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1、第33卷第10期2009年5月25日Vol. 33No. 10May 25 , 2009基于电力电子技术有载调压变压器的无冲击调压方法基于电力电子技术有载调压变压器的无冲击调压方法黄俊杰,李晓明(武汉大学电气工程学院,湖北省武汉市430072)摘要摘要:提出以电力电子器件为分接开关的有载调压变压器无冲击调压方法。该方法考虑了调压绕组的改变引起的变比变化和漏电阻、 漏电感大小的变化。为考虑铁磁特性,变压器铁芯用非线性电阻和电感来等效。由变压器的空载实验数据,得到描述两者非线性特性的分段线性表达式 。通过对变压器等值模型的分析,得出无冲击有载调压时刻的求解方法 。在这一时刻进行分接开关通断控制,可
2、以使调压过程按系统运行的需要而改变,并保证负载电流连续、 平滑、 无冲击。阐述了传统的以负载阻抗角确定调压时刻是本方法的特例。通过仿真及实验验证了这一方法能够实现快速 、无冲击、 可靠调压过程。关键词关键词:有载调压变压器;无冲击;铁磁特性;电力电子学;晶闸管中图分类号中图分类号: TM4230引言引言随着电力电子技术的发展,电力电子设备,如晶闸管,作为调压分接开关得到了广泛应用,使电压调节迅速,调节效果明显要好于机械式的有载调压装置122。但是,晶闸管触发 、 导通时刻的选择对调压暂态过程有很大的影响 。为实现无冲击调压过程,文献3介绍了晶闸管导通时刻的确定方法,但没有考虑调压过渡电阻或电抗
3、、 调压绕组变化的影响4,也没有考虑变压器铁芯磁滞 、 磁饱和及涡流损失的影响526。本文针对这一情况,在考虑上述因素的前提下,研究了以晶闸管作为调压分接开关的调压过程,得到了无冲击调压时刻的确定方法,通过仿真和实验验证了这一方法的正确性。按图1所示电路,可列出以下方程:di2u2= RLi2+ LLdtdi1u1- e = R1i1+ L1dtdi2e =R2i2+L2+u2dti1=i2(1)+ i0io= f (e)1有载调压变压器模型分析有载调压变压器模型分析采用如图1所示的变压器模型分析有载调压过程。对于励磁支路,现暂时用一个黑盒子表示。式(1)中第5个方程就是用来描述变压器铁芯磁滞
4、、 磁饱和及涡流损失的影响。在进行电压调整之前,电源的电压保持稳定 。一、 二次侧的等效漏电阻和漏电感的额定值可以由短路实验得到的数据求得,调压前后变比、 绕组数目的变化已知时,这些数值要做相应修改 。而负载的等效电阻和电感可以由采集到的二次侧电流和电压经计算获得,并设在调压过程中负载不发生改变。如果变压器的铁磁特性已知,即io随时间的变化规律已知,则可以求解出电流i2。由于这是一个1阶微分方程,电流i2的解中将含有一个稳态分量和一个随时间衰减的暂态分量 。显然,无冲击调压过程就是要求这个暂态分量的值为0 ,这与调压分接开关的动作时刻密切相关。2有载调压变压器铁磁特性建模有载调压变压器铁磁特性
5、建模图图1 1变压器模型变压器模型Fig.Fig.1 1T Transformerransformer modelmodel收稿日期: 2008211219 ;修回日期: 2008203202。目前变压器的铁磁特性的建模方法很多7211,但大多是基于电磁理论,得到的数学公式复杂,实际使用起来不方便。本文采用通过测量变压器空载电压、 电流及空载有功损失的方法来建立分段线性化692009 , 33(10)的变压器铁磁特性的模型12213。空载实验等值模型如图2所示,由于变压器的漏阻抗相对于励磁阻抗而言很小,所以忽略。法可以求得;对于式(4)等号右边第2项,设在积分区间内U2I0R为线性关系,则可以
6、求得I0R ,i。按这种方法依次求解,即可得到反映非线性电阻Re特性的一条U2I0R关系曲线,如图3所示。图图2 2空载实验等值模型空载实验等值模型Fig.Fig.2 2EquivalentEquivalentmodelmodelforfor nonnon2loadload experimentexperiment在空载实验时,对变压器施加固定频率的正弦电压,测量在交流稳态下进行,不存在直流分量。这样按电压由低到高的顺序对变压器进行N次空载实验,每次施加的正弦空载电压为: u=2Usint,有效值分别为U1,U2,UN,相应得到空载电流的有效值分别为I1, I2, IN,空载功率损耗依次为P1
7、, P2, PN。2. 1非线性电阻非线性电阻Re e的的U2I0 0R R特性曲线特性曲线当对变压器施加的正弦电压较低时,Re不会表现出非线性,可以认为Re是一个线性电阻,所以流过Re的电流有效值为:I0R, i=Pii =1,2, NUi(2)图图3 3U2I0R0R关系曲线关系曲线Fig.Fig.3 3CurveCurveofofU2I0 0R2. 2非线性电感非线性电感Le e的的 2I0 0L特性曲线特性曲线由于施加的空载电压为稳定的交流电压,所以产生的磁链为:= -2Ucost/,不含直流分量 。进行N次空载实验,在各空载电压下的磁链有效值分别为: 2U1/,2U2/,2UN/。当
