CN105684109B - 对变压器冷却系统的运行进行优化的方法，相应的系统和确定vfd容量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了对变压器冷却系统的运行进行优化的方法、相应的冷却系统、和确定用在所述变压器冷却系统中的变频器(VFD)的容量的方法。所述方法包含以下步骤：预处理由用户输入的初始数据；收集在线数据，并计算满足变压器损耗、顶层油温度变化和噪音的要求的优化的控制命令；以及通过对可控开关进行控制和/或将控制命令发送到VFD来执行控制动作。在冷却系统领域中，提出的解决方案相比于现有技术更加直观实用。
Description
技术领域
本发明涉及冷却技术领域，尤其涉及对变压器冷却系统的运行进行优化的方法、相应的变压器冷却系统、和确定用在所述变压器冷却系统中的变频器(VFD)的容量的方法。
背景技术
变压器是变电站的最关键的器件之一，变压器的安全性、可靠性和效率对于总体电力网非常重要。针对每个变压器，尤其是电压水平为110kV及以上的电力变压器，要求由多个电机-风扇单元构成的专用冷却系统保持绕组温度在可接受的范围内。因此变压器的运行与1)如何设计冷却系统和2)如何使冷却系统运行密切相关。
关于冷却系统设计，公知的是，这些冷却风扇的变速运行能够比固定速度运行取得更高的效率。因此变压器冷却系统倾向于为电机-风扇单元安装VFD以确保高效运行，图1中示出了这种系统架构。然而，这两种类型的架构具有它们自身的缺点。如图1A所示的第一种架构要求高的资本投资，因为它为每个电机-风扇链安装VFD；加上如果电机-风扇链主要以额定速度工作，那么VFD解决方案可能由于它自身的功率损耗而降低效率。如图1B所示的第二种架构能够相对地减少资本投资，因为它使用一个大的VFD在同一运行点共同地驱动多个电机-风扇链。但是缺点也是显而易见的：首先，当VFD利用的容量相对低时，每个电机-风扇链的效率低；其次，为了满足相同的总输出要求，存在不同方式用于在不同的由VFD供给的电机-风扇链之中进行负载分配。为了具有优化的系统效率而在各个链之间平均地分配负载不总是正确的。
关于冷却系统运行，核心是如何控制绕组温度。通常，较低的绕组温度导致较低的绕组的铜损。然而，同时冷却系统的功率消耗将更高，这意味着考虑到变压器绕组和冷却系统本身，总体效率可能没那么理想。
除了效率之外，绕组温度变化也是将会影响变压器的寿命周期的一个关键因素。温度变化越频繁，变压器将老化得越快。可能会如此：变压器的效率被优化了，然而却是以变压器的寿命缩短为代价。
对于在城区运行的变压器，噪音水平也是要考虑的一个重要判据，以便减小尤其在夜晚对邻近的居民的影响。目前，控制冷却系统来处理噪音问题的可用解决方案很少。
为了克服上述缺陷，本领域技术人员致力于解决如下两个问题：
1)如何设计冷却系统，以便用更少的在VFD上的资本投资实现对电机-风扇负载的选择性地速度调节。
2)考虑到变压器铜损、电机-风扇功率消耗和VFD的速度调节，如何通过冷却控制来提高变压器的运行效率。
3)如何控制绕组温度及其变化，以便延长变压器的寿命周期并且同时取得最好的总体系统效率。
4)如何使冷却系统运行不仅优化效率和寿命周期，而且使噪音水平最小化以减小对周围环境的负面影响。
发明内容
本发明的目的由一种对变压器冷却系统的运行进行优化的方法、相应的冷却系统和确定用在所述变压器冷却系统中的VFD的容量的方法来取得，以便用在冷却系统硬件升级上的有限资本投资提高整个变压器的运行效率，同时延长变压器寿命周期并且降低变压器系统的噪音水平。
根据本发明的一方面，所述对变压器冷却系统的运行进行优化的方法包含以下步骤：预处理由用户输入的初始数据；收集在线数据，并且计算满足变压器损耗要求所需的冷却容量；以及通过对可控开关进行控制和/或发送控制命令给VFD来执行控制动作。
根据本发明的优选的实施例，所述计算优化的控制命令的步骤还考虑顶层油温度变化和/或噪音水平的要求。
