CN205544246U - 基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制系统，包括：供电电源、合闸电压幅值控制系统和变压器；所述供电电源、开关S1、合闸电压幅值控制系统、开关S2和变压器依次串联连接；所述供电电源通过开关S3直接与变压器连接。本实用新型有益效果：能够对变压器空载合闸过程中励磁涌流的大小进行控制，使之不会超过变压器铁芯所能承受的饱和磁通，从而达到励磁涌流的目的。

Description

基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制系统

技术领域

本实用新型属于电力系统变压器保护技术，特别涉及一种基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制系统。

背景技术

电力变压器是电力系统的重要设备，当变压器空载合闸、区外故障切除或电源侧过电压时，由于变压器的感性特征，会产生较大的励磁涌流，严重时可达到变压器额定电流的六到八倍。较大的励磁涌流会使变压器铁芯的发热量增加，影响变压器的使用寿命；会产生大量谐波，影响电能质量；还会造成继电保护装置误动作，影响电网的安全可靠运行。其中变压器空载合闸时产生的励磁涌流通常较大，给变压器自身和保护装置带来的影响也较为明显。

目前应对励磁涌流影响的方法包括：

(1)根据励磁涌流区别于正常电流与故障电流的特征来识别励磁涌流，然后避开励磁涌流的影响；该类方法受识别原理和信息处理方法的影响，识别正确率有待进一步提高。此外这类方法只能对励磁电流进行识别，无法控制励磁涌流的大小。

(2)通过外接设备或改变变压器内部结构等方法抑制励磁涌流的产生。该类方法需要改变系统结构，且仅能从一定程度上抑制励磁涌流。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了抑制变压器空载合闸过程中产生幅值较大的励磁涌流，提供一种基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制系统，通过在变压器与一次侧系统电源之间接一个合闸电压控制系统，可控制输入电压的幅值大小，使变压器铁芯在空载合闸过程中不会饱和，控制变压器控制合闸过程中所产生的励磁涌流；从而达到减小励磁涌流对变压器本身、对变压器保护等设备不利影响的目的。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制系统，包括：供电电源、合闸电压幅值控制系统和变压器；所述供电电源、开关S1、合闸电压幅值控制系统、开关S2和变压器依次串联连接；所述供电电源通过开关S3直接与变压器连接。

进一步地，所述合闸电压幅值控制系统包括：合闸电压控制模块、合闸电压输出模块和开关切换控制模块；所述合闸电压控制模块分别与合闸电压输出模块和开关切换控制模块连接。

进一步地，所述合闸电压输出模块包括：全控桥式整流电路和有源逆变电路组成的PWM型变频电路，在所述全控桥式整流电路和有源逆变电路之间串联电容；所述全控桥式整流电路的每个桥臂串联分别串联可控的晶闸管，所述有源逆变电路的每个桥臂分别串联二极管和绝缘栅双极晶体管。

进一步地，所述合闸电压控制模块包括：全控桥式整流电路的控制模块和有源逆变电路的控制模块以及函数发生器；所述全控桥式整流电路的控制模块为分别与全控桥式整流电路的每个可控的晶闸管连接的方波发生器；所述有源逆变电路的控制模块采用脉宽调制生成一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲信号，将这些信号输入到有源逆变电路中的绝缘栅双极晶体管中完成电压信号的逆变；所述函数发生器产生电压幅值控制函数。

进一步地，所述变压器为单相变压器或者三相变压器。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型能够对变压器空载合闸过程中励磁涌流的大小进行控制，使之不会超过变压器铁芯所能承受的饱和磁通，从而达到励磁涌流的目的。

与目前广泛采用的励磁涌流识别方法相比，本实用新型装置能够从根本上抑制励磁涌流的产生，能够避免励磁涌流对变压器本身、变压器保护等设备的影响。

附图说明

图1是本实用新型基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制系统结构示意图；

图2是电压幅值控制曲线；

图3是本实用新型合闸电压幅值控制系统结构图；

图4是本实用新型合闸电压输出模块电路结构图；

图5(a)是仿真一的三相变压器A相到B相的相间磁通图；

图5(b)是仿真一的三相变压器B相到C相的相间磁通图；

图5(c)是仿真一的三相变压器C相到A相的相间磁通图；

图6(a)是仿真二的三相变压器A相到B相的相间磁通图；

图6(b)是仿真二的三相变压器B相到C相的相间磁通图；

图6(c)是仿真二的三相变压器C相到A相的相间磁通图；

图7是仿真一差动电流有效值；

图8是仿真二差动电流有效值。

具体实施方式：

下面结合附图与实例对本实用新型做进一步说明：

一种基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制系统，如图1所示，包括：供电电源、合闸电压幅值控制系统和变压器供电电源、开关S1、合闸电压幅值控制系统、开关S2和变压器依次串联连接；供电电源通过开关S3直接与变压器连接。

