饱和变压器

2024-11-02

饱和变压器（精选4篇）

饱和变压器篇1

一、运行中的变压器产生磁饱和的原因

在地铁车辆运行的供电网区域, 列车的牵引电流主要是由冲击电流和稳态电流组成。而在运行过程中产生的冲击电流主要是由以下三方面原因造成:

第一, 列车在满载行驶的过程中通过升弓或者变换相位时会产生50Hz的短暂性冲击电流;

第二, 在天气寒冷的时候, 列车的接触电网上会覆盖着较多的冰凌, 导致接触电网出现不良, 这个时候也会产生冲击电流;

第三, 由于列车在隧道时会高速运行, 逆变器产生较大的瞬时电流, 以致变压器的过流保护开关和接触器频繁开闭, 导致冲击电流频繁产生, 从而对变压器的正常运行造成很大影响。

正由于产生冲击电流的原因比较多, 以及受到列车行驶轨道供电网络整体结构和变压器运行状态的牵制, 变压器在运行过程中会出现磁饱和现象, 严重影响到列车轨道的电路信号的传输, 而变压磁饱和原因分为内部原因和外部原因。

(一) 磁饱和的内部原因

在列车运行的过程中, 由于不同型号列车的牵引电流的传输方式不相同, 走形轨道两端的漏电流值和阻抗值也不一样, 导致在两条轨道之间产生不平衡的电流。

由于线路所用的变压器中间是带抽头的48匝的信号线圈和一个16匝牵引线圈, 交变磁场变比为3:1 (如下图1所示) , 假设变压器是运行在平衡状态下, 两个16匝线圈的流入和流出方向是相反的, 由于列车在运行过程中变压器会产生交变磁场, 且磁场之间在理论上是互相抵消的, 但是变压器这种理想的平衡运行状态在实际的使用过程中基本上很难做到, 所以, 如果列车在运行过程中如果牵引电流不平衡, 变压器线圈的两端就会产生电流差和干扰电压, 由于变压器本身磁铁芯的空隙比较小, 而干扰电压又是被直接施加到线圈上, 电流差值 (If) 和干扰电压值 (Uf) 是成正比关系, 这样就更容易使变压器在运行过程中产生磁饱和现象。

(二) 磁饱和的外在原因

冲击电流是变压器产生磁饱和的外因。冲击电流会对列车走形轨道上的电路产生破坏作用, 而变压器由于受到磁芯电流偏差和外部的电流冲击, 在这个过程中就会产生平衡电流, 变压器就会出现磁饱和现象。变压器在磁饱和状态下运行时, 列车走形轨道上的电流值就会减小, 且会影响到接触网上电流信号的输送, 输出的波形也严重失真, 轨道上变压器的继电器也不能正常打开或者关闭, 从而使列车上的设备无法接收到有效的信号源, 严重威胁到列车的安全行驶。磁饱和波形图如图2所示。

二、磁饱和对变压器运行的影响

(一) 产生高发热现象

变压器工作在磁芯饱和状态时, 输入端的电流会由于磁芯饱和而突然升高 (不可控) 导致烧毁原边电路元件。而且此时不能够顺利传输能量给副边。

(二) 产生瞬时效应

在变压器处在瞬变负载状态下时, 输入的电压就会变高, 而负载上的电流又比较小, 如果这个时候负载上的电流急剧升高, 则控制电路上的脉冲宽度就会变大, 对变压器上的功率进行补充, 输入脉冲宽度和电压值都会达到最大, 即使这这个过程只是一瞬间, 但变压器也会出现磁饱和现象, 对电路造成破坏。

三、预防措施

预防变压器在运行过程中出现磁饱和, 最有效的方法是如何去改善列车在运行时牵引电流的不平衡问题。从变压器运行的角度来看, 主要有以下措施。

1) 要保证列车的正常行驶, 防止变压器产生磁饱和, 就必需配电维护部门从整个供电网系统的角度出发, 和其它相关部门的技术人员相互配合, 充分发挥各自部门的作用, 保证变压器是在正常的工作状态下运行。从供配电维护部门本身的角度对问题进行有效分析, 列车走形轨道上的的阻抗和变压器的运行状态有很大关联。列车在行驶过程中发生晃动时, 变压器上连接线的电阻的稳定性就会变差, 电阻变大, 从而使列车走形轨内部的牵引电流值出现不平衡。因此, 在日常供电线路的维护过程中, 对变压器的连接线进行检修是很有必要的。

2) 如果运行的区段比较短, 可以对走形轨道上的继电器进行缓放, 保证变压器上的翼板缓放时间控制在0.5s-0.8s之间, 以便产生冲击电流时, 内轨道上的继电器不会错误落下。

