大型船舶變壓器預充磁方案研究

黃 彬，王 杰，曹人靖，黃冬明，邰能靈，牛傳凱

(1. 明陽智慧能源集團股份公司，廣東 中山 528467；2. 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

0 引 言

大型船舶電力系統中的變壓器容量較大，在全船負荷中占有相當的比重，是船舶電力系統的重要設備之一[1 – 6]。在船舶正常運行時，變壓器的勵磁電流很小，一般為額定電流的1%～2%[2 – 4]。當變壓器空載合閘投入電網運行時，由于變壓器鐵心磁通的飽和特性和非線性特征，會產生很大的瞬時電流，其幅值可能達到極高的數值。此時電流波形會產生嚴重畸變，形成勵磁涌流[3 – 5]。勵磁涌流可能會導致變壓器繼電保護的誤動[6]，高次諧波還會引起電磁干擾，影響周圍電子設備的正常運行。此外，勵磁涌流還將導致母線處出現較大的瞬態電壓降，從而影響船舶電力系統的正常運行[2 – 10]。

為了抑制變壓器空載合閘時產生的勵磁涌流，通常采取的方法是在合閘回路中串聯電阻來限制涌流的幅值和暫態過程[1 – 8]，但該方法容易受到系統參數和變壓器剩磁的影響。隨著開關技術的發展，出現了選相位分相合閘技術[9 – 14]，由于變壓器剩磁難以測量以及斷路器動作的分散性和觸頭預擊穿等不可控因素的影響，實際應用仍存在一定困難。還有學者提出了通過改變一、二次繞組分布來抑制勵磁涌流的方法，即通過增加合閘過程中變壓器的自感來達到抑制變壓器勵磁涌流目的，但該方法改變了變壓器的內部結構，可能會給變壓器的穩態運行帶來不可預料的影響[15 – 18]。本文提出一種新型的變壓器勵磁涌流抑制方案，測試結果表明，在大容量變壓器空載合閘時，本方案可以有效地抑制勵磁涌流，具有很好的反應速度及抑制效果。

1 預充磁方案的基本原理

1.1 勵磁涌流分析

變壓器空載合閘的勵磁涌流主要由變壓器內部磁通的突變造成，圖1所示為變壓器T形等效電路圖。

圖1 變壓器 T 型等效電路圖Fig. 1 Diagram of transformer T-equivalent circuit

式中： N1為變壓器一次繞組匝數； ?1為變壓器一次側繞組磁通； r1為變壓器一次側等效電阻； i1為一次側電流瞬時值，空載時即為變壓器勵磁電流； u1為變壓器一次側電壓； ω=2πf ，f為頻率； α為變壓器合閘瞬間初始角。

變壓器空載合閘時的磁通表達式為：

式（2）表明，合閘時磁通的大小與初始條件有關，即與電壓 u1的初始角α 有關，當α =0時合閘，有

在這種情況下合閘，變壓器中的磁通能達到穩態磁通的2倍，考慮到變壓器的剩磁，這個數值將在2倍以上[3 – 4]。而一般的大容量變壓器額定工作狀態均在磁化曲線的膝點附近，此時的鐵芯已接近飽和，當變壓器磁通達到高度飽和時，磁導率的降低造成變壓器磁化電抗非常小，即變壓器一次側電路阻抗非常小，合閘瞬間會產生較大的沖擊電流。

大型變壓器空載合閘時電網電流的相位，幅值以及變壓器合閘時間，變壓器剩磁都會影響勵磁涌流的相位和幅值，合閘時間的不同也會導致勵磁涌流的相位不同。本文在大型變壓器電網側并聯新型變壓器預充磁裝置（Novel preliminary magnetizing of transformer，NPMOT），通過補償相應的電流增量來降低其對電力系統的影響。

1.2 NPMOT工作原理

NPMOT輸入側通過小型變壓器1與電網的母線并聯，小型變壓器1給三相不控整流電路升壓，通過實時檢測負載電流，與電網電流進行比較，使用SPWM控制方案對系統進行調節，驅動逆變器。逆變器串聯輸出電感，通過小型變壓器2與電網串聯，如圖2所示。