8、空载电压较小时,Re在线性段上,所以有:222(5)I0L, i= Ii-I0R, i式中:I0L ,i为第i次空载实验流过电感Le的电流有效值;Ii为第i次空载实验流过Re和Ie组成的阻抗的电流有效值。这样根据空载电流和前面解出的I0R即可求出I0L的值。然后以坐标原点为起始点,根据磁链与空载电压的关系,即可绘出 2I0L特性曲线的线性部分。当空载电压增加,Re表现出非线性特性时,根据电流有效值的定义,有1(22Ii=i0R, i+ i0L, i)dt =0(6)0式(6)中等号右边第1项可由U2I0R关系求出,式(6)等号右边第2项可按照下式求得:0式中:I0R ,i为N次空载实验中第i次
9、流过Re的电流有效值。在绘制U2I0R特性曲线时,以坐标原点为起始点,最初的几个点按式(2)计算。把这些点依次连接起来,应为一条斜率固定的直线 。当对变压器施加的正弦电压增加,Re表现出非线性时,根据功率的表达式,有0式中:ui, Pi分别为第i次空载实验外加空载电压和空载有功损耗,可以测得。本次空载实验之前的U2I0R关系已知,而且在每个线段内U2I0R关系是线性的,所以式(3)又可写为:Pi=Pi=22uii0R, idt(3)2i220R, idt +222i0L, idt202i0L, idt =j =1ijarccosij-1arccosiI0L, j-1+2I0L, j-I0L,
10、j-1j-j-12i-1j =1Ui- jarcsinUiarcsinUi- j-1Uiuj2dt +Rj22Ui-1arcsinUiuidtRi(4)2(t -icosj-1)dt(7)式中:Ri=Ui-Ui- 1,为线段i的线性电阻值。I0R ,i-I0R ,i- 1对于式(4)等号右边第1项,采用分段积分的方70式中:I0L ,j为第j次空载实验流过Le的电流有效值;j为第j次空载实验Le的磁链。式(7)中未知量仅有I0L, j可以解出 。按这种方法依次求解,即可得到反映非线性电感Le特性的2I0L关系曲线。研制与开发研制与开发黄俊杰,等基于电力电子技术有载调压变压器的无冲击调压方法由于
11、U2I0R和2I0L的关系曲线都是分段线性的,所以可以分段相加,在uUi- 1,Ui区间内,空载电流i0的表达式可写为:i0=I0R, i-1+I0L, i-1+I0R, i-I0R, i-1UUi- Ui-14仿真研究仿真研究为验证前面所述的方法,用MA TLAB对一台虚拟的单相变压器分接头切换过程进行仿真15。变压器参数为:额定容量SN= 20 kVA ;变比 =10 kV/ 0. 48 kV ;一、 二次侧的漏电阻 、 漏电抗的标幺值R1=R2= 0.012;L1=L2= 0.017 5;模型考虑铁芯的磁饱和、 磁滞引起的非线性,通过实验得到空载数据,获得铁芯的电磁特性。一次侧电源电压u
12、= 102sintkV ,负载ZL= (10. 368 + j5. 022)。2sint +(8)I0L, i-I0L, i-12costi-i-1在U2I0R和2I0L关系曲线的最初线性段,有(9)cost式中:k1, k2分别为U2I0R和2I0L关系曲线图中线性部分斜率的倒数。i0= k12Usint + k22U3无冲击调压时刻分析无冲击调压时刻分析按实际测量的空载数据,作出U2I0R和2I0L关系曲线后,由式(8)和式(1)即可解出i2的表达式,得到准确的无冲击调压时刻,可采用传输线( TLM)法来求解14。为验证本方法的正确性,结合工程实际情况,如果能对式(1)假设:ue,且励磁支
13、路的电阻和电感都为线性的,那么式(1)可写为:di2) = Bi2+ D(10)Asin(t +dt式中:) =2U(1- k1R1+ k2L1)sinAsin(t +t -k2B =D =R1。在切换前变比为额定变比,切换后变比为0. 67分接头切换过程中,考虑绕组变化引起的一次侧漏电阻和漏电感的变化。按上述方法计算,要确保投切过程无暂态,电流无冲击,应在i2= - 25. 685 A时进行分接开关的切换。仿真的一次侧电流波形如图4(a)所示,图4(b)为按理想变压器考虑时的一次电流波形。由图4可知,按本文方法调压,变压器电流波形保持连续 、 平滑和无冲击的特性。+ k1L1costR1L1
14、+R2+RL+L2+LL解式(10)得:i2=AD) -22AB2t +22sin(B+ DB+ D2-BtD) + Ce(11)cos(t +要实现无冲击过程,应在调压时刻使常数项为0 ,这样二次侧电流将直接进入稳态,所以有:图图4 4调压过程中变压器一次侧电流波形调压过程中变压器一次侧电流波形Fig.Fig.4 4CurrentCurrent w w aveformaveform ofof transformertransformer primprimaryary sidesideinin regulatingregulating processprocessi2(0) =ADABcos(
15、12)22sin-22B+ DB+ D225实验研究实验研究实际变压器的铁芯属于软磁材料,磁滞回线狭长,剩磁和矫顽力较小,大部分的励磁支路电感和电阻可以近似为线性元件 。在实验中,使用的是特制的单 相有载调压变压器,其参数为:额定容量2 kVA ,额定变比11 ,一、 二次侧绕组都平均分为10段,引出分接头。额定条件下漏电阻和漏电感分别为0. 97,3. 08 mH。负载(20. 6 + j12. 9)。实验电路见附录A ,其中R的作用是为防止有载调压使绕组发生短路,其值为1。如果R投入运行,在计算中可认为一次侧漏电阻增加R。71如果把变压器考虑为理想的,即忽略漏电阻、 漏电感和励磁支路,式(
