李曉明

?

一種雙功能變壓器及其分析

李曉明

(山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

目前，電力變壓器與磁控電抗器這兩種設(shè)備都是分別制造，這兩種設(shè)備分別有各自的鐵芯，占用面積比較大。提出一種雙功能變壓器，用一臺(tái)磁控電抗器的鐵芯，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓器與磁控電抗器兩種功能。雙功能變壓器占用面積比較小。用Matlab仿真軟件中的Simulink工具箱構(gòu)建雙功能變壓器仿真模型，對(duì)雙功能變壓器進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明：不論變壓器鐵芯飽和度的變化是多少，引起變壓器漏抗的變化不大于7%。提出的雙功能變壓器可同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓器與磁控電抗器兩種功能。變壓器模塊運(yùn)行對(duì)磁控電抗器模塊工作影響很小；磁控電抗器模塊運(yùn)行對(duì)變壓器模塊工作影響很小。

雙功能變壓器；變壓器；磁控電抗器；仿真分析；Matlab

0 引言

電抗器在電力系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。在一部分應(yīng)用領(lǐng)域，電抗器的電抗值固定不變；在許多應(yīng)用領(lǐng)域，需要電抗值能隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化而改變。磁控電抗器(Magnetically Controllable Reactor, MCR)是一種電抗值可以連續(xù)調(diào)節(jié)的電抗器[1]。磁控電抗器通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)閉環(huán)鐵芯上直流線圈中直流電流的大小，連續(xù)調(diào)節(jié)閉環(huán)鐵芯的飽和程度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)閉環(huán)鐵芯上交流線圈(電抗線圈)電抗值的大小。磁控電抗器應(yīng)用于電力系統(tǒng)無(wú)功潮流連續(xù)調(diào)節(jié)與控制，工頻過(guò)電壓抑制等領(lǐng)域[2-11]。

電力變壓器可把高電壓變換為低電壓，也可把低電壓變換為高電壓。

以往，電力變壓器、磁控電抗器這兩種設(shè)備都是分別研究，分別制造。兩種設(shè)備分別都有較大的鐵芯[12-16]。如果一座變電站同時(shí)需要電力變壓器、磁控電抗器這兩種設(shè)備，則兩臺(tái)設(shè)備總體占地面積大、總體鐵芯重、總體價(jià)格高。

本文提出一種雙功能變壓器，在一臺(tái)磁控電抗器鐵芯的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓器與磁控電抗器兩種功能。變壓器運(yùn)行與調(diào)節(jié)過(guò)程對(duì)磁控電抗器工作影響很??；磁控電抗器運(yùn)行與調(diào)節(jié)過(guò)程對(duì)變壓器工作影響很小。并對(duì)這種雙功能變壓器進(jìn)行仿真分析。

1 雙功能變壓器理論基礎(chǔ)

電力變壓器運(yùn)行時(shí)，變壓器鐵芯是不飽和的。磁控電抗器工作時(shí)，磁控電抗器鐵芯是飽和的。如果在一臺(tái)磁控電抗器鐵芯的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓器與磁控電抗器兩種功能，變壓器鐵芯處于飽和狀態(tài)時(shí)，對(duì)變壓器功能就必須沒(méi)有負(fù)面影響，或者負(fù)面影響很小。

變壓器的一個(gè)重要參數(shù)是漏磁的大小，工程上漏磁的大小用漏抗(或短路電壓)的大小表述。所以，需要研究變壓器鐵芯處于不同飽和狀態(tài)時(shí)，變壓器漏抗的變化大小。為此，用Matlab仿真軟件中的Simulink工具箱，構(gòu)建變壓器短路電壓測(cè)量的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。具體參數(shù)如下：T1變壓器容量=707.2 kVA，線圈1=10 000 V，2=10 000 V，3= 10 000 V；T1變壓器線圈=0.002 pu，=0.08 pu。T2變壓器參數(shù)與T1變壓器相同。

圖1中，為了避免交流磁通對(duì)直流系統(tǒng)產(chǎn)生影響，兩臺(tái)變壓器一次交流線圈正向串聯(lián)后連接交流電源，兩臺(tái)變壓器二次交流線圈分別短接，兩臺(tái)變壓器直流線圈反向串聯(lián)后連接直流電源。

