PSCAD中的變壓器模型(共14頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上1. Introduction to Transformers（引言）EMTDC中使用變壓器有兩種方法：經典方法和統一的磁等效電路（unified magnetic equivalent circuit (UMEC)）方法。經典方法用來模擬同一變壓器鐵芯上的繞組。也就是說，每一相都是獨立的，各單相變壓器之間沒有相互作用。而UMEC方法計及了相間的相互作用：由此，可以對3相3臂或3相5臂式變壓器構造進行精確的模擬。每一模型中，鐵芯的非線性特征是最基本的不同。經典模型中的鐵芯飽和是通過對選定繞組使用補償注入電流實現的。UMEC方法采用完全插值，采用分斷線性化的-I曲線來表

2、征飽和特性。2. Transformer Models Overview（變壓器模型概述） 對電力系統進行電磁暫態(tài)分析過程中必然會出現變壓器。PSCAD中有兩種方法對變壓器進行模擬：經典方法和UMEC方法。經典方法僅限于單相設備，其中不同的繞組處于同一鐵芯腿上。而UMEC方法，考慮到來鐵芯的幾何外形和相間的相互耦合因素。除了以上的顯著區(qū)別外，兩種變壓器模型之間最基本的區(qū)別是對鐵芯非線性特性的描述。在經典模型中，非線性特性采用近似地基于“拐點”、“空心電抗”和額定電壓的磁化電流曲線進行模擬。而UMEC模型則直接采用V-I曲線進行模擬。與經典模型不同，UMEC模型沒有配置在線分接頭調整功能。但是，

3、可以在指定繞組上設置分接頭，不過分接頭在仿真過程中不能動態(tài)調整。3. 1-Phase Auto Transformer（單相自耦變壓器） 此組件基于經典方法模擬了單相自耦變壓器。用戶可以選擇采用磁化支路（線性鐵芯）或注入電流模擬磁化特性。理想情況下，可以忽略磁化支路，變壓器即為理想模式，僅保留串聯的漏抗。4. 3-Phase Star-Star Auto Transformer（三相星形連接的自耦變壓器） 此組件模擬了由3個單相構成的3相自耦變壓器。用戶可以選擇采用磁化支路（線性鐵芯）或注入電流模擬磁化特性。理想情況下，可以忽略磁化支路，變壓器即為理想模式，僅保留串聯的漏抗。 此組件有以下外部

4、連接：· Top left connection:  高壓側· Top right connection:  低壓側· Bottom left connection:  三相繞組的星形連接點其連接方式如下圖所示:5. Modeling Autotransformers（模擬自耦變壓器）在PSCAD中，除了可直接使用上述的自耦變壓器模型外，用戶還可以借助現有的具有合適分接頭的變壓器分模型可自己構造自耦變模型。如下圖所示，其為單相自耦變的等效電路，使用了經典的單相變壓器組件，其分接頭位于二次側（這是模擬自耦變的可行方法）。分接頭可以設定一

5、個較大的運行范圍。按如圖所示構造的自耦變模型與實際的自耦變模型相比，在使用上有一些注意事項：· 以上構造精確模擬了自耦變分接頭在100%設定值時的情況。· 分接頭設定值的改變通過變壓器匝數比的改變來模擬。分接頭位于100位置時的單位標么電抗和磁化電流用于計算新的電壓變比（對應分接頭位于其它位置）下的導納。磁化支路（非理想變壓器）置于兩個繞組電抗之間。比如，如果忽略磁化電流，二次繞組帶有分接頭的導納陣計算如下：這里： ，是從繞組1看去的繞組1和2之間的漏抗； ，變比； T=二次側繞組分接頭設定值。如果計及磁化電流，表達式于上類似不過更為復雜。6. Classical（經典模型

6、）6.1 1-Phase 2-Winding Transformer（單相兩繞組變壓器）本組件基于經典模型構造方法模擬了單相兩繞組變壓器。用戶可以選擇采用磁化支路（線性鐵芯）或注入電流模擬磁化特性。理想情況下，可以忽略磁化支路，變壓器即為理想模式，僅保留串聯的漏抗。6.2 1-Phase 3-Winding Transformer（單相三繞組變壓器）本組件基于經典模型構造方法模擬單相三繞組變壓器。用戶可以選擇采用磁化支路（線性鐵芯）或注入電流模擬磁化特性。理想情況下，可以忽略磁化支路，變壓器即為理想模式，僅保留串聯的漏抗。6.3 3-Phase 2-Winding Transformer（三相

