變壓器短路試驗供電裝置網(wǎng)側(cè)電流平衡控制仿真

王文廷，陸建峰，呂仲成

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司緊水灘水力發(fā)電廠，麗水 323000）

0 引言

在供電網(wǎng)絡(luò)中，變壓器元件始終保持三相供電、單相運行的連接形式，能夠從高壓端接收大量的輸入電量，并可以借助單相電源，將傳輸電量轉(zhuǎn)變成直流輸出形式，以供下級接入裝置的直接調(diào)取與利用。在實際應用過程中，負載波總是處于劇烈振蕩狀態(tài)，不但會造成明顯的負載率不均衡情況，也會使變壓器元件長期在過負載條件下運行[1]。由于供電裝置網(wǎng)側(cè)的傳輸電流并不能完全受控，所以變壓器短路現(xiàn)象的發(fā)生較為頻繁，特別是在直流電壓數(shù)值較大的情況下，短路電容值會在較短時間內(nèi)達到其極限數(shù)值狀態(tài)，不但會對主供電設(shè)備造成較大的物理壓力，還會使變壓器元件所承擔的壓感系數(shù)發(fā)生改變，并最終會對供電裝置網(wǎng)側(cè)的電流平衡狀態(tài)造成影響。為解決上述問題，設(shè)計變壓器短路試驗供電裝置網(wǎng)側(cè)的電流平衡控制方法。

1 變壓器短路試驗的主電路參數(shù)設(shè)計

1.1 直流電壓

變壓器供電網(wǎng)絡(luò)可將高壓交流電調(diào)制成低壓直流電的輸出形式，且在此過程中，由于S1、S2、S3幾類平衡裝置的存在，即便是發(fā)生明顯的短路現(xiàn)象，變壓器元件所能提供的直流電壓數(shù)值也不會遠低于其額定供應電壓。具體變壓器供電網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

圖1 變壓器供電網(wǎng)絡(luò)

通常情況下，直流電壓的選取不僅要依據(jù)變壓器交流側(cè)的電壓等級數(shù)值，還要考慮元件自身的補充容量及電阻設(shè)備的平均耐壓能力。

這里定義兩個變量d、l，分別表達為：

其中，δ表示恒定的變壓器穩(wěn)流系數(shù)。一般來說，直流電壓指標的取值越大，變壓器元件在短路試驗中表現(xiàn)出的行為能力也就越強。

1.2 短路電容值

短路電容是指在發(fā)生變壓器短路行為時，供電裝置網(wǎng)側(cè)電阻元件內(nèi)部容量所呈現(xiàn)的數(shù)值狀態(tài)，受到直流電壓指標取值結(jié)果的直接影響。在變壓器短路試驗中，由于輸入端電壓水平的不確定性，電阻元件必須具備較強的電容適應性[2]。當輸入電壓數(shù)值水平相對較高時，電阻設(shè)備自行降低其內(nèi)阻數(shù)值，使得短路部分電容元件的阻抗能力得到充分激發(fā)，并與電流傳輸作用既定適度抵抗；當輸入電壓數(shù)值水平相對較低時，電阻設(shè)備自行升高其內(nèi)阻數(shù)值，使得短路部分電容元件的阻抗能力得到適度抑制，從而實現(xiàn)對電流傳輸作用的有效疏導。

規(guī)定A1、A2表示兩個不同的短路節(jié)點，其物理坐標分別為(x1，x2)、(x2，y2)，規(guī)定L表示點A1到點A2的水平傳輸距離，在變壓比系數(shù)恒為μ的情況下，聯(lián)立上述物理量，可將水平傳輸距離L的表達式定義為：

設(shè)ω1表示短路部分電容元件的阻抗系數(shù)，ΔT表示短路電流的單位傳輸時長，聯(lián)立式(2)、式(3)，可將短路電容值計算結(jié)果表示為：

式中，β表示短路情況下變壓器元件中的電容比參量。在變壓器短路試驗中，短路電容求解結(jié)果直接決定了供電裝置網(wǎng)側(cè)負載電流的平衡傳輸能力。

1.3 電抗變壓系數(shù)

電抗變壓系數(shù)決定了變壓器對于輸入電量的緩沖能力，在供電網(wǎng)絡(luò)中，隨著電量輸入水平的升高，變壓器元件對于傳輸電流的耦合處理能力也會逐漸增強，此時電抗變壓系數(shù)的取值結(jié)果也會達到其物理最大值[3]。對于變壓器短路試驗而言，電抗變壓系數(shù)的計算分為電流有功功率、電流無功功率兩個方面。

1）電流有功功率

規(guī)定sinω表示變壓器短路試驗中輸入電流有功系數(shù)的正弦表征向量，ka表示電流擊穿強度為a時的有功占比系數(shù)，聯(lián)立式(4)，可將有功功率情況下的電抗變壓系數(shù)表示為：

