基于可控移相器合环装置的配电网建模与仿真研究

Science and Technology & Innovation ｜科技与创新
2024年 第02期
DOI ：10.15913/ki.kjycx.2024.02.006
基于可控移相器合环装置的配电网建模与仿真研究＊
张宁宇1，陈 兵1，高啸宸2，高 山2，赵 欣2
（1.江苏省电力试验研究院有限公司，江苏 南京 211103；2.东南大学电气工程学院，江苏 南京 210096）
摘 要：随着产业升级和人民生活水平的不断提高，电力用户对供电可靠性要求越来越高，配电网合环不停电转供成为研究热点。

但随着负荷的增加，电网在实际运行中较难满足合环条件，有必要研究新的合环控制装置技术。

提出了一种基于可控移相器（Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer ，TCPST ）的灵活控制装置，能满足合环线路两侧电压幅值、相位差较大时的合环转供需求。

首先分析了可控移相器合环控制装置的拓扑的结构和工作原理。

在此基础上，推导了幅相可控移相器的数学模型。

最后基于10 kV 配电网合环应用场景，在PSCAD 环境中进行了仿真，验证了所提出的可控移相器合环控制装置的正确性和有效性。

关键词：配电网合环；可控移相器；合环控制装置；PSCAD 建模与仿真
中图分类号：TM73 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）02-0023-04
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＊［基金项目］江苏省电力试验研究院有限公司科技项目“江苏电试院紧凑型晶闸管可控移相器拓扑结构优化技术研究服务”（编号：DSY202214）
配电网作为电力系统的关键一环，其电能质量、供电可靠性等是衡量一个电网好坏的重要指标[1-6]。

近年来，随着电力系统的发展，中国已逐步形成了闭环设计、开环运行的配电网结构。

由于电网的日趋复杂，为了给用户提供可靠性更强、质量更佳的用电体验，配电网逐渐形成环网结构，即一条线路上存在多个电源点，并在线路联络点间进行开断。

为满足用户连续供电的要求，合环操作越来越频繁，但由于没有系统的操作原则，运行人员通常根据运行经验进行操作，存在较大的操作风险，主要表现在合环冲击电流或稳态电流过大造成的线路保护跳闸风险[7-9]。

主要原因是合环点两侧存在电压差，合环后由于系统参数的改变，会产生暂态的冲击电流和稳态的合环电流，在与负荷电流叠加后电流过大，会导致馈线保护动作跳闸，反而对用户正常供电产生影响
[10-12]。

当
合环线路两侧负荷分布差别大、电网分布不均衡时，会造成合环联络线两侧电压幅相差增大，同时，随着新能源的高渗透率接入，新能源发电具有不确定性、波动性，容易产生一些极端情况使电压分布不稳定，可能会造成合环电压差进一步增大，直接合环可能会导致合环失败，对配电网造成巨大危害。

因此，有必要研究满足较大幅相差的合环装置，以确保合环操作的安全。

可控移相器（TCPST ）通过在输电线路中串联注入横向或纵向电压，改变装置安装点电压幅值相位，从而有效控制线路潮流[13-14]。

其相比于统一潮流控制器
（Unified Power Flow Controller ，UPFC ），可减少约5倍的设备成本和约10倍的运营成本，且结构简单，安全性和实用性更高，运行寿命长[15]。

由于移相器的技术相对成熟，且移相器的维修简便、经济性显著，考虑将其应用于合环控制装置。

本文首先分析了TCPST 的模型结构及其工作原理，其次对提出的基于移相变压器的灵活合环控制装置的结构和工作原理进行分析，并讨论其实现方法，最后在PSCAD 环境下，选取10 kV 电压等级配电网双电源系统合环应用场景，搭建配电网合环模型，选取典型工况，对具有调幅移相功能的TCPST 进行合环仿真分析，验证所提合环控制装置。

1 可控移相器合环控制装置分析与建模
1.1 可控移相器结构
可控移相器的结构包括串联变压器、并联变压器和变换装置，如图1所示。

其中，并联变压器副边变换装置采用晶闸管控制结构，利用晶闸管可以实现TCPST 的分级控制，如2个变比为1∶3的绕组，可调级数为±4级；3个变比为1∶3∶9的绕组，可调级数为±13级。

可控移相器在并联侧获取线路电压，通过变换装置得到所需幅值与相角的电压值，并通过串联变压器注入到线路中，以此起到改变线路电压幅值和相角的作用。

1.2 可控移相器合环控制装置原理
可控移相器合环控制装置等效电路如图2所示，由左、右2个部分组成，可以实现电压幅值相位的灵活调
节控制。

左侧为调节相位的部分，采用Y-Y 连接；右侧
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为调节幅值的部分，采用Y-Δ连接。

