CN114520515A - 移相调压方式及机理和在新能源电网中应用 - Google Patents
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Abstract
移相调压方式及机理和在新能源电网中应用是本发明专利名称，是微机控制对电网电压调节的智能模式。解决目前线路主变压器线匝调节幅值而未改善电网相位偏移问题。经采集线路电压相量比较空载值，调节移相调压输出电压(Uph2+U’ph2)相量，使之串联在主变T1一次线圈所形成相量和符合线路U’s1检测值。以实现主变T1输电时二次线圈感应等同空载电压，使全网每级线路电压源稳定：每级线路电压降均在线路负荷与电源间降落范围；全网具有静态稳定/倒闸冲击小/暂态稳定/新能源频繁投切下对机组冲击小/线路有功损耗低/无功占用低。移相调压+主变组合的调压(主变T1、移相调压变(T2+T’2)或电力电子装置、线路Line1和Line2的CT和VT、信号采集、微机监控软件及控制装置)属于电网输变电领域运行控制的发明。
Description
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(T2+T’2))的调压线圈或通过电力电子装置移相调压的端口串联接入线路变压器(简称：主变T1)的一次线圈末端。通过调节T2的幅值线圈和 T’2相位线圈的电压幅值及相位，或通过由触发装置控制的电力电子装置端口输出电压相量等实现移相调压，使主变T1的一次线圈(Winding1)感应电压相量与所连一次电网线路Line1空载下的电压相量基本相同，因而主变T1二次线圈(Winding2)感应电压的幅值相位与线路Line2空载下的电压向量保持基本不变，从而稳定了电网电站主变二次线路线端的电源支撑点的电压幅值和相位，限制线路电压幅值降落和相位偏离值在随传输线路距离而不断放大的后果。
发明内容
移相调压变(T2+T’2)+主变压器T1的组合，通过设计使移相调压变的三相连接组别不同于主变三相连接组别，移相调压变T2的幅值线圈(Tap winding)感应的Uph2电压相位不同于主变一次线圈所挂电网线路Line1的空载电压Us1相位；移相调压变T’2的相位线圈(Angle winding)感应的U’ph2电压正交于Uph2相位。幅值线圈与相位线圈串联实现两线圈感应电压的相量和 Uph2+U’ph2，该两线圈部分构成移相调压变的调压线圈。在移相调压变一次线圈激励下实现调压线圈的幅值和角度的改变。当移相调压变的调压线圈串联到主变压器一次线圈(Winding1)末端后，经移相调压变T2幅值线圈(Tap winding)末端连接星形再接地，来实现主变一次线圈调压的功能：移相调压变调压线圈的电压幅值和相位的调节需接收电网线路CT1和VT1信号，对主变压器一次侧线圈所挂电网线路点的电压幅值和相位角经电站微机监控软件系统的检测，并与线路Line1所挂主变T1所在线路点的空载状态下电压及相位角的相量对比，电站监测控制装置负责分析和判断线路电压幅值相位的偏差大小，并向移相调压变(T2+T’2)设备发出控制调节有载开关OLTC档位或极性转化的信号：通过有载开关使得移相调压的幅值线圈(Tap winding)进行增减匝数和(或)极性反转的操作；通过有载开关使得相位线圈(Angle winding)进行增减匝数和(或)极性反转的操作。使移相调压变的幅值线圈出口电压Uph2幅值改变或极性转化为-Uph2；使移相调压变的相位线圈出口电压 U’ph2幅值改变或极性转化为-U’ph2。利用移相调压变的调压线圈电压Uph2+U’ph2相量和，串联在主变一次线圈的相量求和原理，推导和发明了主变一次线圈的出线端电压相量求和U’s1计算值，当该相量计算值与主变压器一次线圈所在Line1线路电压相量U’s1检测值基本相符情形下，证明和实现主变压器一次线圈感应电压与相位值，分别与主变所在一次线路空载下的电压Us1幅值相位相同的效果。通过主变电磁感应，可得到U’s2的计算值，从而实现了在传输负荷时，也能保证主变二次线圈(Winding2)运行出口端电压值U’s2的检测值与空载状态下的线路电压Us2幅值相位相同，从而稳定了电站主变二次线圈所在线路的电压向量值。
移相调压变(T2+T’2)+主变压器T1的组合的接线方式构思和线端电压相量关系的推导及应用，或采用电力电子装置在触发控制装置作用下使移相调压电路端口电压相量调整，并串联到主变压器T1的一次线路。使电网传输负荷的过程中，实现U’s2＝Us2，稳定线路电站主变二次线圈侧出口端电压相量(幅值和相位)，进而稳定整个电网运行的目的，限制线路电压幅值降落和相位偏离值在随传输线路距离而不断放大的后果：实现电网静态稳定性好/倒闸动作对电路产生电流冲击小/暂态稳定性强/新能源投切和电网倒换线路的频繁操作下对电源机组电流冲击小/线路有功损耗低/线路无功功率消耗占用低的优点。
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(T2+T’2)+主变T1的接线原理图及移相调压相量图。
接线原理图及移相调压相量图元件说明：