2）電流無功功率

由于正弦表征向量的作用能力相對有限，所以在考慮電流無功功率時，應主要參考余弦表征向量cosω。聯(lián)立式(4)，可將無功功率情況下的電抗變壓系數(shù)表示為：

由于電抗變壓系數(shù)的計算結(jié)果并不唯一，所以對于變壓器短路試驗而言，供電裝置網(wǎng)側(cè)的電流平衡狀態(tài)也具有一定的可變性。

2 供電裝置網(wǎng)側(cè)電流平衡控制方法

2.1 主供電設(shè)備接線

在變壓器短路試驗中，主供電設(shè)備的接線原理如圖2所示。

圖2 主供電設(shè)備接線原理

圖2中，與高壓輸入端相連的供電節(jié)點為4組IPFC裝置，在保證電抗變壓系數(shù)值不變的前提下，每個IPFC裝置都可以直接與核心變壓器元件相連。由于低壓輸出端所能承受的電流傳輸水平相對有限，所以在實施電感變換時，必須著重考慮當前情況下變壓器元件所具備的電量感知能力，一般來說，下級電控設(shè)備所需的傳輸電子量越多，高壓輸入端所遵循的電流轉(zhuǎn)換比系數(shù)值也就越大，反之則越小[4]。與低壓輸出端相連的供電節(jié)點為4組SOC設(shè)備，在變壓器短路試驗中，只具備感應穩(wěn)定傳輸電流的能力，但由于其自身內(nèi)阻值相對較小，所以供電裝置網(wǎng)側(cè)獲得的電流水平與核心變壓器元件所輸出的電流水平完全相等。

2.2 極性HCT調(diào)制

為使變壓器供電裝置網(wǎng)側(cè)所接收到的電流呈現(xiàn)絕對穩(wěn)定的存在狀態(tài)，極性HCT調(diào)制對于高壓輸入端、低壓輸出端的處理指令必須保持同步執(zhí)行狀態(tài)，即在變壓器短路試驗中，極性HCT調(diào)制指令必須呈現(xiàn)統(tǒng)一的存在形式。

針對高壓輸入端的調(diào)制，主要是為了抑制傳輸電流波峰出現(xiàn)過度變化行為，在不違背變壓器工作原理的前提下，拉近相鄰波峰之間的物理距離，從而使得傳輸電流中的電信號剩余量不斷減少。

針對低壓輸出端的調(diào)制，主要是為了抑制傳輸電流波谷出現(xiàn)過度變化行為，在不違背變壓器工作原理的前提下，應增大相鄰波谷之間的物理距離，從而使得到達供電裝置網(wǎng)側(cè)的電流呈現(xiàn)絕對穩(wěn)定的傳輸狀態(tài)。

設(shè)η1表示變壓器高壓輸入端的電流調(diào)制效率，η2表示低壓輸出端的電流調(diào)制效率，x-表示變壓器元件的平均工作強度。聯(lián)立式(5)、式(6)，可將變壓器短路試驗供電裝置網(wǎng)側(cè)的極性HCT調(diào)制表達式定義為：

上式中，j表示供電裝置網(wǎng)側(cè)的電流平衡系數(shù)，ΔE表示單位時間內(nèi)的電信號傳輸量。在實際計算過程中，物理量ΔE的取值可能出現(xiàn)負值狀態(tài)，但符號僅代表電信號傳輸方向，對其物理數(shù)值量不會造成影響。

2.3 平衡系數(shù)矢量求解

平衡系數(shù)矢量求解是實現(xiàn)變壓器短路試驗供電裝置網(wǎng)側(cè)電流平衡控制的關(guān)鍵處理環(huán)節(jié)，能夠預測給定電流與實際輸出電流之間的誤差值水平，在不考慮其他干擾條件的情況下，認為給定電流與實際輸出電流之間的誤差值越小，矢量求解所得到的平衡系數(shù)也就越符合實際應用需求[5]。定義式(8)為唯一的誤差值判定表達式。

其中，c、v表示兩個不同的電流平衡狀態(tài)控制系數(shù)，ic表示取值為c時的電流傳輸特征，iv表示取值為v時的電流傳輸特征，mc表示與ic匹配的電流傳輸行為定義項，mv表示與iv匹配的電流傳輸行為定義項，θ表示平衡狀態(tài)分辨指標。

規(guī)定? 表示一個電流數(shù)據(jù)取值區(qū)間，且c∈?、v∈?的控制條件同時成立。在式(8)的偏導值恒不等于零的情況下，設(shè)c`表示c的偏導值，v`表示vc的偏導值，c′∈?、v′∈? 也同時成立。聯(lián)立上述物理量，可將平衡系數(shù)矢量求解表達式定義為：

