0 引言

随着光伏、风电等分布式电源大规模接入电网，新能源外送通道潮流[1]时空分布不均衡特征凸显，运行工况复杂多变，输电能力动态受限，对电网规划、调度及电力装备配置带来一系列新挑战[2-3]。在电网运行方面，针对新能源、常规能源共用输电通道受限情形，因新能源出力不确定性较大，常规机组需频繁调节以满足共用通道不越限。

同时，由于分布式电源大多位于偏远地块，甚至位于荒山、荒地，往往需要较长距离配电线路传送电能。随着分布式电源高渗透率的不断提高，白天功率返送引起配电线路末端电压抬升，超过供电电压上限，对末端及沿线用户的电力设备造成危害。简单地下调变电站出口端电压，以保障白天功率返送时线路末端电压不越上限，则导致夜间线路末端电压低于下限，即在分布式电源高渗透率下较长距离配电线路末端及沿线电压偏差昼夜变化大，超过了供电电压的允许偏差范围。

在电网内加装采用移相变压器[4-7] 为基础的潮流控制装置[8]，能有效地提升关键断面[9]输送能力，控制电网潮流分布，缓解潮流不均衡局面，确保交流输电网络潮流通道畅通，提高大电网的稳定性。通过采用以移相变压器技术和智能控制器为基础潮流控制装置，可实现大范围相角控制[10]，极大拓宽该装置的电网技术经济适应性，有力促进全国范围内的推广应用。

本文考虑采用一种基于移相变压器的有载分接开关控制的可实现双向移相电压自适应调节的主动电网潮流控制装置。装置串接在分布式电源的配网线路中，实现线路末端电压调节，有效解决山区分布式光伏集中接入带来的电网末端电压越限和线路之间的电力互济问题，保障当地新能源消纳和电力系统安全稳定运行。装置并接在两条线路之间，可以实现两条线路间电能潮流的可控倒移，有效解决线路负载不平衡，实现“虚拟电厂”的调节功能，为最大程度提高新能源发电经济效益所需的“隔墙售电”市场需求，提供了技术支持。

1 移相变压器的原理、结构及参数

1.1 移相变压器调控电压及相角的原理

交流电力系统的三相互差120°，故可以利用本相及异相（另外一相或者另外两相）的电气相量合成来对本相的电气相量进行调节。

如图1 （a） 为利用本相电气相量，对该相进行调压，利用本相UA励磁，在调压绕组产生电压增量ΔUA，该增量与UA同相，故只会使本相电压增大或者减小至与UA同相的，从而起到调压的作用。

图1 移相变压器三相相量调控原理图
Fig.1 Schematic diagram of three-phase phasor control for phaseshifting transformers

如图1 （b） 为利用其他两相其中一相的电气相量，对该相进行调相，例如图中利用相UB励磁，在调相绕组产生电压增量ΔUA，该增量与UB同相，叠加到UA上以后的电压与本相电压UA之间产生一个相角，从而起到调相的作用。

如图1（c）为利用其他两相的电气相量，对该相进行调相，由于其他两相的相量差为与本相正交的相量，利用它们的合成电压去产生一个电压增量ΔUA，该增量与UA正交，叠加到UA上以后的电压与本相电压UA之间产生一个相角，从而起到调相的作用。

本文介绍的“Sen”结构变压器[11]，灵活运用了图1（a）—（c）中不同组合的方法，利用同相进行调压，利用异一相或者异两相进行调相，从而得到既可以调压，又可以调相，且调压调相可以部分解耦进行操作，从而得到一系列终点为围绕调节原点的多边形离散点阵的多组相角、幅值的相量。

1.2 基本参数需求值

基于当前科研项目的实际需求，对于移相变压器的基本参数要求情况如下。

1）名称：基于移相变压器的主动电网潮流控制装置；

2）产品型号：TX-7000/10.5；

3）额定容量：7 MVA；

4）电压变化范围：10.5 kV±8×1.937 5% ；

5）移相角：±30°。

其中，移相变压器的额定容量是依据线路通过容量（即线路的最大通流能力）确定的；调压范围是参考常规电网有载变压器的常见配置；移相角确定是考虑到电网DY联结最大相角差为±30°，须覆盖此范围。

