船舶移相变压器励磁涌流抑制方法研究

唐文俊，刘 波

船舶移相变压器励磁涌流抑制方法研究

唐文俊1，刘 波2

（1. 海装广州局驻广州地区第二军事代表室，广州 511464；2. 海装广州局驻广州地区第一军事代表室，广州 511464）

船舶综合电力推进系统移相变压器空载合闸时产生的励磁涌流容易引起船舶电网综合保护装置误动和开关损坏。为研究励磁涌流的抑制方法，首先在移相变压器空载合闸时励磁涌流数学分析的基础上，分析不同励磁涌流抑制方法的优缺点，提出适合船舶电网的预充磁方法。然后在Matlab/Simulink中建立基于延边三角形接法原理的移相变压器模型，通过仿真验证预充磁方法抑制移相变压器励磁涌流的有效性并研究相关问题。

综合电力推进系统 移相变压器 励磁涌流抑制 Matlab/Simulink仿真

0 引言

随着船舶综合电力推进系统朝向大容量、高电压化发展，船舶中压电网与推进变频器之间电压与能量转换中枢推进变压器不断提升电压与容量。空载合闸瞬间推进变压器的一次侧回路中，会产生很大的冲击电流，称为励磁涌流。励磁涌流幅值约为额定电流的6～8倍[1]，且含有大量高次谐波。励磁涌流不仅容易损坏推进开关，还会引起继电保护系统误动作，严重影响船舶综合电力推进系统安全稳定运行。

为降低推进变频器整流桥输出直流电压中23次以下谐波[2]，某船舶综合电力推进系统通过两台移相角度分别为+7.5°和-7.5°的移相变压器，与整流桥共同构成二十四脉波变压整流装置。目前研究变压器励磁涌流抑制方法等问题时主要研究对象是单台三相双绕组变压器，较少针对船舶移相变压器励磁涌流的抑制方法进行深入研究。因此本文根据励磁涌流的产生原理，提出励磁涌流的抑制方法，借助Simulink软件建立移相变压器的模型，最后通过仿真验证励磁涌流抑制方法有效性。

1 变压器励磁涌流分析抑制方法

1.1 变压器励磁涌流产生原因分析

假设变压器合闸瞬间输入电压相位，即合闸角为α，那么变压器的一次侧电压u1表达式为：

根据变压器等效模型，忽略一次侧漏磁通和铁芯内剩磁，变压器电压u1应满足：

将式（1）带入到式（2），忽略电阻分压11，积分后得到主磁通：

1.2 励磁涌流抑制方法以及比较

上述三种方式的优缺点如表1所示：

表1 励磁涌流抑制方法优缺点比较

基于船舶电网低成本与高可靠性要求，综合比较可以得出预充磁方法是可靠性高且成本较低的励磁涌流抑制方法，适用于船舶综合电力推进系统。

基于预充磁抑制励磁涌流方法的系统单线图如图1所示。

图1 预充磁抑制励磁涌流方法系统单线图

2 移相变压器分析与建模

2.1 移相变压器设计原理与参数计算

二十四脉波变压整流装置包含两台一次侧绕组移相角度分别为+7.5°和-7.5°的移相变压器。移相变压器一次侧绕组采用延边三角形接法，即在一次侧绕组中间增加抽头，将绕组分为两个部分，其中一部分采用△连接方式，称为三角形绕组，另一部分为△的延伸，称为延边绕组。该接法具有降低调压系数、移相方便、三次谐波不进入副边绕组等优点[4]。二次侧的两个副边绕组分别采用△与Y接法。移相变压器输出各相线电压依次张开15°相位角。+7.5°移相变压器与-7.5°移相变压器的绕组的具体接法如图2和图3所示。

图2 -7.5°移相变压器绕组接法

图3 +7.5°移相变压器绕组接法

图4 -7.5°移相变压器电压矢量图

图5 +7.5°移相变压器电压矢量图

以-7.5°移相变压器一次侧A相为例，根据正弦定理，电压矢量的模满足：

2.2 移相变压器的Simulink模型

Simulink中没有现成的移相变压器模型，考虑到励磁涌流与变压器铁芯的饱和特性相关，因此本文选择在Simulink提供的饱和变压器的基础上搭建移相变压器的模型。

为模拟移相变压器一次侧延边三角形绕组的磁路特性，一种建模方法是利用Simulink提供三绕组饱和变压器，通过将二次侧双绕组分别作为延边绕组和三角形绕组来模拟移相绕组的一次侧结构[5]。但是该方法的缺点是该元件的一次侧默认仅有单绕组且不支持自定义绕组数量，因此不能很好的模拟移相变压器的三绕组结构。

由于移相变压器的一次侧延边绕组与三角形绕组共同绕制于变压器铁芯上，通过相同的磁路与二次侧绕组交链，本文认为移相变压器每一相可以等效为一台以延边绕组作为一次侧绕组的双绕组变压器T1与一台以三角形绕组作为一次绕组的三绕组变压器T2在二次侧并联。因此在建模时选择使用6个饱和变压器模拟移相变压器。

以某型移相变压器为例，其主要参数如表2所示。

表2 移相变压器的主要参数

变压器的绕组的电阻与漏感通过线间电阻与阻抗电压计算。需要注意的是Simulink提供的变压器元件使用T型等效模型，因此在计算二次侧参数时需要根据绕组变比进行折算。根据表1中一次侧线间电阻平均值和二次侧Y/△线间电阻平均值数据计算得到一次侧延边绕组电阻为0.000473 pu，一次侧三角形绕组的电阻为0.00231 pu。根据短路阻抗和实际模型拟合得到一次侧延边漏感为0.00336 pu，三角形边漏感为0.0781 pu。

