基于matlab的变压器仿真建模及特性分析电气专业方向设计报告.docx

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基于matlab的变压器仿真建模及特性分析电气专业方向设计报告

西南科技大学

电气专业方向设计报告

设计名称：

基于Matlab的变压器仿真建模及特性分析

姓名：

学号:

班级：

指导教师：

起止日期：

2015年11月3日------2015年11月27日

西南科技大学信息工程学院制

方向设计任务书

学生班级：

学生姓名：

学号：

设计名称：

基于MATLAB的变压器仿真建模及特性分析

起止日期：

2015/11/03～2015/11/27指导教师：

一、设计要求

以matlab软件为平台，搭建三相变压器，要求如下：

（1）理解变压器的相关理论知识；

（2）掌握Matlab电力系统相关元件参数的设置，并完成仿真。

二、设计内容

（1）三相或单相变压器仿真图及各部分模块参数设置图；

（2）使用该模型完成考虑磁滞、剩磁影响时的变压器饱和特性；完成变压器的空载、负载、空载合闸、副边突然短路（负载）仿真分析；

（3）仿真运行结果及分析；

（4）根据设计报告模板要求撰写设计报告。

三相双绕组变压器部分参数：

变比：

500kV/230kV

额定相电压：

289/133kV

三相额定容量450MVA（每相150MVA）

额定频率60Hz

一次绕组R1=0.002pu，L1=0.08pu

二次绕组R1=0.002pu，L1=0.08pu，Rm=200pu

方向设计学生日志

时间

设计内容

2015/11/03

查阅相关资料，学习MATLAB软件的应用

2015/11/10

设计并调试运行考虑磁滞影响时的饱和特性

2015/11/16

修改相关参数进行考虑剩磁时的饱和特性的仿真调试并进行分析

2015/11/20

变压器空载及空载合闸是的特性仿真建模与分析

2015/11/22

变压器负载以及副边突然时的特性建模与仿真分析

2015/11/23

完善设计并完成设计报告

基于MATLAB的变压器仿真建模及特性分析

摘要：

通过MATLAB软件中的电力系统模块，建立了分析变压器饱和特性的系统仿真模型。

使用该模型，对考虑磁滞、剩磁影响的饱和特性以及变压器的空载、负载、空载合闸、副边突然短路（负载）进行仿真分析，为分析变压器的特性提供了简单有效的方法。

并能通过分析加深对变压器特性的理解。

关键词：

变压器；MATLAB；特性分析

SimulationmodelingandanalysisoftransformerbasedonMATLAB

Abstract：

ThroughthepowersystemmoduleofMATLABsoftware,thesystemsimulationmodelofthesaturationcharacteristicoftransformerisestablished.Usingthemodel,thesimulationanalysiswascarriedouttoconsidertheeffectofhysteresis,remanencesaturationcharacteristicsandtransformerno-load,load,no-loadclosing,sidesuddenshortcircuit（load）,providesasimpleandeffectivemethodfortheanalysisoftransformerproperties.Andcandeepentheunderstandingofthecharacteristicsofthetransformer.

Keywords：

Transformer；MATLAB；Characteristicanalysis

一、设计目的和意义

电力变压器是发电厂和变电所的主要设备之一。

变压器的作用是多方面的不仅能升高电压把电能送到用电地区，还能把电压降低为各级使用电压，以满足用电的需要。

总之，升压与降压都必须由变压器来完成。

在工程实践中，如果要得到电力变压器的饱和特性，必须经过繁杂而费时的试验测试，并且受到试验条件、变压器运行工况模拟（如剩磁）、测量手段（如变压器空载合闸时的瞬变量测量）的限制。

