王文廷，陸建峰，呂仲成

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司緊水灘水力發(fā)電廠，麗水 323000）

0 引言

在供電網(wǎng)絡(luò)中，變壓器元件始終保持三相供電、單相運(yùn)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(zhuǎn)變成直流輸出形式，以供下級(jí)接入裝置的直接調(diào)取與利用。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，負(fù)載波總是處于劇烈振蕩狀態(tài)，不但會(huì)造成明顯的負(fù)載率不均衡情況，也會(huì)使變壓器元件長(zhǎng)期在過(guò)負(fù)載條件下運(yùn)行[1]。由于供電裝置網(wǎng)側(cè)的傳輸電流并不能完全受控，所以變壓器短路現(xiàn)象的發(fā)生較為頻繁，特別是在直流電壓數(shù)值較大的情況下，短路電容值會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到其極限數(shù)值狀態(tài)，不但會(huì)對(duì)主供電設(shè)備造成較大的物理壓力，還會(huì)使變壓器元件所承擔(dān)的壓感系數(shù)發(fā)生改變，并最終會(huì)對(duì)供電裝置網(wǎng)側(cè)的電流平衡狀態(tài)造成影響。為解決上述問題，設(shè)計(jì)變壓器短路試驗(yàn)供電裝置網(wǎng)側(cè)的電流平衡控制方法。

1 變壓器短路試驗(yàn)的主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 直流電壓

變壓器供電網(wǎng)絡(luò)可將高壓交流電調(diào)制成低壓直流電的輸出形式，且在此過(guò)程中，由于S1、S2、S3幾類平衡裝置的存在，即便是發(fā)生明顯的短路現(xiàn)象，變壓器元件所能提供的直流電壓數(shù)值也不會(huì)遠(yuǎn)低于其額定供應(yīng)電壓。具體變壓器供電網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

圖1 變壓器供電網(wǎng)絡(luò)

通常情況下，直流電壓的選取不僅要依據(jù)變壓器交流側(cè)的電壓等級(jí)數(shù)值，還要考慮元件自身的補(bǔ)充容量及電阻設(shè)備的平均耐壓能力。

這里定義兩個(gè)變量d、l，分別表達(dá)為：

其中，δ表示恒定的變壓器穩(wěn)流系數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，直流電壓指標(biāo)的取值越大，變壓器元件在短路試驗(yàn)中表現(xiàn)出的行為能力也就越強(qiáng)。

1.2 短路電容值

短路電容是指在發(fā)生變壓器短路行為時(shí)，供電裝置網(wǎng)側(cè)電阻元件內(nèi)部容量所呈現(xiàn)的數(shù)值狀態(tài)，受到直流電壓指標(biāo)取值結(jié)果的直接影響。在變壓器短路試驗(yàn)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(qiáng)的電容適應(yīng)性[2]。當(dāng)輸入電壓數(shù)值水平相對(duì)較高時(shí)，電阻設(shè)備自行降低其內(nèi)阻數(shù)值，使得短路部分電容元件的阻抗能力得到充分激發(fā)，并與電流傳輸作用既定適度抵抗；當(dāng)輸入電壓數(shù)值水平相對(duì)較低時(shí)，電阻設(shè)備自行升高其內(nèi)阻數(shù)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(shí)現(xiàn)對(duì)電流傳輸作用的有效疏導(dǎo)。

規(guī)定A1、A2表示兩個(gè)不同的短路節(jié)點(diǎn)，其物理坐標(biāo)分別為(x1，x2)、(x2，y2)，規(guī)定L表示點(diǎn)A1到點(diǎn)A2的水平傳輸距離，在變壓比系數(shù)恒為μ的情況下，聯(lián)立上述物理量，可將水平傳輸距離L的表達(dá)式定義為：

設(shè)ω1表示短路部分電容元件的阻抗系數(shù)，ΔT表示短路電流的單位傳輸時(shí)長(zhǎng)，聯(lián)立式(2)、式(3)，可將短路電容值計(jì)算結(jié)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(yàn)中，短路電容求解結(jié)果直接決定了供電裝置網(wǎng)側(cè)負(fù)載電流的平衡傳輸能力。

1.3 電抗變壓系數(shù)

電抗變壓系數(shù)決定了變壓器對(duì)于輸入電量的緩沖能力，在供電網(wǎng)絡(luò)中，隨著電量輸入水平的升高，變壓器元件對(duì)于傳輸電流的耦合處理能力也會(huì)逐漸增強(qiáng)，此時(shí)電抗變壓系數(shù)的取值結(jié)果也會(huì)達(dá)到其物理最大值[3]。對(duì)于變壓器短路試驗(yàn)而言，電抗變壓系數(shù)的計(jì)算分為電流有功功率、電流無(wú)功功率兩個(gè)方面。

1）電流有功功率

規(guī)定sinω表示變壓器短路試驗(yàn)中輸入電流有功系數(shù)的正弦表征向量，ka表示電流擊穿強(qiáng)度為a時(shí)的有功占比系數(shù)，聯(lián)立式(4)，可將有功功率情況下的電抗變壓系數(shù)表示為：