图1 可控移相器结构模型
由图2可知，左侧由并联变压器E T 和串联变压器B T 组成，并联变1次绕组E 1及二次侧绕组E 2、E 3均为星接，串联变线路侧绕组B 1和B 2串联在线路中，串联变副边绕组B 3为星接，绕组E 1从绕组B 1和B 2中获取线路电压，并由绕组E 2和E 3的控制回路将补偿电压反馈至绕组B 3，由绕组B 1和B 2将补偿电压注入线路。

以A 相为例，E T 原边绕组记为E 1，副边绕组记为E 2，E 2被分为3段，匝数比均为1∶3∶9，可以实现±13共27级的分级控制，n T 为E T 原副边的变比，N E 、N E 为N T 原边、副边绕组
的匝数；B T 原边绕组分为2段，分别标记为B 1、B 2，副边绕组标记为B 3，n B 为B T 原副边的变比，N B 、N B 、N B 为B T
绕组1、2和3的匝数。

右侧结构与左侧类似，由并联变E ′T 和串联变B ′T 组成，
区别在于串联变副边绕组B 3为三角形连接。

左右两侧通过串联变B T 与B ′T 的一次侧串接，实现可控移相器的幅相控制。

根据可控移相器的拓扑结构，可以推导出其数学
模型为：
U S =N B 3
N E
1
N B 2
N E
2
－T P
N B 3
N E
1
N B 2
N E
2
+T P
×U L （1）
φ=2arctan （
3N ′B 2
N ′
E 2
N ′B 3
N ′
E 1
×T φ） （2）
式中：U S 和U L 分别为可控移相器首末端电压的数值；T p 为电压幅值调节组态；φ为可控移相器的相位；T φ为电压相位调节组态。

图2 可控移相器合环控制装置等效电路图
2 基于可控移相器合环控制装置的配电网建模
配电网合环的数学模型如图3所示，配电网220 kV 交流电源通过变压器T 1、T 2引入10 kV 母线，经过一系列馈线及负荷，最终通过联络开关来实现合环操作。

其中，K 1、K 2分别为馈线a 、b 的出线开关，S 为控制合环线路的联络开关。

考虑将变压器损耗及线路损耗等效为相应的阻
抗，每段馈线之间的所有负荷通过一个等效负荷来表示，在反映原有负荷特性的同时，达到简化计算的目的。

同时，将10 kV 以上的电源及阻抗归算到10 kV 侧，得到进一步的简化模型，如图4所示。

其中，U 1、U 2分别为10 kV 以上电压归算到10 kV 侧的电压，U 3、U 4Z ′a 0
、Z ′b 0
分
10 kV 侧的阻
为馈线及负荷的等效阻抗。

在某些极端情况下，如果直
可能会出现节点电压越限、线路过载等情况，
对电网造成巨大的损失和危害。

因此，
接a
Z 并联变压器
串联
变压器
晶闸管控制
置，如图5所示。

220 kV 经过变压器T 1～T 2、T 3～T 4输入10 kV 母线，根据合环前联络线两端电压，计算出电压的幅值及相角差，代入式（1）、式（2），可以确定TCPST 中的T p 与T φ的参数。

图4 配电网合环等效电路
图5 含TCPST的配电网合环模型
3 仿真结果及分析
基于10 kV 电压等级配电网双电源系统合环应用场景，在PSCAD 仿真平台搭建含可控移相器合环装置的配电网仿真模型。

仿真搭建的配电网等效电路图如图6所示，选取不同的工况，设置不同电压源初相位及馈线阻抗与负荷运行情况，使联络线两侧的电压幅值相位差改变，分别进行仿真验证。

其中，Z a ～Z a 、Z b ～
Z b 分别为a 、b 侧馈线及负荷L 1～L 5的等效阻抗，Z a 0
、Z b
分别为a 、b 两侧10 kV 及以上联络线的等效阻抗。

3.1 工况1仿真结果
在PSCAD 中将a 、b 两侧电压源初值均设置为220∠0°kV ，两变压器之间线路的阻抗均设为1.0+j 3.619 Ω，馈线及负荷等效阻抗参数见表1。

联络开关闭合前，由仿真系统测出联络线两侧电压。

在PSCAD 中采用一个断路器定时控制逻辑来控制合闸的时间，设置在0.197 s 时联络开关闭合。

对加入可控移相器合环装置前后的模型分别进行仿真验证。

经过PSCAD 仿真输出的TCPST 的组态T p 和T φ分别为2和-1，仿真结果如图7所示。

可见此时未接入
态电流约为0.500 kA 。

而加入可控移相器合环控制装置后，合环冲击电流为0.141 kA ，合环稳态电流约为0.087 kA ，合环所产生的电流大幅减小。

图6 仿真模型表1 工况1等效阻抗参数
等效阻抗/Ω
L 1L 2L 3L 4L 5
a 侧馈线12.03+j 2.4500.10+j 0.6038.60+j 2.7520.05+j 0.30210.64+j 2.224
b 侧馈线3.50+j 1.0180.05+j 0.30216.24+j 2.7140.03+j 0.1518.06+j 2.865
（a ）未接入TCPST 时合环电流
（b ）接入TCPST 后合环电流
图7 工况1合环电流仿真结果
3.2 工况2仿真结果
在PSCAD 中将a 侧电压源初值设置为220∠70° kV ，b 侧电压源初值设置为220∠﹣50° kV ，馈线负
图7
工况1合环电流仿真结果
荷阻抗参数见表2。

