變壓器直流偏磁的仿真分析

王曉明，王飛翔

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050）

變壓器直流偏磁的仿真分析

王曉明，王飛翔

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050）

特高壓直流輸電具有遠距離、大容量等許多優點，但是特高壓直流輸電還存著這許多的問題，例如當系統采用單極大地運行時，會引起變壓器的直流偏磁等。本文介紹利用MATLAB的Simulink工具搭建了變壓器的直流偏磁仿真模型，對變壓器在施加不同的直流電壓時勵磁電流的畸變情況進行了仿真，并對勵磁電流的波形進行了快速傅立葉變換分析（FFT），得到了變壓器直流偏磁情況下諧波的分布情況，進一步驗證了理論的正確性。

變壓器；直流偏磁；勵磁電流；仿真；分析

近年來，隨著越來越多的高壓直流輸電線路在我國投入運行，直流偏磁效應愈加嚴重，促使人們積極的研究分析該現象。

1 直流偏磁現象的概述

高壓特高壓直流輸[1]電出現雙極不對稱或者單極連接方式時，其換流站周圍會產生地表電流，形成電位差[2]，直流電流便會由變壓器的中性點和交流線路組成通路，直流電和交流電流的相互疊加就形成了直流偏磁效應[3]，如圖1。

圖1 直流輸電對交流輸電的影響

由地磁暴產生的地磁感應電流（GIC），其頻率在0.001～0.01 Hz，也可以看成直流，也會產生很嚴重的危害。20世紀80年代末期，加拿大魁北克電力系統就是因為GIC發生了嚴重的大面積停電事故[4-6]，造成了嚴重的經濟損失。

2 變壓器直流偏磁產生機理

變壓器在直流偏磁情況下，主磁鏈會出現直流分量，直流和交流勵磁磁通相疊加，形成總的磁通密度[7-9]。如圖2所示，圖2（a）中實線表示系統正常工作時的磁通曲線，而當系統中出現直流分量時，正常情況下的磁通曲線就會整體上移如圖2（a）中的虛線所示；圖2（b）是變壓器鐵心勵磁曲線圖，從圖中可以看出變壓器鐵心是非線性變化的；圖2（c）實線表示系統正常工作時的磁化電流曲線，虛線則表示當系統中有直流分量時，理論上產生的勵磁電流變化曲線[10-12]。我們把這種情況稱之為半波飽和。勵磁電流中之所以會出現諧波，歸根到底還是由于鐵心的非線性變化引起的，而且我們可以發現直流電流越大，勵磁電流的畸變越嚴重[13-15]。

圖2 變壓器直流偏磁示意圖

3 變壓器直流偏磁仿真

利用MATLAB里提供的Simulink的仿真工具對變壓器進行仿真模擬。仿真時設定的基本參數如下，變壓器的一次側接交流電和直流電壓源，二次側空載仿真，圖三為單相變壓器仿真原理圖。變壓器額定有功功率：P=150 MVA；高壓側繞組額定電壓：U1=500kV；R1=0.002 pu；L1=0.08 pu；低壓側額定電壓：U2=200kV；R2=0.002 pu；L2=0.08 pu；鐵芯的飽和特性損耗設定為[0，0；0.001，1；1，1.5]；鐵芯損耗Rm=4 000 pu；仿真時間t=0.1 s。所搭建的MATLAB仿真原理如圖3所示。

圖3 單相變壓器仿真原理圖

仿真結果如圖4～6所示。由仿真結果可以看出，當變壓器正常工作時，勵磁電流的波形是正常波形；而當變壓器中通過直流時，由于變壓器鐵心的非線性，勵磁電流波形就發畸變，波形中出現了毛刺，并且我們可以發現，勵磁電流的諧波只發生在波形的上半周期，直流電流越大，勵磁電流的畸變越嚴重。

圖4 正常運行

圖5 直流電壓為10V

圖6 直流電壓20V

4 勵磁電流的快速傅立葉分析

文中通過MATLAB中的快速傅立葉分析（FFT），分析了變壓器在不同直流電壓的情況下，勵磁電流當中諧波的情況，如圖7～9所示。

由仿真結果[16]，我們可以得出以下結論，當變壓器正常運行時，勵磁電流中只含有奇次諧波，不含有偶次諧波；當系統中出現了直流電壓時，勵磁電流中出現偶次諧波，并隨著直流電壓的增大，勵磁電流中的直流和低次諧波都明顯增大。

圖7 正常運行時諧波分布

圖8 直流電壓10V時諧波分布

圖9 直流電壓20V時諧波分布

5 結 論

1）當變壓器有直流入侵時，由于直流偏磁的影響，勵磁電流的上半周期發生畸變，并且隨著直流電壓的增大，勵磁電流的畸變越嚴重；

2）變壓器正常工作時，勵磁電流中只含有奇次諧波，但是當系統中出現直流電壓時，勵磁電流中出現了偶次諧波，直流電流越大，直流分量和偶次諧波都會明顯增大。

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Simulation of transformer DC biasing

WANG Xiao-ming，WANG Fei-xiang
（Electrical Engineering Information Engineering Institute，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

UHV DC transmission has many advantages long distance and large capacity，but UHV DC transmission there are some problems to be solved，such as the ground can cause current HVDC transformer DC bias and other issues.This article focuses on the use of MATLAB Simulink tools to build a transformer DC bias simulation model is applied to the transformer in the case of the excitation current distortion at different DC voltages are simulated，and the waveform of the exciting current was fast Fourier transform to obtain a harmonic distribution transformer，which verifies the DC bias theory transformers.

transformer；DC bias；excitation current；simulation；analysis

TN7

：A

：1674－6236（2017）13-0163-03

2016-06-17稿件編號：201606115

王曉明（1954—），男，甘肅民勤人，教授。研究方向：計算機控制技術。