变压器副边绕组反相的少级数特征潮流控制装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能电网领域，具体涉及一种变压器副边绕组反相的少级数特征潮流 控制器及其方法。
【背景技术】
[0002] 随着具有间歇性、多变性、不确定性的风能、光能等可再生能源比例的增长，电力 系统的发电调度、输电能力、潮流控制问题越发突出，电力形式的二次能源输配安全将面临 极为严峻的挑战，例如德国北部风电输往南部工业城市时利用移相器控制现有的跨区输电 潮流问题等。诚然，架设新的高压输电线路可以满足逐渐增长的电力输送需求。然而，与此 同时，如何高效、经济地利用和控制现有输电系统的技术和装备，建设一个更为灵活、高效 的输配电网值得深入研究和发展。
[0003] 针对实际交流输配电网中的潮流控制问题，确保更好的利用输电线路，或帮助将 过载线路的多余功率转移到轻载线路上，有以下几类传统的装备或解决方案，具体如下： (1)串联/并联开关电抗器/电容器，以及用于电压调节的静止无功补偿器（SVC)和静 止同步补偿器（STAC0M)。
[0004] (2)用于相角调节的相角调节器（PAR)以及相移变压器（PST)。
[0005] (3)用于串联电抗调节的晶闸管控制串联电容器（TCSC)。
[0006] (4)统一潮流控制器（UPFC)、变压器 SEN Transformer (ST)〇
[0007] 前三种解决方案并不能同时调整输电线路上的有功和无功潮流。对于第四种解 决方案中，UPFC是基于电压源换流器（VSC)的装备，具备灵活的电压和潮流控制能力，但安 装和运行费用较高，限制了实际应用。此外，UPFC虽然可以提供极为快速的ms级快速响应 能力，但多数的电力公司可以接受在相对较慢的时间框架下调节线路电压和潮流。相较于 UPFC，ST是近年来出现的一种非换流器的改进型移相变压器技术，它应用于高压输电线路 中，具备类似于UPFC的四象限潮流控制能力，如图13所示。同时成本预计约为前者的1/5， 其控制速度可以通过将传统的机械分接头开关替换为电力电子分接开关来提高，随着高压 大功率电力电子开关器件、电力电子型变压器分接开关技术以及低耗高性能磁性材料的发 展，具有不俗的应用潜力。
[0008] 现有技术中的ST的工作原理如图14所示，ST -次侧星形联结，并联接入系统送端 电压，构成励磁单元。副边每相由三个带抽头的绕组组成，构成串联电压调整单元，例如：A 相副边抽头为斗、a2、a3,B相副边抽头为4、A2、b3，C相副边抽头为 Cl、c2、c3。其中，抽头 <^4、。组成A相串联补偿电压，SP
由于il|之间相位相差120°，通 过对变压器抽头的单侧控制，改变这三个电压相量的组合方式，从而改变
同理，亦可实 现B相、C相串联补偿电压
[0009] 但由于其副边抽头的数目有限，导致其控制点往往难以精确地达到系统控制任务 的需求。为此，有学者提出了一类混合式潮流控制器（HPFC)，由小容量UPFC和大容量ST 串联组成，综合了 ST的大容量、稳定性好和UPFC的快速灵活调节性能。但其造价并未脱 离UPFC的高造价的问题，同时两类不同技术原理的潮流控制协调的复杂性也不容忽视。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于克服上述控制精度较大、运行范围较小以及调节速度较慢的缺 点，从电力电子开关技术应用于传统变压器SEN Transformer (ST)的结构灵活设计和控制 方法改进角度出发，提出了一种变压器副边绕组反相的少级数特征潮流控制器及其方法。
[0011] 本发明的一种变压器副边绕组反相的少级数特征潮流控制装置与方法，由ST - 次侧星形联结，并联接入系统送端母线，构成励磁单元E ;励磁单元E的副边每相由带抽头 的绕组和配套电力电子开关板TP组成，构成串联电压调整单元F，其中，副边每相有三个带 抽头的绕组，分别与自身相和另两相原边磁耦合。所述电力电子开关板TP由4对反相并联 的晶闸管构成，其中两两开关组件同开同闭，实现对应绕组的同相接入或反相接入。而少级 数特征指小于或等于4级的副边绕组调压分接头正向级数。
