基于合闸电压频率控制的变压器励磁涌流抑制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于合闸电压频率控制的变压器励磁涌流抑制系统及方法，包括剩磁检测，参数设置；生成控制函数，计算控制函数参数；将系统电源与变压器一次侧通过合闸电压频率控制系统连接，根据控制函数改变输入变压器的电压频率，结束控制断开合闸电压频率控制系统并将电源与变压器一次侧直接合闸。本发明的有益效果：能够对变压器空载合闸过程中磁通的大小进行精确控制，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；能够从根本上抑制励磁涌流的产生，能更有效的避免励磁涌流对变压器本身、变压器保护等设备的影响；允许对控制函数进行选择和设置，能够确保控制方案的灵活性和对不同类型变压器的适应性。
【专利说明】
基于合闸电压频率控制的变压器励磁涌流抑制系统及方法
技术领域
[0001] 本发明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频率控制的变 压器励磁涌流抑制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 目前应对励磁涌流影响的方法包括：
[0004] (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。
[0005] (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。
【发明内容】
[0006] 本发明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 一种基于合闸电压频率控制的变压器励磁涌流抑制系统及方法，通过在变压器与一次侧系 统电源之间接一个合闸电压频率控制系统，可控制输入电压的频率大小，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。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0008] -种基于合闸电压频率控制的变压器励磁涌流抑制系统，包括合闸电压频率控制 系统，所述合闸电压频率控制系统分别通过开关与电源系统和变压器连接，所述电源系统 通过开关直接与变压器连接；
[0009] 所述合闸电压频率控制系统包括：
[0010] 剩磁估算模块：用于监测变压器合闸之前铁芯内的剩磁情况，并将剩磁数据传送 至合闸电压频率函数控制模块；
[0011]控制参数设置模块:用于将人为设定的控制开始时间、结束时间、结束控制的条件 参数变成合闸电压频率函数控制模块可识别的信号，并将所述信号传送至合闸电压频率函 数控制模块；
[0012]合闸电压频率函数控制模块:用于将输入的信号按照预定的控制原理生成电压频 率控制函数，计算控制函数的各参数;按照控制函数的参数将控制信号分别输出到合闸电 压频率输出模块和开关切换控制模块中；
[0013] 合闸电压频率输出模块:根据接收到的合闸电压频率函数控制模块的控制参数， 对输出电压频率进行改变并输出改变后的电压；
[0014] 开关切换控制模块：用于根据接收到的合闸电压频率函数控制模块的控制参数， 控制变压器的空载合闸。
[0015] 进一步地，在控制开始的时刻，将系统电源通过合闸电压频率控制系统接通到空 载变压器的一次侧，对电源电压进行频率控制，输出改变频率后的电源电压;达到结束控制 条件后，切断合闸电压频率控制系统与变压器、系统电源之间的连接，并将系统电源直接与 变压器一次侧直接连接，结束整个合闸电压频率控制过程。
[0016] -种基于合闸电压频率控制的变压器励磁涌流抑制方法，包括：
[0017] ⑴检测合闸前变压器剩磁大小与方向，设置控制开始时间、结束时间、控制结束 条件参数；
[0018] (2)按照预定的控制原理生成电压频率变化控制函数，计算控制函数的各参数；
[0019] (3)按照控制函数对系统电源电压的频率进行改变;将改变频率后的电压输入到 变压器的一次侧；
[0020] (4)达到控制结束条件后，电压频率控制结束，变压器一次侧的输入电压变为系统 电源电压。
[0021] 进一步地，所述步骤(1)中，控制结束条件指结束控制时的变压器磁通频率等于工 频。
[0022] 进一步地，所述步骤(2)中，控制原理为:通过控制输入电压频率使变压器铁芯任 意时刻的磁通不超过变压器饱和磁通。
[0023] 进一步地，所述步骤⑵中，生成的控制函数为：
[0024] f(t) = fm(2-eat)；
[0025] 其中，a>0，fm彡50，a、fm分别为待设定的量。
[0026] 进一步地，控制函数中的fm决定频率的初值:fm越大，频率初值越大，磁通幅值初值 越小。
[0027] 进一步地，fm在合闸角与剩磁最不利情况合闸时获得，即变压器瞬时磁通等于饱 和磁通的极限愔况下莊得.