合闸电压幅值控制系统包括：合闸电压控制模块、合闸电压输出模块和开关切换控制模块；合闸电压控制模块分别与合闸电压输出模块和开关切换控制模块连接。

合闸电压控制模块：采集变压器合闸之前铁芯内的剩磁情况，包括剩磁的大小和方向；接收人为设定的控制开始时间、结束时间、结束控制的条件等参数，并根据上述参数生成合闸电压幅值函数。

其中，结束控制的条件指结束控制过程时的磁通幅值与正常运行时磁通幅值之间的差值小于设定的差值。

合闸电压控制模块的结构如图3所示，包括：全控桥式整流电路的控制模块和有源逆变电路的控制模块以及函数发生器；

全控桥式整流电路的控制模块由6个方波发生器组成，有源逆变电路的控制模块由若干乘法器、加法器、正弦波发生器、比较器等组成；全控桥式整流电路的控制模块中的方波发生器会产生一系列幅值相等而宽度不相等的方波信号，这些信号将会输入到全控桥式整流电路的可控晶闸管中，实现对电压信号的整流控制。有源逆变电路的控制模块采用脉宽调制的控制方法生成一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲信号，这些信号输入到有源逆变电路中的绝缘栅双极晶体管中完成电压信号的逆变过程。

函数发生器用于产生电压幅值控制函数，合闸电压控制模块产生的电压幅值控制函数为：

其中a＞0，t₀≤0为待设定的量，U_m为电源的幅值。

下面介绍一下a和t₀的取值确定过程。

励磁涌流i_m与变压器磁通φ_m的关系为i_m≈N₁φ_m/L_μ，其中N₁中为变压器一次侧绕组匝数。变压器磁通小于饱和磁通，励磁涌流就不会影响变压器正常运行。因此控制原理需要满足整个合闸电压幅值控制过程中变压器铁芯磁通不超过变压器饱和磁通，此处饱和磁通1.1φ_sat为1.26φ_N，φ_N为变压器额定磁通。即任意时刻磁通φ_m需满足下式：

${\mathrm{\φ}}_m={\mathrm{\φ}}_{\max }sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α})+({\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_{max}sin(\mathrm{\α}\left)\right)e^{-\frac{R_1}{L_{\mathrm{\μ}}}t}\≤1.1{\mathrm{\φ}}_{sat}---\left(1\right)$

其中φ₀为剩磁，其中L_μ为变压器磁化电感，U_m为系统电 源幅值，N₁为变压器一次侧绕组匝数，R₁为变压器一次侧绕组电阻，ω为角频率。

令公式(1)中的U_m等于控制曲线函数U_(t)即可通过控制曲线函数来改变变压器铁芯的磁通，控制曲线的函数中的t₀决定电压的初值。t₀越小，电压幅值初值越大。t₀＝0为t₀的上限，此时电压幅值初值为最小值0。t₀的下限在合闸角与剩磁最不利情况合闸时，即变压器瞬时磁通等于饱和磁通的极限情况下获得，假设式(1)中sin(α)＝-1，φ₀为正，为方便计算将稳态分量中的sin(ωt+α)＝1，在t＝0时刻，令变压器内磁通等于饱和磁通1.1φ_sat，得到式(2)。式(2)为t₀的下限。

$\begin{array}{c}{t}_0=ln(1-\frac{N_1\sqrt{R_1^2+{\left({\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{\μ}}\right)}^2}(1.1{\mathrm{\φ}}_{sat}-{\mathrm{\φ}}_0)}{2L_{\mathrm{\μ}}{U}_m})\\ =\ln (1-\frac{1.1{\mathrm{\φ}}_{sat}-{\mathrm{\φ}}_0}{2{\mathrm{\φ}}_{\max }})\end{array}---\left(2\right)$

