本发明属于变压器技术领域，涉及变压器励磁涌流抑制。
背景技术：
变压器空载合闸接入电网时，铁芯磁链除包含正弦稳态分量外，往往还包含相应的直流分量(直流偏磁)，偏磁较大时往往会使铁芯饱和而引发励磁涌流。励磁涌流虽然持续时间不长，但往往能达到额定电流的6-8倍，从而会导致保护装置误动作。为此，诸多科技工作者针对励磁涌流的检测与识别进行了研究，以避免继电保护装置的误动作。事实上，励磁涌流对电网中的敏感设备具有很大的危害。此外，其中的谐波、无功分量数值较大，会对电网造成严重污染。因此，消除励磁涌流才能从根本上解决以上问题。
研究表明，励磁涌流的大小与铁芯的直流偏磁程度密切相关，而偏磁大小则与铁芯剩磁及合闸时刻密切相关。从理论上讲，通过精确测量剩磁极性及大小，并控制断路器的合闸相角，使直流偏磁为零，便可以有效抑制励磁涌流。然而实际变压器一般通过真空断路器进行合闸，其合闸时间具有较大的分散性，精确的相位控制很难实现。
对于传统变压器来讲，合闸前铁芯磁链仅为剩磁，合闸后，铁芯磁链由电网电压决定，由于电网电压不可控，因此铁芯磁链也不可控。由此可见，要消除励磁涌流，必须在合闸之前实现磁链控制。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于磁链控制的变压器及励磁涌流抑制方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于磁链控制的变压器，包括主变压器、dc/ac变流器以及与dc/ac变流器的直流母线电容并联的小功率辅助电源，dc/ac变流器与主变压器的二次绕组或辅助绕组相连。在单相应用场合，主变压器采用单相双绕组或单相三绕组结构，dc/ac变流器采用单相全桥变流器。在三相应用场合，主变压器采用三相双绕组或三相三绕组结构，dc/ac变流器采用电容中点引出的三相半桥变流器。
优选的，所述基于磁链控制的变压器还包括通过控制dc/ac变流器以在主变压器接入电网前建立主变压器铁芯同步稳态磁链的铁芯磁链控制模块。
优选的，所述铁芯磁链控制模块在主变压器空载合闸之前，通过控制dc/ac变流器的端电压，使主变压器铁芯磁链实时跟踪给定的稳态指令以消除直流偏磁。
优选的，无论三相还是单相应用场合，采用双绕组结构时，主变压器包括一次绕组和二次绕组。采用三绕组结构时，主变压器包括一次绕组、二次绕组和辅助绕组。主变压器的一次绕组通过网侧断路器接入电网，二次绕组为负载供电。
优选的，所述单相全桥变流器由连接电感及相并联的2个桥臂和1个直流母线电容构成。所述三相半桥变流器由对应三相的连接电感及相并联的3个桥臂和直流母线构成，直流母线上设置有2个串联在一起的直流母线电容。所述辅助电源由相串联的限流电阻、直流侧断路器和蓄电池构成，用于在合闸前给直流母线电容限流上电。主变压器合闸接入电网之后，直流侧断路器断开，使该辅助电源退出。
优选的，在单相应用场合，当采用双绕组结构时，单相全桥变流器并联在二次绕组两端；当采用三绕组结构时，单相全桥变流器并联在辅助绕组两端。在三相应用场合，当采用双绕组结构时，二次绕组采用三相四线方式为负载供电，电容中点引出的三相半桥变流器各相输出端与对应相二次绕组首端相连，电容中点与二次绕组中性点相连；当采用三绕组结构时，辅助绕组采用星型中性点引出接法，电容中点引出的三相半桥变流器各相输出端与对应相辅助绕组首端相连，电容中点与辅助绕组中性点相连。
一种基于磁链控制的变压器励磁涌流抑制方法，包括以下步骤：在原有变压器(即上述主变压器)的二次绕组或辅助绕组上并接一dc/ac变流器。在主变压器接入电网之前，通过控制dc/ac变流器以提前建立铁芯的同步稳态磁链，从而能彻底消除电网合闸时的励磁涌流。
所述励磁涌流抑制方法具体包括以下步骤：
1)在主变压器通过网侧断路器空载合闸之前，利用上述小功率辅助电源为dc/ac变流器的直流母线电容限流上电，当dc/ac变流器母线电容达到稳定值后，该辅助电源退出；
