變壓器短路試驗供電裝置網側電流平衡控制仿真

王文廷，陸建峰，呂仲成

（國網浙江省電力有限公司緊水灘水力發電廠，麗水 323000）

0 引言

在供電網絡中，變壓器元件始終保持三相供電、單相運行的連接形式，能夠從高壓端接收大量的輸入電量，并可以借助單相電源，將傳輸電量轉變成直流輸出形式，以供下級接入裝置的直接調取與利用。在實際應用過程中，負載波總是處于劇烈振蕩狀態，不但會造成明顯的負載率不均衡情況，也會使變壓器元件長期在過負載條件下運行[1]。由于供電裝置網側的傳輸電流并不能完全受控，所以變壓器短路現象的發生較為頻繁，特別是在直流電壓數值較大的情況下，短路電容值會在較短時間內達到其極限數值狀態，不但會對主供電設備造成較大的物理壓力，還會使變壓器元件所承擔的壓感系數發生改變，并最終會對供電裝置網側的電流平衡狀態造成影響。為解決上述問題，設計變壓器短路試驗供電裝置網側的電流平衡控制方法。

1 變壓器短路試驗的主電路參數設計

1.1 直流電壓

變壓器供電網絡可將高壓交流電調制成低壓直流電的輸出形式，且在此過程中，由于S1、S2、S3幾類平衡裝置的存在，即便是發生明顯的短路現象，變壓器元件所能提供的直流電壓數值也不會遠低于其額定供應電壓。具體變壓器供電網絡示意圖如圖1所示。

圖1 變壓器供電網絡

通常情況下，直流電壓的選取不僅要依據變壓器交流側的電壓等級數值，還要考慮元件自身的補充容量及電阻設備的平均耐壓能力。

這里定義兩個變量d、l，分別表達為：

其中，δ表示恒定的變壓器穩流系數。一般來說，直流電壓指標的取值越大，變壓器元件在短路試驗中表現出的行為能力也就越強。

1.2 短路電容值

短路電容是指在發生變壓器短路行為時，供電裝置網側電阻元件內部容量所呈現的數值狀態，受到直流電壓指標取值結果的直接影響。在變壓器短路試驗中，由于輸入端電壓水平的不確定性，電阻元件必須具備較強的電容適應性[2]。當輸入電壓數值水平相對較高時，電阻設備自行降低其內阻數值，使得短路部分電容元件的阻抗能力得到充分激發，并與電流傳輸作用既定適度抵抗；當輸入電壓數值水平相對較低時，電阻設備自行升高其內阻數值，使得短路部分電容元件的阻抗能力得到適度抑制，從而實現對電流傳輸作用的有效疏導。

規定A1、A2表示兩個不同的短路節點，其物理坐標分別為(x1，x2)、(x2，y2)，規定L表示點A1到點A2的水平傳輸距離，在變壓比系數恒為μ的情況下，聯立上述物理量，可將水平傳輸距離L的表達式定義為：

設ω1表示短路部分電容元件的阻抗系數，ΔT表示短路電流的單位傳輸時長，聯立式(2)、式(3)，可將短路電容值計算結果表示為：

式中，β表示短路情況下變壓器元件中的電容比參量。在變壓器短路試驗中，短路電容求解結果直接決定了供電裝置網側負載電流的平衡傳輸能力。

1.3 電抗變壓系數

電抗變壓系數決定了變壓器對于輸入電量的緩沖能力，在供電網絡中，隨著電量輸入水平的升高，變壓器元件對于傳輸電流的耦合處理能力也會逐漸增強，此時電抗變壓系數的取值結果也會達到其物理最大值[3]。對于變壓器短路試驗而言，電抗變壓系數的計算分為電流有功功率、電流無功功率兩個方面。