3) 根据需要增加变压器的铁芯气隙, 这样变压器上铁芯的磁化曲线和气隙磁化直线就会有相互叠加的作用, 从而对合成磁化曲线进行延长, 降低了电阻值, 使变压器上的铁芯很难出现饱和, 降低走形轨道的电流不平衡现象。

4) 在变压器右翼处增加一个扼流用的适配器, 这就变为BES扼流变压器。

其原理如图3所示:

扼流适配器主要是由LC振荡电路组成, 其谐振阻抗反射到轨道的阻抗大约为0.02Ω, 这等于2条轨道之间接1根线, 在一定程度上降低了变压器牵引线圈上的干扰电压。但随着变压器气隙的增大, 阻抗变小, 不利于列车电路线路的传输。因此, 对变压器的谐振电路进行设计时, 要根据实际工作情况选项合适参数的扼流适配器, 保证LC振荡电路上的容性阻抗和线圈的感性阻抗能组成并联谐振电路, 进而提高设计电路的传输效率。

目前, 地铁系统上的变压器大部分都是采用增开气隙和增加扼流适配器这两种方法来预防电流不平衡造成变压器产生磁饱和的问题。同时也能改善列车轨道电路的平衡性, 提高列车信号的传输效率, 保证列车的正常运行。

摘要：变压器是地铁电气化区域走形轨道电路的重要组成部分。由于不平衡电流及变压器本身结构的影响, 在运行过程中变压器会经常出现磁饱和问题, 而磁饱和会对地铁列车运行轨道上的传输信号造成影响。文章主要是以地铁供电网所使用的扼流式变压器做为背景介绍变压器在运行过程中产生磁饱和的原因、影响, 以及提出有效的预防措施。

关键词：磁饱和,变压器,影响,措施

参考文献

[1]靳素芳, 张兆锋.变压器状态检修技术研究分析[J].中国高新技术企业, 2010 (13) :157-159.

[2]韩永力.变压器磁饱和状态检测[J].企业技术开发, 2013 (12) :9-12

饱和变压器篇2

随着电力系统规模的不断扩张和电网互联的发展,电网中短路电流水平不断提高。为有效限制电网短路电流,进而降低电网中电气设备的设计容量,保障电力系统安全稳定运行,各研究机构研制了各种不同类型的短路限流器,如超导型限流器[1,2]及固态限流器(SSFCL)[3,4,5,6]等。尽管各种限流器基本都可以通过不同原理来实现限流,但其本身的体积和成本则是制约其实际工程应用的瓶颈。

变压器耦合新型固态限流器的最初研制也同样面临着这样的问题[7]:首先,耦合变压器(新型固态限流器串联接入电网主电路的接口器件)若采用常规变压器,存在体积大、成本高且容量浪费的问题;其次,这种常规变压器的励磁阻抗往往很大,若系统发生短路故障,变压器副边开路后直接依靠其励磁电抗来限流,短路电流往往过低,甚至接近于0,导致继电保护装置无法动作。为将短路电流值限制到系统继电保护装置的整定范围之内,可以采取如下2种解决措施:①在耦合变压器原边并联一定大小的交流电抗器,但这会进一步增加系统的体积和成本;②通过控制限流器整流桥触发脉冲相位角,调整串联接入故障回路的等效阻抗值,使限制后的短路电流稳态值能够满足继电保护整定值的要求(即基本不影响继电保护),但限流过程中会产生大量谐波。

饱和变压器耦合新型固态限流器方案的提出,有效解决了上述问题[8,9]。该限流器用饱和型耦合变压器取代原新型固态限流器中的常规变压器和旁路电感,在很大程度上降低了整个限流器的体积和成本。文献[9,10,11]对该饱和型耦合变压器的工作特性进行了研究,但未提出这种饱和型耦合变压器的设计方法。

本文在此基础上,以10 kV新型饱和变压器型固态限流器设计为例,从饱和型耦合变压器的工作特性出发,详细探讨其设计方法。

1 饱和变压器耦合新型固态限流器工作原理

饱和变压器耦合新型固态限流器的单相拓扑结构如图1所示。图中:Us为系统电源电压;ZL为负载阻抗值;Ld为直流电抗器;T1至T4为晶闸管。

其基本工作原理如下。正常状态下(电网主电路负载侧未发生短路故障),与耦合变压器副边相连接的整流桥全开通运行,整个桥路处于等电位状态(忽略管压降),因此耦合变压器副边等效于“短接”,即串接在电网主电路中的限流器等效于“短接”,故不会对电网正常运行造成不利影响。