控制曲线的函数中的a决定电压幅值的变化率。其限制条件可由式(1)变换得到的不等式(3)决定，即：

$a\≤\frac{ln(\frac{1}{e^{t_0}}1-\frac{1.1{\mathrm{\φ}}_{sat}-{\mathrm{\φ}}_0{e}^{-\frac{R_1}{L_{\mathrm{\μ}}}t}}{(1+e^{-\frac{R_1}{L_{\mathrm{\μ}}}t}){\mathrm{\φ}}_{max}})}{-t}---\left(3\right)$

a的下限值为0。式(3)中右侧代数式在t从0到Δt过程中的最小值为a的上限值。

若需要系统在Δt时间内完成电压幅值控制过程，结束时的磁通幅值与正常运行状态时的磁通幅值相差恰好为Δφ倍的φ_max。将磁通看成含有待求量a和t的函数变量φ_m(a,t)。即在公式(1)中令sin(α)＝0，剩磁为零的无偏磁情况下。此时磁通只有稳态分量，磁通的增加最慢。令φ_m(a,Δt)＝Δφ·φ_max，为方便计算将稳态分量中的sin(ωt+α)看成1，结果如式(4)所示。式(4)为a的取值。

$a=\frac{t_0-ln\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}}{\mathrm{\Δ}t}---\left(4\right)$

公式(4)的a取值必须在a的下限0与公式(3)a的上限之间，如果不符合，则需要重 新计算的a取值。

上述参数对单相与三相变压器都适用。选择任何控制函数都需要满足式(1)，但不同的控制原理将会影响控制函数中参数的取值。

作为另外一种实施方式，合闸电压控制模块也可以采用MSP430等可编程芯片实现。

合闸电压输出模块包括：接收合闸电压控制模块的控制参数，对输出电压幅值进行改变并输出改变后的电压。

合闸电压输出模块的结构如图4所示，包括：全控桥式整流电路与有源逆变电路组成的PWM型变频电路，全控桥式整流电路由6个可控的晶闸管组成，有源逆变电路由6个二极管和6个绝缘栅双极晶体管组成。

将系统电压经过全控桥整流部分变为幅值为所需幅值的直流电压信号，经过一个并联的电容进行滤波后接入有源逆变电路中，通过有源逆变电路的逆变操作变成工频的电压信号，其电压幅值仍为整流后的电压幅值，即所需的电流幅值。

开关切换控制模块：接收合闸电压控制模块的控制参数，对开关S1、S2、S3的开启和关闭进行控制。可以采用现有的开关控制器实现。

合闸电压输出模块与开关切换控制模块按照合闸电压控制模块输入的控制信号，在控制开始的时刻，将系统电源通过合闸电压幅值控制系统接通到空载变压器的一次侧，及将开关S1和开关S2闭合，开关S3打开；开始合闸电压幅值控制过程，根据控制函数对系统电源的电压幅值进行改变。

达到结束控制条件后，切断合闸电压幅值控制系统与变压器、系统电源之间的连接，并将系统电源直接与变压器一次直接连接，即开关S1和开关S2打开，开关S3闭合；结束整个合闸电压幅值控制过程。

当要对变压器进行空载合闸时，首先同时闭合合闸电压幅值控制系统与系统电源、变压器一侧的两开关，这样加在变压器一次侧的电压是合闸电压幅值控制系统的输出电压，控制电压的幅值变化是设定的控制函数的变化形式，此处操作能够确保磁通不会超过饱和磁通，因此不会产生较大的励磁涌流。经过预设的控制时间后合闸电压幅值控制系统的输出电压幅值接近额定电压幅值，此时先直接将变压器一次侧与系统电源接通，然后先断开合闸电压幅值控制系统与变压器一次侧的开关，再断开合闸电压幅值控制系统与系统电源的开关，将变压器切换为系统电源供电，完成变压器的空载合闸。

当合闸电压幅值升高到一定数值且电压幅值变化率小于特定值后，合闸电压幅值控制系统可以退出运行，改由系统电源直接给变压器供电。由于本发明只对电压幅值进行控制，不 改变电压频率和相角，因此在两个供电回路切换时，只会存在幅值的突变，不存在频率和相角的突变。

下面通过仿真对本实用新型系统的有效性进行验证。

搭建三相双绕组变压器模型如图1所示，三相变压器额定容量为400MVA，额定电压为220kV。系统电源为工频220kV交流电，对直接空载合闸和采用合闸电压控制方案合闸两种情况进行了仿真。

仿真一：设置三相剩磁分别为φ_0A＝0.97φ_max、φ_0B＝-0.70φ_max、φ_0C＝-0.26φ_max。在A相合闸角为0°时不采用合闸电压幅值控制系统，直接三相空载合闸。