1)主变压器T1：是连接在不同电压等级的电网线路中传输电能的变压设备，不同电压绕组的三相连接方式及相序标号构成变压器的连接组别。通常三绕组主变为YNyn0d11或两绕组主变为YNd11等。
2)移相调压幅值变压器T2：具有独立铁芯器身结构，实现主变T1的移相幅值调压功能的变压器，采用针对性连接组别(实现T2的调压线圈与主变一次线圈相位超前60度及反向而滞后120度的移相；或实现T2的调压线圈与主变一次线圈相位超前30度及反向而滞后150度)。T2的一次线圈(Winding1)出线端电压U ph1连接主变T1的二次线圈Winding2或第三绕组Tertiary，以获取激磁电压及相位；T2的二次线圈为幅值线圈(Tap winding)。
3)移相调压相位变压器T’2：具有独立铁芯器身结构，实现对移相调压变压器T2的幅值线圈(Tap winding)的相位正交功能：T’2的一次线圈出线端接T2的三次线圈Tertiary以获得T2的激磁和相位，通过T’2的恰当的三相组别方式，使得T’2的相位线圈Anglewinding的感应电压相位正交T2的幅值线圈(Tap winding)的相位。
根据输电线路阻抗的电压降的相位角与Us1的相位差，如接近30或 60度，对调整精度要求不高，可取消移相调压相位变压器T’2，仅由 T2的幅值线圈(Tap winding)串联到主变一次线圈回路中。
4)移相调压变(T2+T’2)：T2的二次线圈为幅值线圈(Tap winding)和T’2的二次线圈为相位线圈Angle winding进行串联，所得电压相量和(Uph2+ U’ph2)构成为移相调压变的调压线圈。其连接到主变T1的一次线圈(Winding1)的末端，调压线圈末端形成三相星形的中性点接地。幅值线圈和相位线圈分别连接有载开关，由有载开关调档来改变输出匝数和极性，使得调压线圈输出的幅值相位和极性进行调整。移相调压线圈的电压幅值和相位的调节是通过接受电站微机监控软件程序输出的遥控信号，来实现有载开关的调档。
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T1的一次线圈，成为Line1线路的用电侧；
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T1的二次线圈Winding2，成为Line2线路的电源点；
7)U’s1：为主变T1一次线圈所接输电线路Line1在输送电能下的实际线路电压相量，分为U’s1检测值和U’s1计算值；
8)Us1：在Line1空载时的线路电压相量，近似等同Line1线路电源点电压。即主变T1空载运行且移相调压变的调压线圈在有载调压开关某档位时的输出电压幅值为零时或假设取消调压线圈而将T1一次线圈末端星形连接接地时空载运行下感应电压，T1的一次线圈感应电压即为Line1 空载时的线路电压相量(由于T1空载电流为额定值的0.2％水平，因此T1的一次线圈的感应电压近似空载线路电压相量)。Us1相量值也是电站微机监控软件程序的整定值；
9)Us2：在Line2线路空载下的电压相量等同Line2所挂主变T1空载时二次线圈出线端即Line2的电源点电压。也是主变T1的一次线圈(Winding1)感应电压为Us1值所感应的T1二次线圈(Winding2)输出端的电压相量。两绕组主变T1二次线圈用于向移相调压幅值变T2的一次线圈(Winding1)的线端Uph1进行励磁；
10)U’s2：在二次线路Line2输送电能下在主变二次线圈出线端的电压相量，分为U’s2检测值和U’s2计算值；T1+T2+T’2组合在有载开关调节到恰当分接档位和极性调节后，实现移相调压操作后的U’s2检测值＝Us2，如对调整精度要求不高，可采用T1+T2组合，实现U’s2检测值＝Us2。
11)Us3：对于三绕组主变T1情形下的第三线圈Tertiary电压向量，用于向移相调压变T2的一次线圈(Winding1)的线端Uph1进行励磁；
12)OLTC1：幅值变压器的有载调压开关，属T2的部件，调整T2的幅值线圈 Tapwinding的电压幅值和极性转换的作用；
13)OLTC2：相位变压器的有载调压开关，属T’2的部件，调整T’2的相位线圈Anglewinding的电压幅值和极性转换的作用；
14)Uph1：为移相调压变T2的一次线圈(Winding1)的线端，接受主变T1的励磁和相位要求；
15)Uph2：为移相调压幅值变T2幅值线圈(Tap winding)的线端电压，串接在主变一次线圈中，可改变电压幅值和极性转化，实现对主变T1一次线圈(Winding1)移相幅值调压功能；
16)U’ph2：为移相调压相位变T’2相位线圈(Angle winding)的线端电压，串接在主变一次线圈中，可改变电压幅值和极性转化，实现对T2幅值线圈(Tap winding)的相位正交。以满足调整移相调压线圈输出的幅值相位的微调功能；
17)Uph2+U’ph2：移相调压变的幅值线圈Tap winding和相位线圈Angle winding 的串联。形成Uph2+U’ph2相量和，该相量和构成移相调压变的调压线圈电压输出量，以补偿主变压器T1所在线路点到电源间的线路电压降，使得主变电磁感应电压相量＝Us1电压相量；