7、兩繞組變壓器） 本組件基于經典模型構造方法模擬三相兩繞組變壓器。用戶可以選擇采用磁化支路（線性鐵芯）或注入電流模擬磁化特性。理想情況下，可以忽略磁化支路，變壓器即為理想模式，僅保留串聯的漏抗。本組件可等效地由三個單相兩繞組變壓器連接構成，用戶可以選擇每側繞組的互聯形式，Y或。經典模型中不考慮相間互感。如下圖所示，即為使用單相變壓器進行構造的等效電路圖。6.4 3-Phase 3-Winding Transformer（三相三繞組變壓器） 本組件基于經典模型構造方法模擬了三相三繞組變壓器。用戶可以選擇采用磁化支路（線性鐵芯）或注入電流模擬磁化特性。理想情況下，可以忽略磁化支路，變壓器即為理想模式

8、，僅保留串聯的漏抗。經典模型中不考慮相間的耦合。6.5 3-Phase 4-Winding Transformer（三相四繞組變壓器）本組件基于經典模型構造方法模擬了三相四繞組變壓器。用戶可以選擇采用磁化支路（線性鐵芯）或注入電流模擬磁化特性。理想情況下，可以忽略磁化支路，變壓器即為理想模式，僅保留串聯的漏抗。經典模型中不考慮相間的耦合。6.6 The Classical Approach（經典方法） 解釋互感理論可以兩鐵芯繞組為例進行說明。其如下圖所示：這里： =繞組1 的自感； =繞組2的自感； =繞組1、2之間的互感。和分別為繞組1和2兩端的電壓。考慮到繞組之間的互感，描述兩側繞組電壓電

9、流關系的方程式如下所示：為了求解繞組電流。需要將電感矩陣求逆： 這里：對于緊密耦合的繞組，即纏繞在變壓器同一鐵芯臂上，其變比定義為兩繞組的匝數比。對于理想變壓器，即為初級繞組和次級繞組的電壓比。對于理想變壓器兩側繞組的電壓和，有以下關系式成立： 和 使用以上變比a的定義可將改寫成以下形式：這里： 由此，方程中的電感矩陣參數可通過標準的變壓器測試得到，前提是電流為正弦。任一繞組“x”的自感為其它繞組開路時，繞組“x”電壓均方根值Vx與電流均方根值Ix的比值。這也就是開路試驗，此時的電流Ix為磁化電流，自感Lxx按下式給出： 這里，為測試中采用的弧頻率。 類似地，兩繞組“x”和“y”之間的互感可以

10、通過對“x”側施加電壓“y”側閉合，而其它繞組開路的方法得到。互感Lxy定義如下： 變壓器通常不是以這種形式得到的。如圖（2）所示的變壓器等效電路，其參數L1、L2和L12通常是通過開路和短路試驗得到。 例如我們忽略繞組的電阻，當繞組2短路（即V2=0）時，產生電流（假設）。通過測量這一電流可以計算得到總的漏抗。類似地，當繞組2開路，繞組1流過的電流是，而由此可得到的值。 進行繞組2加電壓、繞組1開路試驗，可以得到。因此通過開路試驗，還可以得到額定變比a。PSCAD基于開路磁化電流、漏抗和額定繞組電壓計算電抗。為了解釋如何獲取EMTDC所需的參數，以一個單相兩繞組變壓器為例進行說明。變壓器數據

11、如下表所示：ParameterDescriptionValueTMVATransformer single-phase MVA100 MVAfBase frequency60 HzX1Leakage reactance0.1 puNLLNo load losses0.0 puV1Primary winding voltage (RMS)100 kVIm1Primary side magnetizing current 1 %V2Secondary winding voltage (RMS)50 kVIm2Secondary side magnetizing current1 %如果忽略繞組電阻