[0012] -种变压器副边绕组反相的少级数特征潮流控制方法，包括以下步骤： 步骤一、依据指令的线路有功功率期望值席卩无功功率期望值β计算a相串联注入期 望电压幅值|Vs' s|和超前相角β ;或直接输入串联电压期望值； 步骤二、基于该相角/?，辨识串联电压相量落入的区域； 步骤三、依据所在区域，计算a相、b相或c相轴上的投影{Vaa、Vba、Vca}; 步骤四、除以分接头步长，并做四舍五入取整处理，获得与
：最小间距的初始分接头 档位{n_ _aa、n-ba、n_ca}; 步骤五、由EST分接头组合策略表修正得最终分接头档位结果{n_aa、n_ba、n_ca}及其 对应串联电压调整值{Vaa、Vba、Vca}; 步骤六、与当前分接头位置比较，以最小绝对调整档位为目标，确定a相置位，即{ba， SiSL, csl}； 步骤七、相应地，获得b相和c相置位{cb, bb, ab}，{ac, be, cc}; 步骤八、通过TP开关组件和有载调压分接头，执行a、b和c相置位，即可。
[0013] 本发明与现有技术相比，具有明显的有益效果，由以上方案可知，变压器副边绕组 反相的少级数特征潮流控制装置(简称EST，Extended SEN Transformer)，利用电力电子开 关板TP实现串联变压器副边绕组反相，进而实现EST的扩展潮流控制，其原理如下（如图 Ο :对于麗:襄議:运行域的扩展域范围内，以A相为例，通过关闭TPba开关组件的 1号和3号电力电子开关，并触发导通TPba开关组件的4号和2号电力电子开关，实现ba 绕组反相连接，进而实现传统ST控制域的扩展，同理，B相和C相。
[0014] 基于变压器副边绕组反相的少级数特征潮流控制方法，其发明的思路是借助四舍 五入函数可实现类似传统最小偏差& (即最小间距）算法对应的分接头!1?，同时基于正向 控制域或正反相控制域，配合扩展区分接头组合策略表实现分接头快速调整。相对传统算 法，该算法更为计算简单、算法效率更高。
[0015] 总之，本发明具有如下优点： (1)运行范围增加 在理想情况下，【的变化范围可以是一个以原始送端电压?α页点为中心的正六边形区 域，六边形边长为每相副边绕组的最大值。现有技术的ST和本发明的运行范围对比图如图 15所示。可见，通过电力电子开关器件实现副边绕组正反相调整，其运行范围（正六边形实 线所示）扩大到传统ST运行范围(正六边形虚线所示）的约4倍。
[0016] (2)调节精度提尚 在理想情况下，串联补偿电压
的调节精度可以通过电力电子开关器件实现副边绕 组正反相调整，提高调节精度1倍。例如，对于如图15所示运行范围（正六边形实线所示)， 可以通过降低传统ST分接头调压步长TapStep的一半实现原运行范围的调节精度提高。另 一方面，这也相应地减少了变压器有载分接头的单步调节电压，进而一定程度上缓解了单 步调节的过电压抑制问题。
[0017] (3)调节更为灵活 本发明即可运行在传统ST的运行模式，或称半电压幅值运行模式，也可通过TP电力电 子开关组件和有载调压分接头运行于EST运行模式，或称全电压幅值运行模式。
[0018] (4)调节速度更快、响应时间更短 利用TP电力电子开关组件和有载调压分接头可针对部分大调节操作，通过串联变压 器副边绕组的正反相技术，实现快速操作，响应时间较短。此外，如将机械分接开关更换为 电力电子型分接开关，响应时间可以由ST的机械分接头开关响应时间的百或6#提 高到级或十当然，该方案造价也会上升较多。
[0019]
【附图说明】
[0020] 图1为本发明EST的基本拓扑结构； 图2为本发明EST的分接头组合置位算法流程图； 图3为本发明EST的分接头置位选择示意图； 图4为本发明实施例中EST的PSCAD/EMTDC模型的电气系统和控制系统接口示意图； 图5为本发明实施例仿真等效电路图； 图6为本发明实施例b相二次侧第一个子绕组（ba绕组)电力电子开关组件TPba的模 型构建不意图； 图7为本发明实施例b相二次侧第一个子绕组（ba绕组）的开关逻辑控制模块构建示 意图； 图8为本发明实施例中工况1的串联电压期望幅值和相角时域变化图； 图9为本发明实施例中工况1下EST的A相调压分接头置位控制输出； 图10为本发明实施例中工况1下，传统ST与本发明EST潮流控制能力对比图； 图11为本发明实施例中工况2下两种不同分接头组合策略对比示意图； 图12为本发明实施例中工况2下两种不同分接头组合策略的受端潮流对比图； 图13为现有技术中的ST的基本拓扑结构； 图14为现有技术中的ST的潮