18)Uph3：为移相调压幅值变T2的第三线圈Tertiary线端，用于向移相调压相位变T’2的一次线圈进行激磁和提供相位。
19)电力电子移相调压装置替代图1中的移相调压变(T2+T’2)各自线圈及 OLTC，即该电力电子移相调压电路装置输出端口的首端，接主变T1一次线圈末端；该端口末端形成三相星形接地。
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(T2+T’2)+主变T1的接线原理图及移相调压相量图的说明
1)接线原理中主变压器T1的一二次线圈为独立绕组型式，对一次绕组 Winding1的三相星形连接方式进行拆解，其首端接线路Line1，其末端引出接移相调压变压器(T2+T’2)的调压线圈(Uph2+U’ph2：)的线端，并采用三相星形连接且末端接地；主变T1的二次线圈Winding2的线端连接Line2 输电线路；移相调压幅值变压器T2的一次线圈Winding1线端Uph1，接受主变T1的YNyn0+d11第三绕组Tertiary或T1主变YNd11的二次绕组Winding2，以接受主变T1的励磁和相位要求。
2)接线原理中移相调压变(T2+T’2)的相位线圈Angle winding和幅值线圈Tapwinding分别电气连接OLTC2和OLTC1调压开关设备，接受电站微机监控软件程序发出的调节有载开关档位或极性转化的信号，使OLTC 有载开关调档增减匝数和(或)极性反转改变调压线圈极性，使移相调压变(T2+T’2)的调压线圈的电压幅值改变或极性转化。
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T1一次线圈感应电压相量(实现与Us1相量相同)与Uph2+U’ph2相量和(即幅值和相位)的求和值为U’s1计算值。
4)在移相调压相量图(a)中，当主变T1所在输电线路Line2为功率因数滞后的感性重负荷下，Line1线路电压相量U’s1检测值的幅值降低/相位滞后时(见向量图a)，T2+T’2的调压线圈在OLTC调节匝数的输出电压所形成的输出相量和(Uph2+U’ph2)与Us1(电站微机监控软件程序中的整定值)相量和等于U’s1计算值，可知Us1相量幅值大于U’s1幅值；Us1相位超前于 U’s1相位。通过计算和调节移相调压变的调压线圈的输出电压Uph2+U’ph2，促使U’s1计算值＝U’s1检测值。即可实现主变一次线圈Winding1的感应电压Us1相量值与线路Line1空载电压相量值相同。从而使得主变T1二次线圈(Winding2)感应电压向量等于Line2线路空载状态下的电压Us2的输电线路电压值和相位角。从而在线路感性重负荷下稳定了电网输送电能下电站主变T1的二次线圈侧出口端电压的幅值相位，即Line2线路电源点电压，进而有效控制了电网的稳定性。
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’s1检测值的幅值容升/相位超前时(见向量图b)，T2+T’2的调压线圈在OLTC极性反向和调节匝数的输出电压所形成的输出相量和-(Uph2+U’ph2)与Us1(电站微机监控软件程序中的整定值)相量和等于U’s1计算值，可知Us1相量幅值小于U’s1幅值；Us1相位滞后U’s1相位。通过计算和调节移相调压变的调压线圈的输出电压-(Uph2+ U’ph2)，促使U’s1计算值＝U’s1检测值。即可实现主变一次线圈Winding1的感应电压Us1相量值与线路Line1空载电压相量值相同。从而使得主变二次线圈(Winding2)感应电压相量等于Line2线路空载状态下的电压Us2的输电线路电压值和相位角。从而在线路容性负荷下稳定了电网输送电能下电站主变T1的二次线圈侧出口端电压的幅值相位，即Line2线路电源点电压，进而有效控制了电网的稳定性。
电力电子移相调压装置+主变T1的接线原理图及移相调压相量图的说明
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(T2+T’2)调压线圈，即该电力电子移相调压电路装置端口的首端，接主变T1一次线圈末端；其末端接地。由触发控制装置调节移相调压装置输出的电压相量幅值和相位角，不再有移相调压变(T2+T’2)+主变T1的接线原理图中的虚线连接线来获取主变的激励和相位。
2)移相调压相量说明，同移相调压变(T2+T’2)+主变T1的方案。
具体实施方式
一、移相调压变(T2+T’2)+主变T1组合连接的控制流程阐述
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T1连接传输电能的电网线路Line2中的电流互感器CT2和电压互感器VT2的获取检测数据，通过电站微机监控软件分析：线路Line1的电压U’s1检测值的幅值及相位角，与主变T1的空载状态下线路Line1的电压相量Us1进行比较；线路Line2的电压U’s2检测值的幅值及相位角，与主变T1的空载状态下线路Line2的电压相量Us2进行比较。
