CN105590729A - 一种励磁电抗可调变压器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种励磁电抗可调变压器，属于电力电气设备技术领域。根据本发明实例及涉及到的直流磁饱和调节变压器励磁电流方法和分裂式励磁绕组结构，有效地融合变压器的变压、功率传输和励磁电抗可调功能。本发明实现了变压器的励磁电抗取代传统可调电抗器进行电网感性无功动态补偿的功能，减少系统中设备的数量，提高可靠性、节约资源、节省运营成本。

Description

一种励磁电抗可调变压器

技术领域

本发明涉及一种励磁电抗可调变压器，属于电力电气设备技术领域。

背景技术

随着电网规模不断扩大和网络结构的日益复杂，由负荷波动带来的不稳定因素日益加剧，电网的无功需求特别是动态无功需求较以前生了很大变化，需采取多种手段保证无功动态平衡平衡。为此近年来，利用可控电抗器和固定电容器构成的静止无功补偿器(SVC)在电网中开始广泛应用，其基本原理是通过调节可控电抗器等效电抗，实现感性无功的连续调节，配合固定电容器后，可实现感性至容性无功的连续调节。综上所述，连续可调的感性无功设备是实现动态无功调节的关键。

变压器属感性设备，从等效电路看相当于在理想变压器基础上并联了励磁电抗。变压器的励磁电抗以作为电网中的潜在感性无功源，通过励磁电抗的可调技术取代传统的可控电抗。如果变压器的励磁电抗可以取代传统的可调电抗器，一方面可以减少系统中安装设备的数量，在提高可靠性的同时节省空间；其次可以极大地减少对原材料的需求，节约资源、节省成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种励磁电抗可调变压器，通过该变压器可实现励磁电抗可调，替代电抗器为电网系统提供可调感性无功源，简化电网系统设备组成结构。

为了达到上述的目的，本发明提供一种直流磁饱和调节变压器励磁电流方法，以及基于这种方法的设计分裂式励磁绕组结构。

上述直流磁饱和调节变压器励磁电流方法如图1所示：通过分裂式励磁绕组施加直流电流，提供直流励磁磁通φ_dc；原有交流励磁磁通φ_s(ωt)被提高到φ(ωt)，由励磁曲线的线性区进入饱和区；饱和后的φ(ω)对应的交流励磁电流骤增，最终通过控制直流电流实现调节变压器励磁电流。

上述分裂式励磁绕组结构如图2所示：铁芯为三柱结构，分别为1a柱、1b柱和2柱；1a柱、1b柱为变压器原边励磁铁芯，2柱为变压器副边感应铁芯；三柱长短相同，1a柱、1b柱面积均为2柱的一半。变压器两组原边绕组AN匝数相同，分别绕在1a柱、1b柱上，并联引出；两组直流绕组O1O2匝数相同，分别绕在1a柱、1b柱上，串联引出；变压器副边绕组an一组，绕在2柱上。

本发明的结构区别于传统变压器和电抗器，增加了直流绕组和副边侧绕组，因而可以实现三个状态功能。电抗器状态：磁可控变压器的二次侧线圈开路，直流电流改变大小，从而调节变压器励磁电流；变压器状态：磁可控变压器的直流电流大小为零，不再改变铁芯的饱和程度，仅有原有固定励磁电流，变压器只进行变压和功率传输；混成状态：同时进行变压和功率传输，并调节励磁电抗。

本发明可以实现可调电抗器和变压器功能结合，简化电网系统设备、节省加工材料、降低运营成本，提高经济性和可靠性。

附图说明

图1为直流磁饱和调节变压器励磁电流原理图。

图2为变压器绕组结构图。

图3为变压器绕组磁路图。

图4为变压器等效磁路图。

具体实施方式

具体实施方法分以下步骤进行：

步骤1：计算变压器结构参数

首先确定变压器参数，原边电压U_1n，副边电压U_2n，容量S_n、额定磁通密度B。

额定电流： $I_{2N}=\frac{S_N}{U_{2N}}$

铁芯直径：其中D为铁芯直径尺寸(mm)，S′为每柱容量(KVA)，K为经验系数。

截面积：A₁为铁芯截面积(cm²)

每匝电压e_t：当额定频率为50Hz时，

原边线圈匝数：

副边线圈匝数：

步骤2：磁路分析

根据图2所示的基本结构，可将结构图转化为图3所示的磁路图，对参数作如下设定：1a柱磁通密度为B_1a，由交流磁通密度为B_a和直流磁通密度为B₊合成；1b柱磁通密度为B_1b，由交流磁通密度为B_b和直流磁通密度为B_-合成；2柱磁通密度为B₂₂，由1a柱磁通密度为B_1a和1b柱磁通密度为B_1b合成。

