CN106411203A - 一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器，包括主变压器模块、补偿模块、磁通控制模块。各模块所包含的绕组绕在一副铁芯上，通过控制磁控铁芯的磁化状态来改变整副铁芯的磁通分布，使补偿模块在串联补偿和并联补偿之间转换，从而实现智能配电变压器的多种补偿功能，诸如电压控制、功率因数矫正、不平衡补偿、谐波抑制等。本发明通过主变压器与补偿变压器的集成设计将一台电压型变流器接入传统配电变压器中，提出一种新型智能配电变压器。基于磁通控制，使该配电变压器主电路仅利用一台变流器便既能进行串联补偿又能实现并联补偿，经济性良好，控制功能丰富，对于实现配网的智能化具有重要的研究价值。

Description

一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器
技术领域
本发明涉及一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器，属于配电设备节能技术领域。
背景技术
传统配电变压器功能单一、可控性差，已逐渐无法适应未来配电网智能化的发展需求，因此，亟需研制一种功能比较齐全的智能配电变压器。综合目前配网各类负荷的应用需求，智能配电变压器应该是一种集电压等级变换、电能高效传递、稳定供电电压、潮流控制、谐波电流抑制、功率因数校正、无功补偿、不对称控制等多种功能于一体的智能设备。
为了实现上述目标，基于高频变压器的PET(电力电子变压器)受到了学者的广泛关注，但这种方案采用了多级电力电子变换单元进行全功率变换，拓扑复杂、成本高、效率低，可靠性差，不利于向大容量场合推广。为此，ABB研究所有限公司Sandeep bala等学者将背靠背双PWM变流器接入三绕组配电变压器之中，构成混合配电变压器。相比PET路线，该方案使用的电力电子变换单元相对简单，而且采用部分功率变换实现可控，因此十分有利于向大功率场合扩展。但为确保隔离并方便匹配各功率器件的耐压等级，该方案在实际应用时一般需另设一台隔离变压器，而且在主电路中要采用两台变流器来分别完成相应的串联与并联补偿功能。总体来看，该方案采用的分立磁件仍然较多，系统结构比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于提出一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器，通过集成设计及单台变流器的分时复用来实现配电变压器的智能化，比混合配电变压器方案能进一步降低系统整体的复杂性。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
包括主变压器模块、补偿模块、磁通控制模块。各模块所包含的绕组绕在一副铁芯上，磁通控制模块通过控制磁控铁芯的磁化状态来改变整副铁芯的磁通分布，使补偿模块中电压型变流器的运行状态能在串联补偿模式、并联补偿模式、混合补偿模式之间动态转换，从而实现智能配电变压器的多种补偿功能。
所述主变压器模块传输智能配电变压器的主体功率，每相包括高压绕组与低压绕组，采用层式线圈同心绕制，主要完成电压等级变换与电能传输的基本功能。
所述补偿模块只承担智能配电变压器的部分功率，包括一台三相电压型变流器和补偿变压器，补偿变压器的两个绕组同心绕制，分别为补偿绕组和控制绕组。其中控制绕组与变流器连接，补偿绕组与主变压器模块中的高压绕组串联在一起之后接入电网，通过对变流器的输出电压进行合理控制便能够实时控制补偿绕组及控制绕组的输出电压及电流，进而实现不同的控制目标。
所述磁通控制模块包括磁控绕组、横/纵磁控铁芯以及四个小功率半桥斩波电路，分别控制四个斩波电路的占空比便可控制四个磁控绕组的电流大小与极性，进而使磁控铁芯的磁化状态能在增磁与去磁之间变化，由此便能改变整副铁芯的磁通分布，使变流器的工作方式在串联补偿、并联补偿、混合补偿模式之间切换，从而实现单台变流器的分时复用。