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T2的有载调压开关OLTC1操作和控制移相调压相位变压器T’2的有载调压开关OLTC2操作，由此改变(Uph2+U’ph2)相量和的幅值大小和极性；Us1(在微机监控软件中的整定值)和(Uph2+U’ph2)构成相量和的U’s1计算值，从软件计算得出U’s1计算值。当相量U’s1计算值＝相量 U’s1检测值；实现主变T1的一次线圈感应电压相量等于Us1；通过软件计算主变的变比得出T1的二次线圈感应电压相量U’s2的计算值。
3)通过获取电网线路Line2中的电压U’s2检测值的幅值及相位角，利用电站微机监控软件进行U’s2的计算值和U’s2检测值的数据对比，当偏差大就有移相调压进行调节的必要；当U’s2的计算值和Us2整定值接近，达到工程接近时就可确定对OLTC的操作档位指令。即说明输出遥控信号来控制移相调压变的有载调压开关OLTC操作有效，可以发出操作指令。
4)有载开关操作后的线路Line2的电压U’s2检测值，与Us2整定值的比较值，在规定的偏差范围内。说明主变二次线圈(Winding2)感应电压相量等于Line2线路空载状态下的电压Us2输电线路电压值和相位角，从而实现了电网在倒闸或传输负荷变动情况下，稳定电站主变T1的线路Line2 的电压相量值，实现稳定整个电网运行的目的。
二、电力电子移相调压装置+主变T1组合连接的控制流程阐述
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T1连接传输电能的电网线路Line2中的电流互感器CT2和电压互感器VT2的获取检测数据，通过电站微机监控软件分析：线路电压检测幅值及相位角，与空载状态线路电压相量进行比较，并计算出线路电压幅值和相位偏差值和负荷电流值及功率因数值；由电站微机监控装置向其触发控制装置输出控制信号，调节电力电子移相调压装置输出的电压相量幅值和相位角。
2)从软件计算得出U’s1计算值。当相量U’s1计算值＝相量U’s1检测值；实现主变T1的一次线圈感应电压相量等于Us1；通过软件计算主变的变比得出T1的二次线圈感应电压相量U’s2的计算值。其他同移相调压变(T2+T’2)+主变T1组合的控制流程。
三、移相调压变(T2+T’2)+主变T1组合及控制中各物理量关系分析和结论
该体系包括主变压器T1、移相调压幅值变T2、移相调压相位变T’2、移相调压变内置有载调压开关OLTC1和OLTC2、主变一次高压线圈所在电网输电线路Line1的CT1和VT1、通过主变二次电压线圈所挂输电线路Line2 的CT2和VT2、以及电站二次采集、电站微机监控软件及控制装置；
a)Uph2电压相位滞后于Us1的角度值的大小为固定值：即120度或150 度，由移相调压变的连接组别标号和主变一二次绕组(或第三绕组)的连接组别及受主变激励下，所形成的移相调压幅值变的幅值线圈相位与主变一次线圈相位的相角差来决定；Uph2电压反转是由移相调压幅值变的调压开关的极性转换来实现，Uph2电压反转的相位超前于Us1的角度值的大小为固定值，对应为60度或30度；
b)U’ph2电压相位正交于Uph2的角度值为固定90度，由移相调压幅值变的连接组别标号和移相调压相位变一二次绕组的连接组别的设计方案，及受移相调压幅值变的激励下所决定。U’ph2电压反转为-90度，是由移相调压相位变的调压开关的极性转换来实现；
c)Uph2和U’ph2电压的幅值大小，由移相调压变的调压开关分接档位的位置决定，由此Uph2+U’ph2的相量和的幅值和相位角可调整，以适应和补偿线路Line1和Line2在输送电能情况下的电压降，使得主变T1的一次线圈感应电压相量等于Us1；
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’s1检测值幅值比空载时电压 Us1幅值降落、相位滞后于Us1(空载时相位值)的相位。因移相调压变的调压线圈(幅值线圈Tap winding+相位线圈Anglewinding)与主变一次线圈串联接地，因此Us1电压(为电站微机监控软件设定值)和(Uph2+U’ph2)(或Uph2-U’ph2)电压(移相调压变调压线圈输出电压相量值)进行软件相量求和值，得出U’s1计算值结果与线路Line1检测的U’s1相量检测值进行比较。相量值偏差在设定值偏差范围内，工程有Uph2+U’ph2(或Uph2-U’ph2)电压经过移相调压变档位调整值，使得主变一次线圈感应电压值与Us1(即 Line1线路空载时的线路电压值)值相等。从而使得主变二次感应电压值与Us2相同，从而实现电站主变二次电压输出点(电源)的幅值相位角与 Line2空载状态下该线路点电压相量相同的目标，实现二次线路Line2在传输感性负荷过程中电源点的电压相量的稳定。