2）電流無(wú)功功率

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

由于電抗變壓系數(shù)的計(jì)算結(jié)果并不唯一，所以對(duì)于變壓器短路試驗(yàn)而言，供電裝置網(wǎng)側(cè)的電流平衡狀態(tài)也具有一定的可變性。

2 供電裝置網(wǎng)側(cè)電流平衡控制方法

2.1 主供電設(shè)備接線

在變壓器短路試驗(yàn)中，主供電設(shè)備的接線原理如圖2所示。

圖2 主供電設(shè)備接線原理

圖2中，與高壓輸入端相連的供電節(jié)點(diǎn)為4組IPFC裝置，在保證電抗變壓系數(shù)值不變的前提下，每個(gè)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(duì)有限，所以在實(shí)施電感變換時(shí)，必須著重考慮當(dāng)前情況下變壓器元件所具備的電量感知能力，一般來(lái)說(shuō)，下級(jí)電控設(shè)備所需的傳輸電子量越多，高壓輸入端所遵循的電流轉(zhuǎn)換比系數(shù)值也就越大，反之則越小[4]。與低壓輸出端相連的供電節(jié)點(diǎn)為4組SOC設(shè)備，在變壓器短路試驗(yàn)中，只具備感應(yīng)穩(wěn)定傳輸電流的能力，但由于其自身內(nèi)阻值相對(duì)較小，所以供電裝置網(wǎng)側(cè)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(diào)制

為使變壓器供電裝置網(wǎng)側(cè)所接收到的電流呈現(xiàn)絕對(duì)穩(wěn)定的存在狀態(tài)，極性HCT調(diào)制對(duì)于高壓輸入端、低壓輸出端的處理指令必須保持同步執(zhí)行狀態(tài)，即在變壓器短路試驗(yàn)中，極性HCT調(diào)制指令必須呈現(xiàn)統(tǒng)一的存在形式。

針對(duì)高壓輸入端的調(diào)制，主要是為了抑制傳輸電流波峰出現(xiàn)過(guò)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(hào)剩余量不斷減少。

針對(duì)低壓輸出端的調(diào)制，主要是為了抑制傳輸電流波谷出現(xiàn)過(guò)度變化行為，在不違背變壓器工作原理的前提下，應(yīng)增大相鄰波谷之間的物理距離，從而使得到達(dá)供電裝置網(wǎng)側(cè)的電流呈現(xiàn)絕對(duì)穩(wěn)定的傳輸狀態(tài)。

設(shè)η1表示變壓器高壓輸入端的電流調(diào)制效率，η2表示低壓輸出端的電流調(diào)制效率，x-表示變壓器元件的平均工作強(qiáng)度。聯(lián)立式(5)、式(6)，可將變壓器短路試驗(yàn)供電裝置網(wǎng)側(cè)的極性HCT調(diào)制表達(dá)式定義為：

上式中，j表示供電裝置網(wǎng)側(cè)的電流平衡系數(shù)，ΔE表示單位時(shí)間內(nèi)的電信號(hào)傳輸量。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，物理量ΔE的取值可能出現(xiàn)負(fù)值狀態(tài)，但符號(hào)僅代表電信號(hào)傳輸方向，對(duì)其物理數(shù)值量不會(huì)造成影響。

2.3 平衡系數(shù)矢量求解

平衡系數(shù)矢量求解是實(shí)現(xiàn)變壓器短路試驗(yàn)供電裝置網(wǎng)側(cè)電流平衡控制的關(guān)鍵處理環(huán)節(jié)，能夠預(yù)測(cè)給定電流與實(shí)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(rèn)為給定電流與實(shí)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(shù)也就越符合實(shí)際應(yīng)用需求[5]。定義式(8)為唯一的誤差值判定表達(dá)式。

其中，c、v表示兩個(gè)不同的電流平衡狀態(tài)控制系數(shù)，ic表示取值為c時(shí)的電流傳輸特征，iv表示取值為v時(shí)的電流傳輸特征，mc表示與ic匹配的電流傳輸行為定義項(xiàng)，mv表示與iv匹配的電流傳輸行為定義項(xiàng)，θ表示平衡狀態(tài)分辨指標(biāo)。

規(guī)定? 表示一個(gè)電流數(shù)據(jù)取值區(qū)間，且c∈?、v∈?的控制條件同時(shí)成立。在式(8)的偏導(dǎo)值恒不等于零的情況下，設(shè)c`表示c的偏導(dǎo)值，v`表示vc的偏導(dǎo)值，c′∈?、v′∈? 也同時(shí)成立。聯(lián)立上述物理量，可將平衡系數(shù)矢量求解表達(dá)式定義為：

式中，qc`表示偏導(dǎo)值為c`時(shí)的電流輸入量，qv`表示偏導(dǎo)值為v`時(shí)的電流輸入量，p表示供電裝置網(wǎng)側(cè)電流的原始帶電量，p`表示p的偏導(dǎo)值。根據(jù)平衡系數(shù)矢量求解結(jié)果可以準(zhǔn)確掌握變壓器短路試驗(yàn)供電裝置網(wǎng)側(cè)的電流傳輸情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流系數(shù)值的平衡與控制。