所述串联补偿模式，横磁控铁芯处于增磁状态，纵磁控铁芯处于去磁状态，主变压器与补偿变压器的磁通相互独立，二者没有磁耦合，只有电连接，相当于两台独立的变压器初级侧相互串联。补偿模块输出相位幅值可调的补偿电压以实现智能配电变压器供电电压的稳定控制及不对称补偿。
所述并联补偿模式，横磁控铁芯处于去磁状态，纵磁控铁芯处于增磁状态，主变压器与补偿变压器每相所有绕组交链相同的主磁通，主变压器与补偿变压器之间不仅有电连接，而且还有磁耦合，通过对变流器进行合理地控制，使补偿绕组产生相应的补偿电流，根据磁势平衡原理，实现对智能配电变压器的功率因数矫正、谐波抑制、负载平衡控制。
所述混合补偿模式，磁控铁芯的增磁、去磁作用较弱，主变压器与补偿变压器的磁通部分相互交链，部分彼此独立。并联补偿模式与串联补偿模式同时存在，各自的作用强度则取决于磁控铁芯的磁化程度。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益技术效果：
本发明可以使磁控铁芯的磁化状态在增磁与去磁之间转换，通过控制磁控铁芯的磁化状态来改变整副铁芯的磁通分布，使补偿模块的工作模式在串联补偿、并联补偿、混合补偿模式之间切换，通过分时复用，则能实现仅用一台变流器完成混合配电变压器方案使用两台变流器才能完成的电能控制功能，从而大大降低设备整体的成本。本发明为传统配电变压器扩充电压稳定控制、不对称补偿、谐波电流抑制、功率因数矫正等多种控制功能，使配电变压器实现智能化，控制功能丰富，对于实现配网的智能化具有重要的研究价值。
进一步的，磁通控制模块不参与负荷功率传递，仅起控制作用，因此四个半桥斩波电路及绕组的功率等级很小，控制四个小功率半桥斩波电路的电流，可以使磁控铁芯的磁化状态在增磁与去磁之间转换。本发明将所有绕组集成于一副铁芯上，主电路中传输功率的绕组总共只有4个，相比混合配电变压器方案，所需独立铁芯的个数及功率变换绕组的个数较少，经济性良好。
附图说明
图1为磁控式分时复用集成型智能配电变压器整体结构图。
图2为磁控式分时复用集成型智能配电变压器在串联补偿模式下的磁通分布。
图3为磁控式分时复用集成型智能配电变压器在串联补偿模式下的单相等效电路。
图4为磁控式分时复用集成型智能配电变压器在并联补偿模式下的磁通分布。
图5为磁控式分时复用集成型智能配电变压器在并联补偿模式下的单相等效电路。
图6为磁控式分时复用集成型智能配电变压器在混合补偿模式下的磁通分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。应当理解，此处所述的实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明所述磁控式分时复用集成型智能配电变压器，包括主变压器模块30、补偿模块31以及磁通控制模块32。
所述主变压器模块30包括一次绕组1、二次绕组2及第一铁芯柱(即主变压器模块铁芯柱)，它们构成主变压器。一次绕组1(三相依次为一次绕组A相1a、一次绕组B相1b、一次绕组C相1c)各相首/末端子依次为A/X、B/Y、C/Z，二次绕组2(三相依次为二次绕组A相2a、二次绕组B相2b、二次绕组C相2c)各相首/末端子依次为a0/x0、b0/y0、c0/z0。一次绕组1和二次绕组2各相采用层式绕组同心绕制在第一铁芯柱(三相依次为第一铁芯柱A相10a、第一铁芯柱B相10b、第一铁芯柱C相10c)对应相上，其中一次绕组1为高压侧，绕在外面，二次绕组2为低压侧，绕在里面。该部分与传统配电变压器功能一致，具有改变电压等级，传递电能的作用。