根据本发明的优选的实施例，所述计算优化的控制命令的步骤还考虑根据变压器损耗、顶层油温度变化和噪音水平的加权因子(可由用户预定义)的要求。
根据本发明的优选的实施例，所述预处理步骤包含以下步骤：收集变压器类型、变压比、和额定电流时的负载损耗与空载损耗的比率的参数；收集变压器热模型的参数；收集分接开关中间位置、阶跃电压和当前的分接开关位置的参数；收集冷却器类型、风扇数量和散热器功率的参数；以及收集风扇噪音和风扇容量之间的关系曲线。
根据本发明的优选的实施例，所述预处理步骤还包括以下步骤：计算变压器铜损；计算绕组温度；计算不同侧的负载电流；以及计算冷却系统的功率消耗。
根据本发明的优选的实施例，所述在线数据包括：负载电流、温度和冷却器的状态；以及所述计算步骤包含以下步骤：计算满足所述要求所需的冷却容量；计算风扇数量，所述风扇包括由VFD驱动的风扇；比较所需的风扇和运行中现有的风扇；以及依照比较产生不同的可行运行解决方案。
根据本发明的优选的实施例，通过下面的等式计算三绕组变压器在特定负载水平下的实际变压器损耗PK’：
其中，是平均绕组温度；α是温度因子；β1,β2,β3是负载因子；Pk1N,Pk2N,Pk3N是额定电流时的绕组损耗。
根据本发明的优选的实施例，通过下面的等式计算随着时间dt的所述顶层油温度变化Dθ0：
其中，Δθor是额定损耗(K)时顶层油的稳态温升；R是额定电流时的负载损耗与空载损耗的比率；K是负载因子；τ0是平均油时间常数；θoi是前一时间的顶层油温度；θa是环境温度；Xcor是运行时的冷却速率。
根据本发明的优选的实施例，通过下面的等式计算来自变压器和风扇的总噪音Lpt：
其中，Lpfan是风扇噪音；LpN1是变压器噪音。
根据本发明的优选的实施例，所述不同的可行运行解决方案包含：接通整数个利用率较低的风扇并且由VFD用计算的频率驱动剩余的风扇；切断整数个利用率较高的风扇并且由VFD用计算的频率驱动剩余风扇；或改变由VFD用计算的频率驱动的风扇。
根据本发明的优选的实施例，所述控制动作包括：风扇的启动或停止；可控开关运行；或VFD频率调节。
根据本发明的另一方面，所述确定用在所述变压器冷却系统中的VFD的容量的方法包含以下步骤：输入变压器损耗、顶层油温度变化和噪音的参数和目标；计算与VFD容量相对的净现值(NPV)曲线，该曲线显示节省的能量损耗与VFD成本之间的关系；针对预定义的顶层油温度变化计算VFD容量极限；针对预定义的噪音水平计算VFD容量极限；确定具有最高NPV，同时在满足顶层油温度变化和噪音水平要求的极限内的VFD容量。
根据本发明的优选的实施例，采用以下步骤确定所述最高NPV：计算冷却系统由于VFD节省的能量损耗；计算VFD的资本成本；考虑到收益和成本评估VFD的NPV；并且选择具有最高NPV的VFD容量。
根据本发明的另一方面，所述变压器冷却系统包含中央控制器、变压器和用来使所述变压器降温的多个风扇。所述变压器冷却系统还包含由VFD供给的共享VFD总线和由AC电源供给的AC总线，共享VFD总线和AC总线都由所述中央控制器控制。所述共享VFD总线由两个或多个电机-风扇链共享并且选择性地驱动一个、两个或多个所述电机-风扇链。
根据本发明的优选的实施例，每个所述电机-风扇链连接至可控开关，可控开关使所述电机-风扇链在连接至所述AC总线、连接至所述共享VFD总线、以及与电力供应断开之间切换。
和现有技术相比，本发明的解决方案节省了为了优化变压器冷却系统运行而升级冷却系统硬件的资本投资。本发明的另一好处在于它能够通过协调变压器铜损、冷却系统功率消耗和针对各个电机-风扇链的VFD设置来优化变压器的实时运行效率，同时实现变压器寿命周期的延长和噪音水平的限制。
附图说明
将参照附图中示出的优选的示例性的实施例，在下面的描述中更详细地讲解本发明的主题，其中：