当电网主电路负载侧发生短路故障时,全部(或大部分)电源电压将立刻加到耦合变压器原边并进而耦合到副边绕组上,这一突加电压将导致整流桥输出直流电压从而使得流过Ld的直流电流突增,但电感电流不能突变,因此,必然产生反电势以阻止电流突变,即Ld能够自动(无需控制系统干预)限制初始短路电流及其上升率。另一方面,短路发生后控制系统将快速判断出故障并控制整流桥退出运行,使耦合变压器副边等效于开路状态,从而耦合变压器的饱和电抗值串联接入故障回路以限制稳态短路电流。

从上述变压器耦合新型固态限流器基本工作原理可知,饱和型耦合变压器在短路限流过程中可分为3种状态:正常(非饱和)工作状态、过渡限流状态与副边开路限流状态(后2种均为饱和态)。

1)耦合变压器正常工作状态

限流器处于正常工作状态时,副边直流电抗器已充电至稳态,晶闸管T2和T3(续流管)常触发导通,T1和T4(开关管)在相电压过零点导通。若忽略晶闸管的导通压降,则由于直流电抗器Ld和续流管的作用,整个桥路处于“等电位”,故此时耦合变压器副边等效于“短接”。由此得出正常工作状态(对应状态a)下的等效电路如图2所示。图中:Rs为系统内阻;X1a,X2a′,Xma分别为状态a下的耦合变压器原边漏抗、副边漏抗和励磁电抗。

此时,串联接入线路的限流器的等效电抗值Xa为:

$X_{a} = X_{1 a} + \frac{X_{m a} X_{2 a} ´}{X_{m a} X_{2 a} ´} \approx X_{1 a} + X_{2 a} ´ (1)$

2)耦合变压器过渡限流状态

当系统发生短路故障后,直流电抗器Ld瞬间插入故障回路抑制短路电流上升率,在此状态(对应状态b)下的等效电路如图3所示。图中:XLd′为Ld的电抗值。

串联接入线路的限流器等效电抗值Xb为:

$X_{b} = X_{1 b} + \frac{X_{m b} (X_{2 b} ´ + X_{L d} ´)}{X_{m b} + X_{2 b} ´ + X_{L d}^{'}} (2)$

3)耦合变压器副边开路限流状态

系统发生短路故障后,控制系统经过一定的故障反应时间,采取一定的控制策略,并在半个周期内使全控桥退出运行,耦合变压器副边断开,原边单独串联接入系统进行限流。此状态(对应状态c)下的等效电路如图4所示。

串联接入线路的限流器等效电抗值Xc为:

Xc=X1c+Xmc (3)

在以上3种状态中,耦合变压器的一次侧漏抗基本不变,即有

X1a=X1b=X1c (4)

而耦合变压器的励磁电抗Xm则因其工作状态的不同、进而铁芯工作点(饱和程度)的不同而发生变化。在正常工作状态下,耦合变压器铁芯不饱和,励磁电抗Xma远大于原副边漏抗;而当系统发生短路故障,耦合变压器进入过渡限流状态和副边开路限流状态后,随着短路电流的不断增大,其铁芯饱和程度不断加深,励磁电抗不断减小,故有Xmc<Xmb<Xma。其中励磁电抗Xmc将直接决定系统稳态短路电流值,故饱和型耦合变压器的设计核心在于励磁电抗Xmc的设计。基本设计原则是:在满足系统限流(稳态值)要求的基础上,尽量减小体积,并尽可能降低其在正常运行时对系统的影响。

2 饱和型耦合变压器设计方法

为方便起见,此处以单相饱和型耦合变压器的设计为例探讨其设计方法。

设计饱和型耦合变压器时,首先要考虑其能满足系统短路限流(稳态值)要求,而短路限流稳态值主要由耦合变压器的漏抗和励磁电抗共同决定。然后在满足限流要求的前提下,尽可能减小耦合变压器的体积V。

可用下面一组公式来描述饱和型耦合变压器的设计原则:

min(V,U2,ΔU) (5)

s.t. Iset≤Ifault<Ijmax (6)

式中:ΔU和U2分别为耦合变压器正常工作(非饱和)时的原边压降百分比及副边开路限流时的副边电压;Iset为继电保护电流整定值;Ijmax为断路器的遮断容量;Ifault为故障后的稳态限流值。

耦合变压器可按照以下几个步骤来设计。

步骤1:确定耦合变压器原副边匝数比k及导线截面积Scu。

耦合变压器原副边匝数比(变比)k的选择将直接影响副边桥路晶闸管的额定电流及额定电压。若k>1,则限流器正常工作时,副边桥路电流大于系统额定电流;而系统发生短路故障、限流器投入限流时,副边电压则要小于原边所承担的电压;若k<1,则情况相反。选择变比k时,一般要结合整流桥晶闸管容量等进行综合优化。这里为简化分析,取k=1,此时副边额定电流与系统额定电流相同,而故障限流时,副边电压则由于耦合变压器的铁芯深饱和可远低于原边电压,这一点在下文将做进一步说明。

