移相调压方式及机理和在新能源电网中应用

技术领域

是电网输变电线路传输电能时和或因计划及非计划原因倒闸调整输电结构时，以保持各电压等级电网的线路、电源的电压相量(幅值和相位)稳定为目标；为适合在非碳消耗的新能源经常性投切下，应对其不稳定不持续特征和电网负荷波动下所形成的电网线路电压不稳定现状，而采取的对线路输电变压器的调压模式改变。能更加科学地应对新能源出力不稳定/不连续状态下的电网管理要求，提高新能源占比不断提升状况下的电力运行质量。是通过对输变电变压器一次侧线路电压幅值/相位角参数偏移量的监测，采用移相调压方式(移相调压变感应电压的幅值相位和极性调整，或电力电子装置移相调压电路和触发控制装置等实现移相调压)来控制，通过与主变一次线圈电压串联的移相调压相量来适应线路电压变化，以实时确保主变压器一二次线圈的感应电压的幅值/相位角与线路空载时线路电压相量基本一致。稳定支撑电网线路变电站内变压器二次线圈输出侧(电源点)电压幅值相位值，保持与电网电源端电压相量近似相同。从而实现不同电压等级传输电能的线路稳定，提高新能源电网供电下的暂态稳定性。

技术背景

交流电网线路的电压降落不仅是电压幅值变化，还有相位偏移：由于输电线路的电阻和电感效应，以及负荷大小及负荷功率因数缘故所产生的电压降、相位滞后；或电容负荷下/线路对地电容下的电压容升和相位超前偏移的现象。并将电压降路随电压等级电网逐级放大，造成窝电、并网困难。

当前国内输变电电网传输线路上挂网运行的变压器，其调压方式普遍是根据线路电压幅值变化，来改变变压器一次线圈的匝数，以适应交流电网因负荷性质和负荷大小对线路电压幅值变化。使得变压器二次线圈所在电网线路电压的幅值稳定，以保证用户侧线路电压幅值在许可范围。该调压模式对用户端使用没有问题，但没有对线路电压相位进行管理和干预，对电力运行构成危害，具有如下缺点：

1)长距离、高电压电网线路的电压幅值和相位角，因电源位置、负荷性质、线路结构以及线路在电网不同位置而形成的线路电压相量变化程度不同。对于电网静态稳定性构成影响；

2)对于倒换线路尤其是未正常倒闸，改变电网输电结构时，给电网管理带来挑战：因断路器两侧线路电压幅值和相位角的差异，均使倒闸动作对电路产生电流冲击，对电网的暂态稳定性构成负面影响。

3)尤其在碳中和目标下，环保倒逼碳排放的化石能源发电贡献逐年下降，无碳新能源的大量并网。但光伏、风电等新能源出力具有不可持续和不可预计性的特征。为获取电网运行稳定的支撑，在新能源投切和电网倒换线路的频繁操作下，调峰电源和基础电源均遭受电流冲击的现象成为常态。将不利于电源设备安全运行和网架结构安全(有分析称，占比超过15％的新能源容量对电网稳定运行构成显著负面影响)。

4)电网运行的变压器，单纯地调减变压器一次侧线圈匝数来匹配线路电压的降落，为保证恒磁通调压来维持变压器二次侧出口线路电压幅值稳定，将使得变压器一次激磁的空载电流增加，因而增加了电网系统在线路和变压器上的无功和有功功率消耗。

尤其在重负荷下更是加剧传输电能的线路延长而产生的电压降落和相位滞后放大，从而产生上述四个方面的后果，使电网设备损耗温升上升，降低了电网安全和寿命期望值。

输变电线路变压器采用移相调压方式，使移相调压变压器(以下简称：移相调压变(T

发明内容

移相调压变(T

移相调压变(T

移相调压变+主变压器的组合(主变可利用原电网运行变压器改造和利用)，或电力电子移相调压电路装置+主变压器的组合(含检测功能的CT和VT 元件，以及电站微机监控软件程序开发)属于电网输变电线路领域在无碳新能源的大量并网情况下的新产品运用。