1）電流有功功率

規定sinω表示變壓器短路試驗中輸入電流有功系數的正弦表征向量，ka表示電流擊穿強度為a時的有功占比系數，聯立式(4)，可將有功功率情況下的電抗變壓系數表示為：

2）電流無功功率

由于正弦表征向量的作用能力相對有限，所以在考慮電流無功功率時，應主要參考余弦表征向量cosω。聯立式(4)，可將無功功率情況下的電抗變壓系數表示為：

由于電抗變壓系數的計算結果并不唯一，所以對于變壓器短路試驗而言，供電裝置網側的電流平衡狀態也具有一定的可變性。

2 供電裝置網側電流平衡控制方法

2.1 主供電設備接線

在變壓器短路試驗中，主供電設備的接線原理如圖2所示。

圖2 主供電設備接線原理

圖2中，與高壓輸入端相連的供電節點為4組IPFC裝置，在保證電抗變壓系數值不變的前提下，每個IPFC裝置都可以直接與核心變壓器元件相連。由于低壓輸出端所能承受的電流傳輸水平相對有限，所以在實施電感變換時，必須著重考慮當前情況下變壓器元件所具備的電量感知能力，一般來說，下級電控設備所需的傳輸電子量越多，高壓輸入端所遵循的電流轉換比系數值也就越大，反之則越小[4]。與低壓輸出端相連的供電節點為4組SOC設備，在變壓器短路試驗中，只具備感應穩定傳輸電流的能力，但由于其自身內阻值相對較小，所以供電裝置網側獲得的電流水平與核心變壓器元件所輸出的電流水平完全相等。

2.2 極性HCT調制

為使變壓器供電裝置網側所接收到的電流呈現絕對穩定的存在狀態，極性HCT調制對于高壓輸入端、低壓輸出端的處理指令必須保持同步執行狀態，即在變壓器短路試驗中，極性HCT調制指令必須呈現統一的存在形式。

針對高壓輸入端的調制，主要是為了抑制傳輸電流波峰出現過度變化行為，在不違背變壓器工作原理的前提下，拉近相鄰波峰之間的物理距離，從而使得傳輸電流中的電信號剩余量不斷減少。

針對低壓輸出端的調制，主要是為了抑制傳輸電流波谷出現過度變化行為，在不違背變壓器工作原理的前提下，應增大相鄰波谷之間的物理距離，從而使得到達供電裝置網側的電流呈現絕對穩定的傳輸狀態。

設η1表示變壓器高壓輸入端的電流調制效率，η2表示低壓輸出端的電流調制效率，x-表示變壓器元件的平均工作強度。聯立式(5)、式(6)，可將變壓器短路試驗供電裝置網側的極性HCT調制表達式定義為：

上式中，j表示供電裝置網側的電流平衡系數，ΔE表示單位時間內的電信號傳輸量。在實際計算過程中，物理量ΔE的取值可能出現負值狀態，但符號僅代表電信號傳輸方向，對其物理數值量不會造成影響。

2.3 平衡系數矢量求解

平衡系數矢量求解是實現變壓器短路試驗供電裝置網側電流平衡控制的關鍵處理環節，能夠預測給定電流與實際輸出電流之間的誤差值水平，在不考慮其他干擾條件的情況下，認為給定電流與實際輸出電流之間的誤差值越小，矢量求解所得到的平衡系數也就越符合實際應用需求[5]。定義式(8)為唯一的誤差值判定表達式。

其中，c、v表示兩個不同的電流平衡狀態控制系數，ic表示取值為c時的電流傳輸特征，iv表示取值為v時的電流傳輸特征，mc表示與ic匹配的電流傳輸行為定義項，mv表示與iv匹配的電流傳輸行為定義項，θ表示平衡狀態分辨指標。

規定? 表示一個電流數據取值區間，且c∈?、v∈?的控制條件同時成立。在式(8)的偏導值恒不等于零的情況下，設c`表示c的偏導值，v`表示vc的偏導值，c′∈?、v′∈? 也同時成立。聯立上述物理量，可將平衡系數矢量求解表達式定義為：