导线截面积Scu计算如下:

$S_{c u} = \frac{Ι_{Ν}}{J_{c u}} (7)$

式中:IN为流过耦合变压器原边线圈的系统额定电流;Jcu为线圈导体允许的电流密度。

导体截面积Scu与绕组匝数N是决定耦合变压器绕组尺寸的主要参数。

步骤2:由故障后的稳态限流值Ifault来确定励磁电抗Xmc,从而确定一系列铁芯尺寸和线圈匝数组合。

为使限流器在各种短路故障下都能满足限流要求,励磁电抗应按最严重的故障即变压器近端发生三相短路故障(即图1中的等效负载阻抗ZL被短路掉)来设计。三相系统发生三相短路故障后,耦合变压器经过过渡限流态进入稳态限流阶段时,有

$\sqrt{(X_{m c} + X_{1 c})^{2} + R_{s}^{2}} = \frac{U_{s}}{Ι_{f a u l t}} (8)$

得

$X_{m c} = \sqrt{\frac{U_{s}^{2}}{Ι_{f a u l t}^{2}} - R_{s}^{2}} - X_{1 c} (9)$

而根据磁路计算定律,有

$X_{m c} = \frac{ω Ν^{2} μ_{e q u} S_{c}}{l_{e q u}} (10)$

式中:μequ为等效磁导率;Sc为铁芯等效截面积;lequ为等效磁路长度;ω为角频率。

根据式(10),若给定匝数N,可得到铁芯等效截面积:

$S_{c} = \frac{X_{m c} l_{e q u}}{ω Ν^{2} μ_{e q u}} (11)$

上式虽然可以从理论上计算耦合变压器参数,但是由于耦合变压器在稳态限流阶段工作时,在一个周期内随着故障电流大小的变化,铁芯磁状态不断在饱和态和非饱和态间交替,相应的铁芯磁导率μ也随着铁芯饱和程度的变化而变化,实际计算中只能取其平均值μequ。由于磁路的非线性时变特性,μequ很难用解析方法求得,通常需要采用基于场路耦合的有限元分析方法来进行计算,文献[9,10]也采用该法对饱和型耦合变压器特性进行了分析。

在设计中,运用有限元法可以较精确地计算出匝数N和铁芯芯柱等效截面积Sc组合给定时,耦合变压器的励磁电抗Xmc,但是要确定合适的Sc需要反复进行电磁场计算,计算量较大。从式(5)可以看出,所设计的耦合变压器要求体积V及副边开路电压U2在满足式(6)的前提下达到最小。减小体积V即Sc,可使变压器铁芯更易于进入深饱和工作状态,而铁芯饱和程度越深,则变压器原副边耦合度越低,相应的副边开路电压U2也越小。由此可以得出,要使式(5)成立,则在短路限流状态下耦合变压器铁芯须工作在深饱和状态,考虑到极端情况,即变压器铁芯在整个周期内都处于深饱和状态,铁芯磁导率接近于空气磁导率,此时副边开路的变压器可视为一空心电抗器,其原边绕组即为空心电抗器的绕组。而空心电抗器可根据目前已有较成熟的方法[12,13]进行快捷设计。因此,耦合变压器的设计可从设计给定绕组匝数下相应的空心电抗器出发,在其基础上,再逐渐减小原边线圈直径及相应副边线圈直径和铁芯直径,直至满足系统限流要求。

步骤3:对步骤2得出的系列方案,通过曲线拟合寻优,结合工程实际,来选择最优方案。

3 饱和型耦合变压器设计举例

以设计安装在10 kV电网的饱和变压器耦合固态限流器为例,设计饱和型耦合变压器时的系统参数为UN=10 kV,Rs=50 mΩ,IN=1 A,Ifault=10 kA。

首先,确定原副边匝数比k=1,由式(10)确定铜线截面积为280 mm2。

其次,确定满足限流要求的线圈匝数和铁芯尺寸组合系列参数:若匝数取70,则满足限流要求的空心电抗器绕组尺寸见附录A图A1;以空心电抗器线圈为原边,可构造出如附录A图A2所示的铁芯变压器。