所述补偿模块31包括控制绕组3、补偿绕组4、第二铁芯柱(即补偿变压器铁芯柱)、三相电压型变流器20、滤波电感21、滤波电容22以及直流母线电容27。控制绕组3、补偿绕组4与第二铁芯柱构成补偿变压器。所述控制绕组3(三相依次为控制绕组A相3a、控制绕组B相3b、控制绕组C相3c)各相的首/末端子依次为a1/x1、b1/y1、c1/z1，补偿绕组4(三相依次为补偿绕组A相4a、补偿绕组B相4b、补偿绕组C相4c)各相首/末端子依次为a2/x2、b2/y2、c2/z2。控制绕组3和补偿绕组4各相采用层式绕组同心绕制在第二铁芯柱(三相依次为第二铁芯柱A相12a、第二铁芯柱B相12b、第二铁芯柱C相12c)对应相上；其中，补偿绕组4为高压侧，绕在外面，控制绕组3为低压侧，绕在里面。所述补偿绕组4与一次绕组1串联(a2与X相连、b2与Y相连、c2与Z相连)，补偿绕组4采用星型接地连接(x2、y2、z2连接在一起之后接地)，一次绕组1各相的首端(A、B、C)接入三相交流电网。三相电压型变流器20通过滤波电感21、滤波电容22接入控制绕组3，控制绕组3和滤波电容22均采用星型接法，二者的中性点引出之后一起接入直流母线电容27的中点n。具体连接方式为：滤波电感21各相的一端与三相电压型变流器20各相桥臂中点(u、v、w)对应相连，滤波电感21各相的另一端与滤波电容22各相的一端连接在一起之后接入控制绕组3各相的首端(a1、b1、c1)，滤波电容22各相的另一端接在节点nc，控制绕组3各相的末端(x1、y1、z1)接在节点n3，然后节点nc、n3均接入中点n。通过对三相电压型变流器20各桥臂进行合理控制，可使控制绕组3及补偿绕组4两端的电压或绕组中的电流按给定值变化，从而实现智能配电变压器的多种控制功能。
所述磁通控制模块32包括四个磁控绕组(依次为第一磁控绕组5、第二磁控绕组6、第三磁控绕组7、第四磁控绕组8)、四个横磁控铁芯(依次为第一横磁控铁芯15、第二横磁控铁芯16、第三横磁控铁芯17、第四横磁控铁芯18)、纵磁控铁芯(三相依次为纵磁控铁芯A相11a、纵磁控铁芯B相11b、纵磁控铁芯C相11c)、四个桥臂(依次为第一桥臂23、第二桥臂24、第三桥臂25、第四桥臂26)以及直流母线电容27。四个磁控绕组分别绕制在对应的四个横磁控铁芯上，四个桥臂与直流母线电容27构成四个半桥斩波电路，所述四个磁控绕组的一端共同接入直流母线电容27的中点n(图1中接入了节点n3，n3与n为等位点)，另一端分别与对应的桥臂中点相连，具体为：第一磁控绕组5与第一桥臂23的中点n5相连、第二磁控绕组6与第二桥臂24的中点n6相连、第三磁控绕组7与第三桥臂25的中点n7相连、第四磁控绕组8与第四桥臂26的中点n8相连。分别控制四个半桥斩波电路的占空比便可独立控制四个磁控绕组中的电流大小与方向，从而使得四个横磁控铁芯及纵磁控铁芯各相的磁化状态能够在去磁与增磁之间切换。
上述智能配电变压器中主变压器模块30、补偿模块31、磁通控制模块32所包含的绕组绕在一副铁芯结构上，该铁芯结构包括上铁轭13、第一铁芯柱、四个横磁控铁芯、纵磁控铁芯、第二铁芯柱以及下铁轭14，其中，第一铁芯柱各相均与上铁轭13连接为一体，第二铁芯柱各相与下铁轭14连接为一体；纵磁控铁芯的每相分别与第一铁芯柱以及第二铁芯柱的对应相连接为一体；第一横磁控铁芯15的一端连接于纵磁控铁芯A相11a与第一铁芯柱A相10a的交界处，另一端连接于纵磁控铁芯B相11b与第一铁芯柱B相10b的交界处，第二横磁控铁芯16的一端连接于纵磁控铁芯B相11b与第一铁芯柱B相10b的交界处，另一端连接于纵磁控铁芯C相11c与第一铁芯柱C相10c的交界处，第三横磁控铁芯17的一端连接于纵磁控铁芯A相11a与第二铁芯柱A相12a的交界处，另一端连接于纵磁控铁芯B相11b与第二铁芯柱B相12b的交界处，第四横磁控铁芯18的一端连接于纵磁控铁芯B相11b与第二铁芯柱B相12b的交界处，另一端连接于纵磁控铁芯C相11c与第二铁芯柱C相12c的交界处，四个横磁控铁芯与铁芯结构其他部分也是连接为一体。
