CN105870929B - 一种抑制船舶变压器励磁涌流的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于船舶电力系统技术领域，尤其涉及一种抑制船舶变压器励磁涌流的装置和方法，直流电源、DC/AC逆变器、LC滤波器、交流接触器、船舶变压器、断路器和船舶电网依次相连，船舶变压器一次侧和船舶电网侧分别安装第一电压测量单元和第二电压测量单元，两个电压测量单元、DC/AC逆变器、交流接触器、断路器分别与变压器并网控制器相连；变压器并网控制器经软件锁相环及变压器接线方式相位补偿，闭环控制DC/AC逆变器输出电压的幅值和相位，使得船舶变压器一次侧电压幅值由零逐渐增加到与船舶电网电压幅值相同后，向断路器发出并网合闸指令，并经短延时后封锁DC/AC逆变器输出，从而实现励磁涌流的抑制。
Description
技术领域
本发明属于船舶电力系统技术领域，尤其涉及一种抑制船舶变压器励磁涌流的装置和方法。
背景技术
变压器是船舶电力系统中联接发电机与负荷之间的重要设备，随着船舶电力系统容量和电压等级的不断增加，船舶变压器的容量和电压等级也相应提高。由于变压器铁芯的非线性，使得船舶变压器在空载合闸投入船舶电网中运行时，会产生励磁涌流。受剩磁、合闸角等因素的影响，励磁涌流的幅值可能很大，如不采取相应的防范措施，则有可能导致变压器差动保护装置误动、机械应力增大造成绕组变形、电能质量降低与产生电磁干扰影响系统中其他用电设备正常运行等问题。
为了抑制大容量船舶变压器空载合闸时产生的励磁涌流，目前一般采用对变压器进行预充磁，在延时若干秒钟后再接通变压器的主供电断路器，以减少励磁涌流的冲击。一种预充磁方法是在变压器一次侧三相线路串联电阻，先合闸电阻支路，延时后将电阻支路短路，使变压器投入运行。但串联电阻值、变压器剩磁与接入电阻的时间都影响此方法抑制涌流的效果。另一种方法是并联预充磁变压器来充磁，此方法是从低压电网接通一台等压变比(1:1)的小型变压器与中压变压器的二次侧绕组并联，中压变压器的一次侧绕组会感应一个高电压，经过延时后，变压器一次侧主断路器合闸，然后再断开小变压器电路。但是若合闸时间选择不合适，仍然会有较大的励磁涌流。所以，现有变压器预充磁方法很难完全抑制励磁涌流的产生。
发明内容
为了抑制大容量船舶变压器空载合闸时产生的励磁涌流，本发明提出了一种抑制船舶变压器励磁涌流的装置和方法。
抑制船舶变压器励磁涌流的装置包括：直流电源、DC/AC逆变器、LC滤波器、交流接触器、第一电压测量单元、第二电压测量单元、变压器并网控制器；其中，直流电源、DC/AC逆变器、LC滤波器、交流接触器、船舶变压器、断路器和船舶电网依次相连，船舶变压器一次侧和船舶电网侧分别安装第一电压测量单元和第二电压测量单元，两个电压测量单元分别与变压器并网控制器相连，变压器并网控制器分别与DC/AC逆变器、交流接触器、断路器相连。
所述直流电源由蓄电池串联组成或由交流电经整流得到，直流电源的电压为船舶变压器二次侧线电压幅值的1.15～1.3倍。
所述DC/AC逆变器为三相PWM逆变器。
所述LC滤波器将DC/AC逆变器输出的交流电压滤波变成正弦波，电感值L计算如下：其中ΔImax为电感电流纹波峰-峰值的最大值，fs为DC/AC逆变器的开关频率，Udc为DC/AC逆变器的直流母线电压，也即是直流电源的电压；电容值C由如下公式确定：10fn≤fc≤fs/10，其中为LC谐振频率，fs为DC/AC逆变器的开关频率，fn为船舶电网的额定频率。
所述第一电压测量单元是利用电压传感器将船舶变压器一次侧线电压的高电压转换为变压器并网控制器可测量的低压信号，且至少测量两个线电压信号，电压传感器为铁磁型或霍尔型。