式中，qc`表示偏導值為c`時的電流輸入量，qv`表示偏導值為v`時的電流輸入量，p表示供電裝置網側電流的原始帶電量，p`表示p的偏導值。根據平衡系數矢量求解結果可以準確掌握變壓器短路試驗供電裝置網側的電流傳輸情況，從而實現對電流系數值的平衡與控制。

3 實例分析

本次實驗的具體操作流程如下：

步驟一：搭建如圖3所示的仿真實驗環境；

圖3 仿真實驗環境

步驟二：將實驗用變壓器元件擺放至固定位置處；

步驟三：分別將電流檢測裝置的接線柱與變壓器元件的200V接口、400V接口和600V接口相連；

步驟四：分別利用傳統控制方法、新型平衡控制方法對電流檢測裝置進行管控，其中前者作為對照組，后者作為實驗組；

步驟五：分別記錄實驗組、對照組變壓器電感系數的變化情況，并將其與理想數值進行對比；

變壓器電感系數可用來描述供電主機對于短路供應電流的控制能力，一般來說，實測電感系數與理想電感系數之間的差值水平越小，則表示供電主機對于短路供應電流的控制能力越強，即短路供應電流所呈現出來的傳輸形式相對較為平衡，反之則相對較為波動。

表1記錄了變壓器電感系數在理想情況下的數值存在狀態。

分析表1可知，在理想情況下，對于200V的初始電壓而言，當時間取值處于3～9min之間時，變壓器電感系數呈現連續下降的變化狀態；當時間取值處于12～18min之間時，變壓器電感系數則始終保持穩定；當時間取值處于21～27min之間時，變壓器電感系數則開始不斷上升；對于400V、600V的初始電壓而言，變壓器電感系數的變化形式基本與200V情況下的系數變化狀態相同，但其均值水平卻依次升高。

表1 變壓器電感系數的理想數值

下圖分別反映了200V、400V、600V情況下，實驗組、對照組變壓器電感系數的數值記錄結果。

分析圖4可知，在200V情況下，實驗組變壓器電感系數的變化趨勢基本與理想數值保持一致，當實驗時間為15min時，實驗組變壓器電感系數與理想數值之間的物理差值最大，達到了0.09T·ms-1；當實驗時間為9min時，對照組變壓器電感系數與理想數值之間的物理差值最大，達到了0.24T·ms-1，高于實驗組差值水平。

圖4 200V情況下的變壓器電感系數

分析圖5可知，在400V情況下，當實驗時間為6 min時，實驗組變壓器電感系數與理想數值之間的物理差值最大，達到了0.12T·ms-1；當實驗時間為27min時，對照組變壓器電感系數與理想數值之間的物理差值最大，達到了0.35T·ms-1，高于實驗組差值水平。

圖5 400V情況下的變壓器電感系數

分析圖6可知，在600V情況下，當實驗時間為18min時，實驗組變壓器電感系數與理想數值之間的物理差值最大，達到了0.26T·ms-1，此時，實驗組變壓器電感系數與理想數值之間的物理差值也達到最大，為0.55T·ms-1，高于實驗組差值水平。

圖6 600V情況下的變壓器電感系數

綜上可認為，在平衡控制方法的作用下，實測電感系數與理想電感系數之間的差值水平確實得到了更好控制，表明供電主機對于短路供應電流的控制能力較強，即短路供應電流所呈現出來的傳輸形式能夠保持較為平衡的存在狀態。

4 結語

變壓器短路試驗供電裝置網側電流平衡控制方法從直流電壓的角度著手，在確定短路電容具體數值的同時，對電抗變壓系數的可行性進行研究，又根據主供電設備的連接形式，進行極性HCT調制，從而使得最終所獲平衡系數矢量求解結果更符合實際應用需求。從實用性角度來看，與傳統控制方法相比，這種新型方法能夠更好控制實測變壓器電感系數與理想電感系數之間的物理差值，從而使得短路供應電流所呈現出來的傳輸形式趨于穩定，這在增強供電主機對于短路供應電流的控制能力方面，具備一定的可行性應用價值。