本发明属于电力系统仿真技术领域，具体涉及一种精确模拟铁心特性的变压器仿真模型。
背景技术：
针对存在于电力系统中，由变压器铁心励磁特性所引起的励磁涌流和应涌流等一系列实际问题，需要通过在计算机上建立精确的仿真模型来研究这些问题的发生机理以及解决措施。计算机中电力系统仿真模型的准确性对于这些实际工程问题的解决具有非常重大的意义。因此，需要在电力系统仿真软件中，对变压器铁心的励磁特性进行尽可能精确以及完整的建模，从而对上述实际工程问题进行深入的机理性研究，提出一系列有效的解决方法。
目前国内普遍使用的电力系统电磁暂态仿真软件中，所使用的变压器模型多数都采用磁滞中线来实现对变压器励磁特性的模拟，这种仿真方法下得到的变压器模型的励磁曲线表现为一条单值曲线，其铁心磁感应强度b和磁场强度h之间的关系为单值特性。采用这种方法能够简化变压器的建模过程，但不能体现实际工程中变压器铁心的磁滞特性，在一定程度上影响了电力系统仿真的精度，另外也无法模拟变压器铁心剩磁对于整个电力系统的影响。
技术实现要素：
鉴于上述，本发明提供了一种精确模拟铁心特性的变压器仿真模型，通过磁滞回线来模拟变压器铁心的励磁特性，能够对铁心的磁滞特性进行精确模拟，进一步提升电力系统电磁暂态的准确性。
一种精确模拟铁心特性的变压器仿真模型，包括理想变压器、可控电流源以及励磁支路控制模块，所述可控电流源并联于理想变压器的一次侧，所述励磁支路控制模块用于实时检测理想变压器一次侧的电压vl，并根据变压器物理参数和铁心磁滞回线的模型参数计算输出可控电流源的控制量im，从而控制可控电流源产生对应大小的电流。
进一步地，所述变压器物理参数包括变压器一次侧绕组匝数n、变压器铁心等效横截面积area、变压器铁心平均磁路长度l以及变压器铁心剩磁bre。
进一步地，所述铁心磁滞回线的模型参数包括磁畴壁弯曲常数c、磁滞损失系数k、k的调整系数β、区域耦合系数α、饱和磁化强度ms以及无磁滞磁化曲线形状参数f1～f4，这些模型参数由变压器厂商提供或通过仿真拟合得到。
进一步地，仿真拟合铁心磁滞回线模型参数的具体方法为：首先通过测量获得实际变压器的铁心磁滞回线，初始化铁心磁滞回线的模型参数，以实际变压器铁心磁滞回线与变压器仿真模型铁心磁滞回线的误差作为目标函数，利用下山单纯形法(nelder-mead)对该目标函数进行最优化求解，以确定出变压器仿真模型的铁心磁滞回线，并最终得到该铁心磁滞回线的模型参数。
进一步地，所述励磁支路控制模块通过以下算式计算输出可控电流源的控制量im：
其中：hn+1为当前仿真时刻的铁心磁场强度，n为变压器一次侧绕组匝数，l为变压器铁心平均磁路长度。
进一步地，所述铁心磁场强度hn+1的计算表达式如下：
其中：bn和bn+1分别为上一仿真时刻和当前仿真时刻的铁心磁感应强度，μ0为真空磁导率，mn为上一仿真时刻的铁心磁化强度，area为变压器铁心等效横截面积，h为仿真计算步长。
进一步地，所述励磁支路控制模块计算输出可控电流源的控制量im后，更新计算出当前仿真时刻的铁心磁化强度mn+1以供下一仿真时刻计算可控电流源控制量im中使用，具体更新计算表达式如下：
he＝hn+1+αmn
其中：hn为上一仿真时刻的铁心磁场强度，man为铁心无磁滞磁化强度，he为铁心有效磁场强度，c为磁畴壁弯曲常数，k为磁滞损失系数，β为k的调整系数，α为区域耦合系数，ms为饱和磁化强度，f1～f4为无磁滞磁化曲线形状参数。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：
(1)本发明仿真模型实现了对变压器铁心磁滞特性的精确模拟。
(2)本发明仿真模型能够通过设定初始时刻铁心的剩磁值来模拟变压器铁心剩磁的影响。
(3)本发明仿真模型采用电流源来模拟变压器的励磁支路，不会在仿真过程中改变仿真软件的系统矩阵，提高了仿真速度。
附图说明
图1为本发明变压器仿真模型的结构示意图。
图2为本发明励磁支路控制模块的计算流程示意图。
图3为本发明变压器仿真模型中铁心磁感应强度b与铁心磁化强度h的关系曲线示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明精确模拟铁心特性的变压器仿真模型包括：
理想变压器，一次侧通过端口ab与实际电路相连，二次侧通过端口ab与实际电路相连。
可控电流源，并联在理想变压器一次侧，代表变压器模型的励磁支路，可以根据输入的控制量输出对应大小的电流，电流正方向为从a流向b。
励磁支路控制模块，能够实时测量理想变压器一次侧的电压vl，根据设定的变压器物理参数和变压器铁心磁滞回线的数学模型，输出可控电流源的控制量im。本实施例中变压器ab端与工频交流电压源相连接，ab端空载；励磁支路控制模块中所需要设定的变压器物理参数如表1所示，励磁支路控制模块中所使用的铁心磁滞回线的数学模型需要设定的参数如表2所示。
表1
表2
对上述电路进行仿真计算，每一个仿真步长中励磁支路控制模块进行计算的具体步骤如图2所示：
(1)读取上一仿真时刻的铁心磁化强度mn、上一仿真时刻的磁场强度hn以及上一仿真时刻的磁感应强度bn。若当前为仿真起始时刻，则按照下式读取各个变量的值(即初始化值)：
mn＝1×10-6,hn＝1×10-6,bn＝bre
(2)读取此时ab两端电压vl，根据下式计算最新仿真时刻的磁感应强度bn+1：
(3)根据下式计算最新仿真时刻的磁场强度hn+1以及相比上一仿真时刻的增量δh：
其中：μ0为真空磁导率。
(4)根据下式计算最新仿真时刻励磁支路控制模块输出的可控电流源的控制量im：
(5)根据下式计算最新仿真时刻的磁化强度mn+1：
其中：m对h的微分表达式
5.1计算出铁心的有效磁场强度he：
he＝hn+1+αmn
5.2计算无磁滞磁化强度man：
5.3计算man对he的微分表达式：
5.4计算m对h的微分表达式
(6)将这一仿真时刻的磁感应强度bn+1保存为bn，磁化强度mn+1保存为mn，磁场强度hn+1保存为hn，回到步骤(2)开始计算下一仿真时刻的各个变量。
根据励磁支路控制模块输出的每一时刻的磁感应强度b和磁化强度h，可以得到如图3所示的磁化曲线。本实施例中励磁支路控制模块、理想变压器以及工频交流电压源的输入参数如表3所示：
表3
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。