基于MatlabSimulink的电力变压器仿真建模及特性分析-(文献综述)

基于MatlabSimulink的电力变压器仿真建模及特性分析-(文献综述)
基于Matlab/Simulink的电力变压器仿真建
模及特性分析
二O一四年三月
前言
额定容量是一个表现功率的惯用值，它是表征传输电能的大小，以k·V A或M·V A表示，当对变压器施加额定电压时，根据它来确定在规定条件下不超过温升限值的额定电流。

较为节能的电力变压器是非晶合金铁心配电变压器，其最大优点是，空载损耗值特低。

最终能否确保空载损耗值，是整个设计过程中所要考虑的核心问题。

当在产品结构布置时，除要考虑非晶合金铁心本身不受外力的作用外，同时在计算时还须精确合理选取非晶合金的特性参数。

国内生产电力变压器
较大的厂家有一开投资集团，中电电气，保变天威，西电集团，山东明大电器，山东电力设备厂等。

[2]当一次绕组通以交流电时，就产生交变的磁通，交变的磁通通过铁芯导磁作用，就在二次绕组中感应出交流电动势。

二次感应电动势的高低与一二次绕组匝数的多少有关，即电压大小与匝数成正比。

主要作用是传输电能，因此，额定容量是它的主要参数。

[1]电力变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压（电流）的设备
在电力系统传送电能的过程中，必然会产生电压和功率两部分损耗，在输送同一功率时电压损耗与电压成反比，功率损耗与电压的平方成反比。

利用变压器提高电压，减少了送电损失。

[3]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过去十年的发展中，我国
电力建设快速发展，成绩斐然。

其中，发电装机容量高速增长，电网建设速度突飞猛进，电源结构调整不断优化，技术装备水平大幅提升，节能减排降耗效果显著，电力建设实现了跨越式发展。

这为我国经济社会平稳较快发展提供了强大动力，对改善人民生活起到了重要支撑和保障作用。

国家统计局数据显示，2007-2011年，电力变压器制造行业的销售规模不断扩大，销售收入每年以13%以上的速度增长，2011年销售收入达到1784.36亿元，同比增长16.53%;实现利润总额102.14亿元，同比减少5.43%。

总体来看，2011年，中国电力变压器制造行业发展稳定，但盈利能力有所下滑。

出于全球经济环境的考虑，我国未来可能会加大可再生能源的比例。

国网、南网都在研究轻型直流，这些都是新的趋势，将为变压器行业带来新的发展领域。

并且电力变压器在市场上的发展和使用越来越广泛，在技术上和质量上其中一些知名企业也脱颖而出例如一开投资集团多年来公司一直致力于民族电气工业的发展，与众多科研院所、高校及国际行业巨头建立紧密的合作，设立了“上海一开电器科
学研究所”，专业研发、生产输配电控制设备、高低压电器元件、智能电气等产品，先后开发了“智能型PLC控制总屏”及“智能型成套开关总控”等各种高、低压电器元件；与沈阳变压器研究所合作，研发、生产高低压变压器产品，先后开发了S（B）H15-M、S（B）H16-M型非晶合金卷铁芯电力变压器，SC9、SCB9、SC10、SCB10系列树脂绝缘干式变压器，SG10型H级绝缘干式电力变压器，SGB11-R卷铁芯H级非包封线圈干式电力变压器，10kV级S9、S11系列油浸式电力变压器，35kV级S9-□-□系列油浸式电力变压器等系列产品并同时研发生产了变压器生产用箔式绕线机、非晶合金剪切机、高低压绕线机等专用机械设备；与美国通用公司（GE）强强联手，打造亚太地区最大、最专业的船用开关设备及低压电气设备，先后开发了GEA plus2.0、Modula plus、Modula 630k、船用变压器、船用箱式变电站、船用电气自动化设备、隧道专用配电柜等系列产品。

随着我国“节能降耗”政策的不断深入，国家鼓励发展节能型、低噪音、智能化的配电变压器产品。

目前在网运行的部分高能耗配电变压器已
不符合行业发展趋势，面临着技术升级、更新换代的需求，未来将逐步被节能、节材、环保、低噪音的变压器所取代。

2008年、2009年连续两年我国电网建设投资超过电源建设投资，预示着我国电网建设落后的问题或将得到改善。

但要实现电源与电网的平衡，我国仍须提高电网的输配电能力，使之与电源规模相匹配。

可见未来几年，电网建设和城乡配电网改造仍是我国电力工业的首要任务，配电变压器的市场需求量有望保持较强劲的增涨。

以往人们在系统设计过程中都使用物理模型和笔算解决问题，运算量很大，成本较高。

电力系统的实时计算机仿真系统由于其精度高、改变参数方便和重复性好等优点，已逐步取代传统的物理仿真系统，在电力系统的规划以及电力系统保护和控制等方面起着越来越重要的作用。