式中，qc`表示偏導值為c`時的電流輸入量，qv`表示偏導值為v`時的電流輸入量，p表示供電裝置網(wǎng)側(cè)電流的原始帶電量，p`表示p的偏導值。根據(jù)平衡系數(shù)矢量求解結(jié)果可以準確掌握變壓器短路試驗供電裝置網(wǎng)側(cè)的電流傳輸情況，從而實現(xiàn)對電流系數(shù)值的平衡與控制。

3 實例分析

本次實驗的具體操作流程如下：

步驟一：搭建如圖3所示的仿真實驗環(huán)境；

圖3 仿真實驗環(huán)境

步驟二：將實驗用變壓器元件擺放至固定位置處；

步驟三：分別將電流檢測裝置的接線柱與變壓器元件的200V接口、400V接口和600V接口相連；

步驟四：分別利用傳統(tǒng)控制方法、新型平衡控制方法對電流檢測裝置進行管控，其中前者作為對照組，后者作為實驗組；

步驟五：分別記錄實驗組、對照組變壓器電感系數(shù)的變化情況，并將其與理想數(shù)值進行對比；

變壓器電感系數(shù)可用來描述供電主機對于短路供應電流的控制能力，一般來說，實測電感系數(shù)與理想電感系數(shù)之間的差值水平越小，則表示供電主機對于短路供應電流的控制能力越強，即短路供應電流所呈現(xiàn)出來的傳輸形式相對較為平衡，反之則相對較為波動。

表1記錄了變壓器電感系數(shù)在理想情況下的數(shù)值存在狀態(tài)。

分析表1可知，在理想情況下，對于200V的初始電壓而言，當時間取值處于3～9min之間時，變壓器電感系數(shù)呈現(xiàn)連續(xù)下降的變化狀態(tài)；當時間取值處于12～18min之間時，變壓器電感系數(shù)則始終保持穩(wěn)定；當時間取值處于21～27min之間時，變壓器電感系數(shù)則開始不斷上升；對于400V、600V的初始電壓而言，變壓器電感系數(shù)的變化形式基本與200V情況下的系數(shù)變化狀態(tài)相同，但其均值水平卻依次升高。

表1 變壓器電感系數(shù)的理想數(shù)值

下圖分別反映了200V、400V、600V情況下，實驗組、對照組變壓器電感系數(shù)的數(shù)值記錄結(jié)果。

分析圖4可知，在200V情況下，實驗組變壓器電感系數(shù)的變化趨勢基本與理想數(shù)值保持一致，當實驗時間為15min時，實驗組變壓器電感系數(shù)與理想數(shù)值之間的物理差值最大，達到了0.09T·ms-1；當實驗時間為9min時，對照組變壓器電感系數(shù)與理想數(shù)值之間的物理差值最大，達到了0.24T·ms-1，高于實驗組差值水平。

圖4 200V情況下的變壓器電感系數(shù)

分析圖5可知，在400V情況下，當實驗時間為6 min時，實驗組變壓器電感系數(shù)與理想數(shù)值之間的物理差值最大，達到了0.12T·ms-1；當實驗時間為27min時，對照組變壓器電感系數(shù)與理想數(shù)值之間的物理差值最大，達到了0.35T·ms-1，高于實驗組差值水平。

圖5 400V情況下的變壓器電感系數(shù)

分析圖6可知，在600V情況下，當實驗時間為18min時，實驗組變壓器電感系數(shù)與理想數(shù)值之間的物理差值最大，達到了0.26T·ms-1，此時，實驗組變壓器電感系數(shù)與理想數(shù)值之間的物理差值也達到最大，為0.55T·ms-1，高于實驗組差值水平。

圖6 600V情況下的變壓器電感系數(shù)

綜上可認為，在平衡控制方法的作用下，實測電感系數(shù)與理想電感系數(shù)之間的差值水平確實得到了更好控制，表明供電主機對于短路供應電流的控制能力較強，即短路供應電流所呈現(xiàn)出來的傳輸形式能夠保持較為平衡的存在狀態(tài)。

4 結(jié)語

變壓器短路試驗供電裝置網(wǎng)側(cè)電流平衡控制方法從直流電壓的角度著手，在確定短路電容具體數(shù)值的同時，對電抗變壓系數(shù)的可行性進行研究，又根據(jù)主供電設(shè)備的連接形式，進行極性HCT調(diào)制，從而使得最終所獲平衡系數(shù)矢量求解結(jié)果更符合實際應用需求。從實用性角度來看，與傳統(tǒng)控制方法相比，這種新型方法能夠更好控制實測變壓器電感系數(shù)與理想電感系數(shù)之間的物理差值，從而使得短路供應電流所呈現(xiàn)出來的傳輸形式趨于穩(wěn)定，這在增強供電主機對于短路供應電流的控制能力方面，具備一定的可行性應用價值。