图1示出了传统的变压器冷却系统的电气化示意图，其中，图1A示出了为每个电机-风扇链分别安装VFD的结构，图1B示出了一个VFD共同驱动多个电机-风扇链的结构；
图2示出了根据本发明的实施例的变压器冷却系统的电气化示意图；
图3是根据本发明的实施例的用于确定VFD容量的总体流程图；
图4是根据本发明的实施例的用于计算净现值的流程图，其中净现值是由于通过在冷却系统中安装不同容量的VFD来提高变压器效率产生的；
图5是根据本发明的实施例的用于变压器冷却系统的运行优化的主流程图；
图6示出了根据本发明的实施例的参数预处理过程的流程图；
图7示出了根据本发明的实施例的控制命令确定的流程图；
图8示出了根据本发明的实施例的控制命令执行的流程图。
具体实施方式
下文中，结合所附附图描述了本发明的示例性的实施例。为了清楚和简明起见，说明书中没有描述实际实施的全部特征。
根据第一个优选的实施例，图2中示出变压器冷却系统的电气系统设计，变压器冷却系统由用于电机-风扇负载的两个电力供应方案组成，包括AC线供应和VFD供应(例如，图2中的VFD1)。
如图2所示，一个或多个电机-风扇链可通过可控开关分别连接至VFD总线、AC总线或与电力供应断开。这意味着，电机-风扇链一次只能有三种状态中的一种：连接至AC线、连接至VFD、或与电力供应断开。
通过协调VFD和可控开关，可优化电机-风扇负载的启动过程。如图2所示，电机-风扇负载可切换至VFD以软启动。在完成启动过程之后，如果电机-风扇负载以额定输出运行，则其可切换回到AC线。为了优化运行，VFD和可控开关的状态信息被全部传输到中央控制器。除此之外，中央控制器也访问实时变压器负载数据、油温度和环境温度。使用全部这些数据，控制器执行整个变压器的效率优化计算、顶层油及其变化计算、和噪音水平计算。此后，它将把控制命令发出到可控设备，例如用于粗调温度的可控开关、和用于细调温度的VFD。
根据第二个优选的实施例，通过技术-经济分析可确定VFD的尺寸，以确保给定类型的变压器的最好的成本-效用。VFD容量越高，温度控制将越精确，这有助于提高总体运行性能。然而，VFD的成本也将增加，这将影响性价比。同时，不同类型的变压器具有不同的冷却容量要求。VFD的尺寸制定也应该考虑这个因素。图3示出了用于确定VFD容量的总体过程。第一，用户将输入参数和运行目标，例如变压器损耗、顶层油温度变化和期望的噪音水平；第二，将计算NPV曲线，NPV曲线显示变压器损耗和VFD容量之间的关系；第三，将计算取得预定的顶层油温度变化和噪音水平要求的VFD容量极限；第四，可确定具有最高NPV(以减小变压器损耗)，并且同时可满足寿命周期和噪音水平要求的VFD容量。
图4示出了如何计算凭借变压器系统效率提高的与VFD容量相对的NPV曲线。图4中，PVFD表示VFD的额定容量；PVFD0和△PVFD表示初始容量和用于迭代的VFD的容量增量。通过计算凭借VFD节约的能量损耗和相应的VFD的资本投资，可得到与不同的VFD容量相对的净现值曲线。
根据另一优选的实施例，中央控制器实时执行优化计算。图5中示出了流程图。每当优化结果改变时，中央控制器将分别更新用于VFD和/或可控开关的控制命令。
步骤1：流程图的第一步是预处理由用户输入的初始数据。图6中示出了详细的信息，其中将收集总共五组数据，如下：
1)变压器类型、比率、和额定电流时的负载损耗与空载损耗的比率。该方法使用它们来计算铜损。
2)绕组指数、油指数、热点对顶层油的梯度、热点因子、环境温度、平均油时间常数、绕组时间常数、启动时热点对顶层油的梯度、额定电流时热点对顶层油的梯度、额定损耗时顶层油的稳态温升、启动时顶层油温升、当全部风扇都不运行时在铭牌额定值的％中许可的负载。该方法使用它们来计算热点温度，热点温度可被视为绕组温度。
3)分接开关中间位置、阶跃电压、当前分接开关位置。该方法使用它们来计算不同侧的负载电流。
4)冷却器类型、风扇数量、散热器功率。该方法使用它们来计算冷却系统的功率消耗。
5)风扇噪音和风扇容量之间的关系曲线。
