董靚媛,李曉軍,戎士洋,于騰凱,崔童飛

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

隨著新能源場站的大量集中接入,新能源已經(jīng)成為電源的重要組成部分。由于新能源的隨機性、不確定性,使傳統(tǒng)電網(wǎng)的規(guī)劃在一定程度上受到限制,電網(wǎng)結構和參數(shù)無法適應新能源大量接入時,會出現(xiàn)部分輸電通道過載現(xiàn)象[12]。如何在新型電力系統(tǒng)條件下,提高新能源消納能力,充分發(fā)揮其在低碳、環(huán)保、節(jié)能方面的優(yōu)勢,通過靈活的調(diào)控方式,合理控制電網(wǎng)潮流分布是電網(wǎng)亟待解決的問題。

移相變壓器是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中實現(xiàn)潮流控制的一項關鍵技術[3-5],通過移相變壓器注入補償電壓改變線路端電壓相角,移相變壓器的潮流控制作用在潮流計算中可等效為設備支路兩側(cè)節(jié)點附加注入功率,從而起到調(diào)節(jié)線路潮流的作用。本文通過調(diào)節(jié)雙芯對稱型移相變壓器達到潮流控制目標,有效控制過載線路潮流,提升電網(wǎng)區(qū)域之間互聯(lián)互通和輸電靈活性。

1 移相變壓器工作原理及模型

1.1 工作原理

輸電線路的傳輸功率如下

式中:Um、Un、δ1、δ2分別為線路兩側(cè)節(jié)點的電壓幅值和相角;XL為線路電抗。

由式(1)可得,輸電線路傳輸功率與線路兩側(cè)節(jié)點電壓的幅值、相位差正弦值成正比,與線路電抗成反比。

移相變壓器工作原理相當于在裝置處疊加一個電壓,根據(jù)移相變壓器結構和系統(tǒng)接入方式不同,可實現(xiàn)裝置輸入/輸出側(cè)電壓幅值相同、相位差改變,以及幅值、相位差同時改變的功能,從而起到控制線路傳輸功率的作用。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時,移相變壓器可等效為理想變壓器附加阻抗模型,含移相變壓器支路等值電路如圖1所示。

圖1 含移相變壓器支路等值電路

移相變壓器接入后,線路兩側(cè)電壓相量如圖2所示。

圖2 移相變壓器輸入、輸出電壓相量

δ為未裝設移相變壓器時原線路兩側(cè)的電壓相位差;加入移相變壓器后,移相變壓器在原輸入電壓基礎上疊加了一個電壓相量,使得線路兩側(cè)電壓相位差變?yōu)棣?。裝設移相變壓器后的線路功率如下

1.2 模型

移相變壓器由1臺串聯(lián)變壓器和1臺勵磁變壓器組成,串聯(lián)變壓器一、二次側(cè)繞組為三角形連接,勵磁變壓器一、二次側(cè)繞組為星形連接,S、L分別代表移相變壓器輸入側(cè)和輸出側(cè)。

移相變壓器的輸入輸出側(cè)等式關系如下

式中:US、IS、UL、IL分別為移相變壓器輸入側(cè)、輸出側(cè)電壓和電流;NE、NS分別為勵磁變壓器、串聯(lián)變壓器一二次側(cè)繞組匝數(shù)比;ZS1、ZS3分別為串聯(lián)變壓器一、二次側(cè)繞組漏阻抗;ZE1、ZE2分別為勵磁變壓器一、二次側(cè)繞組漏阻抗;Zeq為移相變壓器的等值阻抗;φ為空載移相角;M為勵磁變壓器二次側(cè)繞組接入匝數(shù)與二次側(cè)總匝數(shù)的比值,當繞組極性轉(zhuǎn)換器選擇為反向時,M為負數(shù)。

電力設備廠商提供的機械式雙芯對稱型移相變壓器參數(shù)如表1所示[6]。該移相變壓器共有17個檔位,正、反向各8個。

表1 220 kV機械式雙芯對稱型移相變壓器參數(shù)

通過以上信息,可分別求得式(5)計算等效阻抗Zeq所 需 的NE、NS、ZE1、ZE2、ZS1、ZS3等 參數(shù),由于移相變壓器電抗遠大于電阻,一般忽略電阻分量。移相變壓器檔位變化影響勵磁變壓器二次側(cè)繞組參與勵磁的繞組匝數(shù),檔位越大接入電路繞組越多,相應等效電抗也越大。通過計算,當移相變壓器檔位調(diào)整為零檔時,即移相變壓器不參與系統(tǒng)調(diào)節(jié),此時達到最小阻抗值12.2Ω;當檔位調(diào)整至正向最大或反向最大時,達到最大阻抗值18.6Ω,最大阻抗值約為最小阻抗值的1.5倍。