而利用计算机仿真手段可以使电力系统一些电磁现象的定性和定量分析变得迎刃而解。

利用MATLAB软件中的饱和变压器模型所建立的电力变压器饱和特性仿真模型，简单而直观，能仿真分析电力变压器在各种情况下的饱和特性及运行情况。

电力变压器在电力系统中不可或缺，然而如果不对变压器及其运行情况和故障时的电气量变化有全面、深刻的认识和理解，在电力系统中可能会造成严重后果。

本文就变压器的基本情况进行了仿真验证。

二、控制要求（设计要求）

三相或单相变压器仿真图及各部分模块参数设置图；

使用该模型完成考虑磁滞、剩磁影响时的变压器饱和特性；完成变压器的空载、负载、空载合闸、副边突然短路（负载）仿真分析；

仿真运行结果及分析；

根据设计报告模板要求撰写设计报告。

三相双绕组变压器部分参数：

变比：

500kV/230kV

额定相电压：

289/133kV

三相额定容量450MVA（每相150MVA）

额定频率60Hz

一次绕组R1=0.002pu，L1=0.08pu

二次绕组R1=0.002pu，L1=0.08pu，Rm=200pu

三、设计方案论证

三相变压器的各相参数相等，因此在做考虑磁滞和剩磁情况下的三相变压器采用单相变压器模型，而负载、空载、空载合闸及副边突然短路情况下的三相变压器特性则采用三相变压器模型进行仿真。

四、系统设计

1.变压器特性分析

1.1变压器的磁滞与饱和特性

电力变压器的磁滞与饱和特性可以通过对变压器空载运行进行测试和分析得到。

变压器空载时，一次绕组流过空载电流Ic其主要作用是在磁路中产生磁动势建立磁通。

磁通与励磁电流的关系是由变压器铁芯磁路的磁化曲线和磁滞回线决定的。

如图是不考虑磁滞和涡流影响时的变压器基本磁化曲线。

当磁路不饱和的时候变压器工作在磁化曲线的直线部分，磁通与励磁电流呈线性关系，当磁路饱和时，磁通随励磁电流的变化相对于不饱和时要小得多。

变压器的铁芯存在磁滞现象。

当选择不同的磁场强度（即励磁电流）进行反复磁化时，可以得到一系列大小不同的磁滞回线，大励磁电流是，磁滞回线所围成的面积随之增大。

当励磁电流足够大时，该面积达到一定极限，这个极限所包围的面积就成为饱和磁滞回线。

将各磁滞回线定点连接起来就得到基本磁化曲线。

1.2饱和变压器模型

MATLAB7.0中的三相三绕组饱和变压器的电路模型见图1，其铁芯的磁化特性用1个表示铁芯有功损耗的电阻Rm和1个饱和电感Lsat模拟。

图1变压器电路模型

电力变压器的饱和特性包括2个区域：

A．主磁滞环：

在这个区域，每个电流值对应2个不同的磁通值。

变压器的主磁滞环由以下参数确定：

剩磁Φ0，矫顽电流Ic，饱和电流Ia与饱和磁通Φa，以及矫顽电流处的磁通-电流变化率dΦ/dI.这些参数可以在饱和变压器模型的磁滞回线文件对话框的设置。

B．饱和区域：

饱和变压器的磁化曲线用分段线性表示，它由一系列的[IΦ]数据确定.这里的电流不是涡流，涡流造成的有功功率损耗已经用等效电阻Rm模拟。

饱和区域的起始位置是主磁滞环的最大值点[IsΦs]。

1.3系统建模与仿真

利用MATLABPSB和Simulink建立的系统仿真模型如图2。

考虑到三相变压器的各相参数相等，因此在做考虑磁滞和剩磁情况下的三相变压器采用单相变压器模型，只对一相进行仿真。

图2单相变压器仿真模型

1.3.1模块介绍

用到的主要模块如下：

Three-PhaseProgrammableVoltageSource：

三相可编程电压源，可编程的三相电压源，其幅值、相位和谐波可以随时间变化。

ControlledVoltageSource：

受控电压源。

可对受控电压源进行初始化，加入直流电压或者交流电压，同时在电路中加入对应初始值的电压波形。

SeriesRLCBranch：

串联RLC支路元件，在电力系统中设计一个串联RLC支路。

SeriesRLCLoad：

串联RLC负载元件，在电力系统中设计一个串联负载。

Multimeter：

万用表，用于测量电流、电压等值。

powergui：

提供有用的图形用户分析界面，这里主要用到HysteresisDesignTool（磁滞特性设计工具）对磁滞曲线参数进行设置。

Scope：

示波器，用于显示波形。

SaturableTransformer：

饱和变压器，用于对变压器饱和特性进行分析。

BreakerControl：

断路器控制器，用于对断路器进行开合控制。

Terminator：

终止器，用于终止一个连接的输出端口。

1.3.2参数设置

（1）考虑磁滞影响的饱和特性参数设置

变压器参数：

额定相电压为289/133kv,三相额定容量为450MVA（每相150MVA），频率为60HZ。

一次绕组R1=0.002pu,L1=0.08pu；二次绕组R2=0.002pu,L2=0.08pu；表示铁芯有功损耗的电阻Rm=200pu，勾选Simulatehysteresis（磁滞）复选框。