2)经过步骤1)后，通过控制dc/ac变流器的端电压对铁芯磁链进行控制，使主变压器铁芯磁链实时跟踪给定的稳态指令以消除直流偏磁，从而能从根本上消除励磁涌流。网侧断路器合闸之后，变流器停止工作，跟踪结束。
优选的，所述步骤2)中，对铁芯磁链进行控制包括以下步骤：在单相应用场合，检测单相电网电压，通过单相锁相环计算得出电网电压的相位，用作坐标变换时的相位参考信号。根据铁芯磁链幅值与电网电压有效值之间的关系，算出磁链的幅值，将磁链的幅值作为dq同步旋转坐标系下q轴磁链的参考值。检测铁芯磁链瞬时值，并通过90度延迟构造该瞬时值在两相静止坐标系下的正交磁链信号，对两相静止坐标系下的磁链信号进行坐标变换，将通过坐标变换得出的dq同步旋转坐标系下的q轴磁链信号作为磁链瞬时反馈值，将该反馈值与所述参考值的偏差送入pi控制器进行计算，得出磁链的q轴调制信号，令磁链的d轴调制信号为0，对dq同步旋转坐标系下的磁链调制信号进行坐标反变换，得到静止坐标系下的磁链调制信号，对其中静止坐标系下α轴的磁链调制信号进行spwm调制，得出变流器的驱动脉冲以驱动单相全桥变流器发出脉冲电压，从而控制铁芯磁链。
优选的，所述步骤2)中，对铁芯磁链进行控制包括以下步骤：在三相应用场合，检测三相电网电压，通过三相锁相环计算得出电网电压的相位，用于坐标变换时的相位参考信号。根据铁芯磁链幅值与电网电压有效值之间的关系，算出磁链的幅值，将磁链的幅值作为dq0同步旋转坐标系下q轴磁链的参考值，令d轴与0轴磁链的参考值为0。检测三相铁芯磁链瞬时值，得到三相静止坐标系下a轴、b轴、c轴的磁链信号，对三相静止坐标系下的磁链信号进行坐标变换，将通过坐标变换得到的dq0同步旋转坐标系下的d轴、q轴、0轴的磁链信号作为磁链瞬时反馈值，将d轴、q轴及0轴反馈值与对应磁链的参考值的偏差分别送入pi控制器进行计算，得到磁链的d轴、q轴及0轴调制信号，对dq0同步旋转坐标系下的磁链调制信号进行坐标反变换，得出三相静止坐标系下a轴、b轴、c轴的调制信号，对各调制信号进行spwm调制，得出变流器的驱动脉冲以驱动电容中点引出的三相半桥变流器发出脉冲电压，从而控制三相铁芯的磁链。
优选的，所述步骤2)中，当网侧断路器合闸之后，封锁变流器的驱动脉冲，使变流器停止工作，跟踪结束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过将dc/ac变流器接入变压器，在空载合闸之前，利用变流器提前在铁芯中构建与电网电压同步的正弦稳态磁链，从而能有效避免直流偏磁引起的励磁涌流。本发明对断路器的合闸时刻没有任何限制，不再需要精确控制断路器的合闸相角，不存在合闸时刻的分散性问题，无论何时合闸，磁链都将直接处于稳态，从而能从根本上消除励磁涌流。
附图说明
图1a为单相三绕组变压器励磁涌流抑制方案的主电路拓扑示意图。
图1b为单相双绕组变压器励磁涌流抑制方案的主电路拓扑示意图。
图2a为三相三绕组变压器励磁涌流抑制方案的主电路拓扑示意图。
图2b为三相双绕组变压器励磁涌流抑制方案的主电路拓扑示意图。
图3为变压器铁芯磁链控制框图，其中：(a)单相应用场合；(b)三相应用场合。
图4为涌流抑制前后铁芯磁链标幺值及一次绕组电流波形图，其中：(a)无磁链控制；(b)有磁链控制。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。应当理解，此处所述的实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出的一种基于磁链控制的变压器空载合闸励磁涌流抑制方法可应用于单相或三相应用场合，可以通过双绕组变压器实现，也可通过三绕组变压器实现。