圖2 新型變壓器預充磁器示意圖Fig. 2 The new NPMOT schematic diagram

其工作原理詳述如下：

圖3 NPMOT 等效電路圖Fig. 3 NPMOT equivalent circuit diagram

變壓器空載合閘時，設電源電壓 Us為正弦波，Un=K?iS， U為理想受控電壓源，根據戴維南等效定律，則電源電流 iSm的勵磁涌流分量為：

圖4 NPMOT 補償等效電路Fig. 4 NPMOT compensation equivalent circuit

當K?|ZF+Za|時，可忽略ZS，ZF，Za，Ism隨K值增大而減小，由空載變壓器合閘的瞬時電流將流入NPMOT，減少了對系統的沖擊。可以看出，勵磁涌流的抑制特性主要由K值以及K與 ZS， ZF， Za之間的關系決定。要獲得理想的抑制性能，要求K取足夠大，但K值的增大也會引起NPMOT容量的增加和系統的不穩定。可見，NPMOT能補償變壓器任意時刻空載合閘所產生的勵磁涌流，保證了系統較好的穩定性。

2 控制方法設計

通過檢測瞬時勵磁涌流電流，得到電流畸變的分量，再乘以適當的K值以參數指令信號，通過PWM信號發生器控制NPMOT信號輸出。

3 新型變壓器預充磁裝置硬件設計

新型變壓器預充磁裝置（NPMOT）由小型變壓器、整流器、穩壓電容、逆變器、輸出電感等組成。（見圖2），小型變壓器用來提高二次側的電壓，還起到隔離保護的作用。整流器把交流電變成所需要的直流。充電電容用于支撐直流側電壓，同時還兼顧平波。檢測變壓器空載合閘時的勵磁涌流和電網側的電流，計算兩者的偏差并輸入逆變器的控制模塊，控制逆變器的輸出從而動態抑制勵磁涌流，輸出電感用于濾除高頻毛刺。整個NPMOT可用于變壓器任意時刻的空載合閘運行。

3.1 小型變壓器

NPMOT結構中的小型變壓器如圖6所示。

其中 Uin， iin為小型變壓器的一次側電壓電流值， N1，N2為變比， Uin1為二次側電壓。由勵磁電流可得小型變壓器容量 P=Uin?iin，變比

由于勵磁涌流對功率要求很低，所以小型變壓器容量可以很小，但是整流逆變側需要比較高的電壓，因此二次側的電壓一般會設置為一次側的1.2～2倍。

3.2 整流逆變部分

NPMOT結構中的整流逆變部分如圖7所示。其中Uin1， Uout1為整流逆變部分的輸入、輸出電壓，為直流電壓值，C為穩壓電容。為了降低成本，提高系統的可靠性，整流側為三相不可控整流電路，逆變側為三相全橋可控電路，因此直流電壓平均值 Ud為：

圖5 控制系統框圖Fig. 5 Control system block diagram

圖6 小型變壓器原理圖Fig. 6 Small transformer schematic

在NPMOT裝置中，穩壓電容C的作用是提供一個穩定的直流電壓，為保證NPMOT具有良好的電流跟隨性能，必須將穩壓電容電壓控制在一個適當的值。穩壓電容值可由式（7）得出，并近似取整：

其中： ineff為流過NPMOT的電流有效值； fmin為逆變器最低頻率； γ為電壓 Udc的波動系數； Kc為載荷位移角； β為增益系數。

3.3 濾波輸出電感

輸出電感具有濾除高次紋波的作用，在NPMOT中，輸出電感值的大小直接決定了電流的跟蹤速度，從而很大程度地影響NPMOT的工作性能。如果輸出電感值過大，輸出電流的變化速度將變緩，電流跟蹤能力下降；電感值過小，輸出電流的變化速度將會增快，電力電子器件的開關頻率必然提高、損耗增大。另外如果補償電流中的高頻開關波紋電流幅值增大，容易造成系統沖擊振蕩。在實際應用中可以根據對最大電流上升率的估計，估算輸出電感的值，并近似取整：

式中： L 為輸出電感的估算值； δimax為電流最大上升率； Ud為直流側電容電壓值； USmax為電網電壓峰值。

4 實驗測試

系統測試模型如圖2所示。其中，變壓器為三柱三相式? /Y接法，變比為6.6/0.45 kV，容量分別選100 MVA和 30 MVA；船舶系統電壓等級 6.6 kV，50 Hz；，iS和 iin分別為負載電流、電網電流和NPMOT輸入電流。NPMOT中變壓器變比為1.5，計算得穩壓電容C取近似值5 mF，輸出電感L近似值為0.2 mH，K取20。