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’s1检测值的幅值比空载时电压Us1幅值升高、相位超前于Us1(空载时相位值)的相位。因移相调压变的调压线圈(幅值线圈Tap winding+相位线圈Anglewinding)极性反转且输出幅值电压-Uph2幅值和相位电压-U’ph2(或+U’ph2)幅值与主变一次线圈串联，因此Us1电压(为电站微机监控软件的设定值)和-(Uph2+U’ph2)(或-Uph2+U’ph2)的电压(移相调压变调压线圈输出电压相量)进行软件向量求和值，得出 U’s1计算值结果与线路Line1检测的U’s1相量检测值进行比较。相量值偏差在设定值偏差范围内，工程上认为：-(Uph2+U’ph2)(或-Uph2+U’ph2)电压经过移相调压变档位调整值，使得主变一次线圈感应电压值与Us1(即Line1 线路空载时的线路电压值)值相等。从而使得主变二次感应电压值与Us2相同，从而实现电站主变二次电压输出点(电源)的幅值相位角与Line2 空载状态下该线路点电压相量相同的目标，实现二次线路Line2在传输感性负荷过程中电源点的电压相量的稳定。
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T1二次线圈感应的电压相量值为Us2。
综合以上，当Line2线路负荷经由主变T1所在Line1的电源点供电的过程中，通过移相调压变(T2+T’2)实现电站主变T1二次线圈(Winding2)输出点电压的幅值相位角与空载状态下该Line2线路点的电压相量相同的目标，实现二次线路Line2在传输电能过程中电压相量偏移量的控制，没有因不同电压等级的线路电网通过变压器连接而放大线路电压相量偏移量。而是对每一级电压等级线路电压偏移量控制在线路负荷点与电源点之间的电压相量偏移量以内。因此采用移相调压变+主变的调压方式可有效应对电网运行的稳定性问题。
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(T2+T’2)或电力电子移相调压装置)+主变压器T1组合在电网线路运行中的物理量关系
前提条件为：主变T1的一二次绕组和三次绕组(如有)的匝数、极性(同名端)、连接组别不变。是现已运行的电站变压器绕组数及连接组别等运行参数，改造和取消主变原有有载调压线圈，解开主变一次线圈的星形连接，将三相线圈末端分别通过套管引出，串联移相调压线圈后接地。
根据各种电网倒闸情况，对主变T1而言，形成不同网络结构下的输电线路Line1和Line2，以及负荷大小及负荷功率因数的不同，确定线路电压幅值降落或升高范围和相位偏差范围，设计移相调压变的恰当连接组别和移相调压变的幅值线圈和相位线圈的调压的分接范围，能保证在各种运行工况下的稳定主变T1二次线圈感应的电压相量值为Us2。
1)U’s1为主变一次线圈所在Line1线路点电压相量，在输送电能情况下的实际检测值；U’s2为主变二次线圈所在Line2线路点电压相量，在输送电能情况下的实际检测值。均是因负荷大小和负荷功率因数不同以及线路倒闸所形成的主变T1所连不同Line1和Line2线路阻抗的不同而变化的相量。从中寻求确定性线路及设备参数的关系和解决方案如下：
2)电网线路Line1的阻抗(R线+X线)和负荷特性不同所表现的负荷电流I负，线路Line1的电源点电压Us1与该线路所挂主变T1的一次线圈所在点的线路电压U’s1的相量物理关系为：Us1＝(R线+X线)*I负+U’s1
3)U’s1＝-(R线+X线)*I负+Us1，其中负荷电流在电源点经线路Line1 到主变T1一次线圈所挂线路点之间的距离的线路阻抗电压降为(R线+X线) *I负的乘积相量值。该相量的反向值-(R线+X线)*I负由移相调压变的调压线圈输出(Uph2+U’ph2)电压相量替代，当调节移相调压变的OLTC在恰当的档位数和极性，计算出移相调压变输出相量值，与Us1在软件中整定值进行相量和得到U’s1计算值。当U’s1计算值等于线路U’s1检测值时，就有：移相调压变OLTC在该档位数和极性位置时，主变T1的一次线圈感应电压＝Us1电压相量，并计算得到U’s2计算值。
该相量U’s1与Us1相量，以及相量U’s2与Us2相量的幅值偏差和相位偏差，可由微机控制软件测算，是因为Us1和Us2相量是预设定在微机软件的固定值，也是Line1和Line2线路所在主变T1空载时的该线路点的电压幅值和相位角；
4)Uph2电压幅值由受微机控制软件信号控制的，是移相调压幅值变T2幅值线圈Tapwinding输出的电压幅值和极性关系，其相位差由主变T1与移相调压变T2的连接组别决定；U’ph2电压幅值由受微机控制软件信号控制的，是移相调压相位变T’2相位线圈Anglewinding输出的电压幅值和极性关系。幅值线圈和相位线圈串联所形成的相量和(Uph2+U’ph2)为移相调压变的调压线圈输出电压。采用(Uph2+U’ph2)来等效替代Line1线路实际电压向量降的反向(R线+X线)*I负值，通过移相调压变的有载开关档位信号的改变而不断调整(Uph2+U’ph2)电压相量值，以适应电网线路传输负荷大小功率因数和或线路倒闸产生的线路电压降的变化。
