移相變壓器的選型方案研究

余夢澤 李 峰 李作紅 曹華珍 韋 斌 隋 宇

（廣東電網有限責任公司電網規劃研究中心，廣州 510080）

隨著我國經濟的持續發展，電網互聯成為了電力系統發展的趨勢。但隨著互聯電網規模的增大，電網復雜程度也在不斷增加，并形成了更多的環網。電力系統工作過程中，常因潮流不均引起電網輸電受阻，從而導致部分線路重載而部分線路利用效率不足[1]。因此，迫切需要充分挖掘現有電網的潛力、掌握輸電潮流關鍵技術，以獲得最大的安全裕度和最小的輸電成本。

作為一種經濟型潮流調節設備，移相變壓器（Phase Shifting Transformer，PST）通過在線路中注入正交電壓實現移相功能，注入同相電壓實現調壓功能[2]。早期的PST均采用機械方式的有載調壓，在北美、歐洲及日本已應用多年，并發揮了重要作用。近些年，隨著電力電子技術的快速發展，出現了晶閘管式移相器，即TCPST。晶閘管調壓速度比機械調壓更快，能夠滿足電力系統快速控制要求。TCPST除了穩態潮流和電壓控制外，也可用來處理系統暫態和動態方面的問題，如提高暫態穩定性、減輕導致聯絡線失步的穿越潮流、抑制故障后線路功率突增所造成的開關過負荷以及阻尼振蕩等。但TCPST成本很高，同電壓等級下約為機械式PST成本的4～6倍[3-4]，因此工程應用中大多選擇機械式開關PST。

1 移相變壓器調節原理

電力系統中，輻射型網絡的潮流完全取決于各節點的負荷，當不采取任何控制、調節手段時，并行線路、環網網絡的潮流按阻抗分布。在未裝設移相變壓器前，輸電線路的傳輸功率可表示為：

式中：Um、Un、δ1、δ2分別為線路兩側節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節點電壓的幅值、相位差正弦值成正比，與線路電抗成反比。接入移相變壓器后的輸電線路模型如圖1所示。

系統穩態時，移相變壓器可等效為理想變壓器附加阻抗模型。裝設移相變壓器后的線路傳輸功率為：

由式（2）可得，線路兩側電壓相位差附加了一個±α分量。移相變壓器通過改變α的正負和大小，能夠使系統的潮流發生變化。圖1中，移相變壓器在線路m側附加了滯后的相位α，使得原來兩側電壓相位差由δ減小為δ′，從而將該線路的潮流轉移到其他線路上，減輕了該線路的負載。反之，若需要增大該線路的潮流，可通過移相變壓器提供一個超前的相位。

2 移相變壓器選型方案

本文針對220 kV及以上高壓電網進行了移相變壓器選型方案研究，共提出3種方案，分別為Sen式移相器、雙芯對稱型移相器及單芯對稱型移相器。

2.1 Sen式移相器

Sen式移相器（ST）是Kalyan K. Sen和Mey Ling Sen對移相變壓器創造性的利用和拓展[5]，基本結構如圖2所示。它是一個由3個原邊繞組和9個副邊繞組組成的變壓器。其中，原邊繞組以星型方式連接，然后并聯接入系統（通常是靠近首端的一側）構成變壓器的勵磁單元。每個原邊繞組對應3個副邊繞組，副邊繞組每相分別由3個帶著抽頭的小繞組連接而成，然后以串聯的方式接入系統提供電壓補償。ST的副邊繞組是可以多級調節的。假設先不考慮ST副邊繞組沒有抽頭，即ST的副邊每個繞組只能輸出0 p.u.或1 p.u.的電壓，因此對于三相ST輸出電壓可表示為如圖3所示的形式。

在一般的運行情況下，如果A、B、C三相電壓補償前是對稱的，為了使補償后電壓依然對稱，ST的三相副邊繞組的輸出電壓也必然是三相對稱的。也就是說，三相ST輸出電壓互差120°的相角。但是，如果A、B、C三相電壓補償前有一定偏差，那么為了使之補償后能夠平衡，ST的三相輸出電壓也不能對稱。從這一點上，能夠體現出ST的電壓調節十分靈活。

ST副邊各相每個繞組的中間抽頭數量M決定了ST可輸出電壓不同相量的個數N。N的計算公式為：

由式（3）可以看出，抽頭數量M越大，輸出電壓可以取得的相量就越多，即其控制的電壓離散點分布就越密集。

2.2 雙芯對稱型PST拓撲結構

雙芯移相變壓器由勵磁變壓器和串聯變壓器構成，其中串聯變壓器的原邊繞組串聯在電網中，勵磁變壓器用于相位調節，其連接方式如圖4所示，電壓相量如圖5所示。以A相為例，其中相量UE1A、UE1B、UE1C分別為勵磁變壓器原邊繞組的電壓，UE2A、UE2B、UE2C分別為勵磁變壓器二次側繞組的電壓。USA表示A相輸入電壓，ULA為A相輸出電壓，勵磁變壓器一次側輸入電壓UE1A=USA+（ULA-USA）/2，與串聯變壓器輸出電壓相角差90°，這樣就在電壓幅值不變的條件下實現了電壓移相的功能。

2.3 單芯對稱型PST拓撲結構

單芯對稱型PST的工作原理與雙芯對稱型PST基本相同，這里不再贅述，其結構及電壓相量如圖6所示。

單芯式移相變壓器相對于雙芯式移相變壓器，具有繞組數量少和結構簡單的優點。但其也有自身的缺點，如分接開關和調壓繞組要直接接到線端上，這樣就需要直接耐受系統過電壓和短路電流。尤其是當單芯式移相變壓器運行在零相角的分接位置時，其本身的短路阻抗會很小，要特別注意分接開關的選擇和抗短路能力的設計。

3 移相變壓器方案對比

ST、雙芯對稱型PST和單芯對稱型PST都可以通過向系統串聯電壓來改變系統送端電壓，從而對系統的有功功率和無功功率進行調節，但是各有優勢與不足，具體比較如表1所示。

表1 3種方案PST對比（220 kV）

ST和單芯對稱型PST都只需要一臺變壓器，結構較為簡單，但其分接開關和調壓繞組要直接或間接接到線端上，需要直接耐受系統過電壓和短路電流。在高電壓等級場合（220 kV以上），這兩種方案并不適用。綜合各項參數，雙芯對稱型PST在220 kV工程應用中是最優選擇。

4 結語

本文介紹和分析了Sen式移相器（ST）、雙芯對稱型PST和單芯對稱型PST的拓撲結構和工作原理的，并針對220 kV高壓應用場合下3種移相器的各性能參數進行了綜合比對。結果表明：雙芯式對稱型移相器在不改變電壓幅值的情況下，能夠通過改變電壓相位來靈活調節線路有功功率和無功功率，其調壓繞組不直接接到系統線路上。因此，調壓繞組的級電壓和電流可以依據分接開關的額定性能參數靈活設計，適用于高電壓等級、容量大和移相角大的場合。