圖8為100 MVA變壓器安裝NPMOT前、后0.1 s空載合閘時電網側電流 iS對比圖。圖8（a）為100 MVA變壓器0.1 s時空載合閘 iS電流值，圖8（b）為安裝NPMOT后變壓器0.1 s時空載合閘電流值。從圖8可以看出，沒有安裝NPMOT時，100 MVA變壓器0.1 s空載合閘勵磁涌流達到2 050 A，安裝NPMOT后，電流從原來的峰值下降到55 A左右，抑制勵磁涌流效果明顯。

100 MVA變壓器安裝NPMOT前、后0.23 s空載合閘電網側電流比較圖如圖9所示。安裝NPMOT后，勵磁涌流依然可以降到55 A左右，抑制效果比較好。從圖8和圖9可以看出，在安裝NPMOT后，系統參數、合閘時間等因素均幾乎不會影響抑制勵磁涌流的效果。

NPMOT輸入電流 iin如圖10所示，在不同時刻變壓器空載合閘時， iin的最大電流幅值均小于85 A，因此NPMOT中的小型變壓器容量可以選擇很小，符合理論分析結果，降低了設備成本，提高了經濟安全性。

圖8 100 MVA 變壓器安裝 NPMOT 前、后 0.1 s空載合閘時電網側電流 iS比較圖Fig. 8 The comparison of gird side current iS when 0.1 s un-load switching on of 100 MVA transformer before and after installation of NPMOT

圖9 100 MVA 變壓器安裝 NPMOT 前、后 0.23 s空載合閘時電網側電流 iS比較圖Fig. 9 The comparison of gird side current iS when 0.23 s un-load switching on of 100 MVA transformer before and after installation of NPMOT

圖10 電流示意圖Fig. 10 current diagram

當變壓器容量為30 MVA，變壓器0.23 s空載合閘時的電網側電流如圖11所示。勵磁涌流最大為1 750 A，嚴重影響船舶電力系統的安全。安裝NPMOT后，30 MVA變壓器0.23 s空載合閘電網側電流從1 750 A下降到50 A，勵磁涌流抑制效果明顯。

圖11 30 MVA 變壓器安裝 NPMOT 前后 0.23 s空載合閘時電網側電流比較圖Fig. 11 The comparison of gird side current when 0.23 s un-load switching on of 300 MVA transformer before and after installation of NPMOT

圖12 NPMOT 輸入電流示意圖Fig. 12 NPMOT Input Current schematic diagram

NPMOT與變壓器一次側串聯電阻，變壓器一次側并聯變壓器，分相合閘等勵磁涌流抑制方案比較如表1所示。

表1 勵磁涌流抑制技術比較Tab. 1 Technology comparison with magnetizing inrush current suppression

由表1對比可知，在變壓器一次側串聯電阻，先合閘電阻支路，延時后將電阻支路短路，使變壓器投入運行的方法受系統參數和變壓器剩磁影響，而且增大系統損耗，效果不是很理想。低壓側并聯電容器或在變壓器一次側并聯變壓器的方案存在合閘時間選擇的問題，合閘時間的不同對勵磁涌流影響不同[2]。分相合閘技術是一種能有效抑制勵磁涌流的選相位分相合閘技術，主要是通過檢測變壓器中某一相的剩磁來確定此相的合閘相角，然后通過一定的延時合上另外兩相，但是由于變壓器中的剩磁難以測量，斷路器動作時間的不可控性，以及觸頭預擊穿時間的不確定性等影響，所以該方法目前無法實際應用。基于快速追蹤電流補償的新型變壓器預充磁方案（NPMOT）通過檢測瞬態勵磁涌流，對勵磁電流進行實時補償，不受系統參數、變壓器剩磁及合閘時間的影響，抑制勵磁涌流效果好，可靠性高。

5 結 語

由于變壓器繞組中磁勢不能突變及鐵芯磁飽和的特性，變壓器空載合閘時勵磁涌流將達到極高的數值，同時電流波形會產生嚴重畸變，影響電力系統安全。本文針對某大型船舶電力系統，提出一種新型變壓器勵磁涌流抑制方案并設計實現，通過對電網電流的實時跟蹤計算，可以有效抑制變壓器的勵磁涌流。試驗結果表明，與其他一些勵磁涌流抑制方案相比較，NPMOT不受系統參數，變壓器剩磁及合閘時間的影響，可以較好地抑制變壓器的勵磁涌流，在性能和抑制效果上有明顯的優勢，具有實用價值。