变压器短路试验供电装置网侧电流平衡控制仿真

王文廷，陆建峰，吕仲成

（国网浙江省电力有限公司紧水滩水力发电厂，丽水 323000）

0 引言

在供电网络中，变压器元件始终保持三相供电、单相运行的连接形式，能够从高压端接收大量的输入电量，并可以借助单相电源，将传输电量转变成直流输出形式，以供下级接入装置的直接调取与利用。在实际应用过程中，负载波总是处于剧烈振荡状态，不但会造成明显的负载率不均衡情况，也会使变压器元件长期在过负载条件下运行[1]。由于供电装置网侧的传输电流并不能完全受控，所以变压器短路现象的发生较为频繁，特别是在直流电压数值较大的情况下，短路电容值会在较短时间内达到其极限数值状态，不但会对主供电设备造成较大的物理压力，还会使变压器元件所承担的压感系数发生改变，并最终会对供电装置网侧的电流平衡状态造成影响。为解决上述问题，设计变压器短路试验供电装置网侧的电流平衡控制方法。

1 变压器短路试验的主电路参数设计

1.1 直流电压

变压器供电网络可将高压交流电调制成低压直流电的输出形式，且在此过程中，由于S1、S2、S3几类平衡装置的存在，即便是发生明显的短路现象，变压器元件所能提供的直流电压数值也不会远低于其额定供应电压。具体变压器供电网络示意图如图1所示。

图1 变压器供电网络

通常情况下，直流电压的选取不仅要依据变压器交流侧的电压等级数值，还要考虑元件自身的补充容量及电阻设备的平均耐压能力。

这里定义两个变量d、l，分别表达为：

其中，δ表示恒定的变压器稳流系数。一般来说，直流电压指标的取值越大，变压器元件在短路试验中表现出的行为能力也就越强。

1.2 短路电容值

短路电容是指在发生变压器短路行为时，供电装置网侧电阻元件内部容量所呈现的数值状态，受到直流电压指标取值结果的直接影响。在变压器短路试验中，由于输入端电压水平的不确定性，电阻元件必须具备较强的电容适应性[2]。当输入电压数值水平相对较高时，电阻设备自行降低其内阻数值，使得短路部分电容元件的阻抗能力得到充分激发，并与电流传输作用既定适度抵抗；当输入电压数值水平相对较低时，电阻设备自行升高其内阻数值，使得短路部分电容元件的阻抗能力得到适度抑制，从而实现对电流传输作用的有效疏导。

规定A1、A2表示两个不同的短路节点，其物理坐标分别为(x1，x2)、(x2，y2)，规定L表示点A1到点A2的水平传输距离，在变压比系数恒为μ的情况下，联立上述物理量，可将水平传输距离L的表达式定义为：

设ω1表示短路部分电容元件的阻抗系数，ΔT表示短路电流的单位传输时长，联立式(2)、式(3)，可将短路电容值计算结果表示为：

式中，β表示短路情况下变压器元件中的电容比参量。在变压器短路试验中，短路电容求解结果直接决定了供电装置网侧负载电流的平衡传输能力。

1.3 电抗变压系数

电抗变压系数决定了变压器对于输入电量的缓冲能力，在供电网络中，随着电量输入水平的升高，变压器元件对于传输电流的耦合处理能力也会逐渐增强，此时电抗变压系数的取值结果也会达到其物理最大值[3]。对于变压器短路试验而言，电抗变压系数的计算分为电流有功功率、电流无功功率两个方面。

1）电流有功功率

规定sinω表示变压器短路试验中输入电流有功系数的正弦表征向量，ka表示电流击穿强度为a时的有功占比系数，联立式(4)，可将有功功率情况下的电抗变压系数表示为：

2）电流无功功率

由于正弦表征向量的作用能力相对有限，所以在考虑电流无功功率时，应主要参考余弦表征向量cosω。联立式(4)，可将无功功率情况下的电抗变压系数表示为：

由于电抗变压系数的计算结果并不唯一，所以对于变压器短路试验而言，供电装置网侧的电流平衡状态也具有一定的可变性。

2 供电装置网侧电流平衡控制方法

2.1 主供电设备接线

在变压器短路试验中，主供电设备的接线原理如图2所示。

图2 主供电设备接线原理

图2中，与高压输入端相连的供电节点为4组IPFC装置，在保证电抗变压系数值不变的前提下，每个IPFC装置都可以直接与核心变压器元件相连。由于低压输出端所能承受的电流传输水平相对有限，所以在实施电感变换时，必须着重考虑当前情况下变压器元件所具备的电量感知能力，一般来说，下级电控设备所需的传输电子量越多，高压输入端所遵循的电流转换比系数值也就越大，反之则越小[4]。与低压输出端相连的供电节点为4组SOC设备，在变压器短路试验中，只具备感应稳定传输电流的能力，但由于其自身内阻值相对较小，所以供电装置网侧获得的电流水平与核心变压器元件所输出的电流水平完全相等。

2.2 极性HCT调制

为使变压器供电装置网侧所接收到的电流呈现绝对稳定的存在状态，极性HCT调制对于高压输入端、低压输出端的处理指令必须保持同步执行状态，即在变压器短路试验中，极性HCT调制指令必须呈现统一的存在形式。

针对高压输入端的调制，主要是为了抑制传输电流波峰出现过度变化行为，在不违背变压器工作原理的前提下，拉近相邻波峰之间的物理距离，从而使得传输电流中的电信号剩余量不断减少。