16、12)的参数取值为:A=2U ,= 0,B=RL,D=LL,则(13)sinZL式中:ZL为负载阻抗;为负载阻抗角。式(13)表明:投切应选在t=时刻,这与传统的以负载阻抗角确定调压时刻的结论是一致的。i2(0) = -12U2009 , 33(10)5 GUERRA F C F , MOTA W S.Magnetic core model.IETScience MeasurementTechnology , 2007 , 1(3) :1452151.6王金丽,李金元,徐腊元.大功率电力电子开关用于配电变压器实验中,晶闸管的导通时刻由按前述理论计算得到,在该时刻发导通触发脉冲,然后对晶闸管在电
17、流过零时刻发维持导通脉冲 。如要晶闸管关断,只要停止发送触发脉冲,在电流过零时刻晶闸管将自然关断。在一次晶闸管切换过程中,一次侧电流的波形如图5所示,由图可见电流直接进入了稳态,没有产生冲击。无弧有载调压方案.电力系统自动化,2006 ,30(15) :972102.WAN GJinli , LI Jinyuan , XU Layuan.Scheme of arcless on2load voltage regulation for distributiontransformerusing highpowerelectronicswitch.AutomationofElectricPowerS
18、ystems , 2006 , 30(15) : 972102.7张小青,吴维韩.电力系统中考虑铁磁元件磁滞特性的暂态计算.中国电机工程学报,1993 ,13(2) :8213.ZHAN G Xiaoqing , WUHanwei.Calculation of transientinpower system containing ferromagnetic element s. Proceedings ofthe CSEE , 1993 , 13(2) :8213.8 ANNA KKAGE U D , MCLARENP G, DIR KS E , et al.Acurrent transfor
19、mermodel based on the Jiles2Atherton theory offerromagnetichysteresis.2000 , 15(1) : 57261.IEEETransonPowerDelivery ,图图5 5一次侧电流波形一次侧电流波形Fig.Fig.5 5CurrentCurrent w w aveformaveform ofof primprimaryary sideside9 PASQUAL E M , BER TOTTI G. Application of the dynamicPreisachmodel to the simulationof ci
20、rcuit s coupled by softmagnetic cores. IEEE Trans on Magnetics , 1996 , 32(5) : 423124233.10 El2HAWAR Y M E , SAID M S N , BENBOU ZID M E H.Fittingsaturationandhysteresisvia arctangentfunctions.IEEE Power Engineering Review , 2000 ,20(11) : 55257.11 DE LEON F , SEML YEN A. Complete transformermodel
21、forelectromagnetictransient s.IEEETrans on Power Delivery ,1994 , 9(1) : 2312239.12阮全荣,王亮,施围.一种计及损耗的变压器非线性模型.西安6结语结语本文在研究以电力电子器件为分接开关的有载调压变压器无冲击调压过程时,考虑了调压绕组的改变引起的变比变化和漏电阻、 漏电感大小的变化;对变压器铁芯的铁磁特性用分段线性曲线来描述 。经推导获得了变压器分接开关无冲击投切的准确时刻。通过仿真和实验检验说明本方法是有效的。附录见本刊网络版(http :/ / www. aeps/ ch/ index. aspx)。交通大学学
22、报,2006 ,40(10) :111521119.RUANQuanrong ,WAN G Liang ,SHIWei.Jiaotong University , 2006 , 40(10) : 111521119.13胡婷,游大海,金明亮.变压器有载合闸的非线性数学模型及仿Nonlineartransformermodelconsideringlosses.JournalofXian参参 考考 文文 献献1李晓明,黄俊杰,尹项根,等.平滑无冲击电力电子有载调压装真.中国电力,2006 ,39(11) :51254.HU Ting , YOU Dahai , J IN Mingliang. N