2 移相變壓器應用仿真分析

基于某省電網(wǎng)度夏數(shù)據(jù),利用BPA軟件對移相變壓器應用場景進行仿真研究[710]。移相變壓器應用場景網(wǎng)架結構如圖3所示。該區(qū)域負荷7.6 GW,西北部有大量風電場并網(wǎng),西南部有大量光伏電站并網(wǎng),風電裝機0.83 GW,光伏裝機1.08 GW。各線路額定潮流分別如表2所示。

圖3 移相變壓器應用場景網(wǎng)架結構

表2 線路額定潮流

夏季大負荷期間,新能源場站滿發(fā)時,A-B線路(LGJ-2×240)接近滿載。由于J-K線路型號為2×LGJ-300/25,當新能源滿發(fā)時,也存在過載問題。

為實現(xiàn)新能源有效利用,加強區(qū)域之間聯(lián)系,考慮將移相變壓器安裝在負載較重線路附近的聯(lián)絡線上。針對A-B線路負載率較重,提出2個移相變壓器應用場景:一是F站高壓母線合環(huán)運行,在F-A線路A側(cè)加裝移相變壓器;二是BC線路合環(huán)運行,在B-C線路C側(cè)加裝移相變壓器。2個應用場景分別分析正常方式下合環(huán)前后、投入移相變壓器及調(diào)節(jié)移相變壓器使得A-B線路達到目標潮流時對區(qū)域潮流影響,計算安裝移相變壓器線路潮流改變與周邊線路潮流靈敏度關系。同時給出正常方式下及重要線路N-1、N-2方式下,實現(xiàn)調(diào)節(jié)目標所需移相變壓器調(diào)節(jié)角度及注入電壓,對安裝移相變壓器后的電網(wǎng)開展短路計算及穩(wěn)定分析。

2.1 F站220 k V母線合環(huán)運行

2.1.1 正常方式下移相變壓器應用潮流分析

夏季大負荷新能源滿發(fā)情況下,A-B線路負載率達到97%,接近滿載,J-K由于線路較細,處于過載狀態(tài)。F站高壓母線合環(huán)后,F站送A站潮流137 MW,加重A-B線路潮流,A-B線路過載4%,同時J-K線路過載更嚴重。F站高壓母線合環(huán)前后各線路負載率見表3。

表3 F站高壓母線合環(huán)前后各線路負載率 %

投入移相變壓器后,增加F-A線路等效阻抗,A-B線路潮流有所下降,但仍過載。通過調(diào)節(jié)移相變壓器,F-A線路潮流降到61 MW,AB線路達到熱穩(wěn)極限。繼續(xù)調(diào)節(jié)移相變壓器,FA線路潮流反向,A站送F站潮流118 MW,AB線路潮流達到90%熱穩(wěn)極限。當A站送F站潮流293 MW時,A-B線路潮流達到80%熱穩(wěn)極限。將移相變壓器設置在F-A線路,A-B線路不過載的同時,J-K線路過載情況得到緩解。F-A線路投入移相變壓器以及調(diào)節(jié)移相變壓器使得A-B線路達到熱穩(wěn)極限、90%熱穩(wěn)極限、80%熱穩(wěn)極限,各線路負載率如表4所示。

表4 F-A線路A側(cè)投入移相變壓器、調(diào)節(jié)移變壓器各線路負載率 %

通過仿真計算,F-A線路加裝移相變壓器后,各線路的潮流轉(zhuǎn)移關系如表5所示。

表5 線路潮流轉(zhuǎn)移比例 %

由表5得出,當調(diào)節(jié)移相變壓器使F-A線路潮流每改變100 MW,A-D線路改變10 MW,A-B線路改變21 MW,E-B線路改變31 MW,G-A雙線改變34 MW,H-A線路改變35 MW,J-K線路改變13 MW。

2.1.2 移相變壓器調(diào)節(jié)角度及注入電壓分析

通過調(diào)節(jié)移相變壓器,A-B線路潮流達到熱穩(wěn)極限、90%熱穩(wěn)極限、80%熱穩(wěn)極限移相變壓器調(diào)節(jié)角度及注入電壓如表6所示。

表6 控制A-B線路潮流,移相變壓器調(diào)節(jié)角度及注入電壓

當相鄰500 k V南北通道I-H線路發(fā)生N-1、N-2故障時,F-A線路潮流增加,A-B線路潮流較未發(fā)生故障時潮流更大,均已過載,A-B線路潮流達到熱穩(wěn)極限、達到90%熱穩(wěn)極限、達到80%熱穩(wěn)極限移相變壓器調(diào)節(jié)角度及注入電壓均增大,如表7、表8所示。