[0028]
[0029] 其中，Um为系统电源幅值，N1为变压器一次侧绕组匝数，心为变压器一次侧绕组电 阻，为变压器磁化电感，Φ ο为变压器剩磁，<i>sat= 1.26 Φν，Φ N为额定磁通。
[0030] 进一步地，控制函数中的a决定电压频率的变化率:a越大频率的衰减越快;a的值 是在控制过程经过A t时间结束时，令频率函数等于工频得到，
[0031]
[0032] 其中，Δ t为电压频率控制过程的时长。
[0033]本发明的有益效果是：
[0034] 变压器空载合闸过程中产生的幅值较大的励磁涌流，不仅给变压器本身带来不利 影响，还会影响变压器保护的正常工作，导致空载合闸失败。本发明从分析变压器空载合闸 励磁涌流的产生机理出发，分析产生励磁涌流的各种影响因素，确定抑制励磁涌流的技术 措施。在考虑各种技术措施实施的可行性前提下，选择控制合闸电压频率这一参数，从而达 到控制变压器空载合闸励磁涌流的目的。
[0035] 本发明提出的技术措施，能够对变压器空载合闸过程中磁通的大小进行精确控 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，本发明能够从根本上抑制励磁涌流的产生，自然就能够避 免励磁涌流对变压器本身、变压器保护等设备的影响，而励磁涌流识别方法不能减小励磁 涌流，虽然能在一定程度上避免其对变压器保护的不利影响，但无法避免其对变压器本身 的影响。此外，本发明提出的变压器空载合闸电压频率控制方案允许对控制参数进行选择 和设置，能够确保控制方案的灵活性和对不同类型变压器的适应性。
【附图说明】
[0036] 图1是本发明设计的电压频率控制系统示意图；
[0037] 图2是电压频率控制曲线；
[0038]图3(a)是仿真一的三相变压器A相到B相的相间磁通图；
[0039] 图3(b)是仿真一的三相变压器B相到C相的相间磁通图；
[0040] 图3(c)是仿真一的三相变压器C相到A相的相间磁通图；
[0041 ]图4(a)是仿真二的三相变压器A相到B相的相间磁通图；
[0042] 图4(b)是仿真二的三相变压器B相到C相的相间磁通图；
[0043] 图4(c)是仿真二的三相变压器C相到A相的相间磁通图；
[0044] 图5是仿真一差动电流有效值；
[0045] 图6是仿真二差动电流有效值。
【具体实施方式】：
[0046] 下面结合附图与实例对本发明做进一步说明：
[0047] -种基于合闸电压频率控制的变压器励磁涌流抑制系统，如图1所示，包括:合闸 电压频率控制系统，合闸电压频率控制系统分别通过开关与电源系统和变压器连接，电源 系统通过开关直接与变压器连接；
[0048]合闸电压频率控制系统包括：
[0049] 剩磁估算模块：用于监测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；并将剩磁数据传送至合闸电压频率函数控制模块；
[0050] 控制参数设置模块:用于将人为设定的控制开始时间、结束时间、结束控制的条件 等参数变成合闸电压频率函数控制模块可识别的信号，并将所述信号传送至合闸电压频率 函数控制模块；
[0051 ]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。
[0052]合闸电压频率函数控制模块:用于将输入的信号按照预定的控制原理生成控制函 数，计算控制函数的各参数;按照控制函数的参数将控制信号分别输出到合闸电压频率输 出模块和开关切换控制模块中；
[0053] 合闸电压频率输出模块:根据接收到的合闸电压频率函数控制模块的控制参数， 对输出电压频率进行改变并输出改变后的电压；
[0054] 开关切换控制模块：用于根据接收到的合闸电压频率函数控制模块的控制参数， 控制变压器的空载合闸。
[0055] 合闸电压频率输出模块与开关切换控制模块按照合闸电压频率控制模块输入的 控制信号，在控制开始的时刻，将系统电源通过合闸电压频率控制系统接通到空载变压器 的一次侧，开始合闸电压频率控制过程，达到结束控制条件后，切断合闸电压频率控制系统 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，结束整个合闸 电压频率控制过程。
[0056] -种基于合闸电压频率控制的变压器励磁涌流抑制方法，包括：
[0057] (1)检测合闸前变压器剩磁大小与方向，设置控制开始时间、结束时间等参数；
[0058] (2)根据剩磁与设置的参数，根据控制原理生成特定的控制函数，计算控制函数的 各参数；
[0059] (3)将合闸电压频率控制系统接入到系统电源与变压器一次侧之间，整体系统进 入合闸电压频率控制过程，按照控制函数对系统电源的电压频率进行改变，结束电压频率 控制后将切断合闸电压频率控制系统与电源和变压器的连接，同时将系统电源与变压器一 次侧直接合闸。