如图1a所示，基于磁链控制的变压器励磁涌流抑制方法的单相三绕组实现装置，由单相三绕组变压器20、单相全桥变流器21及辅助电源22构成。单相三绕组变压器20包括一次绕组1、二次绕组2和辅助绕组3。单相全桥变流器21包括连接电感6、直流母线电容8以及由开关单元7构成的左、右桥臂，左、右桥臂均与直流母线电容8并联，连接电感6一端接入左桥臂中点，另一端作为单相全桥变流器21的输出端，右桥臂的桥臂中点作为单相全桥变流器21的另一个输出端。辅助电源22包括直流侧断路器9、限流电阻10和蓄电池11，三者依次串联。一次绕组1通过网侧断路器4接入电网电源5，二次绕组2为负载供电，辅助电源22与直流母线电容8并联，单相全桥变流器21的输出端并联接入辅助绕组3两端。
如图1b所示，基于磁链控制的变压器励磁涌流抑制方法的单相双绕组实现装置，由单相双绕组变压器30、单相全桥变流器21及辅助电源22构成。单相双绕组变压器30包括一次绕组1和二次绕组2。单相全桥变流器21的输出端并联在二次绕组2两端。单相全桥变流器21及辅助电源22的内部构成及其连接关系、一次绕组1与电网电源5及二次绕组2与负载的连接方式与单相三绕组实现装置一致。
如图2a所示，基于磁链控制的变压器励磁涌流抑制方法的三相三绕组实现装置，由三相三绕组变压器40、三相半桥变流器31和上述辅助电源22构成。三相三绕组变压器40包括a相、b相和c相一次绕组1a、1b和1c、a相、b相和c相二次绕组2a、2b和2c及a相、b相和c相辅助绕组3a、3b和3c。a相、b相、c相一次绕组1a、1b、1c的首/末端a/x、b/y、c/z，a相、b相、c相二次绕组2a、2b、2c的首/末端a2/x2、b2/y2、c2/z2以及a相、b相、c相辅助绕组3a、3b、3c的首/末端a3/x3、b3/y3、c3/z3于图中标出。三相半桥变流器31包括a相、b相和c相连接电感6a、6b和6c、第一直流母线电容8s和第二直流母线电容8x，以及由开关单元7构成的三相桥臂，第一、第二直流母线电容8s、8x串联在一起构成支撑直流母线的电容，二者的串联中点作为直流母线电容中点j引出，三相桥臂均并联在直流母线上，a相、b相、c相连接电感6a、6b、6c各自的一端分别接入对应一个桥臂中点，各自的另一端作为三相半桥变流器31的a相、b相、c相输出端u3、v3、w3。辅助电源22并联在直流母线上。a相、b相、c相一次绕组1a、1b、1c采用星形中点引出接法通过a相、b相、c相网侧断路器4a、4b、4c分别接入a相、b相、c相电网电源5a、5b、5c；具体为：a相、b相、c相网侧断路器4a、4b、4c各自的一端分别与a相、b相、c相电网电源5a、5b、5c的一端对应相连，各自的另一端与a相、b相、c相一次绕组1a、1b、1c的首端a、b、c相连，a相、b相、c相一次绕组1a、1b、1c的末端x、y、z则连在一起并与电网电源的中性点相连。a相、b相、c相二次绕组2a、2b、2c采用三相四线制方式为负载供电；具体为：a相、b相、c相二次绕组2a、2b、2c的首端a2、b2、c2分别与负载a相、b相、c相端子u2、v2、w2对应相连，a相、b相、c相二次绕组2a、2b、2c的末端x2、y2、z2则连在一起并接入负载中性点。三相半桥变流器31接入a相、b相和c相辅助绕组3a、3b和3c；具体为：三相半桥变流器31的a相、b相、c相输出端u3、v3、w3分别与a相、b相、c相辅助绕组3a、3b、3c的首端a3、b3、c3相连，a相、b相、c相辅助绕组3a、3b、3c的末端x3、y3、z3连在一起并与直流母线电容中点j相连。
如图2b所示，基于磁链控制的变压器励磁涌流抑制方案的三相双绕组实现装置，由三相双绕组变压器50、三相半桥变流器31和辅助电源22构成。三相双绕组变压器50包括a相、b相和c相一次绕组1a、1b和1c及a相、b相和c相二次绕组2a、2b和2c。a相、b相、c相一次绕组1a、1b、1c与a相、b相、c相电网电源5a、5b、5c的连接关系、a相、b相、c相二次绕组2a、2b、2c与负载的连接关系及三相半桥变流器31和辅助电源22的内部构成及其连接关系与三相三绕组实现装置一致。所不同的是，三相半桥变流器31并联在a相、b相和c相二次绕组2a、2b和2c上；具体为：三相半桥变流器31的a相、b相、c相输出端u3、v3、w3分别与a相、b相、c相二次绕组2a、2b、2c的首端a2、b2、c2相连，a相、b相、c相二次绕组2a、2b、2c的末端x2、y2、z2连在一起并与直流母线电容中点j相连。