断路器控制器（BreakerControl）参数：

时间（Times）为[06/609/60]。

三相可编程电压源（Three-PhaseProgrammableVoltageSource）参数：

正序分量（Positive-sequence）为[547e39060],时变性（Timevariationof）选择幅值（Amplitude），变量类型（Typeofvariation）选择时间表-幅值（Tableoftime-amplitudepairs）幅值为[0.81.1]，时间为[00.05]。

磁滞特性设计工具（HysteresisDesignTool）中主磁滞环的参数为默认参数即可。

（2）考虑剩磁时的饱和特性参数设置

打开变压器模型菜单，取消磁滞仿真功能，磁化曲线用分段线性表示，并设剩磁为0.85pu，设置7个[IΦ]点为：

[0,0;0,0.85;0.015,1.2;0.03,1.35;0.06,1.5;0.09,1.56;0.12,1.572]。

2.变压器空载仿真

2.1变压器空载特性

变压器的空载运行是指变压器的一次绕组接入电源，二次绕组开路的工作状态。

此时，一次绕组中的电流称为变压器的空载电流。

空载电流产生空载磁场。

在主磁场（即同时交联一、二绕组的磁场）作用下，一、二次绕组中便感应出电动势。

变压器空载运行时，虽然二次侧没有功率输出，但一次侧仍然从电网吸取一部分的有功功率，来补偿因为磁通饱和，在铁芯内引起的磁滞损耗和涡流损耗简称铁耗。

磁滞损耗的大小取决于电源的频率和铁芯材料磁滞回线的面积；涡流损耗与最大磁通密度和频率的平方成正比。

另外还存在空载电流引起的铜耗。

对于不同容量的变压器，空载电流和空载损耗的大小是不同的。

空载电流一般都很小，即使外加电压很大，空载电流仍然很小。

变压器的空载电流一般约为额定电流的6%～8%（国家规定空载电流不应大于额定电流的10%）。

2.2系统建模

仿真模型如图3

图3变压器空载仿真模型

2.2.1参数设定

三相电压源电压值为500KV，频率为60Hz，相角为0负载为一个100MW的负荷，仿真时间为0.5s。

3.变压器负载仿真

3.1变压器负载分析

变压器的负载载运行是指变压器的一次绕组接入电源，二次绕组接入负载的工作状态。

3.2仿真建模

仿真模型如图4

图4变压器负载仿真模型

3.2.1参数设置

三相串联RLC负载是一个100MW的负荷，电源电压为500Kv，频率为60Hz，初相角为0，仿真时间为0.5s。

4.变压器的空载合闸仿真

4.1变压器的空载合闸分析

所谓的空载合闸就是在变压器二次侧不带负载的情况下，将一次侧合闸接入额定电压。

如果变压器一次侧合闸瞬间正好是电压过零时，由于变压器铁芯中的磁通相位落后电压900，所以此时铁芯中的磁通为最大，但是磁通是不能突变的，所以铁芯中会产生一个方向相反随时间衰减速的直流磁通来抵消这个最大值，经过半个周期后，这个直流磁通又与交流磁通方向相同，二者相加，就使得铁芯饱和，就会产生很大的激磁涌流。