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25、ad tapchanging regulator.IEEE Trans on Power Electronics , 2007 ,22(3) : 5272534.3李晓明,王琬晴,张水长.基于 “臂2桥” 结构的无弧有载调压模断控制.高电压技术,2006 ,32(1) :65268.LI Xiaomin , PI Weicai , LOU Yin , et al. Method of switchingmutual repulsive thyristorsswitch in the tap.High VoltageEngineering , 2006 , 32(1) : 65268.型.电力系
26、统自动化,2006 ,30(7) :55259.LI Xiaoming ,WAN G Wanqing ,ZHAN G Shuichang.of Electric Power Systems , 2006 , 30(7) :55259.4万凯,刘会金,陈允平.考虑铁磁特性的有载调压变压器无暂态Anarcless OL TC model based on arm2bridge structure.Automation切换过程的理论研究.中国电机工程学报,2003 ,23 (6) :1702174.WAN Kai, LIU Huijin , CH EN Yunping.Research on the
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28、mail :xmli whu. edu. cn72研制与开发研制与开发黄俊杰,等基于电力电子技术有载调压变压器的无冲击调压方法NonNon2inrushinrush V Voltageoltage R Regulatingegulating MethodMethod forfor OLTCOLTC T Transformerransformer B Basedased onon PowPowerer ElectronicElectronic T TechnologyechnologyHUA N G J unj ie , L I Xiaoming(Wuhan University , Wuhan
29、 430072 , China)AbstractAbstract: : A non2inrush voltage regulating method is proposed for on load tap changer transformerby using the power electronicdevices. In this method , the changes of leakage resistance and inductance caused by the change of regulating wires are takeninto account.In order to
30、 consider the ferromagneticcharacteristic , the iron core of transformeris modeled as a nonlinearresistance and a nonlinear inductance.According to the data of no2load experiments , the piecewise linear expressionsused todescribe the nonlinear characteristicare acquired.By the analysis of the equiva
31、lent model of transformer , the expressionstodetermine the non2inrush moment of regulating process are derived.If the on2off control of tap changer is conducted at thismoment , the macrocosmic voltage is changed in terms of the demand of system operation ; while the waveform of themicrocosmic curren
32、t is smooth , continuous and non2inrush.The conventional method that the regulating moment is determinedby the impedance angle of load is a special example of the method presented here.The results of simulation and experimentsdemonstrate the proposed method can achieve fast , non2inrush and reliable