12、，即可以通過短路試驗得到的近似值。如下：這里，為阻抗基準值。 由于沒有其它可靠的數據，我們假定變比為額定變比：一、二次繞組電流基準值，如下：由此，可以看到當一次繞組施加100kV電壓時的磁化電流如下：但從等值電路中可以得到以下表達式：這里，。因此，有：得到：通過比較方程和，可以得到，從方程可以得到。可以得到方程中的參數如下：互感矩陣求逆以上討論到互感系數K趨近于1時，電感矩陣的逆陣中的元素會變得很大趨向于無窮大。這樣以來，按不能再按方程求取變壓器電流。過于小的磁化電流會導致方程病態(tài)情況出現。在這樣的情況下，建議僅用漏抗模擬變壓器而不再考慮磁化支路，如圖3所示。這樣的模型即為PSCAD

13、中的理想模型。對于理想變壓器，電流導數（即和）與電壓之間的關系如方程 所示；此電流方程對應于任一側的短路電流試驗，另一側施加電壓源（注意：始終成立，而電壓或根據試驗情形其中有一個為零）得到：這里：，是從繞組1看去的繞組1和2之間的漏抗；，變比；若同一鐵芯上的繞組多于兩個時，同樣可以進行類似的分析，以得到理想變壓器電壓形式的變壓器電流導數。但計算公式更為復雜，PSCAD目前僅允許單個鐵芯上有3個繞組。繞組和鐵芯損耗對于理想變壓器模型，磁化電流支路沒有計及，需要單獨另加。鐵芯損耗用變壓器每側繞組的并聯等值電阻來表示。為保持各繞組阻抗的均勻分布，每一繞組上的并聯電阻大小是不同的，其值基于空載輸入參數

14、求得。大多數研究中，鐵芯和繞組損耗是可以忽略的，因為對結果的影響很小。傳輸線上的損耗要遠大于變壓器的。 鐵芯飽和大多數研究中，需要對鐵芯飽和進行精確模擬。有兩種方法：一是在繞組靠近鐵芯處接入一個可變電抗；二是在繞組靠近鐵芯處接入一個補償電流。在EMTDC中使用的是補償電流源法，因為這么做不需要在飽和時對子系統矩陣帶來改變。對于單相兩繞組變壓器，使用如圖5所示的電流源來模擬飽和。圖5圖中電流是繞組電壓的函數。首先，磁通的定義有個前提，即假設電流是等值電路中非線性飽和電抗中的電流：圖6描述了方程的非線性特性，圖中磁通是電流的函數?？招倦娍固匦杂芍本€描述，交磁通軸于。實際的飽和特性由曲線表

15、征，是縱軸和空芯電抗特性的漸近線。圖中，和是特性曲線的拐點，為額定電壓下的磁通峰值和電流。如果已知、和，則對非線性飽和電抗中的電流可以列出漸進方程，電流定義如下：這里：, 如下方程所示，磁通由繞組電壓的積分決定：如此模擬互感繞組的飽和特性是一近似方法。相關文獻中有許多更精確的飽和模型，但是其在實際情況中也有缺點，比如飽和曲線拐點之上的部分的數據不容易得到，從而導致數據的不可靠。還有就是變壓器芯與繞組的尺寸及其相關的其它數據也不好得到。在以下研究領域中成功地應用了上述的簡單模型：· 1200 MVA，500 kV自耦變?yōu)檫x擇合閘電阻所進行的充電研究。采用此模型得到的勵磁涌流與實際系統測

16、試結果很接近。 · 直流線路交流換流器母線基頻過電壓研究。. · 鐵芯飽和不穩(wěn)定性研究，采用此模型得到的結果與實際系統中的相應非常接近。 為解釋上述處理飽和的過程，圖7總結了方程和的使用方法。空芯電抗 圖6中的空芯電抗在變壓器研究中并不為大家所熟知。經驗作法是空芯電抗大約是漏抗的兩倍。例如，三繞組變壓器的第三繞組考慮飽和效應，此時空芯電抗的比較合理的值是（24）。于是，從第三繞組看去，空芯電抗為24，從低壓繞組看去其為38，從高壓繞組看去其為48或為漏抗的兩倍。飽和曲線的拐點有時是可靠的，其通常為額定電壓下運行點的百分比形式或標么值形式。標么值的典型范圍是1.151.25，