经过若干个周期以后，直流磁通完全衰竭，铁芯中就是正常工作的额定交流磁通了。

4.2励磁涌流

空载合闸或外部故障切除后电压恢复时，由于铁芯饱和会产生很大的励磁电流，在最不利的情况下，可以达到正常励磁电流的上百倍，或者说可达到变压器额定电流的几倍。

这一大大超过正常励磁电流的空载合闸电流称为励磁涌流。

励磁涌流的大小与铁芯的饱和程度、铁芯的剩磁、合闸这一瞬间的相角等因素有关。

同时，在变压器空载合闸这一瞬变过程中，电流、电压的波形也会发生变化。

4.3仿真建模

4.3.1仿真模型如图5

图5变压器空载合闸仿真模型

4.3.2参数设置

Three-PhaseParallelRLCLoad是一个100MW的负荷，电源电压为500KV，频率60Hz，初相角为0，断路器初始状态为打开，0s时闭合。

5.变压器副边突然短路仿真

5.1变压器副边突然短路（负载）分析

变压器带负载正常运行时，二次侧（副边）突然短路的状态。

如果正常运行时突然副边短路，将产生一个高于其额定电流20～30倍的短路电流。

5.2仿真建模

仿真模型如图6

图6变压器副边短路仿真模型

5.3参数设置

Load1是一个100MW的负荷，Load2为副边负载。

电源电压为500Kv，频率为60Hz，初相角为0，断路器为打开状态，0s时闭合，Fault设置为三相接地短路，时间在0.3-0.5s。

五、设计结果及分析：

1.磁滞影响的饱和特性仿真分析

图7磁滞影响的饱和特性仿真波形

从图7的仿真结果可以看出：

0～0.05s电压和磁通峰值均0.8pu，变压器的一次电流事故的运费和磁化电流都很小。

由于铁心无剩磁，磁化电流和磁通波形关于时间轴都是对称的。

磁通在内环变化（主磁滞环内）。

0.05～0.15s电压幅值达到1.1pu,磁通峰值也达到1.1pu,磁通在主磁滞环上变化，标志着铁心开始饱和。

0.1～0.15s断路器断开,电流过零,电流被中断,0.83pu的磁通保留在变压器铁心中（剩磁）。

0.15～0.2s断路器在t=0.15s时重新合闸。

这种情况是变压器是空载合闸，合闸时电压初相角为

，与铁心中的剩磁同极性,此时铁心中将出现较大的磁通,并产生励磁涌流。

从图7的波形可以看出，电压过零时,产生一个接近1.1pu的附加磁通偏移量，使得峰值磁通达到1.85pu变压器铁心进入深度饱和区域,励磁电流峰值达到0.8。

因此在考虑磁滞影响的情况下，当变压器断开再接通时，变压器的磁通Φ不是关于时间轴对称的，在实际运用中应考虑变压器铁芯被磁化后存在剩磁，铁芯饱和会产生很大的励磁电流（励磁涌流）。

2.考虑剩磁影响的饱和特性仿真分析

图8考虑剩磁是的仿真波形

从图8的仿真结果可以看出：

0～0.05s：

由于铁芯有剩磁，磁化电流和磁通波形不再关于时间轴对称，而是当电源电压（变压器一次电压）波形为负半周时，出现励磁电流脉冲。

磁通在0.05～1.65pu之间变化。

0.05～0.1s：

电压幅值达到1.1pu，磁通峰值达到1.95pu，铁芯已进入饱和区。

同样，当电源电压（变压器一次侧电压）波形为负半周时，会出现数值更大的励磁电流脉冲。

0.1～0.15s：

断路器断开，电流被中断，变压器铁芯中有剩磁。

0.15～0.2s：

断路器在0.15秒时重新合闸。

与磁滞时的情况相同，也会产生励磁涌流。

3.变压器空载特性仿真分析

仿真图如图9所示。

根据变压器空载运行理论分析，变压器空载时，二次侧断开，一次侧接入电源。

这时变压器的二次侧由于断开只有电压，没有电流，而一次侧有电流，此电流叫做空载电流，空载电流非常小，一般为额定电流的2%-5%。

国家规定空载电流应小于额定电流的10%。

变压器额定电流：

IN=SN÷（UN×√3）=150÷（289×√3）×103≈300A。

示波器测得的电流约为5.4A。

5.4÷300≈0.018﹤10%。

图9变压器空载时的仿真波形

4.变压器负载仿真分析

图10纯阻性负载时二次侧波形图

图11纯阻性负载时一次侧波形图

带纯电阻负载时三相负载电流大小均一致，仅存在相位差别，结合理论知识分析，大小相等，相位相差120度；而一次侧电流由于存在合闸问题，有先大后小再平稳的趋势。

图12带电阻电感负载时二次侧波形

图12带电阻电感负载时一次侧波形

图13带电阻电容负载时二次侧波形

图14带电阻电容负载时一次侧波形

此时一次侧电流走势与负载电流波形一致。

仿真参数设置中，由于各种类型的负载大小均相等，根据路知识，负载性质并不能改变负载电压的波形走势，而影响的是电压的相位，电流电压波形理应都是正弦波，这与仿真得到的结果一致。