仿真二：在仿真一的初始条件与合闸角都相同的情况下，采用合闸电压控制措施。以1.1φ_sat为磁通基准值，本仿真变压器的φ_max为0.88，三相剩磁中A相的剩磁最大，则选择A相的剩磁作为计算公式中的剩磁，即φ₀＝0.97φ_max。本仿真取t₀的下限进行仿真，根据公式(2)计算得t₀＝-0.087。本仿真设置合闸电压幅值控制过程时间为2秒，结束控制时磁通幅值小于0.1倍的正常运行磁通幅值，即Δt＝2s，Δφ＝0.1，根据公式(4)计算可得a＝1.11。

电压幅值控制曲线函数示意图如图2所示。如果增大仿真二的t₀或a都能使磁通在电压幅值控制过程中更大程度的小于饱和磁通，也就能使励磁涌流更小。

在三相变压器模型中可以得到两相之间的磁通，如图5(a)-图5(c)与图6(a)-图6(c)所示，纵坐标是以1.1φ_sat为基准的标幺值。但在三相变压器模型中无法直接测量得到励磁涌流，因此以空载情况下的差动电流间接反映励磁涌流的大小，以额定电流为基准值，如图7、图8所示。

由图5(a)-图5(c)可见，由于仿真设置的各相剩磁不同，因此两相间的铁芯磁通变化规律也不一样。其中AB相间和BC相间磁通包含正向直流分量，其最大值在合闸后产生分别为1.8与1.2。CA相间的磁通包含负向直流分量，最小值在合闸后产生为-1.8。经过约3s后三相磁通波形平滑变为幅值为0.88的关于0对称的正弦波。

采用合闸电压幅值控制方案后，仿真二的相间铁芯磁通最值情况相比图5要明显减小，如图6(a)-图6(c)所示。从1秒开始采用合闸电压幅值控制方案后，三相的铁芯磁通绝对值最大值均没有超过标幺值1，磁通幅值均由0.5逐渐增大到结束控制时的0.88。在3秒结束控制方案时的磁通波形已经逼近正常运行状态。

对仿真一与仿真二的差动电流标幺值进行傅里叶变换得到其有效值分别如图7与图8所示，仿真一的A、B、C相差动电流有效值在合闸瞬间达到了最大值，分别为2.07、0.096、2.09，经过0.8秒后均衰减至0.033。仿真二在开始实施控制方案后，A、B、C相差动电流分别从0.032、0.025、0.039开始平滑变化到控制结束时的0.032、0.032，0.033。结束控制方案之后均出现一个幅值为0.003的小幅跳变，经过1秒后恢复到0.033。仿真二的差动电流有效值在整个过程中，其最大值相对于仿真一的最大值减小了53倍多，且其最大值远小于标幺值，因此可以忽略励磁涌流对差动电流的影响。

综上可见仿真二的合闸电压控制系统能够有效控制变压器铁芯磁通不超过饱和值，从而可以有效的减小励磁涌流对三相变压器运行的影响，因此本发明的电压幅值控制系统可以达到抑制励磁涌流的目的。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制系统，其特征是，包括：供电电源、合闸电压幅值控制系统和变压器；所述供电电源、开关S1、合闸电压幅值控制系统、开关S2和变压器依次串联连接；所述供电电源通过开关S3直接与变压器连接。

2.如权利要求1所述的一种基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制系统，其特征是，所述合闸电压幅值控制系统包括：合闸电压控制模块、合闸电压输出模块和开关切换控制模块；所述合闸电压控制模块分别与合闸电压输出模块和开关切换控制模块连接。

3.如权利要求1所述的一种基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制系统，其特征是，所述合闸电压输出模块包括：全控桥式整流电路和有源逆变电路组成的PWM型变频电路，在所述全控桥式整流电路和有源逆变电路之间串联电容；所述全控桥式整流电路的每个桥臂串联分别串联可控的晶闸管，所述有源逆变电路的每个桥臂分别串联二极管和绝缘栅双极晶体管。

4.如权利要求1所述的一种基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制系统，其特征是，所述合闸电压控制模块包括：全控桥式整流电路的控制模块和有源逆变电路的控制模块以及函数发生器；所述全控桥式整流电路的控制模块为分别与全控桥式整流电路的每个可控的晶闸管连接的方波发生器；所述有源逆变电路的控制模块采用脉宽调制生成一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲信号，将这些信号输入到有源逆变电路中的绝缘栅双极晶体管中完成电压信号的逆变；所述函数发生器产生电压幅值控制函数。

5.如权利要求1所述的一种基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制系统，其特征是，所述变压器为单相变压器或者三相变压器。