表2 工况2等效阻抗参数
等效阻抗/Ω
L 1L 2L 3L 4L 5
a 侧馈线5.03+j 2.4500.10+j 0.6038.60+j 2.7520.05+j 0.3025.64+j 2.224
b 侧馈线4.50+j 1.0180.03+j 0.1519.24+j 1.2060.05+j 0.3059.26+j 2.111
联络开关闭合前，由仿真系统测出联络线两侧电压。

在PSCAD 中采用一个断路器定时控制逻辑来控制合闸的时间，设置在0.208 s 时联络开关闭合。

对加入可控移相器合环装置前后的模型分别进行仿真验证。

合闸后，仿真得到的合环稳态电流波形如图8所示，其正弦波最大幅值为3.824 kA 。

经过PSCAD 仿真输出的TCPST 的组态T p 和T φ分别为11和﹣6，仿真结果如图8所示。

可见此时未接入TCPST 前冲击电流的最大幅值约为5.953 kA ，合环稳态电流约为2.704 kA 。

而加入可控移相器合环控制装置后，合环冲击电流为0.463 kA ，合环稳态电流约为0.242 kA ，很大程度上减小了合环冲击电流和合环稳态电流。

（a ）未接入TCPST 时合环电流
（b ）接入TCPST 后合环电流图8 工况2合环电流波形图
由于TCPST 存在档位限制，仅能进行整数级调节，不能使联络线两端电压完全相同，故仍存在较小的合环电流。

同时，变压器存在漏抗，且TCPST 存在内阻抗，由于其值较小，理论计算时可忽略不计，使仿真值与理论值存在较小的误差。

4 结论
针对配电网合环所存在的安全性问题，合环线路两侧电压的电压幅值相位差较大时，如果直接进行合环操作，可能会造成线路过载、电压越限、线路阻塞等情况，导致合环失败，对配电网线路造成巨大损失，甚至可能导致配电网大面积断电的危害。

因此，本文考虑将可控移相器合环控制装置应用于幅相可控移相器解决配电网合环问题，降低合环产生的电流。

本文首先分析了TCPST 的结构及其原理，推导了幅相可控移相器的数学模型，接着研究了含可控移相器合环控制装置的配电网建模方法，最后选取了10 kV 电压等级配电网双电源系统合环应用场景下的不同典型工况，在PSCAD 中建立了仿真模型。

通过建模仿真，证明了可控移相器合环控制装置可以有效减小合环支路的稳态电流和冲击电流，通过可控移相器合环装置控制配电网合环电流具有可行性。

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（下转第30页）
图7
工况1
合环电流仿真结果图8工况2合环电流波形图
图7工况1
合环电流仿真结果
图8工况2合环电流波形图
示）可以看到，本模型曲线基本能够准确反映因变量的变化。

图3 方差分析表及参数估计
图4 拟合效果图
第三步，自变量的影响。

通过观察比较可以发现，各自变量均与因变量Y之间有一定的联系，其中雷击大地密度Ng和土壤电阻率ρ的散点拟合曲线规律较其他自变量更为明显。

第四步，模型的预测及控制。

使用MATLAB得到各自变量的置信区间，发现线路环境因子Ce的置信区间较其他自变量更显著，故本模型的主要预测和控制优化方向即为对环境因子Ce的优化。

综上所述，得到的模型具有非常高的显著性，故可以很好地反映安全度Y与长度L、宽度W、高度H、雷击大地密度Ng、建筑物位置因子Cd、线路环境因子Ce、土壤电阻率ρ之间的线性关系。

5 结束语
本模型基于MATLAB软件多元线性回归分析，得到太原市六城区加油站雷击风险评价模型，通过理论结合实践的方法，不仅实现了基础数据的可视化表达，而且发掘出了数据背后所隐藏的更深层次的函数关系，对今后气象部门针对易燃易爆危化场所的监督和管理提供了有力的技术支持。

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作者简介：乔俊峰（1990—），男，山西朔州人，本科，工程师，研究方向为应用气象。

（编辑：王雨茜
）—————————————————————————————————————————————————（上接第26页）
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作者简介：张宁宇（1985—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统优化运行、柔性交流输电技术。

（编辑：王雨茜）
Y
Y的观测序号。