1.3 基本结构拓扑及优选

首先根据参数需求，可根据以下几点优选合适的拓扑结构：①根据电压等级，110 kV及以下电压等级使用结构简单、体积较小的单芯式移相变压器。110 kV以上电压等级使用双芯型移相变压器，以降低开关的绝缘水平。②根据移相范围，当所需移相角较小、对电压幅值变化要求不高时，可使用节省开关数量的非对称型移相变压器。当所需移相角较大、需要电压维持恒定的幅值时，应使用对称型移相变压器。③根据调节功能，当需要有功、无功解耦调节，可选择新型可调压移相变压器，能将成本降至UPFC（统一潮流控制器）的1/6，同样具备独立调节有功、无功的能力。④根据响应速度选择，当需要移相响应速度较快时，可选择混合型潮流控制器，将大容量的移相变压器和小容量的UPFC结合，使移相的响应速度和控制精度得到提高。

根据上述的几点，选择机械开关控制的单芯式新型可调压移相变压器作为主动电网潮流控制装置的主体设备。图2是它的接线原理图，Sa、Sb、Sc端为电源侧三相，La、Lb、Lc端为负荷侧三相[12]。

图2 接线原理及电压矢量图
Fig.2 Wiring and voltage vector diagram

三相励磁绕组并联在三相线路的相线和中性点间，三相调压[13]绕组与调相[14]绕组串联接入对应线路中。通过调压、调相有载分接开关对三相调压、调相绕组的分接头进行选择，可改变串联在线路上的电压幅值及其相角，从而实现线路末端升、降电压自适应调节。移相变压器每相设置4个绕组，从铁芯到油箱依次是励磁绕组[15]、调相绕组1、调相绕组2、调压绕组。励磁绕组为整个移相变压器提供励磁，调压绕组的各分接头接到调压有载分接开关上。该有载分接开关带有正反转换选择器，采用正反调压方式。当调相绕组1与调相绕组2不串入时，可以通过调压有载分接开关调整输出电压幅值的增减，同时不改变电源电压的相角。调相绕组1与调相绕组2分别取自其他相绕组，分别接到两个调相有载开关上。同时调节调压开关与调相有载开关1时，可以调节相角的范围为0～+30°；同时调节调压开关与调相有载开关2时，可以调节相角的范围为0～-30°。这就是移相变压器的基本功能（电压调节及相角的调节）。调相矢量图如图3所示。

图3 调相矢量图（以其中一相为例）
Fig.3 Phase modulation vector diagram (single)

2 智能控制过程关键技术

2.1 控制原则

在配电网中，由智能控制器配合移相变压器本体使用。通过智能控制器对移相变压器本体两侧线路的电压、电流及潮流分布情况进行实时采集，并进行潮流动态分析，然后由智能控制器控制移相变压器本体的调压、调相有载分接开关，使合环[16]点两侧电压差最小，有效避免合环时的冲击电流[17]，从而智能、便捷、快速地将两配电网进行合环及潮流控制操作，达到自动或根据指令进行无冲击的合环、潮流控制和调节。在本文中，将智能控制器和移相变压器本体的组合统称为移相变压器。

智能控制器实现了移相变压器运行状态、有载调压开关运行状态、移相变压器双侧电压电流等信号的实时在线监测，同时还实现了对有载调压开关、移相变压器双侧断路器等设备的控制，见图4。

图4 智能控制器原理图
Fig.4 Intelligent controller schematic diagram

2.2 关键技术及创新点

采用了智能控制策略。通过实时采集移相变压器输入侧和输出侧的三相电压、电流信号，以及有载分接开关的挡位和状态信息，同时结合移相变压器运行状态、过载能力等数据及移相变压器两侧线路的过载能力、负荷消耗及新能源发电厂的出力情况，通过智能控制实现移相变压器双侧线路的潮流可控转移，最大程度的优化线路负载分配、提高新能源发电厂的发电效率。

线路合环处增加移相变压器以后，在线路合环时能够使合环点两侧电压差在合环时达到最小，有效避免合环时的冲击电流，可以系统性地解决配电网合环操作引发的供电可靠性问题；在靠近新能源发电厂线路的输出端安装移相变压器后，可以有效解决线路上近新能源发电厂端用户电压偏高的问题。既不影响新能源电厂电力外送，也不会对用户用电造成安全隐患；将移相变压器并接在两条线路之间，可以实现两条线路有功潮流的定向可控倒移，平衡线路载荷，起到虚拟电厂的调节作用。