[0060] 采用一种与暂态磁通分量变化规律互为倒数的单调递减的电压频率变化控制函 数fw。该频率控制函数曲线的特点是曲线平滑，不会引起磁通的突变，电压频率曲线函数 的斜率与暂态磁通分量曲线的斜率互为倒数，最终值等于工频。因此可得到控制函数的函 数式f(t) = fm(2-eat)，其中a>0，fm彡50为待设定的量。
[0061 ] 励磁涌流im与变压器磁通Φηι的关系为im~Nl Φηι/?μ，其中Nl中为变压器一次侧绕 组匝数，U为变压器磁化电感。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频率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I . 1 Φ sat为1.26 Φν，Φ N为变压器额定磁通。即任意时刻磁通Φιη需 满足下式：
[0062]
(1)
[0063] 其中Φ ο为剩磁，α为合闸角，R1为一次侧绕组电阻，Um为系统电源幅值，
[0064] 令公式（1)中的c〇=23ifw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fm决定频率的初值。fm越大，频率初值越大，磁通幅值初值越小。fm在合闸角 与剩磁最不利情况合闸时获得，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(a) = -1，φ 〇为正，为方便计算将稳态分量中的sin( ω t+α) = 1，在t = 0时刻，令 变压器内磁通等于饱和磁通1.1 Φ sat，得到式(2)。式⑵为fm的值。
[0065]
(2.)
[0066] 控制函数中的a决定频率的变化率。a越大频率的衰减越快。a的值是在控制过程经 过At时间结束时，令频率函数等于工频得到，即f m(2_eaAt) =50。结果如式⑶所示。 则
⑴
[0068]上述参数对单相与三相变压器都适用。
[0069] 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。
[0070] 图1中，当要对变压器进行空载合闸时，首先同时闭合合闸电压频率控制系统与系 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频率控制系统的 输出电压，输出电压的频率变化是步骤(3)设定的控制函数的形式变化，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 频率控制系统的输出电压频率等于工频，此时先直接将变压器一次侧与系统电源接通，然 后先断开合闸电压频率控制系统与变压器一次侧的开关，再断开合闸电压频率控制系统与 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。
[0071] 当合闸电压频率控制系统的输出电压频率等于工频后，合闸电压频率控制系统可 以退出运行，改由系统电源直接给变压器供电，此过程中不存在频率的改变，且由于本发明 不改变电压幅值和相角，因此在两个供电回路切换时也不存在幅值和相角的突变。因此完 全可以忽略切换的暂态过程所带来的冲击。
[0072]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。
[0073] 仿真一：设置三相剩磁分别为 Φ OA=O · 97 Φ max、Φ OB = -O · 70 Φ max、Φ OC = -O · 26 Φ max。在A相合闸角为0°时不采用合闸电压频率控制方案，直接三相空载合闸。
[0074] 仿真二:在仿真一的初始条件与合闸角都相同的情况下，采用合闸电压频率控制 措施。以1.1 Φ 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Φ Q = O . 97 Φ max。根据公式（2)计算得fm = 67.07。本仿真设置合闸电压频率控制过程时间为2秒，即At = 2s，根据公式(3)计算可得a =0.113。电压频率控制曲线函数示意图如图2所示。
[0075] 在三相变压器模型中可以得到两相之间的磁通，如图3(a)-图3(c)与图4(a)-图4 (c)所示，，纵坐标是以1.1 为基准的标么值。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5、图6所示。
[0076]由图3(a)-图3(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1.2XA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。
[0077] 采用合闸电压频率控制方案后，仿真二的相间铁芯磁通最值情况相比图3要明显 减小，如图4(a)-图4(c)所示。从1秒开始采用合闸电压频率控制方案后，三相的铁芯磁通绝 对值最大值均没有超过标么值1，磁通幅值均由〇. 6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。