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Us1和(Uph2+U’ph2)构成平行四边形相量和即为U’s1计算值，与Line1线路传输负荷的实际U’s1检测值比较。通过微机软件的U’s1计算值，与U’s1实测值进行比较，其偏差值在工程运行容许内。即可认为主变一次线圈实际感应电压的幅值及相位符合Us1相量值；此时主变T1的电磁感应原理得到主变T1的二次电压U’s2计算值。
6)U’s2计算值与U’s2检测值偏差大就有移相调压进行调节的必要；当 U’s2计算值与Us2(预设定在微机软件的固定值)的偏差小，在工程运行容许偏差内，即可认为主变T1的二次线圈端口电压幅值及相位符合Us2相量值，实现移相调压操作后的U’s2检测值＝Us2相量值。从而稳定主变二次线圈出口端在线路传输负荷下电压U’s2相量值，提升电网运行稳定性。
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(T2+T’2)的功能，同样适合本发明的移相调压机理：由电站微机监控向触发控制装置输出控制信号，调节电力电子移相调压装置输出的电压相量幅值相位角，等同于由负荷电流流经Line1线路阻抗所形成的电压降(R 线+X线)*I负的乘积相量值的反向值-(R线+X线)*I负，即可认为主变T1一次线圈实际感应电压的幅值及相位符合Us1相量值；主变T1的二次线圈端口电压幅值及相位符合Us2相量值。从而稳定主变二次线圈出口端在线路传输负荷下电压U’s2相量值，提升电网运行稳定性。
Claims (6)
1.是对电网线路传输电能的变压器调压方式的发明，即采用移相调压。移相调压(移相调压变压器的调压线圈或电力电子移相调压装置)以非同相位的感应电压串联在线路变压器的一次线圈中，从电压相量关系上揭示了线路电压与线路主变压器一次线圈的感应电压在幅值相位上的区别。
移相调压变是由移相调压幅值变压器T2+移相调压相位变压器T’2构成。移相调压变(T2+T’2)+主变压器T1的组合，通过设计方案的针对性使移相调压变的三相连接组别不同于主变三相连接组别，且由主变线圈来激励移相调压变，使得移相调压变的幅值线圈(Tapwinding)的感应出Uph2电压相量；相位线圈(Angle winding)感应出电压U’ph2(正交Uph2相位)。幅值线圈和相位线圈串联所形成的相量和(Uph2+U’ph2)为移相调压变调压线圈输出电压。它不同于主变一次线圈所在线路空载下且(Uph2+U’ph2)幅值为零条件下的感应电压Us1相位(即线路空载时的线路电压相量)。
由主变一次线圈和移相调压变的调压线圈串联后形成星形接地的新颖接线调压方案，按回路基尔霍夫KVL原理，则Us1和拟定通过OLTC操作输出的(Uph2+U’ph2)移相电压相量和构成平行四边形相量和，即为U’s1计算值。通过调整控制(Uph2+U’ph2)相量的幅值和极性，使得U’s1计算值符合主变所挂线路点在传输电能时的U’s1检测值(即线路电压实际值)，从而确定了主变一次线圈感应电压为Us1，这个Us1就是主变一次线圈所挂电网空载时的线路电压相量，而不是线路电压U’s1。
接受电站微机监控软件程序发出的控制信号之后，在移相调压的触发装置控制下。由电力电子移相调压装置端口输出电压的相量幅值相位不同于线路电压相量Us1，Us1与之构成平行四边形相量和，使得U’s1计算值符合主变所挂线路点在传输电能时的U’s1检测值。
因此在线路传输电能时线路电压U’s1实际值，与主变一次线圈感应电压Us1相量在幅值和相位上存在相量和(Uph2+U’ph2)(或电力电子移相调压装置端口电压)的区别。
2.本发明揭示了移相调压(移相调压变或电力电子移相调压装置)+主变压器组合在电网线路运行中的物理量关系。
前提条件为：主变T1的一二次绕组和三次绕组(如有)的匝数、极性(同名端)、连接组别不变。是现已运行的电站变压器绕组数及连接组别等运行参数，改造和取消主变原有有载调压线圈，解开主变T1一次线圈的星形连接，将三相线圈末端分别通过套管引出，并串联到移相调压线圈首端或串联到电力电子移相调压电路装置端口，其末端三相星形接地。
根据电网实际负荷及未来预期值及负荷功率因数情况、电网倒闸情况形成不同的电路结构下的输电线路Line1和Line2线路。导致线路电压幅值变化范围和相位偏差范围不同。设计移相调压变的恰当连接组别和移相调压变的幅值线圈和相位线圈的调压分接范围及容量或设计电子移相调压电路装置端口输出电压相量可调范围和输出功率能力，能保证在各种运行工况下的稳定主变T1二次线圈感应的电压相量值为Us2。
U’s1为主变T1一次线圈所在Line1线路点电压相量，在输送电能情况下的实际检测值；U’s2为主变T1二次线圈所在Line2线路点电压相量，是在输送电能情况下的实际检测值。该电压值均是因负荷大小和负荷功率因数不同以及线路倒闸所形成的主变T1所连不同Line1和Line2线路阻抗的不同而变化的相量。当Line2线路负荷经由主变T1所在Line1的电源点供电的过程中，从中寻求确定性线路及设备参数的关系和解决方案如下：
1)电网线路Line1阻抗(R线+X线)和负荷特性不同所表现的负荷电流I负，线路Line1的电源点电压Us1(即线路空载电压)与该线路所挂主变T1的一次线圈所在点的线路电压U’s1的相量物理关系为：Us1＝(R线+X线)*I负+U’s1