表7 I-H線路N-1故障,控制A-B線路潮流,移相變壓器調(diào)節(jié)角度及注入電壓

表8 I-H線路N-2故障,控制A-B線路潮流,移相變壓器調(diào)節(jié)角度及注入電壓

2.1.3 短路及穩(wěn)定分析

F站合環(huán)運行,正常方式下及相鄰500 k V南北通道發(fā)生N-1、N-2方式下運行,投入移相變壓器后短路電流未超標,且無安全穩(wěn)定問題。

2.2 B-C線路合環(huán)運行

2.2.1 正常方式下移相變壓器應用潮流分析

B-C線 路 合 環(huán) 后,B站 送C站175 MW,加重A-B線路潮流,A-B線路過載。B-C線路合環(huán)前后各線路負載率如表9所示。

表9 B-C線路合環(huán)前后各線路負載率 %

投入移相變壓器后,增加B-C線路等效阻抗,A-B線路潮流有所下降,但仍然過載。通過調(diào)節(jié)移相變壓器,B-C線路潮流降至36 MW時,A-B線路達到熱穩(wěn)極限。繼續(xù)調(diào)節(jié)移相變壓器,B-C線路潮流反向,C站送B站潮流77 MW,A-B線路潮流達到90%熱穩(wěn)極限;C站送B站潮流194 MW,80%熱穩(wěn)極限。將移相變壓器設置在B-C線路,A-B線路不過載的同時,加重JK線路過載情況。B-C線路投入移相變壓器以及調(diào)節(jié)移相變壓器使得A-B線路達到熱穩(wěn)極限、90%熱穩(wěn)極限、80%熱穩(wěn)極限各線路負載率如表10所示。表10中負號表示線路潮流方向發(fā)生改變。

通過仿真計算,B-C線路加裝移相變壓器后,各線路的潮流轉(zhuǎn)移關系如表11所示。

由表11得出,當調(diào)節(jié)移相變壓器使B-C線路潮流每改變100 MW,A-D線路改變16 MW,A-B線路改變32 MW,E-B線路改變52 MW,G-A雙線改變23 MW,H-A線路改變25 MW,J-K線路改變9 MW。

2.2.2 移相變壓器調(diào)節(jié)角度及注入電壓分析

通過調(diào)節(jié)移相變壓器,使A-B線路潮流降低到熱穩(wěn)極限、達到90%熱穩(wěn)極限、達到80%熱穩(wěn)極限3種情況,移相變壓器調(diào)節(jié)角度及注入電壓如表12所示。

表12 控制A-B線路潮流,移相變壓器調(diào)節(jié)角度及注入電壓

當相鄰500 k V東西通道H-Y線路發(fā)生N-1、N-2故障時,B-C線路潮流增加,A-B線路潮流較未發(fā)生故障時潮流更大,均已過載,AB線路潮流降低到熱穩(wěn)極限、達到90%熱穩(wěn)極限、達到80%熱穩(wěn)極限3種情況,移相變壓器調(diào)節(jié)角度及注入電壓均增大,如表13、表14所示。

表13 H-Y線路N-1故障,A-B線路潮流改變移相變壓器調(diào)節(jié)角度及注入電壓

表14 H-Y線路N-2故障,A-B線路潮流改變移相變壓器調(diào)節(jié)角度及注入電壓

2.2.3 短路及穩(wěn)定分析

B-C線路合環(huán)運行,正常方式下及相鄰500 k V東西通道發(fā)生N-1、N-2方式下運行,投入移相變壓器后短路電流未超標,且無安全穩(wěn)定問題。

2.3 小結

經(jīng)過潮流計算、短路電流校核和穩(wěn)定分析,F站合環(huán),F-A線路A側(cè)加裝移相變壓器,能夠有效降低A-B線路潮流,同時對于J-K線路潮流有抑制作用。相較于B-C線路合環(huán)C側(cè)加裝移相變壓器,控制A-B線路達到熱穩(wěn)極限所需調(diào)節(jié)角度及注入電壓更小,移相變壓器所需配置容量更小,經(jīng)濟效益更高。

因此,為解決A-B線路過載問題,綜合考慮移相變壓器控制效果及經(jīng)濟性,推薦F站合環(huán),在F-A線路A側(cè)加裝移相變壓器方案。

3 結論

移相變壓器作為一種靈活的潮流控制設備,在原有電網(wǎng)拓撲結構下能夠有效調(diào)節(jié)電網(wǎng)潮流。本文對雙芯對稱型移相變壓器運行原理及數(shù)學模型建立進行深入研究,利用BPA電網(wǎng)仿真軟件對移相變壓器進行建模,開展移相變壓器在大電網(wǎng)應用場景仿真研究,結果表明,移相變壓器的投入能夠消除線路過載,提高線路潮流均衡度,同時保障區(qū)域互聯(lián)可靠性,提升輸電靈活性,可為未來電網(wǎng)投入移相變壓器地址選擇和容量設定奠定基礎。