一种双功能变压器及其分析

李晓明



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)

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。

双功能变压器；变压器；磁控电抗器；仿真分析；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1=10 000 V，2=10 000 V，3= 10 000 V；T1变压器线圈=0.002 pu，=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

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。

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

输入直流电流285 A，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L5、L6、L7、L8、L9，晶闸管D1、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。

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L5、交流线圈L6、交流线圈L7、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D1、D2在截止条件下，晶闸管D1、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1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%1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max。

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min。

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。

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，研究双功能变压器的基本工作原理。

3 双功能变压器仿真分析

用Matlab仿真软件中的Simulink工具箱，构建图3所示双功能变压器仿真模型如图4所示。具体参数如下：AC Voltage Source=10 000 V；T1变压器容量=707.2 kVA，线圈L1=5 000 V，L2=2 500 V，L3=2 000 V，L4=2 000 V，L5=3 900 V。T2变压器参数与T1变压器相同。

图4 双功能变压器Simulink仿真模型

在磁控电抗器直流电流等于零条件下，测量双功能变压器线圈L1的交流电流current1波形与线圈L2的交流电流current2波形如图5(a)所示。从图5(a)可以看出线圈L2的交流电流峰值约2.8×102A，线圈L1的交流电流峰值约1.4×102A。双功能变压器的一次线圈与二次线圈变比为2︰1。该电流为有功电流。

在变压器线圈L2的负载电流等于零条件下，测量磁控电抗器功能。测量双功能变压器线圈L1的交流电流波形与线圈L2的交流电流波形如图5(b)所示。磁控电抗器暂态响应时间为6 s，6 s以后线圈L1的交流电流峰值约为1.4×102A。该电流为无功电流。

线圈L2的负载与图5(a)的一样，磁控电抗器的状态与图5(b)的一样。测量双功能变压器线圈L1的交流电流波形与线圈L2的交流电流波形如图5(c)所示。可见，线圈L2的交流电流峰值约2.8×102A。图5(c)所示线圈L2的交流电流峰值与图5(a)所示线圈L2的交流电流峰值相同，该电流为有功电流。线圈L1的交流电流为有功电流与无功电流的综合值。磁控电抗器暂态响应时间为6 s，6 s以后线圈L1的交流电流峰值理论上应是2.0×102A，但是，图5(c)所示线圈L1的交流电流峰值是1.75×102A。对图5(c)所示线圈L1的交流电流波形进行放大，如图5(d)所示。从图5(d)可以看出，理论值与实际值不相符合的原因是：图5(c)线圈L1的交流电流中含有三次谐波，三次谐波把线圈L1的交流电流峰值削低了。如果滤除图5(c)、图5(d)中的三次谐波，线圈L1的交流电流峰值就可达到理论值2.0×102A。

双功能变压器减小高次谐波的方法有待进一步研究。

仿真说明，双功能变压器在一台磁控电抗器铁芯的基础上，可以同时实现变压器与磁控电抗器两种功能。变压器运行对磁控电抗器工作影响很小；磁控电抗器运行与调节对变压器工作影响很小。

(a)

(b)

(c)

(d)

图5 双功能变压器仿真实验电流波形

Fig. 5 Simulative waveforms of the double function transformer

4 总结

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%。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。变压器运行对磁控电抗器工作影响很小；磁控电抗器运行与调节对变压器工作影响很小。

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(编辑 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

李晓明(1956-), 男, 副教授, 主要从事电力系统保护与控制、电力系统及其自动化的教学与研究工作。E-mail: lixm@sdu.edu.cn