故对于1柱有： $U_1=A_b{N}_1\frac{{\mathrm{dB}}_{1a}}{2dt}=A_b{N}_1\frac{{\mathrm{dB}}_{1b}}{2dt}$

对于2柱有： $U_2=A_b{N}_2\frac{{\mathrm{dB}}_{22}}{dt}$

由于变压器原边电压不变，对应dB_1a和dB_1b不变，所以dB_1b和U₂固定不变。综上所述，控制直流电流，改变B_b+和B_-时，副边电压U₂不变。

步骤3：磁路计算

根据图4所示的基本结构，我们引入磁势、磁通和磁阻的概念，参数设定：1a柱磁场强度为H_1a，磁通量为Φ_1a，磁阻为R_1a，1b柱磁场强度为H_1b，磁通量为Φ_1b，磁阻为R_1b，2柱磁阻为R₂₂；原边输入电流为I₁，匝数为N₁，副边侧输出电流为I₂，匝数为N₂，直流绕组输入电流为I_k，匝数为N_k；2柱的截面积为A_b；绕组所在铁芯柱长度为l₀；1a柱磁势为F₁，1a柱磁势为F₂，2柱磁势为F₃；连接1柱左右两个半柱的铁芯磁阻为R₁，连接1，2两柱的铁芯磁阻为R₂。

由于1柱左右两侧铁芯柱长度相同，截面积相同，由公式可知R_1a＝R_1b＝R₀

又2柱的长度与1柱相同，但截面积是1柱左右半柱的两倍，因此有 $R_{22}=\frac{R_{1a}}{2}=\frac{R_{1b}}{2}=\frac{R_0}{2}$ ①

根据图①所示的等效电路图列写回路方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_1-F_3={\mathrm{\Φ}}_{1a}\left(R_0+R_1\right)+({\mathrm{\Φ}}_{1a}+{\mathrm{\Φ}}_{1b})\left(R_2+\frac{R_0}{2}\right)\\ F_2-F_3={\mathrm{\Φ}}_{1b}{R}_0({\mathrm{\Φ}}_{1a}+{\mathrm{\Φ}}_{1b})(R_2+\frac{R_0}{2})\end{array}\right.$ ②

由于1柱左右半柱距离十分近，即R₁所对应的磁路非常短，因此忽略R₁，将方程②简化 $\left\{\begin{array}{c}{F}_1-F_3={\mathrm{\Φ}}_{1a}{R}_0+({\mathrm{\Φ}}_{1a}+{\mathrm{\Φ}}_{1b})\left(R_2+\frac{R_0}{2}\right)\\ F_2-F_3={\mathrm{\Φ}}_{1b}{R}_0+({\mathrm{\Φ}}_{1a}+{\mathrm{\Φ}}_{1b})(R_2+\frac{R_0}{2})\end{array}\right.$ ③

解上述方程可得： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_{1a}=\frac{(\frac{3}{2}{R}_0+R_2)F_1-(\frac{1}{2}{R}_0+R_2)F_2-R_0{F}_3}{2R_0^2+2R_0{R}_2}\\ {\mathrm{\Φ}}_{1b}=\frac{(\frac{3}{2}{R}_0+R_2)F_2-(\frac{1}{2}{R}_0+R_2)F_1-R_0{F}_3}{2R_0^2+2R_0{R}_2}\end{array}\right.$ ④

又由公式F_m＝NI₀，知F₁＝N₁I₁+N_kI_k⑤

F₂＝N₁I₁-N_kI_k⑥

F₃＝N₂I₂⑦

将式⑤⑥⑦代入式④可得 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_{1a}=\frac{N_1{I}_1{R}_0+(2R_0+2R_1)N_k{I}_k-R_0{N}_2{I}_2}{2R_0^2+2R_0{R}_2}\\ {\mathrm{\Φ}}_{1b}=\frac{N_1{I}_1{R}_0-(2R_0+2R_1)N_k{I}_k-R_0{N}_2{I}_2}{2R_0^2+2R_0{R}_2}\end{array}\right.$ ⑨

上述方程还可以进一步简化。对于变压器来说，缠绕绕圈的铁芯柱的长度要比仅用作导通磁场的铁芯部分要长得多，因此我们可以进一步忽略R₂，将式⑨简化： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_{1a}=\frac{N_1{I}_1+2N_k{I}_k-N_2{I}_2}{2R_0}\\ {\mathrm{\Φ}}_{1b}=\frac{N_1{I}_1-2N_k{I}_k-N_2{I}_2}{2R_0}\end{array}\right.$ ⑩