PSB 中包括了电路仿真所需的各种元件模型,包括电源模块、基础电路模块、电力电子模块、电机模块、附加模块等等。

在Simulink 环境
下,PSB 库提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制,在仿真前自动将仿真系统图变化成状态方程描述的系统形式,然后进行仿真分析。

[4]MATLAB 以其强大的计算功能、友好的动态仿真环境和丰富的工具箱越来越成为从事包括电力网络、电力电子和控制系统等专业学习和研究的重要仿真工具。

其中的Simulink 工具箱是一个高性能的动态系统建模与仿真平
台,SimPowerSystems(PSB)库就是一个电力、电子系统建模和仿真的专用模块库
MATLAB及电力变压器简述
一、 MATLAB简介
1、MATLAB系统构成。

[5]MATLAB系统由MATLAB开发环境、MATLAB 数学函数库、MATLAB语言、MATLAB图像处理系统和MATLAB应用程序接口（API）五大部分组成（1）MATLAB开发环境
MATLAB开发环境是一套方便用户使用MATLAB 函数和文件的工具集，其中许多工具是图形化用户接口。

它是一个集成化的工作空间，可以让用户输入。

输出数据，并提供了M文件的集成编译和调试环境。

它包括MATLAB桌面、命令窗口、M
文件编辑调试器、MATLAB工作空间和在线帮助文档。

（2）MATLAB数学函数库
MATLAB数学函数库包括了大量的计算算法，从基本运算（如加法、正弦等）到复杂算法，如矩阵求逆、贝塞尔函数、快速傅立叶变换等。

（3）MATLAB语言
MATLAB语言是一个高级的基本矩阵/数组的语言，它有程序流控制、函数、数据结构、输入/输出和面向对象编程等特色。

用户既可以用它来快速编写简单程序，也可以用来编写庞大复杂的应用程序。

（4）MATLAB图像处理系统
图像处理系统使得MATLAB能方便地图形化显示向量和矩阵，而且能对图形添加标注和打印。

它包括强力的二维、三维函数、图像处理和动画显示等函数。

（5）MATLAB应用程序接口（API）
MATLAB应用程序接口（API）是一个是MATLAB
语言能与C、FORTRAN等其他高级编程语言进行交互的函数库，该函数库的函数通过调用动态链接库（DLL）实现MATLAB文件的数据交换，其主要功能包括MATLAB中调用C和FORTRAN程序，以及MATLAB与其他应用程序间建立客户/服务器关系。

2、Simulink仿真概述
参考文献。

[6]Simulink是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于它与用户交互接口是基干Windows的模型化图形输入的，从而使得川户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非语言的编程上所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本系统模块，用户只需要知道这此模块的输入、输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的。

通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型(以mdl文件进行存取)，进而进行仿真与分析。

Simulink模型的基本结构.
一个典型的Simulink模型由以下三种类型的模块构成：
●信号源模块
信号源为系统的输入，它包括常数信号源、函数信号发生器（如正弦波和阶跃函数等）以及用户自己在MATLAB中创建的自定义信号。

●被模拟的系统模块
系统模块作为仿真的中心模块，它是Simulink仿真建模所要解决的主要部分。

●输出显示模块
系统的输出由显示模块接收。

输出显示的形式包括图形显示、示波器显示和输出到文件或MATLAB工作空间三种，输出模块主要在Sinks 库中。

构成Simulink模型的三种模块结构关联图如图1.1所示。

信号源模块被模拟系统
信号模块
输出显示模
块
图3.4构成Simulink模型的樱块结构关联图Simulink模型的基本特点可归纳如下：
（1）Simulink里提供了许多如Scope（示波器）的接收器模块，这使得用Simulink进行仿真具有图形化显示效果。

（2）Simulink的模型具有层次，通过底层子系统可以构建上层母系统。

（3）Simulink提供了对子系统进行封装的功能，用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。

