CN101938139A - 具有多个水平旋转变压器的可变频率变压器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有多个水平旋转变压器的可变频率变压器及方法。一种可变频率变压器包括：多个旋转变压器，其分别包括转子绕组、定子绕组和驱动马达；第一并联电路，其包括并联布置的至少两个旋转变压器，且具有分别连接到其各旋转变压器的第一绕组和第二绕组上的隔离电路断路器和单独的同步电路断路器；第一主变压器，其具有可连接到第一电力网上的第一绕组和可连接到第一并联电路中的隔离电路断路器上的至少一个次级绕组；第二主变压器，其具有可连接到第二电力网上的第一绕组和可连接到第一并联电路中的各同步电路断路器上的至少一个次级绕组；以及控制系统，其可操作地连接到同步电路断路器、隔离电路断路器和各旋转变压器的驱动马达中的各个上。

Description

具有多个水平旋转变压器的可变频率变压器及方法
技术领域
本发明涉及可变频率变压器(VFT)，并且更具体地涉及VFT中的旋转变压器布置、控制以及基础结构。
背景技术
可变频率变压器通常用于将一个电力网连接到另一个电力网上。两个电力网传送处于可能不同的频率、相位和电压下的交变电流(AC)。VFT提供两个电力网之间的受控交流(AC)通路。VFT将来自于一个电力网的AC电力转换成适用于另一电力网中的AC电力的频率、相位和电压。
可变频率变压器为以可调的相位角工作的连续移相变压器。VFT可以是双向电流传输装置，该装置转换来自于第一电力网的AC电流用于第二电力网，且反之亦然。VFT通常包括在转子和定子上具有三相绕组的旋转变压器。用于旋转变压器的集电极(集电器)在三相转子绕组与同VFT相关的静止导线(例如，母线)之间传导电流。驱动马达和驱动系统调整VFT中的转子相对于VFT定子的旋转位置，以控制流过VFT的AC电力的大小、频率、相位和方向。
VFT中的旋转变压器通常为诸如用于水力发电的单个大型变压器。这些变压器在水平平面内围绕大的垂直轴旋转。尽管常规的可变频率变压器已布置成在变电站并联以形成电力网之间的大型异步互连，但这些并联变压器是作为单独的变压器进行工作和经受控制的。变压器很大，而用于变压器的轴也很大。由于大型变压器具有很长的垂直轴，故VFT需要具有很高顶棚(ceiling)的特殊建筑物。
VFT通常为相对较高的大型装置，因为它们通常包括具有垂直旋转轴的大型旋转变压器。常规VFT通常需要昂贵的基础结构来支承变压器，且收容在特殊的较高建筑物中。VFT可安装在两个电网之间的变电站处。这些变电站通常很远，且不容易接近以便构造VFT。对于在很远的变电站处安装VFT的建造成本可能很庞大。
发明内容
已经研发出一种可变频率变压器的异步电力变压器，其包括多个相对较小的旋转机器，例如，使用大型马达技术代替水力发电机技术而产生旋转变压器，该多个相对较小的旋转机器相结合地将来自于一个电力网的AC电力转换成与另一个电力网兼容的AC电力。多个较小的旋转机器连接成成组的并联机器，且共同受到控制而形成单个可变频率变压器。
一种可变频率变压器，包括：多个旋转变压器，其分别包括转子绕组、定子绕组和驱动马达；第一并联电路，其包括并联布置的旋转变压器中的至少两个，且具有连接到第一并联电路中的至少两个旋转变压器中的各个的第一绕组上的隔离电路断路器，其中，第一绕组为转子绕组或定子绕组，以及连接到第一并联电路中的各旋转变压器的各第二绕组上的单独的同步电路断路器，其中，第二绕组为并非第一绕组的转子绕组或定子绕组；第二并联电路，其包括并联布置的旋转变压器中的至少两个，且具有连接到第二并联电路中的至少两个旋转变压器中的各个的第一绕组上的隔离电路断路器，以及连接到第二并联电路中的各旋转变压器的各第二绕组上的单独的同步电路断路器；第一主变压器，其具有可连接到第一电力网上的第一绕组和可连接到第一并联电路和第二并联电路中的隔离电路断路器上的至少一个次级绕组；第二主变压器，其具有可连接到第二电力网上的第一绕组和可连接到第一并联电路和第二并联电路中的各同步电路断路器上的至少一个次级绕组；以及控制系统，其可操作地连接到同步电路断路器、隔离电路断路器以及用于各旋转变压器的驱动马达中的各个上。
