CN111443244B - 基于分布式电源及补偿电感的变压器深度饱和电感的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于分布式电源及补偿电感的变压器深度饱和电感的测量方法，主要步骤为：1)利用电磁对偶原理建立待测变压器的等效模型；2)选取分布式可调交直流电源；3)启动电源，在变压器两端施加电压；4)采集模块采集变压器一次侧、二次侧的模拟电压信号和模拟电流信号，并将模拟电压信号和模拟电流信号转换为电压离散信号和电流离散信号；5)数据传输与存储***对接收的电压离散信号和电流离散信号进行计算，得到待测变压器深度饱和下的励磁电感。本发明可以准确测量变压器深度饱和下的励磁电感，进而精准模拟变压器在各种工况下的暂态响应。

Description

基于分布式电源及补偿电感的变压器深度饱和电感的测量 方法

技术领域

本发明涉及变压器参数测量领域，具体是基于分布式电源及补偿电感的变压器深度饱和电感的测量方法。

背景技术

研究电网电磁暂态特性是电网安全的重要保证，以变压器为代表的绕组类设备是电网电磁暂态的核心组成部分，其电磁暂态模型的精度决定了电网电磁暂态的精度。同时变压器电磁暂态模型对于变压器设计生产领域发挥着重要作用，对事故溯源，在线监测等有着重要的意义及作用。研究表明基于电磁对偶原理的变压器可逆π模型相较以往的T模型(不具有物理意义)等具有更高的精度，在变压器励磁涌流，铁磁谐振等工况下具有优异的表现。该模型在过电压过电流下的精度取决于其两个励磁电感的准确度，然而目前的测量方法大多针对变压器的T型电路。而可逆π模型中深度饱和下励磁电感测量方法也存在工作量大，测量精度不高，设备依赖度高，现场测量难度大的问题。

因此，为了提高变压器电磁暂态模型的精度，同时考虑到测量难度及准确度的问题，有必要设计出一种精度高，测量简便，设备依赖度低，工作量少，经济性高的测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供基于分布式电源及补偿电感的变压器深度饱和电感的测量方法，主要包括以下步骤：

1)利用电磁对偶原理建立待测变压器的等效模型。

所述变压器等效模型为变压器可逆π模型。

所述变压器等效模型至少具有2个励磁支路。2个励磁支路分别表征待测变压器心柱、旁柱磁通情况。每个励磁支路包括并联的非线性电感和电阻。

2)选取分布式可调交直流电源。所述分布式可调交直流电源由可调交流电源和可调直流电源组成。

可调交流电源的电压<<变压器额定电压。可调直流电源的电压<<变压器额定电压。

3)令可调交流电源接入变压器一次侧绕组两端。令可调直流电源一端依次串联补偿电感L₀和变压器二次侧绕组一端，可调直流电源另一端接入变压器二次侧绕组另一端。

所述补偿电感为空心电感。所述补偿电感用以补偿变压器漏感分压和直流电源支路分流造成的误差。

4)启动电源，在变压器两端施加电压。分别调整可调交流电源和可调直流电源输出的交流电流和直流电流，使直流电流>>待测变压器膝点电流，交流电流<待测变压器膝点电流。其中，直流电流用于激励变压器进入深度饱和状态，交流分量用于使变压器工作在深度饱和点。

5)采集模块采集变压器一次侧、二次侧的模拟电压信号和模拟电流信号，并将模拟电压信号和模拟电流信号转换为电压离散信号和电流离散信号。采集模块的采样频率设为f。采样装置采样频率f远大于交流电源额定频率，如10kHz，且越大越好。

采集模块将电压离散信号和电流离散信号送至数据传输与存储***。

所述采集模块包括但不限于示波器。所述示波器通过电压探头和电流探头分别与变压器一次侧、二次侧连接。

6)数据传输与存储***对接收的电压离散信号和电流离散信号进行计算，得到待测变压器深度饱和下的励磁电感。

数据传输与存储***为上位机。

计算得到待测变压器深度饱和下励磁电感的主要步骤如下：

6.1)监测变压器两侧交流电压、交流电流数据，并进行傅里叶变换，得到一次侧端口电压V_1p、一次侧电流I₁、一次侧等效绕组交流电阻R_s1、二次侧端口电压V'_2p、二次侧电流I'₂和二次侧等效绕组交流电阻R'_s2。一次侧数据和二次侧数据；一次侧数据包括一次侧端口电压V_1p、一次侧电流I₁、一次侧等效绕组交流电阻R_s1；二次侧数据包括二次侧端口电压V'_2p、二次侧电流I'₂和二次侧等效绕组交流电阻R'_s2；其中，二次侧数据均由一次侧数据表征。

