PDF《一种双功能变压器及其分析》

第44 卷第12 期 电力系统保护与控制 Vol.

44 No.12

2016 年6月16 日Power System Protection and Control Jun. 16,

2016 DOI: 10.7667/PSPC151268 一种双功能变压器及其分析 李晓明 (山东大学电气工程学院,山东 济南 250061) 摘要:目前,电力变压器与磁控电抗器这两种设备都是分别制造,这两种设备分别有各自的铁芯,占用面积比较 大.提出一种双功能变压器,用一台磁控电抗器的铁芯,同时实现变压器与磁控电抗器两种功能.双功能变压器 占用面积比较小. 用Matlab 仿真软件中的 Simulink 工具箱构建双功能变压器仿真模型, 对双功能变压器进行仿真 分析.结果表明:不论变压器铁芯饱和度的变化是多少,引起变压器漏抗的变化不大于 7%.提出的双功能变压 器可同时实现变压器与磁控电抗器两种功能.变压器模块运行对磁控电抗器模块工作影响很小;

磁控电抗器模块 运行对变压器模块工作影响很小. 关键词:双功能变压器;

变压器;

磁控电抗器;

仿真分析;

Matlab Double function transformer and its analysis LI Xiaoming (School of Electrical Engineering, Shandong Univesity, Jinan 250061, China) Abstract: 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. Key words: double-function transformer;

transformer;

magnetically controllable reactor;

simulation analysis;

Matlab

0 引言 电抗器在电力系统中有广泛的应用.在一部分 应用领域,电抗器的电抗值固定不变;

在许多应用 领域,需要电抗值能随着电力系统运行方式的变化 而改变.磁控电抗器(Magnetically Controllable Reactor, MCR)是一种电抗值可以连续调节的电抗 器[1] .磁控电抗器通过连续调节闭环铁芯上直流线 圈中直流电流的大小,连续调节闭环铁芯的饱和程 度,实现连续调节闭环铁芯上交流线圈(电抗线圈) 电抗值的大小.磁控电抗器应用于电力系统无功潮 流连续调节与控制,工频过电压抑制等领域[2-11] . 电力变压器可把高电压变换为低电压,也可把 低电压变换为高电压. 以往,电力变压器、磁控电抗器这两种设备都 是分别研究,分别制造.两种设备分别都有较大的 铁芯[12-16] .如果一座变电站同时需要电力变压器、 磁控电抗器这两种设备,则两台设备总体占地面积 大、总体铁芯重、总体价格高. 本文提出一种双功能变压器,在一台磁控电抗 器铁芯的基础上,同时实现变压器与磁控电抗器两 种功能.变压器运行与调节过程对磁控电抗器工作 影响很小;

磁控电抗器运行与调节过程对变压器工 作影响很小. 并对这种双功能变压器进行仿真分析.

1 双功能变压器理论基础? 电力变压器运行时,变压器铁芯是不饱和的. 磁控电抗器工作时,磁控电抗器铁芯是饱和的.如 果在一台磁控电抗器铁芯的基础上,同时实现变压 器与磁控电抗器两种功能,变压器铁芯处于饱和状 -

2 - 电力系统保护与控制 态时,对变压器功能就必须没有负面影响,或者负 面影响很小. 变压器的一个重要参数是漏磁的大小,工程上 漏磁的大小用漏抗(或短路电压)的大小表述. 所以, 需要研究变压器铁芯处于不同饱和状态时,变压器 漏抗的变化大小.为此,用Matlab 仿真软件中的 Simulink 工具箱,构建变压器短路电压测量的仿真 实验模型如图

1 所示.具体参数如下:T1 变压器容 量=707.2 kVA, 线圈 L1=10

000 V, L2=10

000 V, L3=

10 000 V;

T1 变压器线圈 R=0.002 pu,L=0.08 pu. T2 变压器参数与 T1 变压器相同. 图1中,为了避免交流磁通对直流系统产生影 响,两台变压器一次交流线圈正向串联后连接交流 电源,两台变压器二次交流线圈分别短接,两台变 压器直流线圈反向串联后连接直流电源. 图1变压器铁芯饱和 Simulink 仿真模型 Fig.