2)U’s1＝-(R线+X线)*I负+Us1，其中负荷电流在电源点经线路Line1到主变T1一次线圈所挂线路点之间的距离下线路阻抗电压降的相量值，是(R线+X线)*I负的乘积相量值。该相量的反向值-(R线+X线)*I负，由移相调压变接线方案下的调压线圈输出(Uph2+U’ph2)电压相量或由电力电子移相调压装置输出端口电压相量来替代。当调节移相调压变的OLTC在恰当的档位数和极性，计算出移相调压变输出的电压相量值或由移相调压的触发装置控制使电力电子移相调压装置端口输出恰当的电压相量，与Us1(在微机监控软件中的整定值)进行相量求和得到U’s1计算值。当U’s1计算值等于线路U’s1检测值时，就有：移相调压变OLTC在该档位数和极性位置时或触发装置的恰当的控制信号时，主变T1的一次线圈感应电压＝Us1电压相量，并通过主变一二次变比计算得到U’s2计算值。
3.首次提出了在线路传输负荷时，采用移相调压变(T2+T’2)+主变压器T1的组合方式(或电力电子移相调压装置+主变压器T1的组合)对主变进行调压，实现主变一次线圈感应出空载电压相量，由电磁感应得到主变二次线圈感应电压为二次线路空载下的电源电压相量，达到在传输电能过程中稳定线路电源点的电压幅值相位目的。
当Lin2线路负荷经由主变T1所在Line1的电源点供电的过程中，主变一次线圈所挂电网线路的U’s1实测值，相对于线路Line1电源点电压Us1相量存在电压变化的情况下，通过主变一次线圈和移相调压电压元件(调压变的调压线圈或电力电子移相调压装置输出端口)串联的新颖接线调压方案，实现了主变二次线圈感应电压Us2即为所挂Line2线路空载下的电源点电压相量。使得主变所挂的Line2线路点电压相量在传输电能的过程中，保持与Line2线路空载时的电压相量一致。
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(幅值比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。
4.确定了移相调压相量元件(即移相调压变(T2+T’2)调压线圈或电力电子移相调压装置输出端口)+主变T1组合控制当中的各物理量关系和主要流程。
1)U’s1为主变T1一次线圈所在Line1线路点电压相量，在输送电能情况下的实际检测值；U’s2为主变T1二次线圈所在Line2电源点电压相量，在输送电能情况下的实际检测值。Us1和Us2相量是Line1和Line2线路所在主变空载时该线路点的电压幅值相位，也是预设定在微机监控软件的固定值。U’s1与Us1相量和U’s2与Us2相量的幅值相位偏差，可由微机控制软件测算；
2)Uph2电压幅值极性由受微机控制软件信号控制OLTC1操作，是移相调压幅值变T2幅值线圈Tap winding输出的电压幅值和极性反转，其相位差由主变T1与移相调压变T2的连接组别决定；U’ph2电压幅值极性由受微机控制软件信号控制OLTC2操作，是移相调压相位变T’2相位线圈Angle winding输出的电压幅值和极性反转。拟定的OLTC单位信号使得幅值线圈和相位线圈串联所形成的相量和(Uph2+U’ph2)为移相调压变的调压线圈输出电压或由移相调压的触发装置拟定的控制信号使电力电子移相调压装置端口输出恰当的电压相量值等同于(Uph2+U’ph2)。采用(Uph2+U’ph2)(或移相调压装置端口电压相量)来等效替代Line1线路实际电压相量降的反向(R线+X线)*I负值，通过移相调压变的有载开关档位信号的改变而不断调整(Uph2+U’ph2)电压相量值或触发装置调节电力电子移相调压装置端口电压相量，以适应电网线路传输负荷大小功率因数和或线路倒闸产生的线路电压降的变化。
3)由于主变一次线圈与移相调压相量元件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Us1和拟定的(Uph2+U’ph2)相量构成平行四边形相量和是微机软件的U’s1计算值，与Line1线路传输负荷的实际U’s1检测值比较。其偏差值在工程运行容许内，即可认为主变一次线圈实际感应电压的幅值及相位符合Us1相量值；此时主变T1的电磁感应原理得到主变T1的二次电压U’s2计算值。
4)U’s2计算值与U’s2检测值偏差大就有移相调压进行调节的必要；当U’s2计算值与Us2(预设定在微机软件的固定值)的偏差小，在工程运行容许偏差内，即可认为主变T1的二次线圈端口电压幅值及相位符合Us2相量值，实现移相调压操作后的U’s2检测值＝Us2相量值。从而稳定主变T1二次线圈出口端在线路传输负荷下电压U’s2相量值，提升电网运行稳定性。
5.首次提出了不同负荷性质和或倒闸输电线路时所导致线路电压相量变化时，利用主变+移相调压的调压方式，来稳定电网线路电压的分析过程。
该体系包括主变压器、移相调压幅值变、移相调压相位变、移相调压变内置有载调压开关(或电力电子移相调压装置输出端口、触发控制装置)、主变一次高压线圈所在电网输电线路Line1及CT1和VT1、通过主变二次电压线圈所挂输电线路Line2的CT2和VT2、以及电站二次采集、微机监控软件及控制装置；