圖1 變壓器鐵芯飽和Simulink仿真模型

在直流電流等于零的條件下，測(cè)量得到短路電壓voltage1波形、輸入的交流電流current1波形、直流電流current2波形如圖2(a)所示。線圈L1輸入額定電流70.72 A(電流峰值100 A)時(shí)，示波器顯示電壓峰值為4 514 V。

輸入直流電流，測(cè)量得到短路電壓voltage1波形、輸入的交流電流current1波形、直流電流current2波形如圖2(b)所示。從圖2(b)可以看出，直流電流在2.5 s以前，直流電流71 A，線圈L1輸入額定交流電流70.72 A(電流峰值100 A)，電壓峰值4 514 V。在2.5 s以前，變壓器鐵芯未飽和，線圈L1的激磁電抗使激磁電流線性上升，鐵芯中線性上升的磁通在線圈L2產(chǎn)生直流電壓，并在線圈L2產(chǎn)生直流電流，線圈L2的直流電流使直流線圈L3產(chǎn)生71 A直流電流。直流電流在2.5 s以后，直流電流從100 A開(kāi)始上升，線圈L1輸入電流峰值上升至107 A，電壓峰值4 514 V不變。電壓峰值4 514 V不變是由于系統(tǒng)交流電源電壓不變，系統(tǒng)阻抗RL Branch1很小所致。線圈L1輸入交流電流峰值上升至107 A，是由于變壓器鐵芯飽和，變壓器漏抗變小所致。變壓器漏抗減小7%。

(a) 鐵芯不飽和

(b) 鐵芯開(kāi)始飽和

(c) 鐵芯深度飽和

輸入直流電流285 A，測(cè)量得到短路電壓voltage1波形、輸入的交流電流current1波形、直流電流current2波形如圖2(c)所示。從圖2(c)可以看出，直流電流在0.8 s以前，直流電流峰值為210 A，線圈L1輸入額定電流為70.72 A(電流峰值100 A)，電壓峰值為4 514 V。在0.8 s以前，變壓器鐵芯未飽和，線圈L1的激磁電抗使激磁電流線形上升，鐵芯中線形上升的磁通在線圈L2產(chǎn)生直流電壓，并在線圈L2產(chǎn)生直流電流，使直流線圈L3產(chǎn)生210 A直流電流。直流電流在0.8 s以后，直流電流峰值從100 A開(kāi)始上升，線圈L1輸入電流峰值上升至107 A，電壓峰值4 514 V不變。電壓峰值4 514 V不變是由于系統(tǒng)交流電源電壓不變，系統(tǒng)阻抗RL Branch1很小所致。線圈L1輸入電流峰值上升至107 A，是由于變壓器飽和，變壓器漏抗變小所致。變壓器鐵芯深度飽和，變壓器漏抗變小7%。

從上述分析可知，不論變壓器鐵芯輕度飽和、中度飽和、還是深度飽和，變壓器漏抗變小7%后不再減小。

2 雙功能變壓器結(jié)構(gòu)與工作原理

雙功能變壓器結(jié)構(gòu)如圖3所示，鐵芯5既是變壓器線圈的鐵芯，也是磁控電抗器的鐵芯，鐵芯5按照磁控電抗器的鐵芯設(shè)計(jì)。端子1、2為雙功能變壓器一次線圈的兩端，端子3、4為雙功能變壓器二次線圈的兩端。線圈L5、L6、L7、L8、L9，晶閘管D1、D2，二極管D3，晶閘管控制電路6，共同構(gòu)成磁控電抗器直流電流產(chǎn)生與控制機(jī)構(gòu)。

交流線圈L1與交流線圈L2的匝數(shù)相等，交流線圈L1與交流線圈L2正向串聯(lián)作為變壓器一次線圈。交流線圈L3與交流線圈L4的匝數(shù)相等，交流線圈L3與交流線圈L4正向串聯(lián)作為變壓器二次線圈。交流線圈L1與交流線圈L3的匝數(shù)比等于變壓器一次線圈與二次線圈的變比。一次線圈與二次線圈實(shí)現(xiàn)雙功能變壓器的變壓器功能。