在预处理之后，为计算准备好除了实时数据之外的全部信息。
步骤2：第二步，中央控制器收集负载电流、温度和冷却器的状态。并且然后计算满足变压器损耗要求、顶层油温度变化和/或变压器噪音要求的冷却容量。从部分A到部分C描述用于计算绕组损耗、油温度变化和噪音的详细过程；并且部分D中描述了使用加权因子将这三个量纲控制目标结合到一起的方法。
在中央控制器获得优化的冷却容量之后，控制策略将产生如图7所示的三个可行运行解决方案：如果所需的风扇数量大于、小于或等于运行中现有的风扇数量。
如果所需的风扇数量为nf_next，现有的风扇数量为nf_prior，那么
nfΔ＝fix(nf_next)-fix(nf_prior)；
nVFD＝nf_next-(nf_prior+nfΔ)；
如果nfΔ>0，则接通相应数量的风扇；否则，切断相应数量的风扇。并且由VFD驱动的剩余风扇应该改变nVFD。
当增加或减少变压器冷却的百分比时，中央控制器计算需要的电机-风扇链的数量，假设运行中的电机-风扇链的数量是m1.n1，计算的数量是m2.n2，其中，mi是整数数量并且ni是将由VFD取得的冷却容量的百分比。中央冷却器通过m2-m1得到电机-风扇链的整数数量。可通过n2计算VFD的速度调节。电机-风扇链的优先级取决于使用时间。中央控制器根据使用时间划分电机-风扇链的优先顺序。接着，中央控制器选择启动使用时间较短的电机-风扇链，并且选择停止使用时间较长的电机-风扇链。
A.变压器损耗计算的基础公式
对于三绕组变压器，特定负载水平下的实际绕组损耗为
其中，
平均绕组温度；
α：温度因子；
β1,β2,β3：负载因子；
Pk1N,Pk2N,Pk3N：额定电流时的绕组损耗；
假设nf等于总需的冷却功率除以每个电机-风扇链的额定冷却功率Pf，nf由两部分组成：整数部分nr，和小数部分nv。
假设nr是由以额定速度运行的风扇所贡献的；并且nv是以部分速度运行的由VFD控制的风扇所贡献的。总的功率需求可表达成(2)，其中η是VFD的效率。
Pfans＝nr×Pf+nv×Pf/η (2)
如果全部风扇的速度相同并全部都由VFD驱动，我们有
Pfans＝nf×Pf/η (3)
可按照公式(4)计算变压器损耗
f1＝Pt＝Pk'+Pfans+C (4)
其中，C是其它部件的功率损耗常数。
B.用于计算变压器顶层油温度的基础公式
通过等式(5)计算随着时间dt的顶层油温度变化，
然后，顶层油温度和给定值之间的差值为f2，
f2＝abs(θoi+Dθo-θom) (6)
其中，
Δθor：额定损耗(K)时顶层油的稳态温升；
R：额定电流时的负载损耗与空载损耗的比率；
K：负载因子；
τo：平均油时间常数；
θoi：前一时间的顶层油温度；
θa：环境温度；
θom：顶层油温度的给定值；
Xcor：运行中的冷却速率，其可通过等式(7)计算，其中N是ONAN条件与ONAF条件的额定电流比率；
C.用于计算变压器噪音水平的基础公式
变压器噪音在ON条件下为LpN1，并且当全部风扇以额定速度运行时为LpN2。等式(8)中示出了由风扇引起的噪音Lpfan和风扇的比例X之间的关系：
Lpfan＝f(X)(8)
如此，当运行中的风扇的比例为X，来自变压器和风扇的总噪音为：
其中，
Lpfan：风扇噪音；
LpN1：变压器噪音。
D.带有加权因子的目标函数
当冷却容量变化时，损耗变化f1、顶层油温度f2和噪音f3明显不同。为了使它们统一，在每个时刻计算这三个目标的最大值和最小值f1min、f1max、f2min、f2max、f3min和f3max，并且将其放入(10)中示出的目标函数中。
通过针对这三个目标使用加权因子w1、w2、w3，目标函数可表示成：
其中，w1+w2+w3＝1
用公式(10)可计算针对全部三个目标的优化的冷却容量。同样，当设定每个目标的权重为1并且设定其它权重为0时，可分别满足每个目标。