采用机械式OLTC（有载开关），在移相变压器内部设置两套独立的OLTC，分别对移相变压器进行有载调压、调相，调整范围为秒级，可以满足绝大多数应用场景，且成本远远低于同样功能的电力电子式设备，性价比最优。

2.3 智能控制策略

智能控制策略是解决电网潮流柔性控制的核心，其包括以下步骤：第一，程序初始化，进行参数设定；第二，进行实时数据采集，数据包括电流及电压；第三，进行数据处理，包括进行电压幅值差与相角差计算；第四，对有载分接开关调档控制，进行调压、移相；第五，判断是否满足电压幅值和相角差最小；第六，发出合环控制指令；第七，对有载分接开关调档控制，进行调压、移相控制，使电网潮流按照要求进行倒移控制，满足系统实时需求。

3 总体设计和应用实施方案

3.1 硬件电路设计

智能控制器的硬件全部采用模块化设计方案，主要包括主机模块、电压电流采集模块1、电压电流采集模块2、电压电流采集模块3、开关量输入模块、模拟量输入模块、继电器输出模块、无线通信模块、蓄电池模块、数据加密模块，如图5所示。

图5 硬件电路流程图
Fig.5 Hardware circuit flowchart

智能控制器通过采集移相变压器输入侧和输出侧的电压电流信号，控制切换移相变压器的多个有载分接开关，能够实现移相变压器输出侧电压的自动调整，还可以实现移相变压器输入侧电压与输出侧电压之间移相角的自动调整。

3.2 软件设计

智能控制器的软件设计分2个部分：底层的嵌入式监测控制软件；上层的远程监控系统软件。

嵌入式监测控制软件通过实时采集移相变压器输入侧和输出侧的三相电压电流信号，以及有载分接开关的档位和状态信息，同时结合移相变压器运行状态（油面温度[18]、绕组温度[19]等）、过载能力等数据，能够实现移相变压器双侧的潮流控制。

控制策略流程如图6所示。

图6 控制策略流程图
Fig.6 Control strategy flowchart

3.3 应用执行过程

在OLTC闭锁处理中，在移相角调整和输出侧电压调整过程中，结合变压器运行状态、过载[20]能力数据，实现有载分接开关的过流闭锁控制。

在初始化步骤中，初始化参数包括：OLTC电流闭锁整定值、电压幅值偏差整定值、电压相角偏差整定值、扫描周期。

在合环操作步骤中，对两路配电网进行电源切换时，通过闭合开关3和闭合开关4将移相变压器并联在两路电源之间，然后通过断开开关1或断开开关2来实现电源1、电源2的切换。同时也可以实现开关1、开关2、开关3、开关4同时闭合，将移相变压器并联在运行的两路电源系统内，实现两侧潮流的自动控制，将两侧的系统潮流控制在设定的范围内。

在进行实时数据采集时，电压电流采集模块实现对移相变压器两侧线路电压电流信号的实时采集，计算得出I1和I2以及U1∠Φ1和U2∠Φ2；

首先，判断OLTC是否满足闭锁条件，闭锁是指过电流闭锁，是指在电流I1超过额定电流Ie的20%后需要停止调压OLTC和移相OLTC的控制调节；

判断是否满足式（1）：

如果不满足电流闭锁条件，则判定是否满足式（2）和式（3）：

如果不满足式（2），则控制移相OLTC调节U2∠Φ2，直到相角差满足式（2）；

如果不满足式（3），则控制调压OLTC调节U2∠Φ2，直到相角差满足公式3。

4 实际运行数据与应用案例分析

4.1 在分布式电源出口处安装移相控制器的应用案例与数据

某县域内10 kV线路A线路、B线路、C线路，接入低压分布式光伏后线路电压值分别为10.88 kV、10.99 kV、11.01 kV，均明显超越供电电压正常上限（10.7 kV）。综合考虑项目成本、施工难度、装设位置效果等因素，最终选取C线路靠近光伏电站出口处2 km的塔杆处作为装设地点。

C线路现状：该线路某点接入光伏发电厂后，在光伏发电厂发电的高峰（11:00—14:00）时段，距离发电场出口线路5 km范围的一次侧电压较高，超过电压上限值。但是如果此时以刚好达到居民供电质量[21]要求的数值设置光伏电站的输出电压，将导致光伏发电的电量无法完全输出至电网进行消纳[22]，将会对光伏电站的发电效益带来一定的损失。