通过上面的分析，我们可以看出，R₁和R₂被忽略意味着整个磁路上我们只计算1柱左右半柱和2柱的的磁阻，那么根据公式HL＝ΦR_m，式⑩可以化成：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{1a}=\frac{N_1{I}_1+2N_k{I}_k-N_2{I}_2}{2l_0}\\ H_{1b}=\frac{N_1{I}_1-2N_k{I}_k-N_2{I}_2}{2l_0}\end{array}\right.$

最后可以得到1柱左右半柱的基本磁路方程：

1a柱： $\frac{1}{2}{I}_1{N}_1-\frac{1}{2}{I}_2{N}_2+N_k{I}_k=l_0{H}_{1a}$

1b柱： $\frac{1}{2}{I}_1{N}_1-\frac{1}{2}{I}_2{N}_2-N_k{I}_k=l_0{H}_{1b}$

步骤4：励磁电流计算

根据步骤3的公式推导，由MATLAB仿真可得交流励磁电流、直流电流与饱和度之间的关系。

$I_k=\frac{3l_0{B}_s}{2N_k{\mathrm{\μ}}_0}(1-cos\frac{\mathrm{\β}}{2})$

$I_m=\frac{l_0}{N_1}\left(f\right(B_{11})+f(B_{12}\left)\right)$

其中，β为磁饱和度，I_k直流电流，I_m交流励磁电流，B_s为励磁曲线上交流分量，B_d为励磁曲线上直流分量；而f(B₁₁)和f(B₁₂)与β，B_s，B_d的关系如下：

$f\left(B_{11}\left(t\right)\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;\mathrm{\&omega;}t<\mathrm{\&pi;}-\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}\\ \frac{B_s(-\cos \mathrm{\&omega;}t+\cos \frac{\mathrm{\&beta;}}{2})}{{\mathrm{\&mu;}}_0}& \mathrm{\&pi;}-\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}\&le;\mathrm{\&omega;}t<2\mathrm{\&pi;}+\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}\\ 0& 2\mathrm{\&pi;}+\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}\&le;\mathrm{\&omega;}t\&le;2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.$

$f\left(B_{12}\left(t\right)\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{B_s(-\cos \mathrm{\&omega;}t+\cos \frac{\mathrm{\&beta;}}{2})}{{\mathrm{\&mu;}}_0}& 0\&le;\mathrm{\&omega;}t<\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}\\ 0& \frac{\mathrm{\&beta;}}{2}\&le;\mathrm{\&omega;}t<2\mathrm{\&pi;}-\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}\\ \frac{B_s(\cos \mathrm{\&omega;}t-\cos \frac{\mathrm{\&beta;}}{2})}{{\mathrm{\&mu;}}_0}& 2\mathrm{\&pi;}-\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}\&le;\mathrm{\&omega;}t\&le;2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.$

Claims (5)

1.一种励磁电抗可调变压器，其特征在于，包括了一种直流磁饱和调节变压器励磁电流方法，以及基于这种方法的设计分裂式励磁绕组结构。

2.根据权利要求1中所述的一种直流磁饱和调节变压器励磁电流方法，其特征是，通过分裂式励磁绕组施加直流电流，提供直流励磁磁通，将交流励磁磁通被提高到励磁曲线的饱和区；饱和后的交流励磁磁通对应的交流励磁电流骤增，最终通过控制直流电流实现调节变压器励磁电流。

3.根据权利要求1中所述的分裂式励磁绕组结构，其特征是，铁芯为三柱结构，分别为1a柱、1b柱和2柱；1a柱、1b柱为变压器原边励磁铁芯，2柱为变压器副边感应铁芯；三柱长短相同，1a柱、1b柱面积均为2柱的一半；变压器两组原边绕组AN匝数相同，分别绕在1a柱、1b柱上，并联引出；两组直流绕组O1O2匝数相同，分别绕在1a柱、1b柱上，串联引出；变压器副边绕组an一组，绕在2柱上。

4.根据权利要求3中所述的原边绕组，其特征是，两组并联接入电网，电网电压为固定值，所以两组原边励磁磁通变化量不变，合成后的励磁磁通变化量不变，副边绕组感应电压不变。

5.根据权利要求3中所述的直流绕组，其特征是，两组直流绕组匝数相同，由于两组原边励磁磁通变化量不变，交流感应电压值相同；两组直流绕串联引出，交流感应电压方向相反，合成交流电压为零。