6.2)计算变压器漏感电流即：

式中，L_s为变压器绕组间的漏感。

6.3)分别计算变压器可逆π模型一次侧饱和电感L_{m1_s}和二次侧饱和电感L_{m2_s}，即：

式中，ω为变额定角频率。

值得说明的是，本发明采用了分布式交直流电源，即直流电源叠加交流电源的形式。由于变压器绕组电阻小，且绕组电感对直流表现为短路，因此，本发明采用远小于变压器额定电压的直流电压即可使变压器进入深度饱和状态，同时，另一侧的交流电源(远小于变压器额定电压及额定容量)提供一个很小的交流信号，叠加在直流分量的基础上用以计算变压器深度饱和后的电感。

本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明可以准确测量深度饱和下的励磁电感，进而精准模拟变压器在各种工况下的暂态响应。由于变压器进入深度饱和状态，漏感上漏感压降过大，造成测量得到的一侧电压降低以致无法准确测量，进而造成该节点励磁支路电流无法准确计算提取，单纯仅采用分布式交直流电源的方法仅能准确得到一侧的励磁电感而无法准确得到另一侧励磁电感。在使用交直流电源的基础上，本发明创新的提出采用补偿电感的方法对漏感分压及励磁支路电流进行补偿，通过串接电感的方法使直流电源两侧的励磁支路上的电压上升，由于励磁电感在远小于直流分量的交流分量下可以看作是线性的，因此，流经励磁支路电流会增大，使测量难度减小，同时减小了测量误差及计算误差带来的偏差。由于变压器绕组电阻，励磁电阻，漏感等参数能够通过简单的开路实验，短路实验与直流电阻实验获得，因此本发明仅需测量一次，便能通过简单的参数辨识及计算获得变压器可逆π模型中所有的深度饱和下的励磁电感。因此，本发明可以在一次测量中求解出两个励磁支路上深度饱和状态下的励磁电感，提高测量得到的变压器可逆π模型的精度。

附图说明

图1为基于电磁对偶原理的变压器可逆π模型；

图2测量电路拓扑图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1至图2，基于分布式电源及补偿电感的变压器深度饱和电感的测量方法，主要包括以下步骤：

1)利用电磁对偶原理建立待测变压器的等效模型。待测变压器可以是任意变压器，包括车床控制变压器等小容量变压器、电力变压器等大容量变压器。

所述变压器等效模型为变压器可逆π模型。变压器可逆π模型为根据电磁对偶原理推导出来的通过磁路对变压器进行表征的一种方法，相比传统模型，其低频电磁暂态表征精度大大提高。单相双绕组变压器可逆π模型元件参数由开路实验、短路实验和直流电阻实验获得。

所述变压器可逆π模型包括四个电阻，一个线性电感及两个非线性电感，其中两个端口处电阻表征变压器绕组电阻，线性电感表征变压器绕组间空气漏感，两组电阻和非线性电感并联支路分别表征变压器心柱及旁柱的励磁状态，其电阻损耗表征变压器励磁损耗，流经电感电流表征变压器励磁电流。由于该模型采用两个励磁支路分别表征变压器心柱和旁柱的磁通情况，因此，其准确度相较T模型更高。其中，对模型精度起决定性作用的是便是其励磁支路的励磁电感。

2)选取分布式可调交直流电源V_dc。所述分布式可调交直流电源由可调交流电源和可调直流电源组成。由于采用了分布式的直流电源，变压器剩磁的影响被抵消，无需在试验前退磁。

可调交流电源的电压<<变压器额定电压。所述可调直流电源输出电压一般远小于变压器额定电压，一般可由绕组电阻及额定电流推算，故其额定容量远小于变压器额定容量。

3)令可调交流电源接入变压器一次侧绕组两端，用以测量电感。令可调直流电源一端依次串联补偿电感L₀和变压器二次侧绕组一端，可调直流电源另一端接入变压器二次侧绕组另一端。

所述补偿电感为空心电感，其取值对于常规变压器，可取其漏感10-100倍，针对于具有大漏感的特种变压器，取值和漏感接近即可。所述补偿电感用以补偿变压器漏感分压和励磁支路分流造成的误差。

4)启动电源，在变压器两端施加电压。分别调整可调交流电源和可调直流电源输出的交流电流和直流电流，使直流电流>>待测变压器膝点电流，交流电流<<待测变压器膝点电流。其中，直流电流用于激励变压器进入深度饱和状态，交流分量用于使变压器工作在深度饱和点。膝点表示电磁曲线拐点。

5)采集模块采集变压器一次侧、二次侧的模拟电压信号和模拟电流信号，并将模拟电压信号和模拟电流信号转换为电压离散信号和电流离散信号。采集模块的采样频率设为f。频率f设定的最小值必须保持对施加的等效频率最高的信号采集后得到的数据不失真，因此采样频率f需远大于交流电源额定频率，可以设定具有一定裕度的采样频率，比如采样频率设为10kHz、20kHz等等。采样频率越高就会越真实的反应被测端的实际波形，同时也会采集到更多数据，需要更大容量的存储设备进行存储。