一种可变频率变压器，包括：多个旋转变压器，其分别包括转子、转子绕组、定子绕组和驱动马达，其中，驱动马达使转子和转子绕组以由控制系统所确定的旋转速度转动；第一并联电路，其包括并联布置的旋转变压器中的至少两个，且具有连接到第一并联电路中的至少两个旋转变压器中的各个的第一绕组上的隔离电路开关，其中，第一绕组为转子绕组或定子绕组，以及连接到第一并联电路中的各旋转变压器的各第二绕组上的单独的同步电路开关，其中，第二绕组为并非第一绕组的转子绕组或定子绕组；第二并联电路，其包括并联布置的旋转变压器中的至少两个，且具有连接到第二并联电路中的至少两个旋转变压器中的各个的第一绕组上的隔离电路开关，以及连接到第二并联电路中的各旋转变压器的各第二绕组上的单独的同步电路开关；第一主变压器，其具有可连接到第一电力网上的第一绕组和可连接到第一并联电路和第二并联电路中的隔离电路开关上的至少一个次级绕组；第二主变压器，其具有可连接到第二电力网上的第一绕组和可连接到第一并联电路和第二并联电路中的各隔离电路开关上的至少一个次级绕组；以及控制系统，其可操作地连接到同步电路开关、隔离电路开关和用于各旋转变压器的驱动马达中的各个上。
一种方法，用于在将第一电力网中的交变电流(AC)电力转换成用于第二电力网的AC电力的可变频率变压器中使旋转变压器同步，该方法包括：闭合第一隔离电路断路器以将第一电力网连接到第一并联电路上，且按顺序使第一并联电路中的多个旋转变压器中的各个同步，其中，各旋转变压器通过控制应用于旋转变压器的转子上的驱动马达而同步，以及在各旋转变压器同步时，闭合同步电路断路器以将同步的旋转变压器连接到第二电力网上，以及在使第一并联电路中的旋转变压器与第二电力网同步之后，闭合第二隔离电路断路器以将第一电力网连接到第二并联电路上，且按顺序使第二并联电路中的多个旋转变压器中的各个同步，其中，各旋转变压器通过控制应用于旋转变压器的转子上的驱动马达而同步，以及在各旋转变压器同步时，闭合同步电路断路器以将同步的旋转变压器连接到第二电力网上。
附图说明
图1为具有可变频率变压器的电力变电站的示图，该可变压频率变压器布置成将联接到变电站上的一个电力网的电力转换到联接在变电站上的另一个电力网中。
图2为布置成联接两个电力网的可变频率变压器的第一实施例的电学简图。
图3和图4提供了用于使可变频率变压器中的变压器同步的示例性控制序列的流程图。
图5为布置成联接两个电力网的可变频率变压器转换器的第二实施例的电学简图。零件清单
10 电力变电站
12 可变频率变压器
14，16 电力网
18 旋转机器
20，21 用于旋转机器的钢框架
22 框架和机器位于其上的建筑物的地基
24 建筑物
26 主变压器
28 VAR组(bank)
30 控制建筑物
32 图2所示的VAR
34，36，38，40 旋转变压器
42，44 旋转变压器的并联电路
45 辅助电力电路
46 电力导线
47 电路断路器
48 隔离电路断路器
50 控制系统
52 旋转变压器的转子
53 旋转变压器的定子
54 同步电路断路器
56 驱动马达
57 开关
58 驱动系统
60 同步序列
62 使主变压器通电
64 使辅助电力电路和驱动马达电路通电
66 断开隔离电路断路器和同步电路断路器
68 选择一对旋转变压器使其启动
70 闭合用于所选一对旋转变压器的隔离电路断路器
72 驱动马达使所选一对中的第一变压器相对于电力网同步
74 闭合用于第一变压器的同步电路断路器以连接到电力网上
76 驱动马达使所选一对中的第二变压器与电力网同步
78 闭合用于第二变压器的同步电路断路器以将第一对连接到电力网上
80 闭合用于第二对变压器的隔离电路断路器
82 驱动马达使第二对变压器中的第一变压器同步
84 闭合用于第一变压器的同步电路断路器以连接到电力网上
86 驱动马达使第二电路对中的第二变压器同步
88 闭合用于第二变压器的同步电路断路器以连接到电力网上
90 变压器用作可变频率变压器
