电厂主变分接头优化配置研究分析

程思萌，刘 柳，陶 翔，陈 波，汪硕承

（国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

近年来，为满足清洁能源大规模送出、负荷中心电力可靠供应等方面的需求，国家电网正大力发展特高压直流输电技术[1-3]，但是直流接入的同时也会带来电压稳定水平恶化的问题[4-5]。

目前提升系统电压稳定性的控制措施一般都是电源侧控制措施。同步调相机提升系统电压水平效果有限[6]；加装并联无功补偿设备成本高，且需要经常维护，维护费用高[7]；抽蓄机组空载调相运行无功支撑效果有限，且增加抽蓄机组损耗[8]；机组留旋转备用虽然动态无功支撑能力强，但降低发电厂经济效益，大面积机组检修期间不具备留旋备条件[9]。

电力系统最大的无功电源是发电机，如果能通过调整某些参数使得发电机在暂态过程中发挥最优电压无功特性，则可以大大提升系统的暂态电压水平。因此，文中从电网侧着手，基于分接头档位和发电机无功之间的关系，同时考虑分接头档位对机组最大无功进相能力的影响，确定了一种发电厂主变分接头最优档位计算方法，并以特高压直流接入后的实际电网为研究算例进行仿真验证，计算出不同分接头档位下的系统的电压稳定水平和机组最大无功进相能力，最终给出主变最优分接头档位。

1 分接头的调整与系统暂态稳定水平的关系

1.1 变压器的基本调压特性

调整主变分接头档位对改变系统电压的作用可用图1 来进行说明。图1（a）是变压器原始等值网络图，图1（b）是变压器用阻抗表示的等值网络。图中各参数都用标幺值表示，其中ZT为变压器的短路阻抗；ZA、ZB分别为网络A、B 侧的等值阻抗；k为变压器变比的标么值。Z1=ZT/k（k-1），Z2=ZT/（1-k）[10]。

图1 经变压器连接的等值网络

由Z1、Z2的公式分析可得：

1）当k>1时

Z1>0为感性，相当于在变压器一侧放置并联电抗器，向系统吸收感性无功；

Z2<0为容性，相当于在变压器一侧放置并联电容器，向系统送出感性无功。

2）当k<1时

Z1<0为容性，相当于在变压器一侧放置并联电容器，向系统送出感性无功；

Z2>0为感性，相当于在变压器一侧放置并联电抗器，向系统吸收感性无功。

因此，改变主变分接头档位，即改变变压器变比k，实质上就是改变Z1和Z2的符号与大小，从而影响变压器两侧系统无功潮流分布和变压器两侧电压[11]。

1.2 分接头档位与机组无功的关系

图2 是电厂升压变等值电路图。其中Ug为发电机机端电压（低压侧电压），UT为发电机高压侧电压，k为变压器变比的标么值。

图2 电厂升压变等值电路图

由于低压侧往往接带单台发电机，单机对高压侧电网而言，高压侧可看作无穷大系统，因此高压侧电压UT近似为不变。

若调低电厂升压变分接头档位，即增大升压变变比k，在高压侧电压不变的前提下，机端电压Ug降低。此时发电机为了保持机端电压恒定，将在自动励磁调节装置作用下，增加无功出力。

因此，当电厂升压变分接头档位降低时，发电机的无功出力会增加；同理电厂升压变分接头档位升高时，发电机的无功出力会减少。

1.3 机组无功和系统暂态稳定水平的关系

文中从电压稳定水平和功角稳定水平两个方面分别进行分析。

1.3.1 电压稳定水平

在系统发生故障时，随着母线电压的急剧跌落并联电容器的无功功率补偿量会大量减少，与发电机特性正好相反，在系统需要动态无功支撑时却减少了无功输出，对受端电网而言表现出不利的动态无功特性。发电机与电容器的动态无功特性曲线如图3所示。