通过有限元仿真,可得到以上2组模型串联接入系统限流时的短路电流波形(其控制电路见图1,故障发生在电源电压正过零点),如图5所示。

由图5可见,经过4至5个周期,空心电抗器投入限流后短路电流稳态有效值约为10 kA,满足限流要求,但相应的铁芯变压器投入限流后,稳态短路电流要远小于10 kA。

图6、图7分别为耦合变压器在正常运行时的原边压降及副边开路限流时的原副边电压波形。

由图6可见,耦合变压器在正常运行时的原边压降约为300 V,即ΔU约为5.1%,对负载端电压有一定影响。另一方面,从图7可见,耦合变压器处于副边开路限流态时,其副边电压幅值与原边电压相比也较接近,说明耦合变压器铁芯饱和程度较低,副边桥路需要承受的电压接近于一次侧系统电压,饱和型耦合变压器的优势并没有得到体现。

通过以上分析可以看出,直接根据满足系统限流要求的空心电抗器设计出发,所构造的耦合变压器并不能满足由式(5)、式(6)所给定的耦合变压器设计要求。在此基础上,可以进一步通过缩小铁芯尺寸,来寻找在该特定匝数下符合限流要求的耦合变压器尺寸,最后求得当匝数为70、芯柱直径缩小至160 mm时,耦合变压器可满足限流要求,其相关尺寸见附录A图A3,性能仿真波形见图8。

由图8所示的一组仿真结果可以看出,设计参数优化后的耦合变压器,其在正常运行态下的原边压降百分比ΔU≈3.8%,不会影响系统正常运行;短路限流状态下同样能够利用饱和电抗(副边开路限流状态下的饱和励磁电抗)将稳态短路电流限制在10 kA左右,但同时其芯柱直径由338 mm缩小至160 mm,使得其在限流状态下的铁芯饱和程度大幅提高,进而副边开路电压峰值远低于其原边电压峰值,有效降低了整流桥设计电压(耐压)等级和容量,从而有效降低了耦合变压器、整流桥乃至整个限流器的体积和成本。

表1给出了耦合变压器在满足同样稳态限流值要求条件下的9组绕组匝数与铁芯芯柱半径组合,及其对应组合参数下的运行性能。利用表1所获得的满足稳态限流要求的耦合变压器9组设计参数,可以拟合出其在正常运行时的原边压降百分比ΔU及在短路限流态下的副边开路电压U2随芯柱半径R(或绕组匝数N)的变化曲线,如图9所示。

拟合曲线方程如下:

U2=1 778.9+71.4R-0.2R2 (12)

ΔU=5.516-0.018R (13)

从图9可以看出,在具有同样限流水平的前提下,饱和型耦合变压器正常运行时的原边压降随着芯柱半径R的减小而增大,而副边开路限流时的副边电压随着芯柱半径的减小而减小。不断缩小耦合变压器的铁芯尺寸,虽然在很大程度上可减小副边开路电压,但会导致正常运行时耦合变压器原边压降上升。因此设计饱和型耦合变压器时,应兼顾U2与ΔU,即选择适当的芯柱半径R。一般的,可构造图9所示的拟合曲线,然后选择其交点附近的R值。本文算例中,由图9中2条拟合曲线的交点,可获得R≈80 mm,故可选择芯柱半径为80 mm的耦合变压器作为最优设计结果。

4 实验验证

为验证饱和型耦合变压器设计方法的有效性,设计并试制了一款用于100 V/1 A系统限流的饱和型耦合变压器。按本文所提出的耦合变压器优化设计方法,得到样机主要参数如下:芯柱半径R为5 mm, 绕组匝数N为500,变比为1∶1,样机照片见附录A图A4。

附录A图A5至图A7分别给出了正常运行时的变压器原边压降,以及变压器近端发生三相短路故障时,线路电流及变压器原副边电压的仿真与实验波形对比,可以看出以下几点。

1)仿真和实验波形所示的变压器原边压降基本一致,均为2 V左右(相电压),约为额定电压的3.4%。

2)系统正常运行时,线路电流均约为1 A,系统发生三相短路故障后,限流器插入系统限流,在约2个周期内短路电流逐渐稳定在9 A左右,仿真与实验波形基本一致。

3)耦合变压器处于开路限流状态时,由于铁芯工作于饱和状态,副边电压波形发生畸变,波形出现较明显的尖峰,仿真同实验波形较为一致。

综上,该小样机测试结果与仿真较为一致,验证了本文所提出的饱和型耦合变压器设计方法的正确性。

当然,应用于电力系统限流的实际样机在设计与制造过程中,还需要综合考虑损耗、散热及绕组绝缘等性能,而实验用小样机则无法反映出上述性能,为此在实际饱和型耦合变压器的设计过程中,在本文所提出的设计方法基础上,还需要对变压器其他性能进行研究,这将在后续工作中逐步展开。