100 图5中所示的VFT的第二实施例
102 主变压器
104，106 成对的旋转变压器
具体实施方式
图1为具有可变频率变压器12的电力变电站10的示图，该可变频率变压器12将来自于联接到变电站上的一个电力网14(图中示为高压线)的电力转换到联接在变电站上的另一电力网16(图中示为高压线)中。可变频率变压器12包括两对或多对旋转机器18(图1中示出了四个旋转变压器)。
这些旋转机器18可包括构造成作为变压器工作的转子、定子和驱动马达。例如，旋转机器可为常规的工业马达，如通常在制造工厂使用或用于海洋船舶推进的25兆瓦(MW)的马达。各旋转机器的转子轴可为水平的。旋转机器可安装在位于变电站中的建筑物24的矩形地基22上的一个或多个钢框架20，21上。各框架20，21均可支承并联电路42，44的其中一个上的旋转机器(例如，两个)。
在建造变电站期间，建筑物24和钢框架20可预先制造并运输到变电站的建造场所。建筑物20不必像具有垂直定向转子的常规VFT所需的建筑物那样高。由于旋转机器18优选为小于且轻于通常用作VFT的旋转机器，故旋转机器18相对易于运输和安装在变电站处。
变电站还可包括常规变电站构件，如：用于各电力网14，16的主变压器26，其将来自各电网的AC电压电平转换成适于可变频率变压器12的电压电平；无功伏安(VAR)组28，其用以控制流过变电站的AC电流无功电力；以及控制建筑物30，其收容计算机、传感监测仪器以及用以控制和监测可变频率变压器的其它设备。
图2为布置成联接电力网14，16的可变频率变压器转换器32的第一实施例的电学简图。可变频率变压器转换器32包括成对布置的四个旋转变压器34，36，38，40，使得变压器34和36布置在第一并联电路42中，而变压器38和40布置在第二并联电路44中。
在图2中所示的实施例中，100MW可变频率变压器32通过联接四个25MW的旋转变压器34，36，38和40而形成。各旋转变压器可具有相同的额定功率容量，例如，25MW。各旋转变压器中的转子绕组和定子绕组为三相绕组。主变压器26分别为具有两个次级绕组的三绕组式升压变压器。主变压器26的各次级绕组均连接到旋转变压器的电路对42，44上。这些并联电路42，44中的各个均在其相应的末端联接到用于各电力网14，16的主变压器26上。电路对42，44因此并未连接到主变压器的相同次级绕组上。因此，各并联电路42，44经由主变压器26单独地联接到电力网14，16上。
并联电路42，44并未彼此直接相联接。辅助电力经由辅助电力电路45供给各并联电路。辅助电力电路连接到一个并联电路42的一侧上以及另一个并联电路44的相对侧上，以容许辅助电力来自于两电网中的任一电网。辅助电力电路可包括隔离变压器和连杆电路断路器47。电路断路器47通常是断开的，以及在一个辅助变压器出现故障时闭合。
主变压器26将各电力网14，16中的AC电压电平转换成用于旋转机器34，36，38和40的电力电平，例如，13.8千伏(kV)。VAR组28(例如，12.5MVAR并联组)有助于提高在主变压器26与旋转变压器的各并联电路42，44的终端之间的各电力导线46中的AC电流的实用功率因数。
单个隔离电路断路器48提供在旋转变压器的各并联电路42，44的一端处的公共终端上。闭合隔离电路断路器48容许来自于一个电力网14的AC电力经由主变压器26流至与该隔离电路断路器相关的并联电路中的两个旋转变压器中。
用于各并联电路42，44的隔离电路断路器连接到各旋转变压器34，36，38和40的三相转子绕组52上。来自于电力网14的AC电力可应用于转子绕组52上，以驱动转子和在各旋转变压器34，36，38和40的定子绕组53中感生出AC电流。来自于各定子绕组53的AC电流以适于第二电力网16的同步相位和共同频率产生。
用于各并联电路42，44的隔离电路断路器48由共同的控制系统50控制，其中，控制系统50可以是计算机系统，其经编程用以在将电力网14联接到并联电路上的启动序列中切换隔离电路断路器，以便使旋转变压器同步。对于各独立的旋转变压器均具有同步电路断路器54。各同步电路断路器54由控制系统控制，且当旋转变压器彼此以及与电力网同步时，各同步电路断路器54可在启动序列期间断开和闭合。