1 Simulink model of the saturation of the magnetic core 在直流电流等于零的条件下,测量得到短路电 压voltage1 波形、输入的交流电流 current1 波形、 直流电流 current2 波形如图 2(a)所示. 线圈 L1 输入 额定电流 70.72 A(电流峰值

100 A)时,示波器显示 电压峰值为

4 514 V. 计算:

4 514

1596 2

2 ? ,可知变压器短路电压为 15.96%. 输入直流电流,测量得到短路电压 voltage1 波形、输入的交流电流 current1 波形、直流电流 current2 波形如图 2(b)所示. 从图 2(b)可以看出, 直 流电流在 2.5 s 以前,直流电流

71 A,线圈 L1 输入 额定交流电流 70.72 A(电流峰值

100 A),电压峰值

4 514 V.在2.5 s 以前,变压器铁芯未饱和,线圈 L1 的激磁电抗使激磁电流线性上升, 铁芯中线性上 升的磁通在线圈 L2 产生直流电压, 并在线圈 L2 产 生直流电流, 线圈 L2 的直流电流使直流线圈 L3 产生71 A 直流电流.直流电流在 2.5 s 以后,直流电 流从

100 A 开始上升,线圈 L1 输入电流峰值上升 至107 A, 电压峰值

4 514 V 不变. 电压峰值

4 514 V 不变是由于系统交流电源电压不变,系统阻抗 RL Branch1 很小所致. 线圈 L1 输入交流电流峰值上升 至107 A,是由于变压器铁芯饱和,变压器漏抗变 小所致.变压器漏抗减小 7%. (a) 铁芯不饱和 (b) 铁芯开始饱和 (c) 铁芯深度饱和 图2电压、电流 Simulink 仿真波形 Fig.

2 Simulative waveforms of the voltage and currents 输入直流电流 285A, 测量得到短路电压 voltage1 波形、输入的交流电流 current1 波形、直流电流 current2 波形如图 2(c)所示.从图 2(c)可以看出,直 流电流在 0.8 s 以前,直流电流峰值为

210 A,线圈 李晓明 一种双功能变压器及其分析 -

3 - L1 输入额定电流为 70.72 A(电流峰值

100 A),电压 峰值为

4 514 V.在0.8 s 以前,变压器铁芯未饱和, 线圈 L1 的激磁电抗使激磁电流线形上升,铁芯中 线形上升的磁通在线圈 L2 产生直流电压,并在线 圈L2 产生直流电流,使直流线圈 L3 产生

210 A 直 流电流.直流电流在 0.8 s 以后,直流电流峰值从

100 A 开始上升,线圈 L1 输入电流峰值上升至

107 A,电压峰值

4 514 V 不变.电压峰值

4 514 V 不变是由于系统交流电源电压不变,系统阻抗 RL Branch1 很小所致.线圈 L1 输入电流峰值上升至

107 A,是由于变压器饱和,变压器漏抗变小所致. 变压器铁芯深度饱和,变压器漏抗变小 7%. 从上述分析可知,不论变压器铁芯轻度饱和、 中度饱和、还是深度饱和,变压器漏抗变小 7%后 不再减小.

2 双功能变压器结构与工作原理 双功能变压器结构如图

3 所示,铁芯

5 既是变 压器线圈的铁芯,也是磁控电抗器的铁芯,铁芯

5 按照磁控电抗器的铁芯设计. 端子

1、

2 为双功能变 压器一次线圈的两端, 端子

3、

4 为双功能变压器二 次线圈的两端.线圈 L

5、L

6、L

7、L

8、L9,晶闸 管D

1、D2,二极管 D3,晶闸管控制电路 6,共同 构成磁控电抗器直流电流产生与控制机构. 图3双功能变压器结构图 Fig.