二、变压器简介
1、变压器的基本构成
一个变压器通常包括：
两组或以上的线圈：以输入交流电电流与输出感应电流。

一圈金属芯：它把互感的磁场与线圈耦合在一起。

变压器一般运行在低频、导线围绕铁芯缠绕成绕组。

虽然铁芯会造成一部分能量的损失，但
这有助于将磁场限定在变压器内部，并提高效率。

电力变压器按照铁芯和绕组的结构分为芯式结构和壳式结构，以及按照磁通的分支数目（三相变压器有3，4或5个分支）分类。

它们的性能各不相同。

芯
薄片钢芯
变压器通常采用硅钢材料的铁芯作为主磁路。

这样可以使线圈中磁场更加集中，变压器更加紧凑。

电力变压器的铁芯在设计的时候必须保防止达到磁路饱和，有时需要在磁路中设计一些气隙减少饱和。

实际使用的变压器铁芯采用非常薄，电阻较大的硅钢片叠压而成。

这样可以减少每层涡流带来的损耗和产生的热量。

电力变压器和音频电路有相似之处。

典型分层铁芯一般为E和I字母的形状，称作“EI变压器”。

这种铁芯的一个问题就是当断电之后铁芯中会保持剩磁。

当再次加电后，剩磁会造成铁芯暂时饱和。

对于一些容量超过数百瓦的变压器会造成的严重后果，如果没有采用限流电路，涌流可造成主熔断器熔断。

更严重的是，对于大型
电力变压器，涌流可造成主绕组变形、损害。

实芯铁芯
在如开关电源之类的高频电路中，有时使用具有较高的磁导率和电阻率的铁磁材料粉末铁芯。

在更高的频率下，需要使用绝缘体导磁材料，常见的有各种称作铁素体的陶瓷材料。

在一些调频无线电电路中的一些变压器铁芯采用可调铁芯，来配合耦合电路达到谐振。

空气芯
卷铁芯
线圈由电磁线所构成，用于环绕铁蕊，藉以通电产生磁场，或是经由磁场产生感应电流。

绝缘保护
屏蔽物
冷却剂有的变压器利用液态物质的循环进行热量的疏散。

常用的液态物质为变压器油（英语：transformer oil），其主要成分为烷烃、环烷烃、芳香烃等化合物。

变压器油比热容较大，它吸收热量体积膨胀上升，在管中形成循环，再通过散
热装置将热量散发到空气中。

有的变压器利用气态物质（如六氟化硫）作为冷却剂。

由于导热能力的限制，气体冷却剂一般应用于小容量变压器。

关于变压器油，绝大多数采用的是矿物油, 极少数的变压器采用的是植物油。

矿物油泄露可能会对环境造成污染，而植物油污染程度就会少很多。

而且植物油的闪点要比矿物油的高。

所以，在将来，植物油可能会取代矿物油。

2、变压器的工作原理
变压器内部，既有磁路问题，也有电路问题，而且彼此之间还有耦合关系。

为了研究方便，通常将其转化为等效电路，并且用一组电路方程来描述。

[7]变压器是一种静止的电气设备，因为原、副边线圈匝数不同，通过电磁感应关系，把一种电压数值转换成另外一种电压数值电力变压
器发展趋势及攻关方向
随着我国节能、环保和消防法规的不断健全和
民众环境意识的增强，变电站的建设受节能、环保和消防制约的程度越来越大。

变压器是变电站中最重要的设备，随着国民经济和电网建设的高速发展，制造变压器所必须的生产资料如铜、硅钢片、绝缘油和绝缘纸材料供应日趋紧张，市场价格猛增。

按照变电站设备寿命周期成本的概念，在注重初次投入成本的同时也必须十分重视运行成本。

综合以上原因，控制了变压器寿命周期成本，也就控制了变电站寿命周期成本。

我们应以追求最高价值为目标，以最低的寿命周期成本，可靠地实现设备应具有的健康水平。

一、变压器发展趋势
1、节能
变压器是输变电行业中的耗能大户。

据估计，我国变压器的总损耗占系统总发电量的7 %～10% ，造成我国电力利用率降低，电力浪费巨大。

如果变压器损耗降低1％，每年可节约上百亿度电，所以降低变压器损耗已是我国节能工作的当务之急。

如今政府已将节能降耗情况作为一项重要指标，纳入经济社会发展的综合评价体系，因此，节能型变压器越来越受到大家的关注。

但节
能并不意味着损耗最低，而是追求变压器工作时能效最高。

因此变压器标准损耗应根据实际负荷特性，以能效最高为目标。

就目前电网联络电力变压器来说，根据实际运行状况，降低空载损耗比降低负载损耗意义更重大。

2、低噪声
变压器产品标准《6～500 kV级变压器声级》(JB／T 10088-1999)与《工业企业厂界噪声标准》(GB 12348-90)和《城市区域环境噪声标准》(GB 3096—93)规定有较大的差异，电压等级越高、容量越大，其差异越大。