各旋转变压器34，36，38和40均可包括具有转子绕组52的转子、具有围绕转子的定子绕组53的定子，以及驱动马达56。转子绕组和定子绕组可为用以传送通常在电力网中使用的三相AC电力的三相绕组。驱动马达将转矩施加到其相应的旋转变压器的转子上。来自于驱动马达的转矩使转子及其转子绕组转动，该转子绕组具有来自于电力网14的电流。来自于转子的旋转电流场在定子绕组中产生电流，该电流输出到另一电力网16中。驱动马达56分别由来自于一个电力网的电流供以动力，该电流通过包括隔离变压器和直流(DC)驱动系统的驱动系统58进行供送。
控制系统50监测和控制驱动马达，包括设立施加到旋转变压器的转子上的驱动马达转矩和旋转速度。控制系统单独地调节各旋转变压器中的转子的旋转速度和相位。通过调节旋转变压器中的转子的速度和相位，控制系统控制转子相对于定子的旋转位置，且从而通过变压器来控制电力大小、电流方向和电流相位。此外，控制系统使各旋转变压器的AC电力输出与其它旋转变压器的AC电力输出以及接收电力网同步。控制系统按顺序地使旋转变压器同步，使得各变压器与其它变压器分开同步。
图3和图4提供了形成可变频率变压器12，32的旋转变压器与电力网同步的示例性序列60的流程图。首先，在步骤62，初始断开隔离电路断路器和同步电路断路器。为了设立在电力网之间所期望的电力连接，在步骤64使三绕组式升压主变压器26通电，这在步骤66使得辅助电力系统45和驱动马达系统58通电。
在步骤68，控制系统选择第一并联电路42用以启动所选电路中的旋转变压器，且使这些变压器与电力网14，16同步。在步骤70，控制系统50闭合用于第一并联电路的隔离电路断路器48，以使旋转变压器的电路对42，44中的一个通电。在步骤70，控制系统使所选的第一并联电路42中的第一旋转变压器34同步。在步骤72，为了使第一变压器34同步，控制系统50操作用于第一旋转变压器的相关驱动系统58和驱动马达56以使变压器与输出电力网16同步。在步骤74，当第一旋转变压器34同步时，与所选的第一并联电路42相关的同步电路断路器54闭合，以便将来自第一旋转变压器的输出电力联接到输出电力网16上。
在步骤76，当第一旋转变压器34连接到电力网14，16上之后，控制系统50操作驱动马达56和驱动系统58，以使所选的第一并联电路42中的第二旋转变压器36同步。在步骤78，当第二旋转变压器36已经与第一变压器34同步时，控制系统闭合所选的第一并联电路42中的第二同步电路断路器54。
在步骤80，在第一并联电路42的变压器34，36已经启动且相对于彼此以及电力网同步之后，控制系统50闭合第二隔离电路断路器48，以便将电力网14联接到所选的第二并联电路44上，且使旋转变压器38，40通电。控制系统50操作驱动马达和驱动系统，以便使所选的第二并联电路44中的第一旋转变压器38同步。在步骤82，第一旋转变压器38同步以在定子绕组处产生AC电力，该AC电力具有与所选的第一并联电路42中的同步变换装置(transform)的输出相同的频率、电压和相位，且与第二电力网16兼容。在步骤80中使第一旋转变压器同步之后，在步骤84，控制系统50闭合联接到该变压器38上的同步电路断路器54，以便将变压器连接到第二电力网16上。
在步骤86，使第二并联电路44中的第二旋转变压器40也同步，以便从其定子绕组输出频率、相位和电压与其它同步变压器34，36和38相同的AC电力。旋转变压器40通过使用由控制系统调节的相关驱动马达和驱动系统而同步。在步骤88，当同步时，控制系统闭合用于第二旋转变压器40的同步电路断路器，以便将变压器的输出联接到第二电力网16上。在步骤90，当各旋转变压器34，36，38和40同步且电路断路器48，54闭合时，旋转变压器相结合而用作单个可变频率变压器，以便将来自于一个电网14的AC电力转换成应用于另一电网16的AC电力。