5.变压器空载合闸仿真分析

变压器的空载合闸，即二次侧断开，一次侧接入开关和电源，起始时开关断开，其闭合在仿真开始。

这时产生的冲击电流又叫做励磁涌流，为额定电流的4-8倍。

在交流电路中，U=dΦ/dt，可见磁通Φ总是落后电压U90度相位角，如果U=Um*sin（ωt），则Φ=Um/ω*cos（ωt）+C，分别为强迫分量和衰减的自由分量。

如果在合闸瞬间，电压正好达到最大值时，则磁通的瞬间值正好为零，即在铁芯里一开始就建立了稳态磁通。

在这种情况下，变压器不会产生励磁涌流。

当合闸瞬间电压为零值时，它在铁芯中所建立的磁通为最大值（－Φm）。

可是，由于铁芯中的磁通不能突变，既然合闸前铁芯中没有磁通，这一瞬间仍要保持磁通为零。

因此，在铁芯中就出现一个非周期分量的磁通Φfz，其幅值为Φm。

这时，铁芯里的总磁通Φ应看成两个磁通相加而成。

由于磁通是双标量，铁芯中合闸瞬间磁通为2Φm，如果合闸时铁芯还有剩磁Φ0，磁通Φ还会更大。

实际运行中可达到2.7倍的Φm。

因此，在电压瞬时值为零时合闸情况最严重。

虽然我们很难预先知道在哪一瞬间合闸，但是总会介于上面论述的两种极限情况之间。

以下合闸时电源初相角简称合闸角θ。

图15初相角为0,Dd连接

图16初相角为0，Yd连接

图15为初相位为0，变压器一次与二次侧为Dd接法时的波形；图16为初相位为0，变压器一次侧与二次侧为Yd接法时的波形，可以看出原副边的连接方式对变压器的空载合闸也有一定的影响。

图17初相角为90,Dd连接

图18初相角为180,Dd连接

图15与图17和图18是变压器原边与副边Dd型连接，初相角分别为00、900、180度时的一次侧电流波形，对比可以发现，当其他条件不变时，不同的合闸初相角对励磁涌流的幅值、间断角以及二次谐波含量有显著的影响，而且影响励磁涌流出现的时间。

其他条件相同时，初相角α=

时合闸变压器的励磁涌流最大；α=1800时其反向励磁涌流最大；α=900时其励磁涌流为周期性对称电流，直接进入稳态。

6.变压器副边突然短路仿真分析

图19变压器副边短路时二次侧电流波形

当变压器副边短路时，将产生一个高于额定电流20～30倍的短路电流。

如图是负载侧电流，由仿真波形可以看出0.3-0.5s发生副边三相接地短路，由于负载边短路接地，负载侧电压应该降为0值，则流过负载的电流理应为0，当短路消失时，应该恢复起始负载电流，仿真波形与理论情况一致。

图20变压器副边短路时二次侧电流波形

负载运行时负载电流很大，幅值为950A左右，发生副边三相接地短路是，由于负载不再参加运行，电路总阻抗减小，电路电流增加，由于原副边的变比关系，原边短路电流也应该增加，且高于额定电流10-20倍，仿真时最大短路电流为8000A左右，与理论情况基本一致。

结束语

在工程实践中，如果要得到电力变压器的饱和特性，必须经过繁杂而费时的试验测试，并且受到试验条件、变压器运行工况模拟（如剩磁）、测量手段（如变压器空载合闸时的瞬变量测量）的限制。

而利用计算机仿真手段可以使电力系统一些电磁现象的定性和定量分析变得迎刃而解。

利用MATLAB软件中的饱和变压器模型所建立的电力变压器饱和特性仿真模型，能仿真分析电力变压器在各种情况下的饱和特性及运行情况。

本文中利用simulink设计仿真了变压器的空载、负载、空载合闸、副边突然短路的特性及考虑磁滞和剩磁影响下的变压器饱和特性，跟理论比较得出了各个参数的相关结论，尽管有谐波的存在，但波形走势与理论一致,验证了理论的正确性。

参考文献（递增引用，引用相关内容）

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