按《6～500 kV级变压器声级》(JB／T 10088-1999)标准生产的变压器根本满足不了环保要求，即使IV 类区域也难满足，因此运行中的变电站受到环保制约程度越来越大，随着时间的推移，投入的环保成本也将越来越大。

变电站的环保标准是强制性标准，不满足是无法投运的，因而仅执行变压器产品标准是毫无意义的。

变电站噪声是一个综合问题，变压器无法做到噪声很低，但结合变电站综合改造，如采用全自冷方式，或散热器与本体分体并移位安装方式，即把变压器本体安装在无通风设施、隔声效果非常好的混凝土或砖房内，其防爆
防火性能可得到保证；散热器则安装在户外、或散热条件良好的地面或房顶上，就可从源头上解决噪声问题。

据悉，《城市区域环境噪声标准》已进行了修改，不再采用A声级，而采用C声级进行考核，并设置了每个频段的噪声标准，这对户外变压器降噪将是一个新的挑战。

3、人性化
目前变压器外形和工艺性设计不尽合理，形象粗糙，尺度失衡，色彩灰暗单调；装配工艺复杂要求高、工艺系数低(刚性质量指标少，柔性质量指标多)，质量和安全事故时有发生，使人在心理上产生排斥。

变压器的设计应以人为本，并像创作艺术作品一样对待，将艺术和人性、装配工艺与功能和质量相结合，提高工装系数、操作工艺性，保障各道工序质量和人身安全，并使之外形美观，与环境相协调。

4、消防型
消防对象通常可分为易燃、难燃和阻燃三类。

同样，变压器可分为易燃、难燃和阻燃三类。

通常将矿物油浸式变压器定为易燃物，其使用有严
格的消防要求；干式变压器或SF 绝缘变压器为阻燃物，无消防要求，但也有如燃烧、有害气体泄漏、可靠性差、寿命周期后的处理等亟待解决的问题。

虽然国内尚未将难燃油浸式变压器认可为难燃物，但国际上已普遍认可该类变压器，我国迟早会与国际接轨。

因此，在难燃和阻燃变压器领域内将有较大发展空间，会出现替代产品，给用户多一个选择。

对大型油浸式变压器来说，提高变压器本身的消防能力尤为重要，而消防部门和产品制造厂商往往忽视这一点。

双层油箱结构、内部充以安全、稳定、环保和阻燃性能良好的物质或气体的变压器，将会逐步得到消防部门的认可，这种变压器同时可进一步降低噪声水平。

5、使用替代材料
随着电网建设快速发展，制造变压器的有色金属铜、绝缘油等，由于使用量的增长和资源匮乏，供应越来越紧张，迫切需要找到替代品。

因此使用合成油、植物油、冷却液、气体和铝线圈的变压器势必提到日程上来。

铝线圈变压器虽在抗短路能力和降低负载损耗方面的性能不是很好，但
对于配电变压器普遍存在负载率较低的现状，采用无套装间隙工艺或内支撑结构，选用铝线圈是最恰当不过了。

6、全寿命周期成本
如今变电站建设单位和运行单位不再仅重视
设备的购置费而忽视设备的运行费用，而是以变压器寿命周期成本(即购置费和运行费之和)的
最低点为目标选购变压器。