图5为布置成联接两个电力网14，16的可变频率变压器的第二实施例100的电学简图。第二实施例具有与图2中所示的第一VFT实施例相同的一些构件，且这些构件共用共同的参考标号，且参照图2进行描述。在第二实施例中，VFT 100通过相应的二绕组式主变压器102联接到各电力网上。VFT 100包括在二绕组式变压器102之间并联连接的四个25MW旋转变压器34，36，38和40，以形成100MW可变频率变压器互连。
正如第一实施例那样，旋转变压器成对104，106地布置，其中，各对变压器的转子连接到隔离电路断路器48上。与第一实施例中一样，还存在单独的同步电路断路器54，其联接到各旋转变压器的定子上。
正如第一实施例那样并如之前结合图3和图4所述，用于使VFT100通电和同步的序列包括首先闭合用于一对104变压器的隔离电路断路器48，且通过控制用于各变压器的驱动马达56和驱动系统58而使第一变压器同步，且之后使第二变压器同步。当各变压器34，36同步时，控制系统50闭合对应的同步电路断路器54以将变压器的定子输出连接到电力网16上。在第一对104变压器联接到电力网16上之后，用于第二对106变压器的隔离电路断路器48闭合，且独立的旋转变压器38，40按顺序同步，而且其相应的同步电路断路器54闭合以将各变压器联接到电力网14和16上。
还有体现本文所示公开内容的用以形成VFT的其它旋转变压器构造。例如，三个旋转变压器可布置为与一个隔离电路断路器和三个同步电路断路器并联的单元。两个或三个旋转变压器的这些单元可与其它单元相结合用以形成具有五个、六个或更多个独立旋转变压器的VFT。在其它实施例中，隔离电路断路器可连接到用于各旋转变压器的转子绕组上，而同步电路断路器可连接到各并联电路中的旋转变压器的定子绕组上。
此外，各独立旋转变压器的尺寸可选为用以降低采购成本和工作成本。电力网之间的总体VFT互连尺寸因此便基于所需的电力互连尺寸，而并非直接取决于独立旋转变压器的尺寸。
通过结合如本文所公开的较小的旋转变压器，可变频率变压器可形成为具有且额定值等于这些较小旋转变压器的合成额定值。相比于具有一个或数个大型旋转变压器的常规VFT，通过结合相对较小的独立旋转变压器，可实现采购成本和建造成本方面的优点。
尽管已结合当前认作是最为实用和优选的实施例描述了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而相反的是，其旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的多种修改和同等布置。

Claims (12)

1.一种可变频率变压器(12，32，100)，包括：
多个旋转变压器(34，36，38，40)，其分别包括转子绕组、定子绕组和驱动马达；
第一并联电路(42，104)，其包括并联布置的所述旋转变压器中的至少两个，且具有连接到所述第一并联电路中的至少两个所述旋转变压器中的各个的第一绕组(52)上的隔离电路断路器(48)，其中，所述第一绕组为所述转子绕组或所述定子绕组，以及连接到所述第一并联电路中的用于各所述旋转变压器的各第二绕组(53)上的单独的同步电路断路器(54)，其中，所述第二绕组为并非所述第一绕组的所述转子绕组或所述定子绕组；
第一主变压器(26，102)，其具有可连接到第一电力网(14)上的第一绕组和可连接到所述第一并联电路中的所述隔离电路断路器上的至少一个次级绕组；
第二主变压器(102)，其具有可连接到第二电力网(16)上的第一绕组和可连接到所述第一并联电路中的各所述同步电路断路器上的至少一个次级绕组，以及
控制系统(50)，其可操作地连接到所述同步电路断路器(54)、所述隔离电路断路器(48)以及用于各所述旋转变压器的驱动马达(56)中的各个上。
2.根据权利要求1所述的可变频率变压器，其特征在于，所述可变频率变压器还包括：
可连接到所述第二并联电路(44，106)中的所述隔离电路断路器(48)上的所述第一主变压器(26，102)的至少一个次级绕组，以及
可连接到所述第二并联电路(44，106)中的各所述同步电路断路器(54)上的所述第二主变压器的至少一个次级绕组。