3 Structure of the double function transformer 交流线圈 L1 与交流线圈 L2 的匝数相等, 交流 线圈 L1 与交流线圈 L2 正向串联作为变压器一次线 圈.交流线圈 L3 与交流线圈 L4 的匝数相等,交流 线圈 L3 与交流线圈 L4 正向串联作为变压器二次线 圈. 交流线圈 L1 与交流线圈 L3 的匝数比等于变压 器一次线圈与二次线圈的变比.一次线圈与二次线 圈实现双功能变压器的变压器功能. 交流线圈 L

5、交流线圈 L

6、交流线圈 L

7、交 流线圈 L8 的匝数相等.直流线圈 L9 与直流线圈 L10 的匝数相等.通过设计直流线圈匝数与交流线 圈匝数的比例,使晶闸管 D

1、D2 在截止条件下, 晶闸管 D

1、D2 两端获得 1%系统交流额定电压. 晶闸管D1和晶闸管D2的触发端子分别连接控 制电路 6,控制电路

6 控制晶闸管 D1 和晶闸管 D2 触发角的大小,实现连续调节晶闸管 D1 和晶闸管 D2 整流量的大小. 双功能变压器一次线圈接入额定电压为 U1 的 电力系统. 交流线圈 L1 与交流线圈 L2 有励磁电流 流通,在闭环铁芯

5 中产生交流磁通,该交流磁通 在交流线圈 L3 与交流线圈 L4 中产生感生电动势, 如果交流线圈 L3 与交流线圈 L4 构成的二次线圈连 接负载,则二次线圈为负载提供负荷电流.一次线 圈与二次线圈实现双功能变压器的变压器功能. 交流线圈 L1 与交流线圈 L2 有励磁电流流通, 在闭环铁芯

5 中产生交流磁通;

该交流磁通在交流 线圈 L5, 交流线圈 L6, 交流线圈 L7, 交流线圈 L8, 直流线圈 L9, 直流线圈 L10 中产生感生电动势, 由 于直流线圈 L9 的匝数与交流线圈 L5 匝数的比例关 系, 晶闸管 D1 和晶闸管 D2 两端有 1% U1 交流额定 电压存在. 当控制电路

6 控制晶闸管 D1 和晶闸管 D2 全截 止时, 晶闸管 D1 和晶闸管 D2 整流电路不工作, 直 流线圈 L9 和直流线圈 L10 中的直流电流等于零. 双功能变压器一次线圈有最大电抗值 Zmax. 当控制电路

6 控制晶闸管 D1 和晶闸管 D2 全导 通时,流过直流线圈 L9 与直流线圈 L10 的直流电 流达到最大设计值.双功能变压器一次线圈有最小 电抗值 Zmin. 控制电路

6 控制晶闸管 D1 和晶闸管 D2 整流量 的大小,可控制直流线圈 L9 和直流线圈 L10 中直 流电流的大小,实现控制双功能变压器一次线圈电 抗值的大小.控制电路

6 连续控制晶闸管 D1 和晶 闸管 D2 整流量的大小, 可连续控制直流线圈 L9 和 直流线圈 L10 中直流电流的大小,实现双功能变压 器一次线圈电抗值的连续调节,双功能变压器一次 线圈电抗值在最大值与最小值之间连续调节、 变化. -

4 - 电力系统保护与控制 磁控电抗器直流电流产生与控制机构与一次线 圈(二次线圈)没有直接的电气连接,所以,变压器 功能不会影响磁控电抗器的电抗值.反之,磁控电 抗器直流电流不论多大,对变压器漏抗的影响也不 会大于 7%. 图3中,D3 为续流二极管,续流二极管的分 析是公共知识,不再赘述.可以在忽略续流二极管 D3 的条件下,研究双........