交流線圈L5、交流線圈L6、交流線圈L7、交流線圈L8的匝數(shù)相等。直流線圈L9與直流線圈L10的匝數(shù)相等。通過(guò)設(shè)計(jì)直流線圈匝數(shù)與交流線圈匝數(shù)的比例，使晶閘管D1、D2在截止條件下，晶閘管D1、D2兩端獲得1%系統(tǒng)交流額定電壓。

晶閘管D1和晶閘管D2的觸發(fā)端子分別連接控制電路6，控制電路6控制晶閘管D1和晶閘管D2觸發(fā)角的大小，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)晶閘管D1和晶閘管D2整流量的大小。

雙功能變壓器一次線圈接入額定電壓為1的電力系統(tǒng)。交流線圈L1與交流線圈L2有勵(lì)磁電流流通，在閉環(huán)鐵芯5中產(chǎn)生交流磁通，該交流磁通在交流線圈L3與交流線圈L4中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，如果交流線圈L3與交流線圈L4構(gòu)成的二次線圈連接負(fù)載，則二次線圈為負(fù)載提供負(fù)荷電流。一次線圈與二次線圈實(shí)現(xiàn)雙功能變壓器的變壓器功能。

交流線圈L1與交流線圈L2有勵(lì)磁電流流通，在閉環(huán)鐵芯5中產(chǎn)生交流磁通；該交流磁通在交流線圈L5，交流線圈L6，交流線圈L7，交流線圈L8，直流線圈L9，直流線圈L10中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，由于直流線圈L9的匝數(shù)與交流線圈L5匝數(shù)的比例關(guān)系，晶閘管D1和晶閘管D2兩端有1%1交流額定電壓存在。

當(dāng)控制電路6控制晶閘管D1和晶閘管D2全截止時(shí)，晶閘管D1和晶閘管D2整流電路不工作，直流線圈L9和直流線圈L10中的直流電流等于零。雙功能變壓器一次線圈有最大電抗值max。

當(dāng)控制電路6控制晶閘管D1和晶閘管D2全導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)直流線圈L9與直流線圈L10的直流電流達(dá)到最大設(shè)計(jì)值。雙功能變壓器一次線圈有最小電抗值min。

控制電路6控制晶閘管D1和晶閘管D2整流量的大小，可控制直流線圈L9和直流線圈L10中直流電流的大小，實(shí)現(xiàn)控制雙功能變壓器一次線圈電抗值的大小。控制電路6連續(xù)控制晶閘管D1和晶閘管D2整流量的大小，可連續(xù)控制直流線圈L9和直流線圈L10中直流電流的大小，實(shí)現(xiàn)雙功能變壓器一次線圈電抗值的連續(xù)調(diào)節(jié)，雙功能變壓器一次線圈電抗值在最大值與最小值之間連續(xù)調(diào)節(jié)、變化。

磁控電抗器直流電流產(chǎn)生與控制機(jī)構(gòu)與一次線圈(二次線圈)沒(méi)有直接的電氣連接，所以，變壓器功能不會(huì)影響磁控電抗器的電抗值。反之，磁控電抗器直流電流不論多大，對(duì)變壓器漏抗的影響也不會(huì)大于7%。

圖3中，D3為續(xù)流二極管，續(xù)流二極管的分析是公共知識(shí)，不再贅述。可以在忽略續(xù)流二極管D3的條件下，研究雙功能變壓器的基本工作原理。

3 雙功能變壓器仿真分析

用Matlab仿真軟件中的Simulink工具箱，構(gòu)建圖3所示雙功能變壓器仿真模型如圖4所示。具體參數(shù)如下：AC Voltage Source=10 000 V；T1變壓器容量=707.2 kVA，線圈L1=5 000 V，L2=2 500 V，L3=2 000 V，L4=2 000 V，L5=3 900 V。T2變壓器參數(shù)與T1變壓器相同。

圖4 雙功能變壓器Simulink仿真模型

在磁控電抗器直流電流等于零條件下，測(cè)量雙功能變壓器線圈L1的交流電流current1波形與線圈L2的交流電流current2波形如圖5(a)所示。從圖5(a)可以看出線圈L2的交流電流峰值約2.8×102A，線圈L1的交流電流峰值約1.4×102A。雙功能變壓器的一次線圈與二次線圈變比為2︰1。該電流為有功電流。