图3 发电机与电容器的动态无功特性曲线图

因此，初始时刻在系统总无功一定时，发电机初始无功越多，即电容器初始投入的无功越少，故障时系统的总无功就越多，因此系统的暂态电压稳定水平越高。

1.3.2 功角稳定水平

图4 是发电机等值电路图，图5 是功率因素j角对电势E 的影响。其中E为发电机内电动势，U为受端电压，d为内电动势E与电压U之间的相位角，j为功率因数角，是电压U与电流I之间的相位角。

图4 发电机等值电路图

图5 功率因素角j对电势E的影响

因此，机组初始无功越大，系统的电压稳定水平和功角稳定水平均越高。

2 主变分接头对机组最大无功进相能力的影响

机组的最大无功进相能力主要与发电机功角、定子电流、机端电压三个因素有关，主变分接头档位的改变会导致机端电压发生变化。主变分接头档位越低，高压侧电压相同时，机端电压也越低，相同外部条件下更容易越下限，导致机组最大无功进相能力相应变小。

图6 表示的是系统电压与机端电压之间的关系，其中Ug为发电机机端电压，Ut为系统电压，k为变压器变比。

图6 系统电压与机端电压之间的关系

根据图6可得：

则

机组进相运行时Q＜0，显然可得发电机机端电压Ug随变比k单调递减。变比k越大，即抽头档位越低，机端电压也越低，机组最大无功进相能力相应变小；同理变比k越小，即抽头档位越高，机组最大无功进相能力也相应增大[12]。

机组的最大进相能力越小，意味着需要配备更多的电抗器来系统中多余的无功，大大增加了成本。因此，机组的最大无功进相能力越大越好。

3 主变分接头优化配置计算流程

根据上述分析，综合考虑分接头的调整对系统暂态稳定水平和机组最大无功进相能力两方面的制约因素，确定最优分接头档位的步骤如下所示：

1）通过给定的发电机和电厂主变的基础参数，可以计算出i个档位下机组的最大无功进相能力Xi（通常电厂主变抽头档位为5个，即i=5）；

2）将Xi分别与给定的最大无功进相能力参考值Xref比较，Xref=k1QN=k1PNtanjN（其中PN、QN、分别为发电机的额定有功功率、额定无功功率、额定功率因数角，k1一般取0.3）。若Xi≥Xref，则输出满足要求的j个档位（其中，j≤i），否则无优化空间（根据档位越低，机组最大无功进相能力越小，满足要求的j个档位为高档位）

3）在输出的j个档位下可以分别计算出机组的无功出力Qj；

4）将Qj分别与机组允许的无功出力最大值Qmax比较，Qmax=k2QN=k2PNtanjN（其中k2一般取0.85），若Qj≤Qmax，则输出满足要求的z个档位（其中，z≤j），否则无优化空间；

5）根据档位越低，系统的电压稳定特性越好，选择z个档位中的最低档位为最优分接头档位。

主变分接头档位优化配置的计算流程如图7所示。

图7 主变分接头档位优化配置计算流程

4 算例分析

以江西电网2021 年丰水期平负荷数据（雅湖直流400万kW）为算例进行仿真计算。

4.1 分接头档位调整对机组无功和主变两侧电压的变化情况

在江西电网3 个不同区域分别选取A、B、C 三台机组进行升压变分接头档位的调整，维持机端电压不变，升压变高压侧母线电压以及发电机发出的无功功率变化情况如表1所示。

表1 不同分接头档位下机组无功和主变高压侧电压

方式一：3台机组的初始主变分接头均在3档，江西500 kV母线电压在520 kV左右；

方式二：在方式一基础上将3 台机组主变分接头改为5档；

方式三：在方式二基础上投退无功补偿装置，调整电压至520 kV左右。

三种方式下发电机的无功出力变化情况如图8所示。

图8 不同分接头档位下发电机无功出力

由表1和图8可得，调高电厂升压变分接头档位，即减小升压变变比k，发电机无功出力会减少，电厂升压变高压侧母线电压会降低；若继续投退无功补偿装置使得电压恢复到原有水平，即系统总无功保持不变，发电机无功出力会进一步降低甚至进相运行。