附图说明

图1：移相调压变(T

接线原理图及移相调压相量图元件说明：

1)主变压器T

2)移相调压幅值变压器T

3)移相调压相位变压器T’

根据输电线路阻抗的电压降的相位角与U

4)移相调压变(T

5)Line1：高电压电网传输电能的线路，带CT1和VT1互感器检测，连接T

6)Line2：低电压电网传输电能的线路，带CT2和VT2互感器检测，连接T

7)U’

8)U

9)U

10)U’

11)U

12)OLTC1：幅值变压器的有载调压开关，属T

13)OLTC2：相位变压器的有载调压开关，属T’

14)U

15)U

16)U’

17)U

18)U

19)电力电子移相调压装置替代图1中的移相调压变(T

20)电力电子移相调压的触发控制装置，接受电站微机监控软件程序发出的控制信号，并向电力电子移相调压装置发出控制信号，使电力电子移相调压装置输出移相的电压相量。

移相调压变(T

1)接线原理中主变压器T

2)接线原理中移相调压变(T

3)利用移相调压变的调压线圈串联在主变一次线圈Winding1的电路连接，按照回路基尔霍夫定律，主变T

4)在移相调压相量图(a)中，当主变T

5)在移相调压相量图(b)中，当主变所在输电线路Line2的功率因数为负即容性负荷，Line1线路电压相量U’

电力电子移相调压装置+主变T

1)电力电子移相调压装置输出端口替代图1中的移相调压变(T

2)移相调压相量说明，同移相调压变(T

具体实施方式

一、移相调压变(T

1)从输送电能的电网线路Line1中的电流互感器CT1和电压互感器VT1 获取检测数据；同时从通过主变T

2)可计算出线路电压幅值变化和相位偏差大小和负荷电流值及功率因数值。利用电站微机监控软件程序运行，模拟假设输出遥控信号来控制移相调压幅值变压器T

3)通过获取电网线路Line2中的电压U’

4)有载开关操作后的线路Line2的电压U’

二、电力电子移相调压装置+主变T

1)从输送电能的电网线路Line1中的电流互感器CT1和电压互感器VT1 获取检测数据；同时从通过主变T

2)从软件计算得出U’

三、移相调压变(T

该体系包括主变压器T

a)U

b)U’

c)U

1)当主变二次线圈所挂线路Line2传输感性负荷电能时(见相量图(a))，在主变一次侧所挂Line1的线路电压U’

2)当主变二次线圈所挂线路Line2传输容性负荷的电能时(见相量图(b))，在主变一次侧所挂Line1的电压U’

根据输电线路负荷大小及对应的负荷功率因数变化情况；电网运行部门统计不各种电网线路倒闸情况形成不同网络结构下的输电线路Line1和 Line2线路，由此产生主变所接线路点与该线路电源点的电压幅值变化范围和相位偏离范围；根据主变运行参数和在线路中的位置以及自身性能参数情况，均由电力运营部门给定。由此确定移相调压变的幅值线圈的电压幅值可调范围和相位差(滞后主变相位120或150度，对应超前主变相位 60或30度)；确定移相调压变的相位线圈感应幅值可调范围和90度相位差。从而确定移相调压变的连接组别、幅向和相位线圈的电压变动范围/ 分接档位数及绝缘等级/移相调压变容量和运行阻抗。能保证在各种运行工况下的稳定主变T

综合以上，当Line2线路负荷经由主变T

结论：在传输相同负荷量的电能过程中，电网线路的电压相量变化只会发生在每一级电压等级的线路负荷点与该线路电源点之间的电压相量偏移量，因此每级电压线路的电源点的相位基本相同(幅值为每级电压的电压比)。从而稳定了全电网各级电压线路电源点的电压相位和电压幅值。

四、移相调压(移相调压变(T

前提条件为：主变T

根据各种电网倒闸情况，对主变T

1)U’

2)电网线路Line1的阻抗(R

3)U’

该相量U’

4)U

5)由于主变一次线圈和移相调压变的调压线圈串联的新颖接线调压方案，应用电路回路的基尔霍夫KVL原理，则由U

6)U’

7)如采用电力电子移相调压装置电路+触发控制装置，代替移相调压变(T