在變壓器線圈L2的負(fù)載電流等于零條件下，測(cè)量磁控電抗器功能。測(cè)量雙功能變壓器線圈L1的交流電流波形與線圈L2的交流電流波形如圖5(b)所示。磁控電抗器暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間為6 s，6 s以后線圈L1的交流電流峰值約為1.4×102A。該電流為無(wú)功電流。

線圈L2的負(fù)載與圖5(a)的一樣，磁控電抗器的狀態(tài)與圖5(b)的一樣。測(cè)量雙功能變壓器線圈L1的交流電流波形與線圈L2的交流電流波形如圖5(c)所示。可見(jiàn)，線圈L2的交流電流峰值約2.8×102A。圖5(c)所示線圈L2的交流電流峰值與圖5(a)所示線圈L2的交流電流峰值相同，該電流為有功電流。線圈L1的交流電流為有功電流與無(wú)功電流的綜合值。磁控電抗器暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間為6 s，6 s以后線圈L1的交流電流峰值理論上應(yīng)是2.0×102A，但是，圖5(c)所示線圈L1的交流電流峰值是1.75×102A。對(duì)圖5(c)所示線圈L1的交流電流波形進(jìn)行放大，如圖5(d)所示。從圖5(d)可以看出，理論值與實(shí)際值不相符合的原因是：圖5(c)線圈L1的交流電流中含有三次諧波，三次諧波把線圈L1的交流電流峰值削低了。如果濾除圖5(c)、圖5(d)中的三次諧波，線圈L1的交流電流峰值就可達(dá)到理論值2.0×102A。

雙功能變壓器減小高次諧波的方法有待進(jìn)一步研究。

仿真說(shuō)明，雙功能變壓器在一臺(tái)磁控電抗器鐵芯的基礎(chǔ)上，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓器與磁控電抗器兩種功能。變壓器運(yùn)行對(duì)磁控電抗器工作影響很??；磁控電抗器運(yùn)行與調(diào)節(jié)對(duì)變壓器工作影響很小。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖5 雙功能變壓器仿真實(shí)驗(yàn)電流波形

Fig. 5 Simulative waveforms of the double function transformer

4 總結(jié)

不論變壓器鐵芯飽和度的變化是多少，引起變壓器漏抗的變化不大于7%。雙功能變壓器在一臺(tái)磁控電抗器鐵芯的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓器與磁控電抗器兩種功能。變壓器運(yùn)行對(duì)磁控電抗器工作影響很?。淮趴仉娍蛊鬟\(yùn)行與調(diào)節(jié)對(duì)變壓器工作影響很小。

[1] 蔡宣三, 高越農(nóng). 可控飽和電抗器—原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2008.

[2] 陳柏超, 陳維賢. 超高壓可控電抗器限壓特性及諧波分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 1997, 17(2): 122-125, 56.

CHEN Baichao, CHEN Weixian.Analyses of harmonics and overvoltage limitation characteristics of EHV controlled reactor[J]. Proceedings of the CSEE, 1997, 17(2): 122-125, 56.

[3] 黃曉勝, 史歡, 田翠華. 基于磁控電抗器的無(wú)功電壓控制[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2011, 31(8): 99-102.

HUANG Xiaosheng, SHI Huan, TIAN Cuihua. Reactive power and voltage control based on MCR in substations[J]. Electric Power Automation Equipment, 2011, 31(8): 99-102.

[4] LIU Haipeng, YIN Zhongdong, DUAN Shaomi. Magnetically controlled reactor tap ratio optimization research[J]. Advanced Materials Research, 2013: 805-806, 1017-1021.

[5] 田銘興, 楊雪松, 顧生杰, 等. 基于Matlab的磁飽和式可控電抗器的仿真模型參數(shù)及過(guò)渡時(shí)間分析[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2013, 33(6): 47-51.

TIAN Mingxing, YANG Xuesong, GU Shengjie, et al. Analysis of simulation model parameters and transition time based on MATLAB for magnetically-saturated controllable reactor[J]. Electric Power Automation Equipment, 2013, 33(6): 47-51.

[6] CHEN Xuxuan, CHEN Baichao, TIAN Cuihua, et al. Modeling and harmonic optimization of a two-stage saturable magnetically controlled reactor for an arc suppression coil[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(7): 2824-2831.

[7] CHEN Xuxuan, CHEN Jianxun, CHEN Baichao.Harmonic optimization for the multi-stage saturable magnetically controlled reactor using particle swarm optimization algorithm[C] // Proceedings of the 2014 9th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, ICIEA 2014, October 20, 2014: 1804-1809.