5 结语

饱和型耦合变压器是新型固态限流器中的核心器件,对其进行优化设计,可以在满足短路限流要求的前提下,有效降低变压器耦合型固态限流器的整体体积与成本,从而使该类限流器更易于在电力系统中获得推广应用。本文根据饱和型耦合变压器的工作特性,提出了具体的设计方法:以满足同样限流水平的空心电抗器为初步设计模型,在其基础上通过场路耦合的有限元法及曲线拟合法寻优,得到最佳设计模型,同时结合设计实例对该设计方法做了详细说明。最后,通过一款应用于100 V/1 A系统限流的小样机实验,验证了该设计方法的合理性。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：变压器耦合新型固态限流器能够在满足有效限制电网短路电流的前提下,通过合理设计饱和型耦合变压器,达到缩小限流器整体体积、降低成本的目的。文中研究并提出一种变压器耦合新型固态限流器中饱和型耦合变压器的设计方法:首先,在空心电抗器设计的基础上,运用场路结合的有限元法,得出在特定匝数下饱和型耦合变压器的初步设计参数;然后,进一步得出在具有同样限流水平的前提下,饱和型耦合变压器正常运行(副边等效短接)时的漏抗压降,以及故障限流(副边等效开路)时副边电压随铁芯芯柱半径的变化规律,并通过曲线拟合寻优,得到最佳设计。最后,通过小样机实验,验证了该设计方法的正确性。

饱和变压器篇3

在对电力系统中的无功进行补偿的方式中,由于晶闸管控制电抗器(TCR)并联补偿方式具有接入和切除都很方便的优点,是众多补偿方式中最常使用的一种。它包括可调固定电容器与可控电抗器两部分。电容器则通常包括与谐波滤波器电路结合成一体的固定的或机械投切的电容器,或在需要对电容进行高速或非常频繁投切时所采用的晶闸管投切电容器(TSC)等形式。对于晶闸管控制电抗器部分的控制算法决定了无功补偿的准确性与实时性,如果控制不当就会产生不期望的直流分量,进而会导致TCR的隔离变压器磁通饱和,降低元件的使用效率[1]。本文对现有的控制算法进行适当的优化来解决上述问题,进一步优化TCR的性能,以达到节能降耗的目的。

2 检测原理

对于TCR控制信号的检测主要采用基于瞬时无功功率理论的p-q算法。它相对于其它算法而言没有原理误差,可以提高无功补偿的精度[2]。

需检测出负载的三相电压与电流的瞬时值,利用变换矩阵式(1)把三相转化到两相上,然后再根据瞬时无功功率理论对有功与无功的定义式(2)和式(3),就可以得出式(4),其中“-”表示取直流分量[2]。得出基波有功与无功分量之后,再对其反变换到三相即可得到三相参考基波电流,如果在反变换之前先令有功值为零,就可以单独把无功参量提取出来,为TCR控制器提供参考值。

TCR要方面,也是控制器所有算法的归宿,触发角与电感感抗之间的关系如式(5):

上式可以简化为：

其中V为系统电压的最大值。

通过对电抗的设定可以得出相应的触发角,实现对系统无功的动态补偿。

3 控制策略的研究

由于在式(7)中电抗B与触发角α之间存在非线性的关系,所以在实际中的控制效果往往不尽人意。通常采用的方法是B-α对曲线插值拟合,此时若α在150°~180°之间变化时,曲线的斜率很大,电抗的变化很小,当电网中出现连续变化的无功负荷时,触发角会在短时间内从最大值(180°)跳变到某一值,然后又迅速跳变到最大值。这种现象可能会引起TCR回路的某一相出现只有一个晶闸管导通的情况,如图1所示,如果长时间不进行相应的处理,其产生的直流分量会使隔离变压器磁饱和,降低了TCR的有效容量,这是不希望出现的。因此,控制器除了能够动态地对系统进行无功补偿,也应相应地考虑到触发角的稳定与直流分量的消除等方面。

4 软件设计

控制器的选择主要以能快速处理浮点数据为前提,其实现的主要功能如下[3]:

(1)三相线电压与三相负载电流及三相TCR电流的采集;

(2)系统的频率锁相;

(3)瞬时无功功率的计算;

(4)触发角的求解与稳定;

(5)PI控制算法;

(6)直流分量的消除算法等。

控制器主要采集外部的电压与各部分的电流信号,应用瞬时无功功率理论可以得出各部分的瞬时无功功率,控制程序框图[4]如图2所示。

在对B-α曲线进行插值线性化的同时,加入了对TCR模块输出功率的PI调节,进一步提高了控制的精度。当设备刚投入运行时,通过控制算法关闭PI模块使系统能快速确定触发角,达到一定条件时再启动。这样可以减小曲线拟合时的误差,同时又不影响系统的响应速度;当负载无功出现瞬变时,同样先关闭PI模块以保证系统对电网无功的实时响应。