Uph2和U’ph2电压的幅值大小，由移相调压变的调压开关分接档位的位置决定，由此Uph2+U’ph2的相量和的幅值和相位角可调整(或触发控制装置输出控制信号，调节电力电子移相调压装置输出的电压相量的幅值相位)，以适应和补偿线路Line1和Line2在输送电能情况下的电压变化，使得主变T1的一次线圈感应电压相量等于Us1；
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’s1检测值幅值比空载时电压Us1幅值降落、相位滞后于Us1(空载时相位值)的相位。因移相调压变的调压线圈(幅值线圈Tap winding+相位线圈Angle winding)与主变一次线圈串联接地，因此Us1电压(为电站微机监控软件设定值)和(Uph2+U’ph2)电压(移相调压变调压线圈输出电压相量值)进行软件相量求和值(或由Us1和电力电子移相调压装置输出电压相量构成平行四边形相量和)，得出U’s1计算值结果与线路Line1检测的U’s1相量检测值进行比较。相量值偏差在设定值偏差范围内，工程上认为：Uph2+U’ph2电压经过移相调压变档位调整值，使得主变一次线圈感应电压值与Us1(即Line1线路空载时的线路电压值)值相等。从而使得主变二次感应电压值与Us2相同，从而实现电站主变二次电压输出点(电源)的幅值相位角与Line2空载状态下该线路点电压相量相同的目标，实现二次线路Line2在传输感性负荷过程中电源点的电压相量的稳定。
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’s1检测值的幅值比空载时电压Us1幅值升高、相位超前于Us1(空载时相位值)的相位。因移相调压变的调压线圈(幅值线圈Tap winding+相位线圈Angle winding)极性反转且输出幅值电压-Uph2幅值和相位电压-U’ph2(或+U’ph2)幅值与主变一次线圈串联，因此Us1电压(为电站微机监控软件的设定值)和-(Uph2+U’ph2)(或-Uph2+U’ph2)的电压(移相调压变调压线圈输出电压相量)进行软件相量求和值(或由Us1和电力电子移相调压装置输出电压相量构成平行四边形相量和)，得出U’s1计算值结果与线路Line1检测的U’s1相量检测值进行比较。相量值偏差在设定值偏差范围内，工程上认为：-(Uph2+U’ph2)(或-Uph2+U’ph2)电压经过移相调压变档位调整值(或触发控制装置输出控制信号，调节电力电子移相调压装置输出的恰当电压相量幅值相位)，使得主变一次线圈感应电压值与Us1(即Line1线路空载时的线路电压值)值相等。从而使得主变二次感应电压值与Us2相同，从而实现电站主变二次电压输出点(电源)的幅值相位角与Line2空载状态下该线路点电压相量相同的目标，实现二次线路Line2在传输容性负荷过程中电源点的电压相量的稳定。
6.根据线路倒闸方式和预期负荷情况所产生的线路电压偏移量，确定主变的改造方案和移相调压变的参数范围。
根据原有线路主变T1的一二次绕组和三次绕组(如有)的匝数、极性(同名端)、连接组别。改造和取消主变原有有载调压线圈，并解开主变一次线圈的星形连接，将三相线圈末端分别通过套管引出，串联移相调压线圈后形成星形中性点接地。
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，由此产生电压幅值降落范围和相位偏差范围；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，开关极性反转对应超前主变相位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度相位差极性反转。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T1二次线圈感应的电压相量值为Us2。
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| CN202111519094.XA CN114520515A (zh) | 2021-12-05 | 2021-12-05 | 移相调压方式及机理和在新能源电网中应用 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114884410A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-08-09 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 基于移相变压器的极性和档位的合环调电控制方法 |
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2021
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