[8] 耿濤, 趙金. 改進(jìn)低通濾波器的瞬時(shí)無(wú)功功率諧波電流檢測(cè)方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2009, 37(6): 53-56.

GENG Tao, ZHAO Jin. Instantaneous reactive power theory harmonic detection method based on improved low-pass filter[J]. Power System Protection and Control, 2009, 37(6): 53-56.

[9] 鄭海濤, 鄭昕, 吳興全, 等. 大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站內(nèi)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用技術(shù)分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(16): 149-154.

ZHENG Haitao, ZHENG Xin, WU Xingquan, et al. Technical analysis of dynamic reactive power compensation equipment applied in large-scale grid connected wind power plant and photovoltaic substation[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(16): 149-154.

[10]劉寶穩(wěn), 李曉波. 基于失諧量的消弧線圈跟蹤調(diào)諧方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(5): 6-9.

LIU Baowen, LI Xiaobo. New type of automatic tuning arc-suppression coil based on detuning size[J].Power System Protection and Control, 2013, 41(5): 6-9.

[11]付偉, 劉天琪, 李興源, 等. 靜止無(wú)功補(bǔ)償器運(yùn)行特性分析和控制方法綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(22): 147-154.

FU Wei, LIU Tianqi, LI Xingyuan, et al. Analysis of operating characteristic and survey of control methods used in static VAR compensator[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(22): 147-154.

[12]趙士碩, 尹忠東, 劉海鵬. 快速響應(yīng)磁控電抗器的新結(jié)構(gòu)與控制方法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(15): 149-155.

ZHAO Shishuo, YIN Zhongdong, LIU Haipeng. Physical design and control method of fast response magnetically controlled reactors[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(15): 149-155.

[13]魏云冰, 李濤, 張國(guó)亮, 等.基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的磁控電抗器控制方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(22): 117-120.

WEI Yunbing, LI Tao, ZHANG Guoliang, et al. A control method for the magnetic-valve controllable reactor based on instantaneous reactive power theory[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(22): 117-120.

[14] 薛浩然, 張珂珩, 李斌, 等. 基于布谷鳥(niǎo)算法和支持向量機(jī)的變壓器故障診斷[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(8): 8-13.

XUE Haoran, ZHANG Keheng, LI Bin, et al. Fault diagnosis of transformer based on the cuckoo search and support vector machine[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(8): 8-13.

[15]宋江保, 王賀萍, 張戰(zhàn)永, 等.三相磁閥式可控電抗器的分析研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2009, 37(23): 20-22.

SONG Jiangbao, WANG Heping, ZHANG Zhanyong, et al.Analytical study of controllable reactor based on three- phase magnetism valve type[J].Power System Protection and Control, 2009, 37(23): 20-22.

[16]雷晰, 鄧占鋒, 徐桂芝, 等. 磁控型可控并聯(lián)電抗器研究與實(shí)踐[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(增刊1): 225-231.

LEI Xi, DENG Zhanfeng, XU Guizhi, et al. Research and practice of magnetically controlled shunt reactor[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(S1): 225-231.

(編輯 周金梅)

Double function transformer and its analysis

LI Xiaoming

(School of Electrical Engineering, Shandong Univesity, Jinan 250061, China)

At present, the power transformer and the magnetically controllable reactor (MCR) are manufactured respectively, two devices have their own core respectively. Two devices occupied area is larger. The double function transformer which realizes the transformer and MCR two functions with a MCR core is proposed. The double function transformer occupied area is small. A simulation model based on MATLAB/Simulink is built and the double function transformer is simulated. The results show that no matter how much the change of the transformer core saturation is, the change of the transformer leakage reactance caused by it is not greater than 7%. The proposed double function transformer can realize transformer and MCR two functions at the same time. Transformer module operation has little impact on MCR module work; little impact on the transformer module working caused by MCR module run.

double-function transformer; transformer; magnetically controllable reactor; simulation analysis; Matlab

10.7667/PSPC151268

2015-07-22

李曉明(1956-), 男, 副教授, 主要從事電力系統(tǒng)保護(hù)與控制、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化的教學(xué)與研究工作。E-mail: lixm@sdu.edu.cn