采集模块将电压离散信号和电流离散信号送至数据传输与存储***。

所述采集模块包括但不限于示波器。当采集模块为示波器时，所述示波器通过电压探头和电流探头分别与变压器一次侧、二次侧连接，进而测量连接点的电压和电流。

6)数据传输与存储***对接收的电压离散信号和电流离散信号进行计算，得到待测变压器深度饱和下的励磁电感。

数据传输与存储***为上位机(即计算机)。

计算得到待测变压器深度饱和下励磁电感的主要步骤如下：

6.1)监测变压器两侧交流电压、交流电流数据，并进行傅里叶变换，得到一次侧端口电压V_1p、一次侧电流I₁、一次侧等效绕组交流电阻R_s1、二次侧端口电压V'_2p、二次侧电流I'₂和二次侧等效绕组交流电阻R'_s2(二次侧数据折算到一次侧)。

6.2)计算变压器漏感电流即：

式中，L_s为变压器绕组间的漏感。上标.表示相量。

6.3)分别计算变压器可逆π模型一次侧饱和电感L_{m1_s}和二次侧饱和电感L_{m2_s}，即：

式中，ω为变额定角频率。

Claims (7)

1.基于分布式电源及补偿电感的变压器深度饱和电感的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用电磁对偶原理建立变压器可逆π模型；

2)选取分布式可调交直流电源；所述分布式可调交直流电源由可调交流电源和可调直流电源组成；

3)令可调交流电源接入变压器一次侧绕组两端；令可调直流电源一端依次串联补偿电感L₀和变压器二次侧绕组一端，可调直流电源另一端接入变压器二次侧绕组另一端；

4)启动分布式可调交直流电源，在变压器两端施加电压；分别调整可调交流电源和可调直流电源输出的交流电流和直流电流，使直流电流>>变压器膝点电流，交流电流<变压器膝点电流；其中，直流电流用于激励变压器进入深度饱和状态，交流分量用于使变压器工作在深度饱和点；

5)采集模块采集变压器一次侧、二次侧的模拟电压信号和模拟电流信号，并将模拟电压信号和模拟电流信号转换为电压离散信号和电流离散信号；采集模块的采样频率设为f；

采集模块将电压离散信号和电流离散信号送至数据传输与存储***；

6)数据传输与存储***对接收的电压离散信号和电流离散信号进行计算，得到变压器深度饱和下的励磁电感；

计算得到变压器深度饱和下励磁电感的步骤如下：

6.1)监测变压器两侧交流电压、交流电流数据，并进行傅里叶变换，得到一次侧数据和二次侧数据；一次侧数据包括一次侧端口电压V_1p、一次侧电流I₁、一次侧等效绕组交流电阻R_s1；二次侧数据包括二次侧端口电压V′_2p、二次侧电流I′₂和二次侧等效绕组交流电阻R′_s2；其中，二次侧数据均由一次侧数据表征；

6.2)计算变压器漏感电流即：

式中，L_s为变压器绕组间的漏感；

6.3)分别计算变压器可逆π模型一次侧饱和电感L_{m1_s}和二次侧饱和电感L_{m2_s}，即：

式中，ω为变额定角频率。

2.根据权利要求1所述的基于分布式电源及补偿电感的变压器深度饱和电感的测量方法，其特征在于：所述变压器可逆π模型具有2个励磁支路；2个励磁支路分别表征变压器心柱、旁柱磁通情况；每个励磁支路包括并联的非线性电感和电阻。

3.根据权利要求1或2任一项所述的基于分布式电源及补偿电感的变压器深度饱和电感的测量方法，其特征在于：所述补偿电感为空心电感；所述补偿电感用以补偿变压器漏感分压和直流电源支路分流造成的误差。

4.根据权利要求1所述的基于分布式电源及补偿电感的变压器深度饱和电感的测量方法，其特征在于：可调交流电源的电压<<变压器额定电压；可调直流电源的电压<<变压器额定电压。

5.根据权利要求1所述的基于分布式电源及补偿电感的变压器深度饱和电感的测量方法，其特征在于：所述采集模块包括但不限于示波器；所述示波器通过电压探头和电流探头分别与变压器一次侧、二次侧连接。

6.根据权利要求1所述的基于分布式电源及补偿电感的变压器深度饱和电感的测量方法，其特征在于：采集模块的采样频率f>>可调交流电源额定频率。

7.根据权利要求1所述的基于分布式电源及补偿电感的变压器深度饱和电感的测量方法，其特征在于：数据传输与存储***为上位机。