3 實(shí)例分析

本次實(shí)驗(yàn)的具體操作流程如下：

步驟一：搭建如圖3所示的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境；

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境

步驟二：將實(shí)驗(yàn)用變壓器元件擺放至固定位置處；

步驟三：分別將電流檢測(cè)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(tǒng)控制方法、新型平衡控制方法對(duì)電流檢測(cè)裝置進(jìn)行管控，其中前者作為對(duì)照組，后者作為實(shí)驗(yàn)組；

步驟五：分別記錄實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組變壓器電感系數(shù)的變化情況，并將其與理想數(shù)值進(jìn)行對(duì)比；

變壓器電感系數(shù)可用來(lái)描述供電主機(jī)對(duì)于短路供應(yīng)電流的控制能力，一般來(lái)說(shuō)，實(shí)測(cè)電感系數(shù)與理想電感系數(shù)之間的差值水平越小，則表示供電主機(jī)對(duì)于短路供應(yīng)電流的控制能力越強(qiáng)，即短路供應(yīng)電流所呈現(xiàn)出來(lái)的傳輸形式相對(duì)較為平衡，反之則相對(duì)較為波動(dòng)。

表1記錄了變壓器電感系數(shù)在理想情況下的數(shù)值存在狀態(tài)。

分析表1可知，在理想情況下，對(duì)于200V的初始電壓而言，當(dāng)時(shí)間取值處于3～9min之間時(shí)，變壓器電感系數(shù)呈現(xiàn)連續(xù)下降的變化狀態(tài)；當(dāng)時(shí)間取值處于12～18min之間時(shí)，變壓器電感系數(shù)則始終保持穩(wěn)定；當(dāng)時(shí)間取值處于21～27min之間時(shí)，變壓器電感系數(shù)則開始不斷上升；對(duì)于400V、600V的初始電壓而言，變壓器電感系數(shù)的變化形式基本與200V情況下的系數(shù)變化狀態(tài)相同，但其均值水平卻依次升高。

表1 變壓器電感系數(shù)的理想數(shù)值

下圖分別反映了200V、400V、600V情況下，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組變壓器電感系數(shù)的數(shù)值記錄結(jié)果。

分析圖4可知，在200V情況下，實(shí)驗(yàn)組變壓器電感系數(shù)的變化趨勢(shì)基本與理想數(shù)值保持一致，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為15min時(shí)，實(shí)驗(yàn)組變壓器電感系數(shù)與理想數(shù)值之間的物理差值最大，達(dá)到了0.09T·ms-1；當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為9min時(shí)，對(duì)照組變壓器電感系數(shù)與理想數(shù)值之間的物理差值最大，達(dá)到了0.24T·ms-1，高于實(shí)驗(yàn)組差值水平。

圖4 200V情況下的變壓器電感系數(shù)

分析圖5可知，在400V情況下，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為6 min時(shí)，實(shí)驗(yàn)組變壓器電感系數(shù)與理想數(shù)值之間的物理差值最大，達(dá)到了0.12T·ms-1；當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為27min時(shí)，對(duì)照組變壓器電感系數(shù)與理想數(shù)值之間的物理差值最大，達(dá)到了0.35T·ms-1，高于實(shí)驗(yàn)組差值水平。

圖5 400V情況下的變壓器電感系數(shù)

分析圖6可知，在600V情況下，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為18min時(shí)，實(shí)驗(yàn)組變壓器電感系數(shù)與理想數(shù)值之間的物理差值最大，達(dá)到了0.26T·ms-1，此時(shí)，實(shí)驗(yàn)組變壓器電感系數(shù)與理想數(shù)值之間的物理差值也達(dá)到最大，為0.55T·ms-1，高于實(shí)驗(yàn)組差值水平。

圖6 600V情況下的變壓器電感系數(shù)

綜上可認(rèn)為，在平衡控制方法的作用下，實(shí)測(cè)電感系數(shù)與理想電感系數(shù)之間的差值水平確實(shí)得到了更好控制，表明供電主機(jī)對(duì)于短路供應(yīng)電流的控制能力較強(qiáng)，即短路供應(yīng)電流所呈現(xiàn)出來(lái)的傳輸形式能夠保持較為平衡的存在狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

變壓器短路試驗(yàn)供電裝置網(wǎng)側(cè)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(shù)值的同時(shí)，對(duì)電抗變壓系數(shù)的可行性進(jìn)行研究，又根據(jù)主供電設(shè)備的連接形式，進(jìn)行極性HCT調(diào)制，從而使得最終所獲平衡系數(shù)矢量求解結(jié)果更符合實(shí)際應(yīng)用需求。從實(shí)用性角度來(lái)看，與傳統(tǒng)控制方法相比，這種新型方法能夠更好控制實(shí)測(cè)變壓器電感系數(shù)與理想電感系數(shù)之間的物理差值，從而使得短路供應(yīng)電流所呈現(xiàn)出來(lái)的傳輸形式趨于穩(wěn)定，這在增強(qiáng)供電主機(jī)對(duì)于短路供應(yīng)電流的控制能力方面，具備一定的可行性應(yīng)用價(jià)值。