所述第二电压测量单元是利用电压传感器将船舶电网线电压的高电压转换为变压器并网控制器可测量的低压信号，且至少测量两个线电压信号，电压传感器为铁磁型或霍尔型。
所述变压器并网控制器根据第一电压测量单元、第二电压测量单元检测到的电压信号来控制DC/AC逆变器输出和交流接触器、断路器的通断，实现励磁涌流的抑制。
所述DC/AC逆变器在船舶变压器一次侧接入电网后，可以断开与变压器二次侧之间的交流接触器，也可以保持连接状态作为备用电源供负载使用。
抑制船舶变压器励磁涌流的方法包括：
变压器并网控制器通过第二电压测量单元获得船舶电网电压，通过第一电压测量单元获得船舶变压器一次侧电压，经软件锁相环及变压器接线方式相位补偿，闭环控制DC/AC逆变器输出电压的幅值和相位，使得船舶变压器一次侧电压幅值由零逐渐增加到与船舶电网电压幅值相同，并且船舶变压器一次侧电压频率和相位也与电网电压的频率和相位保持相同，在断路器两侧电压的幅值、频率和相位相同的条件满足后，变压器并网控制器向断路器发出并网合闸指令，考虑断路器合闸动作时间，经短延时后封锁DC/AC逆变器输出，从而实现励磁涌流的抑制。
与现有抑制船舶变压器励磁涌流的技术相比，本发明的有点在于：
(1)采用DC/AC逆变器电力电子装置，闭环控制船舶变压器一次侧电压，自动适应船舶电网电压的变化，励磁涌流抑制效果稳定。
(2)抑制励磁涌流装置电压低，容量小，结构简单。
(3)本发明提出的装置和方法对抑制船舶变压器励磁涌流效果十分显著，可适用于船舶电力系统中不同形式的变压器。
附图说明
图1为本发明装置的结构原理图。
图2为本发明装置抑制励磁涌流的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。如图1所示，一种抑制船舶变压器励磁涌流的装置，该装置连接在船舶变压器的二次侧，所述抑制船舶变压器励磁涌流的装置主要包括直流电源1、DC/AC逆变器2、LC滤波器3、交流接触器4、第一电压测量单元5、第二电压测量单元6、变压器并网控制器7。其中，直流电源1、DC/AC逆变器2、LC滤波器3、交流接触器4、船舶变压器8、断路器9和船舶电网依次相连，其中船舶变压器一次侧和船舶电网侧分别安装第一电压测量单元和第二电压测量单元，两个电压测量单元分别与变压器并网控制器相连，变压器并网控制器分别与DC/AC逆变器、交流接触器、断路器相连。
所述直流电源1由蓄电池串联组成，直流电压为船舶变压器二次侧线电压幅值的1.2倍。
所述DC/AC逆变器2为三相PWM逆变器。
所述LC滤波器3将DC/AC逆变器输出2的交流电压滤波变成正弦波，电感值L计算如下：其中ΔImax为电感电流纹波峰-峰值的最大值，fs为DC/AC逆变器2的开关频率，Udc为DC/AC逆变器2的直流母线电压，也即是直流电源1的电压。电容值C由如下公式确定：10fn≤fc≤fs/10，其中为LC谐振频率，fs为DC/AC逆变器2的开关频率，fn为船舶电网的额定频率。
所述第一电压测量单元5，是利用电压传感器(铁磁型或霍尔型)将船舶变压器一次侧线电压的高电压转换为变压器并网控制器可测量的低压信号，至少测量两个线电压信号。
所述第二电压测量单元6，是利用电压传感器(铁磁型或霍尔型)将船舶电网线电压的高电压转换为变压器并网控制器可测量的低压信号，至少测量两个线电压信号。