步骤3：第三步，在计算控制命令之后，中央控制器将通过直接控制开关或发送控制命令到VFD来执行结果，如图8所示，其中，控制动作包括风扇的启动和停止、可控开关运行和VFD频率调节。
为了启动风扇，中央控制器切换不需要直接到AC线的VFD的电机-风扇。由于电机-风扇链将由VFD驱动，控制中心将其切换至VFD，并发送速度调节参考到VFD。
为了停止风扇，中央控制器直接切换离线的电机-风扇链。
中央控制器实时重复步骤2和步骤3。
根据本发明的方法和系统的优点：
本发明提出一种新颖的变压器冷却系统和相应的用于优化温度控制的运行方法，其可以用对冷却系统硬件升级上的非常有限的资本投资提高整个变压器的运行效率，并且同时延长变压器的寿命周期并降低变压器系统的噪音水平。
在本发明中，冷却系统的电机-风扇负载将由一个VFD根据温度控制要求选择性地控制。由于电机-风扇负载需要以额定功率运行，因此它们将直接连接至AC总线。温度控制将同时考虑变压器绕组和冷却系统的效率。同时，将采用协调方式控制变压器顶层油温度变化以延长寿命周期。此外，将在冷却控制时同时考虑变压器噪音水平，以便最小化对周围环境的影响。使用提出的电气设计和控制方法，冷却系统可采用优化的方式运行以取得整个变压器的有成本效益的效率的提高。
尽管已经基于一些优选的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解那些实施例决不应该限制本发明的范围。在不背离本发明的精神和构思的情况下，对实施例的任何变形和修改都应该被具有本领域普通知识和技能的人员理解，并且因此落入由所附权利要求限定的本发明的范围内。
Claims (12)
1.一种对变压器冷却系统的运行进行优化的方法，包含以下步骤：
预处理由用户输入的初始数据；
收集在线数据，并计算满足变压器损耗要求的优化的控制命令；以及
通过对可控开关进行控制和/或将控制命令发送到变频器(VFD)来执行控制动作；
所述在线数据包括：负载电流、温度和冷却器的状态；并且
所述计算步骤包含以下步骤：
计算满足所述要求所需的冷却容量；
计算风扇数量，所述风扇包括由VFD驱动的风扇；
比较所需风扇和运行中现有的风扇；以及
依照比较产生不同的可行运行解决方案；具体为：
1)接通整数个利用率较低的风扇，并由VFD用计算的频率驱动剩余的风扇；
2)切断整数个利用率较高的风扇，并由VFD用计算的频率驱动剩余的风扇；或
3)改变由VFD用计算的频率驱动的风扇。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述计算优化的控制命令的步骤还考虑顶层油温度变化要求和/或噪音水平要求。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述计算优化的控制命令的步骤还考虑根据变压器损耗、顶层油温度变化和噪音水平的加权因子的要求，所述加权因子能够由用户预定义。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：所述预处理步骤包含以下步骤：
收集变压器类型、变压比、以及额定电流时的负载损耗与空载损耗的比率的参数；
收集变压器热模型的参数；
收集分接开关中间位置、阶跃电压和当前的分接开关位置的参数；
收集冷却器类型、风扇数量和散热器功率的参数；以及
收集风扇噪音和风扇容量之间的关系曲线。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述预处理步骤还包括以下步骤：
计算变压器铜损；
计算绕组温度；
计算不同侧的负载电流；以及
计算冷却系统的功率消耗。
6.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：通过下面的等式计算三绕组变压器在特定负载水平下的实际变压器损耗PK’：
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，