在以上各类装置基础上设计的励磁涌流抑制方案说明如下：
参见图1a、图1b，单相应用情形中，首先网侧断路器4断开，直流侧断路器9合闸，蓄电池11通过限流电阻10为直流母线电容8限流上电，或者，参见图2a、图2b，三相应用情形中，首先a相、b相、c相网侧断路器4a、4b、4c均断开，直流侧断路器9合闸，蓄电池11通过限流电阻10为相串联的第一、第二直流母线电容8s、8x限流上电；无论单相还是三相情形，当母线电容达到稳定值后，直流侧断路器9断开，辅助电源退出，然后利用变流器进行磁链控制使铁芯磁通能够快速跟踪给定的正弦稳态磁通，从而避免直流偏磁，以抑制励磁涌流。
如图3(a)所示，单相应用场合的磁链控制流程：假设通过磁链观测，测得铁芯的实时磁链值为ψ，将其作为两相静止坐标系下α轴的磁链信号ψα，即令ψα＝ψ；对ψα延时90度，构造出与ψα正交的β轴的磁链信号ψβ，对ψα、ψβ进行坐标变换，坐标变换如式(1)所示，得出同步旋转坐标系下的磁链信号ψd、ψq：
式中，ω为电网角频率，t为时间。
在q轴下，建立磁链闭环控制系统，设q轴磁链的给定信号为ψqref，则ψqref可由式(2)得出：
式中，us为电网电压的有效值。
将ψqref与ψq的偏差δψq作为pi控制的输入，将pi控制器的输出作为q轴的调制信号mq，令d轴调制信号md＝0。然后通过坐标反变换得出两相静止坐标系下的调制信号mα与mβ。坐标反变换如式(3)所示：
对α轴调制信号mα进行调制，得出单相全桥变流器21的驱动脉冲，从而控制变流器的端电压，进而实现磁链的跟踪控制。
如图3(b)所示，三相应用场合的磁链控制流程：假设通过磁链观测，测得铁芯的三相实时磁链值为ψa、ψb、ψc，将其作为三相静止坐标系下a轴、b轴、c轴的磁链信号。对ψa、ψb、ψc进行坐标变换，得出同步旋转坐标系下的磁链信号ψd、ψq、ψ0。坐标变换如式(4)所示：
在d轴、q轴、0轴下建立磁链闭环控制系统，设d轴、q轴、0轴磁链的给定信号为ψdref、ψqref、ψ0ref，其值由式(5)给出：
将ψdref与ψd、ψqref与ψq、ψ0ref与ψ0的偏差δψd、δψq、δψ0作为pi控制器的输入，将pi控制器的输出作为d轴、q轴、0轴的调制信号md、mq、m0。然后通过坐标反变换得出三相静止坐标系下的调制信号ma、mb、mc。坐标反变换如式(6)所示：
对a轴、b轴、c轴调制信号ma、mb、mc进行调制，得出三相半桥变流器31的驱动脉冲，从而控制变流器的端电压，进而实现磁链的跟踪控制。
基于以上电路拓扑及控制流程，可构建变压器磁链闭环控制系统仿真模型。参见图4，通过对比有无磁链控制时铁芯磁链标幺值及一次绕组实际电流的仿真波形，从中可以看到，无磁链控制时，空载合闸后(t＝0.08s)，铁芯中往往会出现明显的直流偏磁(标幺值达到2)，导致铁芯饱和，从而引发较大的励磁涌流(电流峰值达到10a，约为额定值电流的5倍)。而添加磁链控制后，在空载合闸之前(t＝0.08s之前)，铁芯磁链已通过闭环跟踪控制预先进入正弦稳态，其波形与电网电压同步，相位比电网电压延迟90度，这相当于在空载合闸之前预先建立了变压器稳态运行时的铁芯磁链，因此之后无论在任何时候合闸、均不会引发直流偏磁，从而能从根本上消除励磁涌流。
总之，在变压器的二次绕组或辅助绕组接入一小容量(数值需根据变压器容量决定)dc/ac变流器，在空载合闸之前，检测一次侧电网电压的相位，根据绕组电压与铁芯磁链之间的关系，导出铁芯磁链的参考指令(式2、式5)。在同步旋转坐标系中构建铁芯磁链闭环pi控制系统，以控制变流器的输出电压，使铁芯磁链对磁链参考值进行无静差跟踪，从而在空载合闸之前能够在铁芯中预先建立一个与电网电压相位差为90度的正弦同步磁链。通过上述措施，无论变压器何时合闸，铁芯磁链将直接处于稳态而无暂态过程，从而能彻底消除励磁涌流。