所述变压器并网控制器7，控制接触器4闭合，将DC/AC逆变器2与船舶变压器二次侧连接。所述的变压器并网控制器7，采用如下方法抑制励磁涌流，通过第二电压测量单元6获得电网电压，通过第一电压测量单元7获得船舶变压器一次侧电压，经软件锁相环及变压器接线方式相位补偿，闭环控制DC/AC逆变器2输出电压的幅值和相位，使得船舶变压器一次侧电压幅值由零逐渐增加到与电网电压幅值相同，并且船舶变压器一次侧电压频率和相位也与电网电压的频率和相位保持相同，在断路器9两侧电压的幅值、频率和相位相同的条件满足后，变压器并网控制器7向断路器9发出并网合闸指令，船舶变压器一次侧断路器合闸，船舶变压器与船舶电网连接。考虑断路器合闸动作时间，经短延时后封锁DC/AC逆变器输出。
抑制励磁涌流的效果：以某船舶电力系统中一台大型船舶日用变压器为例，变压器接法为△/Y-11，变比为6.6/0.4kV，容量为3MVA，船舶电网电压等级为6.6kV，频率为50Hz，额定电流为。此船舶日用变压器直接空载合闸时励磁涌流可达658A，为额定电流的2.5倍。采用本发明所述的抑制励磁涌流装置后，船舶日用变压器合闸时励磁电流仅为1.05A，为额定电流的0.4％，接近空载励磁电流。励磁涌流抑制效果十分明显。本发明不受变压器剩磁、断路器合闸时刻、船舶电网参数变化的影响，抑制励磁涌流的效果稳定可靠。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种抑制船舶变压器励磁涌流的装置，其特征在于，包括：直流电源、DC/AC逆变器、LC滤波器、交流接触器、第一电压测量单元、第二电压测量单元、变压器并网控制器；其中，直流电源、DC/AC逆变器、LC滤波器、交流接触器、船舶变压器、断路器和船舶电网依次相连，船舶变压器一次侧和船舶电网侧分别安装第一电压测量单元和第二电压测量单元，两个电压测量单元分别与变压器并网控制器相连，变压器并网控制器分别与DC/AC逆变器、交流接触器、断路器相连；
所述LC滤波器将DC/AC逆变器输出的交流电压滤波变成正弦波，电感值L计算如下：其中ΔImax为电感电流纹波峰-峰值的最大值，fs为DC/AC逆变器的开关频率，Udc为DC/AC逆变器的直流母线电压，也即是直流电源的电压；电容值C由如下公式确定：10fn≤fc≤fs/10，其中为LC谐振频率，fs为DC/AC逆变器的开关频率，fn为船舶电网的额定频率；
所述装置的抑制船舶变压器励磁涌流的方法，包括：
变压器并网控制器通过第二电压测量单元获得船舶电网电压，通过第一电压测量单元获得船舶变压器一次侧电压，经软件锁相环及变压器接线方式相位补偿，闭环控制DC/AC逆变器输出电压的幅值和相位，使得船舶变压器一次侧电压幅值由零逐渐增加到与船舶电网电压幅值相同，并且船舶变压器一次侧电压频率和相位也与电网电压的频率和相位保持相同，在断路器两侧电压的幅值、频率和相位相同的条件满足后，变压器并网控制器向断路器发出并网合闸指令，考虑断路器合闸动作时间，经短延时后封锁DC/AC逆变器输出，从而实现励磁涌流的抑制；
所述直流电源由蓄电池串联组成或由交流电经整流得到，直流电源的电压为船舶变压器二次侧线电压幅值的1.15～1.3倍；
所述DC/AC逆变器为三相PWM逆变器；
所述第一电压测量单元是利用电压传感器将船舶变压器一次侧线电压的高电压转换为变压器并网控制器可测量的低压信号，且至少测量两个线电压信号，电压传感器为铁磁型或霍尔型；
所述第二电压测量单元是利用电压传感器将船舶电网线电压的高电压转换为变压器并网控制器可测量的低压信号，且至少测量两个线电压信号，电压传感器为铁磁型或霍尔型；
所述变压器并网控制器根据第一电压测量单元、第二电压测量单元检测到的电压信号来控制DC/AC逆变器输出和交流接触器、断路器的通断，实现励磁涌流的抑制；
所述DC/AC逆变器在船舶变压器一次侧接入电网后，或断开与变压器二次侧之间的交流接触器，或保持连接状态作为备用电源供负载使用。
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