4.2 分接头档位调整对系统暂态稳定水平的变化情况

1）定性分析

在4.1 小节中方式一（抽头档位在3 档）和方式三（抽头档位在5档）两种方式下，发生500 kV同杆并架线路N-2故障后换流站母线电压曲线如图9所示。

图9 不同分接头档位下故障后换流站母线电压曲线

由图9 曲线可以明显看出，抽头档位在3 档的方式下，发生故障后系统的电压恢复的更快，暂态稳定特性更好。

2）定量分析

为保证雅湖直流受入400万kW电力，在方式一（抽头档位在3档）和方式三（抽头档位在5档）两种方式下计算火电机组所需的旋转备用量，结果如表2所示。

表2 不同分接头档位下火电机组所需旋备量

由表2 可以得出，抽头档位由3 档提升至5 档后，为保证雅湖直流受入400 万kW 电力，火电机组所需的旋备量增加了54 万kW。因此，抽头档位在3 档的方式下系统的暂态电压稳定特性更好。

因此，通过上述仿真分析结果可以验证升压变抽头档位越低，系统的暂态电压稳定水平越高。

4.3 分接头档位调整对机组最大无功进相能力的变化情况

在江西电网3 个不同区域分别选取D、E、F 三台机组，在不同电厂升压变分接头档位下计算机组的最大无功进相能力。计算结果如表3所示。

表3 不同分接头档位下机组最大无功进相能力MVar

由表4 可以得出，升压变抽头档位越高，机组的最大无功进相能力越大。

表4 所有档位下机组最大无功进相能力MVar

4.4 分接头档位优化配置

选取江西电网某台220 kV机组开展仿真分析。

1）机组参数：Xd=184.5%；发电机额定容量为711 MVA；额定有功功率为640 MW；定子额定电流为18 661.8 A；额定功率因数为0.9；机端额定电压为22 kV；

机组升压变参数：短路阻抗为Xt=8%；升压变高压侧额定容量为780 MVA；额定电压为（242±2×2.5%/22）kV。

根据以上参数，可以计算出机组在所有分接头档位下的最大无功进相能力，结果如表4所示。

2）机组的最大无功进相能力参考值Xref=k1tanPN=（0.3×0.48×640）MVar=92.16 MVar，将表4 中5 个档位下的数值与Xref比较，其中只有3 档、4 档和5 档这3个档位满足要求；

3）在3 档、4 档和5 档这3 个档位下分别计算机组的无功出力，分别为380.24 MVar、250.76 MVar 和140.15MVar；

4）机组允许的无功出力最大值Qmax=k2tanPN=（0.85×0.48×640）MVar =261.12 MVar，与3 档、4 档和5 档这3 个档位下机组的无功出力进行比较，只有4档和5档这2个档位满足要求；

5）根据档位越低，系统的电压稳定特性越好，因此选择4档为最优分接头档位。

5 结语

文中主要分析了电厂主变分接头档位的调整对主变两侧电压、机组无功、系统暂态稳定水平以及机组最大无功进相能力的影响变化并进行仿真验证，基于上述影响因素提出一种主变分接头优化配置方法，以江西电网实际厂站算例进行仿真计算。主要结论如下：

1）现有提升系统电压稳定性的控制措施一般都是电源侧控制措施，而调整电厂主变分接头档位是从电网侧来提升系统的暂态电压稳定水平的措施，且具有操作方便、效果显著、经济好等优点；

2）优化电厂主变分接头档位，可以改变变压器两侧电压和系统无功潮流分布，当分接头档位降低时，发电机的无功增加，从而电容器投入组数减少（即改变系统的网源稳态无功占比），因此系统的暂态电压稳定水平有所提高；

3）电厂主变分接头档位越低，机组机端电压也越低，机组最大无功进相能力也相应变小。机组的最大进相能力越小，意味着需要配备更多的电抗器来系统中多余的无功，大大增加了成本。因此，机组的最大进相能力越大越好。

4）综合考虑分接头档位对系统的暂态电压稳定水平和机组最大无功进相能力两方面制约因素，结合电网实际运行经验和工程实用性，提出一种主变分接头档位优化配置方法，通过实际算例进行仿真验证，证明了该方法的可行性。