提高价值不是单纯提高产品的功能品质，而是在功能品质允许的情况下，把寿命周期成本降到最低，追求实质上的物美价廉是最终目标。

变压器应遵循安全、稳定、可靠、经济和先进的原则。

变压器是变电站中最重要的设备，关系着电网安全和企业效益，因此，其安全性应首先得到保证。

可靠性要求设备稳定性好，不良率低变压器的检修维护耗资巨大，而且会给电网安全带来不安全因素，若在设计和制造中就能保证设备的稳定性是最理想的。

变压器经济性涉及企业的经济效益，要坚决杜绝劳民伤财的事。

在成本最优化前提下，也应考虑设备的先进性，具体表现在如下方面：
(1)结构简单。

变压器的长期稳定性应放在首
位，结构简化将是趋势。

由于发电机的励磁机、调容电抗器和SVC的应用，无分接结构变压器或无励磁调压开关结构的无励磁调压变压器将优先采用，内绕组设置调压分接将不再出现。

(2)技术成熟。

电网不是运行试验场地，变压器应选用成熟的技术，因此计算机仿真技术将得到普遍运用。

(3)少维护，免检修。

变压器人为结构要少，如密封焊缝要短，密封件使用量要少，采用的主附件应与变压器同寿命，对安装运行的要求要低等。

因此全自冷变压器将是发展的趋势。

(4)足够的抗过电压和过电流能力。

要充分考虑绝缘材料和绕组结构的累积效应、制造工艺偏差和运行环境等因素，因此抽检试验必将流行。

(5)技术统一。

国网推行的典型设计，使变压器的技术得到统一规范，变压器设备也趋于单，这也有利于变压器制造精细，质量稳定。

(6)模块化的设计。

紧凑型变电站有利于节省土地，降低造价，加上典型设备大量推广，变压器呈现模块化的趋势，即套管出线后直接与封闭
母线或GIS通管或电缆连接，以及运用散热器集中布置等技术。

二、攻关方向
对制造厂商来说，理性用材尤为重要。

每处材料或组件的运用均应恰当好处，保持应有的质量水平。

过欠的质量要不得，但过剩的质量也是一种浪费。

就目前我国的变压器制造水平来说，尚有如下方面工作要做：
(1)精确计算漏磁场的分布
提高漏磁场(包括磁场分布和磁通密度分布)分析计算精度，是降低变压器温升、提高抗短路能力的前提。

漏磁场是产生局部过热和机械力的根本原因，因此其分析和精确计算很重要，尤其在金属结构件、绕组端部、铁心、换位处、螺旋口等特殊部位，精确计算漏磁场的分布尤为重要。

有调压绕组时，还应计算出各分接位置的漏磁分布规律，以便采取相应的对策，降低绕组涡流损耗(包括横向分量、纵向分量和单位体积涡流损耗)、结构件杂散损耗、热点温升、绕组短路时的机械力或应力，还要考虑工艺制造因素造成的绕组间的间隙和轴向错位，以及金属结构
件、套管及引线对漏磁场的影响等问题。

(2)掌握铁心主磁通磁场的分布规律
提高铁心内主磁通磁场分析计算精确度，还要考虑各种谐波电压和直流偏磁对主磁通的影响，努力降低空载损耗和铁心振动，控制铁心谐振频率避开电源基频50 Hz的倍数。

(3)掌握电场的分布规律
要分别精确计算出在快速暂态过电压(VF—
T0)、雷电全波、雷电截波、操作波冲击条件下和工频耐压下变压器各处的电位、梯度电压分布和表面电场分布。

根据绕组内部、高压引出线、不同分接引线的绝缘结构特点，充分考虑绝缘材料的绝缘特性、几何形状、材料本身成份、加工工艺、水分含量、含气量、杂质等因素的影响。

这些因素有很大的工艺分散性，而且在变压器运行过程中可能还会发生变化，如温升造成含水量改变、绝缘件移位变形或开裂、绝缘油劣化、气泡等，都会给问题的解决带来困难。

另外，变压器油流带电还受到油速、油温、油流紊流度、外加交流电场、油路结构、绝缘油及固体绝缘材料性质等诸多因素的影响，油流带电的4个过程(电
荷产生、电荷传输、电荷积累和电荷泄放)涉及静电学、流体力学、热学、电化学和材料学等多个学科。

油流带电的微观机理目前仍尚不很清楚，需深入研究。

(4)全自冷变压器温升设计
如何降低热点温升是设计的主要目标，全自冷方式应充分考虑绝缘油的浮力和油隙的绝热作用，利用流体力学和热学等学科，掌握热油流动规律，仿真计算出绕组各点的温升，努力将绕组温升曲线的斜率控制在1．15内，局部温升略过高的地方可采用B或F级耐高温绝缘材料，比如玻璃纤维、N0MEX纸和漆等。

(5)提高抗短路能力
变压器受短路电流冲击时，其动态过程实际上就是绕组振动过程，因此变压器短路动态设计实际上也是绕组振动设计。

要选择合适的计算模型，使其能更准确地描述变压器的实际结构和短路时绕组的整个振动过程。

绕组是一种多介质复杂体系，介质材料力学参数对绕组结构的整个机械性能有很大影响，特别是绝缘件，其力学参数受材料本身成份、加工工艺、变压器干燥处理过程等因素的影响较大，且有很大的工艺分散性，。