变压器铁芯的饱和特性参考武钢HIB30QG120型冷轧硅钢片的励磁有效电流曲线设置。

根据上述分析建立的移相变压器模型如图6所示。为验证模型建立的正确性，建立+7.5°和-7.5°移相变压器的并联模型，得到如图7所示24脉波输出电压波形。

图6 移相变压器模型

图7 +7.5°和-7.5°移相变压器并联输出波形

3 预充磁励磁涌流抑制方法研究

3.1 预充磁方法需研究的问题

本文针对预充磁方法的以下问题进行研究：（1）预充磁变压器的容量影响体积以及价格，因此需要研究预充磁变压器的容量与移相变压器励磁涌流之间的关系。（2）预充磁开关是机械开关，因此实际使用中1#和2#预充磁开关的合闸时间可能不一致。因此有必要研究合闸时间不一致对移相变压器励磁涌流的影响。

3.2 预充磁变压器对移相变压器励磁涌流的影响仿真分析

为研究预充磁变压器容量与励磁涌流的关系，在图6所示移相变压器模型的基础上，建立如图8所示基于预充磁方法的系统模型，其中预充磁变压器容量选择为20 kVA，变比为6.6 kV/6.6 kV，短路阻抗为5.11%。

图8 移相变压器预充磁系统仿真模型

为加快求解速度，求解器选择ode23tbStiff，步长设置采用Variable Step，相对容许误差选择10-4。预充磁开关合闸时间为1 s，分闸时间为5 s，主推进开关合闸时间为4 s，仿真时长为10 s。仿真结果如图9所示。

图9 20 kVA变压器预充磁后励磁涌流

图10 未经预充磁的励磁涌流

通过与图10所示移相变压器直接空载合闸的励磁涌流波形比较，可以看到经过20 kVA预充磁变压器对移相变压器预充磁，励磁涌流峰值从447 A降低至27 A。

选择容量10 kVA和50 kVA预充磁变压器，短路阻抗分别为4.2%与7.45%，通过仿真得到表3。根据表3可以得出随着变压器容量的增大，预充磁过程电流峰值逐渐增大，移相变压器励磁涌流峰值降低。综合变压器体积与励磁涌流抑制效果，20 kVA为预充磁变压器的较佳容量。

表3 变压器容量与涌流峰值的关系

3.3 预充磁开关合闸一致性与励磁涌流的关系

在图8所示模型的基础进行仿真，1#预充磁开关合闸时间设置为1s，2#预充磁开关合闸时间延后1/4周期，即0.005 s，其他设置相同。移相变压器励磁涌流和电源电压的仿真结果如图11和图12所示。

图11 预充磁开关合闸不一致励磁涌流

图12 预充磁开关合闸不一致电源电压

从图11可以看出，当1#预充磁开关和2#预充磁开关合闸时间不一致时，励磁涌流峰值从图9的27 A上升为236 A，暂态分量收敛较慢且含有大量的谐波。从图12可看出在预充磁过程中电源电压发生跌落，有效值从6.3 kV下跌至4.87 kV。

为了消除预充磁开关合闸时间不一致对预充磁效果的不利影响，如图13所示在预充磁变压器二次侧增加三相电阻R1和R2。根据仿真，三相电阻R1和R2阻值与励磁涌流峰值之间关系如表4所示。

图13 预充磁变压器二次侧增加电阻单线图

表4 三相电阻阻值与涌流峰值的关系

4 结论

本文在励磁涌流产生原因分析的基础上，比较励磁涌流抑制方法的优缺点，提出通过预充磁抑制励磁涌流的方法。为了验证所述方法的效果，在Matlab/Simulink中建立具备铁芯饱和特性的延边三角形绕组移相变压器模型和励磁涌流抑制方法系统模型。仿真结果表明：1）预充磁方法可以有效降低移相变压器励磁涌流。大容量预充磁变压器可以更好的降低励磁涌流，但是大容量预充磁变压器不仅占用更大空间，价格更高，预充磁过程会出现较大电流峰值。因此预充磁变压器的容量选择移相变压器容量的0.5%～1%左右为佳。2）移相变压器预充磁开关合闸时间不一致导致励磁涌流大幅提高，电源电压跌落、暂态电流难以收敛且含有大量谐波。通过在预充磁变压器二次侧增加三相电阻可以有效降低这一不利影响。

[1] 任雅广, 陈次祥. 船用大容量变压器空载合闸及预充磁分析[J], 2009, 26(04): 31

[2] 孙玉伟. 24脉波移相整流变压器技术研究综述[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2019, 43(3): 438.

[3] 张晓宇. 海洋平台变压器励磁涌流抑制方法[J]. 海洋工程装备与技术, 2018. 1, 5(3): 215.

[4] 俞荣丹. 变频移相整流变压器的研制[D]. 浙江工业大学, 2015.4.

[5] 张彦兵, 王伟. 基于延边三角形移相的24脉波整流器仿真建模[J]. 电网分析与研究, 2017, 45(9): 057.

Research on excitation inrush current suppression method of marine phase-shifting transformer

Tang Wenjun1, Liu Bo2

(1.Guangzhou Second Military Representative Office, Guangzhou Military Representative Department, Naval Armament Department of PLAN, Guangzhou 511464, Guangzhou, China; 2.Guangzhou First Military Representative Office, Guangzhou Military Representative Department, Naval Armament Department of PLAN, Guangzhou 511464, Guangzhou, China)

TM721

A

1003-4862（2022）03-0043-05

2021-08-09

唐文俊(1986-)，男，工程师，主要从事电气工程。E-mail: 1340145060@qq.com