极限、90%热稳极限、80%热稳极限各线路负载率如表10所示。表10中负号表示线路潮流方向发生改变。

通过仿真计算,B-C线路加装移相变压器后,各线路的潮流转移关系如表11所示。

由表11得出,当调节移相变压器使B-C线路潮流每改变100 MW,A-D线路改变16 MW,A-B线路改变32 MW,E-B线路改变52 MW,G-A双线改变23 MW,H-A线路改变25 MW,J-K线路改变9 MW。

2.2.2 移相变压器调节角度及注入电压分析

通过调节移相变压器,使A-B线路潮流降低到热稳极限、达到90%热稳极限、达到80%热稳极限3种情况,移相变压器调节角度及注入电压如表12所示。

表12 控制A-B线路潮流,移相变压器调节角度及注入电压

当相邻500 k V东西通道H-Y线路发生N-1、N-2故障时,B-C线路潮流增加,A-B线路潮流较未发生故障时潮流更大,均已过载,AB线路潮流降低到热稳极限、达到90%热稳极限、达到80%热稳极限3种情况,移相变压器调节角度及注入电压均增大,如表13、表14所示。

表13 H-Y线路N-1故障,A-B线路潮流改变移相变压器调节角度及注入电压

表14 H-Y线路N-2故障,A-B线路潮流改变移相变压器调节角度及注入电压

2.2.3 短路及稳定分析

B-C线路合环运行,正常方式下及相邻500 k V东西通道发生N-1、N-2方式下运行,投入移相变压器后短路电流未超标,且无安全稳定问题。

2.3 小结

经过潮流计算、短路电流校核和稳定分析,F站合环,F-A线路A侧加装移相变压器,能够有效降低A-B线路潮流,同时对于J-K线路潮流有抑制作用。相较于B-C线路合环C侧加装移相变压器,控制A-B线路达到热稳极限所需调节角度及注入电压更小,移相变压器所需配置容量更小,经济效益更高。

因此,为解决A-B线路过载问题,综合考虑移相变压器控制效果及经济性,推荐F站合环,在F-A线路A侧加装移相变压器方案。

3 结论

移相变压器作为一种灵活的潮流控制设备,在原有电网拓扑结构下能够有效调节电网潮流。本文对双芯对称型移相变压器运行原理及数学模型建立进行深入研究,利用BPA电网仿真软件对移相变压器进行建模,开展移相变压器在大电网应用场景仿真研究,结果表明,移相变压器的投入能够消除线路过载,提高线路潮流均衡度,同时保障区域互联可靠性,提升输电灵活性,可为未来电网投入移相变压器地址选择和容量设定奠定基础。