为了能够消除TCR所产生的直流分量,还需对TCR的线电流进行积分。有四种情况,积分值为正时,表示正向电流的脉冲幅值大于负向电流的脉冲,与此同时,α角在不断的变化,这时控制器就要根据电流积分值的大小和触发角的变化方向来决定先触发哪个晶闸管,具体关系如下:

(1)积分值>0,且α增大,则先触发正向晶闸管;

(2)积分值<0,且α增大,则先触发负向晶闸管;

(3)积分值>0,且α减小,则先触发负向晶闸管;

(4)积分值<0,且α减小,则先触发正向晶闸管。

同周期内的另外一只晶闸管则保持当前不变,在下次触发来临时再行更改。这样做除了可以消除直流分量的目的外,还有一个好处就是当第一种情况出现时,正向触发角增大,负向触发角不变;如果在正向触发周期内又出现了第一种或第四种情况的话,则改变的都是正向的触发角,负向的角度一直保持不变,因此可以大大提高TCR补偿无功的动态稳定性,抑制触发角的突变。

5 仿真实验研究

为了验证上述算法的有效性,采用PSCAD对系统进行仿真实验,以三相电动机为无功负载,补偿前的功率因数约为0.894。由图3、4、5可以看出,在触发角瞬变时所产生的单相激磁电流可以很快衰减为零,并在一定范围内波动调节;同时也可以快速补偿无功,稳定后功率因数基本为1。

6 结语

静止无功补偿器(SVC)研究的重点主要集中在控制策略上,本文提出的改进的TCR控制算法,采用简单逻辑判断与传统的PI控制相结合的方法,在不影响原控制精度与响应速度的前提下,解决传统控制造成隔离变压器磁通饱和而导致能耗增加等问题,最后对系统进行建模仿真,结果证明此方法能有效改善TCR对隔离变压器的影响,为以后控制策略的发展奠定基础。

参考文献

[1]李勇,罗隆福,尚荣艳,等.新型直流输电系统阀侧绕组无功补偿特性分析[J].电力系统自动化,2007,8(31):52-66.

[2]刘涤尘,钱薇,王静.基于数字信号处理的谐波和无功电流的检测[J].电力系统及其自动化学报,2007,4(19):50-54.

[3]杨琳霞,付周兴,刁宇清.基于DSP的并联型电力有源滤波器的研究[J].工矿自动化,2008(1):22-23.

[4]Sameh K.M.Kodsi,Claudio A.Canizares,Mehrdad Kazerani.Reactive current control through SVC for load power factor correction[J].Electric Power Systems Research,2006(6):701-708.

饱和变压器篇4

随着超高压长距离高自然功率紧凑型输电线路和电缆输电线路的建设，线路容性充电无功大为增加，设备绝缘余量越来越小，使得无功平衡和电压控制日益成为电力系统亟待解决的重要课题。可控电抗器不仅可实现容量大范围快速平滑可调，而且结构坚固、维护简单、运行可靠，在补偿线路容性无功、消除发电机自励磁、限制工频过电压、抑制潜供电流、增大系统稳定性、提高输电能力等方面具有重要作用。文献[1,2]是关于可控电抗器应用研究方面较早的论文，它们指出在新建的电网中应该广泛使用可控电抗器。之后，可控电抗器的研究和应用在国内外日新月异，得到了长足发展[3,4,5]。可控电抗器种类较多[6,7,8]，文献[8]对此进行了最新总结。其中，磁饱和式可控电抗器MSCR(Magnetically Saturation Controlled Reactor)在我国研究成果较多，并得到了实际应用[9,10,11]。

建模仿真方法是MSCR研究中值得关注的重要问题。文献[12,13,14]提出基于微分方程的建模仿真方法，该方法需要对电抗器工作原理具有深入的理解并自己编写仿真计算程序。文献[10,11]提出基于磁路分解法和PSCAD/EMTDC的建模仿真方法，该模型对MSCR结构尺寸等参数依赖性较强。文献[15,16]通过研究MSCR的等效物理模型、数学模型和等效电路，建立基于MATLAB的仿真模型的方法。相对前2种方法，第3种方法具有避免或减轻自己编写仿真计算程序的繁重工作和只关注MSCR的电气特性而不使用其结构尺寸等参数方面的优势。文献[17]针对文献[15,16]未明确给出仿真模型参数和MSCR参数间的定量关系的缺陷，研究了MSCR额定容量、额定电压、自耦比等参数之间，及其与模型参数之间的定量关系。但是，因为文献[17]是基于MSCR等效电路建立的仿真模型，未能充分体现MATLAB/Simulink直观简单的特点，更重要的是不能仿真晶闸管、二极管、各个绕组的电流/电压等物理量以及换流等重要的物理过程。