针对低压输出端的调制，主要是为了抑制传输电流波谷出现过度变化行为，在不违背变压器工作原理的前提下，应增大相邻波谷之间的物理距离，从而使得到达供电装置网侧的电流呈现绝对稳定的传输状态。

设η1表示变压器高压输入端的电流调制效率，η2表示低压输出端的电流调制效率，x-表示变压器元件的平均工作强度。联立式(5)、式(6)，可将变压器短路试验供电装置网侧的极性HCT调制表达式定义为：

上式中，j表示供电装置网侧的电流平衡系数，ΔE表示单位时间内的电信号传输量。在实际计算过程中，物理量ΔE的取值可能出现负值状态，但符号仅代表电信号传输方向，对其物理数值量不会造成影响。

2.3 平衡系数矢量求解

平衡系数矢量求解是实现变压器短路试验供电装置网侧电流平衡控制的关键处理环节，能够预测给定电流与实际输出电流之间的误差值水平，在不考虑其他干扰条件的情况下，认为给定电流与实际输出电流之间的误差值越小，矢量求解所得到的平衡系数也就越符合实际应用需求[5]。定义式(8)为唯一的误差值判定表达式。

其中，c、v表示两个不同的电流平衡状态控制系数，ic表示取值为c时的电流传输特征，iv表示取值为v时的电流传输特征，mc表示与ic匹配的电流传输行为定义项，mv表示与iv匹配的电流传输行为定义项，θ表示平衡状态分辨指标。

规定ℑ 表示一个电流数据取值区间，且c∈ℑ、v∈ℑ的控制条件同时成立。在式(8)的偏导值恒不等于零的情况下，设c`表示c的偏导值，v`表示vc的偏导值，c′∈ℑ、v′∈ℑ 也同时成立。联立上述物理量，可将平衡系数矢量求解表达式定义为：

式中，qc`表示偏导值为c`时的电流输入量，qv`表示偏导值为v`时的电流输入量，p表示供电装置网侧电流的原始带电量，p`表示p的偏导值。根据平衡系数矢量求解结果可以准确掌握变压器短路试验供电装置网侧的电流传输情况，从而实现对电流系数值的平衡与控制。

3 实例分析

本次实验的具体操作流程如下：

步骤一：搭建如图3所示的仿真实验环境；

图3 仿真实验环境

步骤二：将实验用变压器元件摆放至固定位置处；

步骤三：分别将电流检测装置的接线柱与变压器元件的200V接口、400V接口和600V接口相连；

步骤四：分别利用传统控制方法、新型平衡控制方法对电流检测装置进行管控，其中前者作为对照组，后者作为实验组；

步骤五：分别记录实验组、对照组变压器电感系数的变化情况，并将其与理想数值进行对比；

变压器电感系数可用来描述供电主机对于短路供应电流的控制能力，一般来说，实测电感系数与理想电感系数之间的差值水平越小，则表示供电主机对于短路供应电流的控制能力越强，即短路供应电流所呈现出来的传输形式相对较为平衡，反之则相对较为波动。

表1记录了变压器电感系数在理想情况下的数值存在状态。

分析表1可知，在理想情况下，对于200V的初始电压而言，当时间取值处于3～9min之间时，变压器电感系数呈现连续下降的变化状态；当时间取值处于12～18min之间时，变压器电感系数则始终保持稳定；当时间取值处于21～27min之间时，变压器电感系数则开始不断上升；对于400V、600V的初始电压而言，变压器电感系数的变化形式基本与200V情况下的系数变化状态相同，但其均值水平却依次升高。

表1 变压器电感系数的理想数值

下图分别反映了200V、400V、600V情况下，实验组、对照组变压器电感系数的数值记录结果。

分析图4可知，在200V情况下，实验组变压器电感系数的变化趋势基本与理想数值保持一致，当实验时间为15min时，实验组变压器电感系数与理想数值之间的物理差值最大，达到了0.09T·ms-1；当实验时间为9min时，对照组变压器电感系数与理想数值之间的物理差值最大，达到了0.24T·ms-1，高于实验组差值水平。

图4 200V情况下的变压器电感系数

分析图5可知，在400V情况下，当实验时间为6 min时，实验组变压器电感系数与理想数值之间的物理差值最大，达到了0.12T·ms-1；当实验时间为27min时，对照组变压器电感系数与理想数值之间的物理差值最大，达到了0.35T·ms-1，高于实验组差值水平。

图5 400V情况下的变压器电感系数

分析图6可知，在600V情况下，当实验时间为18min时，实验组变压器电感系数与理想数值之间的物理差值最大，达到了0.26T·ms-1，此时，实验组变压器电感系数与理想数值之间的物理差值也达到最大，为0.55T·ms-1，高于实验组差值水平。

图6 600V情况下的变压器电感系数

综上可认为，在平衡控制方法的作用下，实测电感系数与理想电感系数之间的差值水平确实得到了更好控制，表明供电主机对于短路供应电流的控制能力较强，即短路供应电流所呈现出来的传输形式能够保持较为平衡的存在状态。

4 结语

变压器短路试验供电装置网侧电流平衡控制方法从直流电压的角度着手，在确定短路电容具体数值的同时，对电抗变压系数的可行性进行研究，又根据主供电设备的连接形式，进行极性HCT调制，从而使得最终所获平衡系数矢量求解结果更符合实际应用需求。从实用性角度来看，与传统控制方法相比，这种新型方法能够更好控制实测变压器电感系数与理想电感系数之间的物理差值，从而使得短路供应电流所呈现出来的传输形式趋于稳定，这在增强供电主机对于短路供应电流的控制能力方面，具备一定的可行性应用价值。