此时将移相变压器接入光伏发电厂出口的线路中，见图7。通过移相控制器的自动调节，可以在即保证光伏发电厂附近普通用户电能质量的条件下，又将光伏发电厂的所发电能完全输送至电网。

图7 移相变压器在线路中的位置1
Fig.7 Position 1 of phase-shifting the transformer in the line

首先通过调整TV（调压绕组）挡位，使移相变压器两侧的电压差达到最小，见图8和图9 TV挡位调整曲线和对应的电压变化曲线，最后定位在一个电压差最小的挡位上。

图8 移相变压器TV挡位调整日曲线
Fig.8 Phase-shifting transformer TV gear adjustment curve

图9 移相变压器两侧电压变化日曲线
Fig.9 Voltage variation curve on both sides of phase-shifting transformer

以上调压过程是通过智能控制器自动实现的，能够保证调压效果最优。移相变压器安装前后，居民侧的电压曲线如图10所示。

图10 移相变压器安装前后居民侧（低压）电压比较图
Fig.10 Comparison diagram of daily residential side (low voltage)voltage before and after installation of phase-shifting transformer

然后通过调整TP （调相绕组） 挡位，实现功率的从移相控制一侧向另一侧的可控倒移，见表1。该过程也是通过智能控制器自动实现，能够确保光伏发电厂的所有发电量均能够有效的传输至电网进行消纳，见图11。

表1 TP挡位调整导致的移相器两侧功率变化数据
Table1 Power variation data on both sides of the phase shifter caused by TP gear adjustment

TP挡位 电源S侧功率 电源L侧功率11 0 kW -0.2 kW 12 59 kW -58.6 kW 13 122.3 kW -121.5 kW

图11 移相变压器TP挡位调整功率变化情况
Fig.11 Phase-shifting transformer TP gear adjustment power change situation

4.2 在两条线路中并入移相变压器实现“虚拟电厂”的调节作用

某变电站内有2台变压器（变压器1、变压器2）分别向线路1、线路2供电，线路2有接入光伏变电站，如图12所示。2条线路的供电负荷类型不一致，导致白天时段变压器1运行负载率能达到85%左右，电源2所带负载由光伏发电站和变压器2同时供电，此时变压器2运行负载率仅为20%左右；而夜间时段变压器1运行负载率为25%左右，由于光伏发电站不再发电，此时变压器2运行负载率为75%左右。

图12 移相变压器在线路中的位置2
Fig.12 Position 2 of the phase-shifting transformer in the line

如果考虑白天时间变压器1的运行负载率已经达到了85%的高负载率[23]，此时就需要更换更大容量等级的变压器，或者重新调整线路分段供电的状态，改造涉及面广，费用高，实施难度大。此时在线路1和线路2之间接入一台移相变压器，通过移相变压器控制器的自动调节，能够将线路1和线路2的潮流进行自动控制，使2台变压器的负载率控制在比较均衡的状态。同时将线路2中的光伏电站的发电功率通过移相变压器直接倒移到线路1中进行消纳，起到“虚拟电厂”的调节作用。既没有增加该区域的总体供电需求容量，又没有对现有的线路、变电站进行大量的升级改造，就非常完美地解决变压器负载出力不平衡[24]、及时消纳光伏发电功率和线路对容量需求的问题。

4.3 “隔墙售电”的应用

A工厂安装了光伏发电站，光伏电站为自发自用，余电上网[25]。A工厂生产量大，电量需求多时，能够实现95%以上的消纳水平。但是由于A工厂的季节性生产原因，在某个季节时段光伏发电的电能消纳很低，而此时隔壁B工厂的生产较为饱和，对电量的需求较大。此时在2家工厂的供电线路间安装1台移相变压器，可以实现A公司光伏发电电量被B公司消纳，而不是低价上传至电网进行消纳，从而实现光伏发电站的效益最大化。同时，由于可以实现电能量的可控倒移，此时的电能是被A工厂、还是B工厂消纳，消纳比例为多少，可以自行协商确定，最终由移相变压器进行实现。

5 结果与讨论

随着新能源的发展，电网越来越迫切需要一种有效的潮流控制方法。既可以满足电网运行的经济性和可控性需要，也可以大幅提高新能源消纳能力，促进节能减排。本文采用“Sen”结构的移相变压器实现了主动配电网内的潮流控制，装置在调控上还采用了全新的数字化、智能化设计理念，符合未来主动配电网[26]、虚拟电厂、隔墙售电[27]等智能电网[28]发展的趋势。