本文根据MSCR的结构特点，提出基于MATLAB多绕组变压器模型的MSCR仿真建模方法，深入研究模型参数与MSCR参数之间的定量关系，明确仿真模型参数的设置方法，并通过示例说明该方法的正确和优越之处。

1 基本结构与基本参数关系

超高压大容量MSCR通常采用三相电抗器组，其中一相MSCR的结构原理图如图1所示[13,14]。图中，铁芯1、2的等效磁路长度为l，等效磁路截面积均为A;N1、N2为绕组匝数;uA为工作电压，其额定频率为fN;iA为工作电流;VT1、VT2为晶闸管;VD为二极管。

定义自耦比(抽头比)为：

其中，NA=N1+N2。

若NA匝绕组的电阻为RA，则：

其中，R1、R2分别为匝数为N1、N2的绕组的电阻。

若UAN为MSCR额定工作电压有效值，则：

其中，U1N、U2N分别为匝数为N1、N2的绕组的额定电压有效值。

若IAN为MSCR额定工作电流有效值，则：

其中，I1N为匝数为N1的绕组的额定电流有效值。

若SAN为MSCR额定容量，则：

其中，S1N为匝数为N1的绕组的额定容量。

由文献[11]知：

其中，BS为铁芯饱和磁密;μ0为空气磁导率。

2 铁芯磁化饱和特性

设图1中铁芯等效磁化饱和特性为：

对匝数为N1的绕组而言有：

其中，ψS为铁芯饱和磁链;im为磁化电流。

把式(9)—(11)代入式(8)得：

把式(10)代入式(6)得：

把式(12)、(14)代入式(13)可得：

取磁链基值为：

把式(3)代入式(16)可得：

把式(17)代入式(15)可得：

其中，ψ*=ψ/ψbase，为磁链标幺值。

取电流基值为：

把式(3)、(5)、(7)代入式(19)可得：

把式(20)代入式(18)可得：

其中，im*=im/Ibase，为磁化电流标幺值。

3 建模

如图1所示，MSCR的每个铁芯及其绕组可以看作1个4绕组变压器，而MATLAB的Powersystem Blocksets中提供了多绕组变压器模型Multi-Winding Transformer。所以，用2个多绕组变压器模型，以及晶闸管、二极管、电源等模型，并根据图1所示的连线方式就可以建立MSCR的仿真模型。其中，核心模型是2个完全一样的多绕组变压器模型MultiWinding Transformer。所建的MSCR仿真模型在形式上与图1所示MSCR结构完全一致，直观简单，且可仿真出图1中所有元器件的电压、电流的变化过程。

在建立了MSCR仿真模型之后，各子模型参数的正确设置对仿真结果的正确性就尤为重要。其中，主要是对多绕组变压器模型参数的设置，说明如下。

a.额定功率：由式(5)算得的S1N(V·A)。

b.额定频率：MSCR的额定频率fN(Hz)。

c.绕组额定电压：4个绕组额定电压依次是U1N(V)、U2N(V)、U2N(V)、U1N(V)，由式(3)算得。

d.绕组电阻：4个绕组电阻依次是R1(Ω)、R2(Ω)、R2(Ω)、R1(Ω)，由式(2)算得。

e.绕组漏电感：本文忽略绕组漏感，此时所有绕组漏感可以设定为0。

f.励磁电阻：本文忽略铁芯损耗，所以磁化电阻可以设置为足够大的数，如1015Ω。

g.铁芯磁化饱和特性：由几个由(0,0)开始的磁化电流/磁链数据点(p.u.)给定。这些数据点可由式

由以上分析可以看出，多绕组变压器模型参数设置(如式(2)、(3)、(5)、(21)所示)与MSCR的结构尺寸没有关系，只要给定电抗器额定容量、额定电压、绕组电阻和自耦比就可以对MSCR进行建模。其他子模型都是MATLAB中的常规模型，它们的参数设置不再赘述。

4 仿真举例

MSCR参数：额定容量SAN=60 MV·A;额定电压额定频率fN=50 Hz;绕组电阻RA=40Ω;自耦比δ=0.047 4。

当晶闸管触发角为0°(对应MSCR带额定负载)时，仿真结果如图2所示(限于篇幅，图2给出了部分仿真结果)。