[0078] 对仿真一与仿真二的差动电流标么值进行傅里叶变换得到其有效值分别如图5与 图6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0.032。仿真二在开始实施控制方案后，A、B、C相差动电流分别 从0.024、0.022、0.027开始振动变化到控制结束时的0.040、0.039，0.041，振动改变的原因 是由于频率在不断的改变。结束控制方案之后均出现一个小幅的跳变，经过1.2秒后稳定到 0.032。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50 倍多，且其最大值远小于标么值，因此可以忽略励磁涌流对差动电流的影响。
[0079] 综上可见仿真二的合闸电压频率控制方案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，因此本发明的电压频率 控制策略可以达到抑制励磁涌流的目的。
[0080] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。
【主权项】
1. 一种基于合闽电压频率控制的变压器励磁涌流抑制系统，其特征是，包括合闽电压 频率控制系统，所述合闽电压频率控制系统分别通过开关与电源系统和变压器连接，所述 电源系统通过开关直接与变压器连接； 所述合闽电压频率控制系统包括： 剩磁估算模块：用于监测变压器合闽之前铁忍内的剩磁情况，并将剩磁数据传送至合 闽电压频率函数控制模块； 控制参数设置模块:用于将人为设定的控制开始时间、结束时间、结束控制的条件参数 变成合闽电压频率函数控制模块可识别的信号，并将所述信号传送至合闽电压频率函数控 制板块； 合闽电压频率函数控制模块:用于将输入的信号按照预定的控制原理生成电压频率控 制函数，计算控制函数的各参数;按照控制函数的参数将控制信号分别输出到合闽电压频 率输出板块和开关切换巧制板块中； 合闽电压频率输出模块:根据接收到的合闽电压频率函数控制模块的控制参数，对输 出电压频率进行改变并输出改变后的电压； 开关切换控制模块：用于根据接收到的合闽电压频率函数控制模块的控制参数，控制 变压器的空载合闽。2. 如权利要求1所述的一种基于合闽电压频率控制的变压器励磁涌流抑制系统，其特 征是，在控制开始的时刻，将系统电源通过合闽电压频率控制系统接通到空载变压器的一 次侧，对电源电压进行频率控制，输出改变频率后的电源电压;达到结束控制条件后，切断 合闽电压频率控制系统与变压器、系统电源之间的连接，并将系统电源直接与变压器一次 侧直接连接，结束整个合闽电压频率控制过程。3. -种基于合闽电压频率控制的变压器励磁涌流抑制方法，其特征是，包括： (1) 检测合闽前变压器剩磁大小与方向，设置控制开始时间、结束时间、控制结束条件 参数； (2) 按照预定的控制原理生成控制函数，计算控制函数的各参数； (3) 按照控制函数对系统电源电压的频率进行改变;将改变频率后的电压输入到变压 器的一次侧； (4) 达到控制结束条件后，电压频率控制结束，变压器一次侧的输入电压变为系统电源 电压。4. 如权利要求3所述的一种基于合闽电压频率控制的变压器励磁涌流抑制方法，其特 征是，所述步骤(1)中，控制结束条件指结束控制时的变压器磁通频率等于工频。5. 如权利要求3所述的一种基于合闽电压频率控制的变压器励磁涌流抑制方法，其特 征是，所述步骤(2)中，控制原理为:通过控制输入电压频率使变压器铁忍任意时刻的磁通 不超过变压器饱和磁通。6. 如权利要求3所述的一种基于合闽电压频率控制的变压器励磁涌流抑制方法，其特 征是，所述步骤(2)中，生成的控制函数为： f (t) = fm(2~e^*)； 其中，a>0，fm>50，a、fm分别为待设定的量。7. 如权利要求6所述的一种基于合闽电压频率控制的变压器励磁涌流抑制方法，其特 征是，控制函数中的fm决定频率的初值:fm越大，频率初值越大，磁通幅值初值越小。8.如权利要求7所述的一种基于合闽电压频率控制的变压器励磁涌流抑制方法，其特 征是，fm在合闽角与剩磁最不利情况合闽时获得，即变压器瞬时磁通等于饱和磁通的极限 情况下获得，其中，Um为系统电源幅值，化为变压器一次侧绕组应数，扣为变压器一次侧绕组电阻，为 变压器磁化电感，4 Q为变压器剩磁，4 sat= 1.26 d) N，4 N为额定磁通。 9 .如权利要求6所述的一种基于合闽电压频率控制的变压器励磁涌流抑制方法，其特 征是，控制函数中的a决定电压频率的变化率:a越大频率的衰减越快;a的值是在控制过程 经过A t时间结束时，令频率函数等于工频得到，其中，A t为电压频率控制过程的时长。
【文档编号】H02H7/04GK105914710SQ201610257822
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】李猷民, 李沐, 刘希峰, 肖静, 马玮杰, 隋金文
【申请人】国网山东省电力公司检修公司, 国家电网公司