17、參照圖6有以下方程成立：這里，。 如果為繞組飽和時的電壓有效值，則為：這里，是額定頻率，單位Hz。 方程是模擬變壓器飽和的近似方法，構成了EMTDC子程序TSAT21的基礎。6.7 More on Classical Transformers（關于經典變壓器模型的更多內容）這一部分主要探討一些變壓器經典模型的細節(jié)問題。在線分接頭調整所有變壓器組件都配備有在線分接頭。當選擇分接頭后，變壓器組件的圖形界面上會出現一條對角線，并帶“Tap”標簽。用變壓器變比的改變模擬分接頭的調整。標么漏抗和磁化電流是分接頭位于100位置時的值，可以用其計算不同分接頭位置下的導納值。連續(xù)改變分接頭是可能的，但是需要在

18、每一時間步長里對網絡重新求解。在多個步長后改變分接頭更為實際，或者通過slider和rotary switch或者是有一定延時的控制器來手動調整。調整飽和特性經典模型中對繞組的飽和特性是通過在相應繞組上補償電流源實現的，補償電流源的大小基于繞組測量電壓和變壓器組件的輸入參數。  直接影響變壓器飽和特性的輸入參數有以下這些：· 空芯電抗· 拐點· 磁化電流這三個參數都在變壓器組件飽和參數部分的相應選項中。它們即可刻畫鐵芯如下圖的特性。Air Core Reactance調整這一參數影響圖中漸近線的斜率。Knee Voltage調整這一參數影響圖中漸近線在Y

19、軸上的截距。Magnetizing Current調整這一參數，會沿著VS = 1.0 pu的直線影響拐點的水平位置。也就是說，隨著磁化電流的變大，趨向于將飽和特性曲線變得和緩。7. UMEC（統一磁等效電路法）7.1 1-Phase 2-Winding UMEC Transformer（單相兩繞組UMEC變壓器模型）本組件基于UMEC模型構造方法模擬了單相兩繞組變壓器。用戶可以選擇直接采用I-V曲線模擬鐵芯飽和特性。理想情況下，可以忽略磁化支路，變壓器即為理想模式，僅保留串聯的漏抗。鐵芯的一些元件（即鐵芯類型、束扼和繞組臂的幾何尺寸等等）數據也需要輸入。7.2 1-Phase 3-Windi

20、ng UMEC Transformer（單相三繞組UMEC變壓器模型）本組件基于UMEC模型構造方法模擬了單相三繞組變壓器。用戶可以選擇直接采用I-V曲線模擬鐵芯飽和特性。理想情況下，可以忽略磁化支路，變壓器即為理想模式，僅保留串聯的漏抗。鐵芯的一些元件（即鐵芯類型、束扼和繞組臂的幾何尺寸等等）數據也需要輸入。7.3 1-Phase 4-Winding UMEC Transformer（單相四繞組UMEC變壓器模型）本組件基于UMEC模型構造方法模擬了單相四繞組變壓器。用戶可以選擇直接采用I-V曲線模擬鐵芯飽和特性。理想情況下，可以忽略磁化支路，變壓器即為理想模式，僅保留串聯的漏抗。鐵芯的一些元件（即鐵芯類型、束扼和繞組臂的幾何尺寸等等）數據也需要輸入。7.4 3/5 Limb UMEC Transformer（3/5臂UMEC變壓器模型） 本組件基于UMEC模型構造方法模擬了三相3/5臂變壓器。用戶可以選擇直接采用I-V曲線模擬鐵芯飽和特性。理想情況下，可以忽略磁化支路，變壓器即為理想模式，僅保留串聯的漏抗。鐵芯的一些元件（即鐵芯類型、束扼和繞組臂的幾何尺寸等等）數據也需要輸入。在這一模型里體現了相間的互相耦合。7.5 The UMEC Approach（UMEC方法）變壓器的UMEC模型主要基于鐵芯的幾何特征。不同于變壓器的經典模型，考慮了不同