3.根据权利要求2所述的可变频率变压器，其特征在于，所述第一主变压器(26，102)和所述第二主变压器(26，102)均包括所述至少一个次级绕组中的第一个和第二个，其中，所述第一并联电路(42)连接到所述第一主变压器和所述第二主变压器中的各个的第一次级绕组上，以及所述第二并联电路(44，106)连接到所述第一主变压器和所述第二主变压器中的各个的第二次级绕组上。
4.根据权利要求1所述的可变频率变压器，其特征在于，所述控制系统(50)包括经编程用以执行存储在所述控制系统中的计算机可读介质上的程序的计算机，其中，所述程序通过控制用于各旋转变压器的所述驱动马达并切换所述隔离电路断路器和所述同步电路断路器以按顺序使各所述旋转变压器同步(60)。
5.根据权利要求1所述的可变频率变压器，其特征在于，所述第一绕组(52)为所述旋转绕组，以及所述第二绕组(53)为所述定子绕组。
6.根据权利要求1所述的可变频率变压器，其特征在于，各所述旋转变压器(34，36，38，40)的额定功率输出大致是相同的。
7.根据权利要求2所述的可变频率变压器，其特征在于，用于所述第一并联电路(42，104)中的所述旋转变压器(34，36，38，40)的驱动马达(56)可电性地连接到所述第一主变压器(26)的至少一个次级绕组上，以及用于所述第二并联电路(44，106)中的所述旋转变压器的驱动马达可电性地连接到所述第二主变压器(26)的至少一个次级绕组上。
8.根据权利要求1所述的可变频率变压器，其特征在于，所述第一电力网(14)工作的AC电力所具有的电力电平、频率和相位中至少一个不同于所述第二电力网(16)工作的AC电力。
9.一种用于在将第一电力网(14)中的交变电流(AC)电力转换成用于第二电力网(16)的AC电力的可变频率变压器(28，32，100)中使旋转变压器(34，36，38，40)同步的方法，所述方法包括：
闭合第一隔离电路断路器(48)以将所述第一电力网连接到第一并联电路(42，104)上，且按顺序使所述第一并联电路中的多个旋转变压器(34，36)中的各个同步，其中，通过控制应用于所述旋转变压器的转子(52)上的驱动马达(56)而使各旋转变压器同步，以及在各旋转变压器同步时，闭合同步电路断路器(54)以将同步的所述旋转变压器连接到第二电力网(16)上，以及
在使所述第一并联电路中的所述旋转变压器相对于所述第二电力网同步之后，闭合第二隔离电路断路器(48)以将所述第一电力网连接到第二并联电路(44，106)上，且按顺序使所述第二并联电路中的多个旋转变压器(38，40)中的各个同步，其中，通过控制应用于所述旋转变压器的转子上的驱动马达而使各旋转变压器同步，以及在各旋转变压器同步时，闭合同步电路断路器(52)以将同步的所述旋转变压器连接到所述第二电力网上。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，控制系统(50)包括经编程用以执行存储在所述控制系统中的计算机可读介质上的程序的计算机，其中，所述程序通过控制用于各旋转变压器的所述驱动马达并切换所述隔离电路断路器和所述同步电路断路器而按顺序使各所述旋转变压器同步(60)。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，闭合各所述隔离电路断路器(58)是指将连接到所述第一电力网上的主变压器(26，102)的次级绕组连接到所述第一并联电路和所述第二并联电路中的一个中的各所述旋转变压器中的转子绕组上，以及闭合各所述同步电路断路器(54)是指将相应旋转变压器的定子绕组连接到与所述第二电力网相连的主变压器的绕组上。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一电力网(14)工作的AC电力所具有的电力电平、频率和相位中至少一个不同于所述第二电力网(16)工作的AC电力。
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