33、 voltage regulating process.K Keyey w wordsords: : on load tap changer ; non2inrush ; ferromagnetic characteristic ; power electronics ; thyristor(上接第23页continued from page 23)15 YU Z, RARDINR.Lessonslearnedfromthe failedriskmanagementfor planningnaturalgas fired powerplant s/ /ProceedingsofIEEEPowe
34、rEngineeringSocietyGeneralMeeting , June 18222 , 2006 , Montral , Canada : 6p.16 MAR KOWITZH.Portfolioselection2efficient diversificationof invest ments.2nd ed.Malden , MA , USA : Blackwell ,1997.17 BODIE Z, KANE A , MARCUS A J.Invest ments. 6th ed.New York , NY, USA : McGraw2Hill , 2005.18 COCHRAN
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37、etrica , 1983 , 5(3) : 8432850.) ,男,通信作者,博士研究生,主要研究庄晓丹(1981方向:电力市场和电力系统稳定。E2mail : zhuangxdzju gmail. com) ,男,硕士,主要研究方向:电力市场。洪元瑞(1980) ,男,助理教授,主要研究方向:J. N. J IAN G(1971电力系统稳定、 电力市场及其优化。AnAn OptimalOptimal ShortShort2termterm N Naturalatural G G asas PurchasePurchaseDecisionDecision MakingMaking Mode
38、lModelZ HUA N G Xiaodan1,2, HO N G Yuanrui3, J . N . J IA N G2, GA N Deqiang1(1. Zhejiang University , Hangzhou 310027 , China ; 2. Oklahoma University , Oklahoma 73019 , United States ;3. East China Grid Company Limited , Shanghai 200002 , China)AbstractAbstract: : The short2term naturalgas markets
39、usually close earlier than the electric power markets.Most electric utilitycompanies have to make fuel purchase decisions for natural gas fired power plants without knowing the actual generation levels ,which depend on such uncertain factors as new market driven unit commitments , load variations ,
40、dispatch instructionsand/ orother service requests next day. A novel two2step simulation2optimization framework is proposed for the valuation of day2aheadnatural gas purchases.In step one ,the optimal generation levels and profit distributions of feasible gas purchase decisions aresimulated , and ga
41、s purchase decision is made based on utility maximization theory in step two.The impacts of all major factorssuch as variable load , price volatilities and long2term fuel contract/ storage are considered as well.An application of theproposed framework is demonstrated.K Keyey w wordsords: : electric utility companies ; natural gas nomination ; electricity production cost ; electricity market73