是平均绕组温度；
α是温度因子；
β1,β2,β3是负载因子；
Pk1N,Pk2N,Pk3N是额定电流时的绕组损耗。
7.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：通过下面的等式计算随着时间dt的所述顶层油温度变化Dθ0：
<mrow>
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<msub>
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<mi>o</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
其中，
Δθor是额定损耗(K)时顶层油的稳态温升；
R是额定电流时的负载损耗与空载损耗的比率；
K是负载因子；
τo是平均油时间常数；
θoi是前一时间的顶层油温度；
θa是环境温度；
Xcor是运行时的冷却速率。
8.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：通过下面的等式计算来自变压器和风扇的总噪音Lpt:
<mrow>
<msub>
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<mi>t</mi>
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<mo>=</mo>
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<mn>1</mn>
</mrow>
</msub>
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</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
其中，
Lpfan是风扇噪音；
LpN1是变压器噪音。
9.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：所述控制动作包括：
1)风扇的启动或停止；
2)可控开关运行；或
3)VFD频率调节。
10.一种确定VFD的容量的方法，包含以下步骤：
预处理由用户输入的初始数据；
收集在线数据，并计算满足变压器损耗要求的优化的控制命令；以及
通过对可控开关进行控制和/或将控制命令发送到变频器(VFD)来执行控制动作；
输入变压器损耗、顶层油温度变化和噪音的参数和目标；
计算与VFD容量相对的净现值(NPV)曲线，所述曲线显示节省的能量损耗与VFD成本之间的关系；
针对预定义的顶层油温度变化计算VFD容量的极限；
针对预定义的噪音计算VFD容量的极限；
确定具有最高NPV，同时在顶层油温度变化和噪音的极限内的VFD容量。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：用以下步骤确定所述最高NPV：
计算冷却系统由于VFD节省的能量损耗；
计算VFD的资本成本；
考虑好处和成本评估VFD的NPV；以及
选择具有最高NPV的VFD容量。
12.一种变压器冷却系统，包含中央控制器、变压器和用来使所述变压器降温的多个风扇；其中它还包含由VFD供给的共享VFD总线和由AC电源供给的AC总线，所述共享VFD总线和所述AC总线都由所述中央控制器控制；所述共享VFD总线由多个电机-风扇链共享并且选择性地驱动一个或多个所述电机-风扇链；
每个所述电机-风扇链连接至可控开关，所述可控开关使所述电机-风扇链在连接至所述AC总线、连接至所述共享VFD总线、和与电力供应断开之中切换。
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