所述磁通控制模块32是整个智能配电变压器的关键，可使磁控铁芯的磁化状态在增磁与去磁之间连续变化，从而使补偿模块31的工作模式能够根据实际工况在串联补偿模式、并联补偿模式、混合补偿模式之间灵活切换。
所述串联补偿模式，整副铁芯结构中的磁通分布如图2所示。第一、第三磁控绕组5、7及第二、第四磁控绕组6、8产生的磁场分别对第一、第三横磁控铁芯15、17及第二、第四横磁控铁芯16、18中的磁场具有增强作用，而对纵磁控铁芯各相中的磁场具有削弱作用。于是，主变压器的主磁通不通过纵磁控铁芯各相，而是经由第一铁芯柱、上铁轭13、第一横磁控铁芯15、第二横磁控铁芯16构成闭合回路(例如，依次经由上铁轭13、第一铁芯柱A相10a、第一横磁控铁芯15、第一铁芯柱B相10b构成其中一个闭合回路)；主变压器的主磁通只与一次绕组1、二次绕组2交链；补偿变压器的主磁通也不经过纵磁控铁芯各相，而是经由第二铁芯柱、第三横磁控铁芯17、第四横磁控铁芯18、下铁轭14构成闭合回路(例如，依次经由下铁轭14、第二铁芯柱C相12c、第四横磁控铁芯18、第二铁芯柱B相12b构成其中一个闭合回路)，主变压器的主磁通只与控制绕组3、补偿绕组4交链。此时主变压器与补偿变压器相当于两台磁通独立的变压器，所述磁控式分时复用集成型智能配电变压器的单相等效电路原理如图3所示，由于补偿绕组4与一次绕组1串联。当电网电压波动或负载变化导致二次绕组2两端电压偏离额定值时，通过控制补偿模块31中的三相电压型变流器20便可改变补偿绕组4输出电压的相位和幅值，该原理完全类似于DVR(动态电压调节器)的工作原理，显然能够实现负载供电电压的动态稳定控制及不对称补偿。
所述并联补偿模式，整副铁芯结构中的磁通分布如图4所示，第一、第三磁控绕组5、7及第二、第四磁控绕组6、8的电流方向与串联补偿模式时的极性相反，其产生的磁场对第一、第三横磁控铁芯15、17及第二、第四横磁控铁芯16、18中的磁场具有削弱作用，而对纵磁控铁芯中的磁场具有增强作用。于是，主变压器与补偿变压器的主磁通均不经过各横磁控铁芯，而是经过上铁轭13、第一铁芯柱、纵磁控铁芯、第二铁芯柱、下铁轭14构成闭合回路(例如，依次经由上铁轭13、第一铁芯柱A相10a、纵磁控铁芯A相11a、第二铁芯柱A相12a、下铁轭14、第二铁芯柱B相12b、纵磁控铁芯B相11b、第一铁芯柱B相10b构成一个闭合回路)。即一次绕组1、二次绕组2、控制绕组3、补偿绕组4交链同一个磁通。由于一次绕组1和补偿绕组4相互串联、可将它们看作一个绕组，此时所述磁控式分时复用集成型智能配电变压器的单相等效电路原理如图5所示。在图5中，根据磁势平衡原理，一次绕组1(或补偿绕组4)、二次绕组2、控制绕组3三者的电流应满足下列方程
(N1+N4)i1+N2i2+N3i3＝N1im (1)
式(1)中，N1、N2、N3、N4分别表示一次绕组1、二次绕组2、控制绕组3、补偿绕组4的匝数，i1、i2、i3分别表示一次绕组1、二次绕组2、控制绕组3的电流，im表示激磁电流。由于im较小，可以忽略不计，当i2中包含无功、谐波、负序、零序分量时，通过控制变流器输出电压，使i3反极性跟踪上述分量，便可保证i1始终为单位功率因数的正弦波。上述原理类似于并联APF(有源滤波器)的工作原理，因此完全能够实现进行电流补偿，完成功率因数矫正、谐波电流抑制、不平衡负荷补偿等控制任务。
所述混合补偿模式，整副铁芯中的磁通分布如图6所示，四个磁控绕组的电流对四个横磁控铁芯及纵磁控铁芯各相的增磁/去磁、去磁/增磁作用介于并联补偿与串联补偿模式之间时，整副铁芯结构中有一部分磁通经过上铁轭13、第一铁芯柱、纵磁控铁芯、第二铁芯柱、下铁轭14构成闭合回路，该部分磁通与主变压器的一次绕组1、二次绕组2及补偿变压器的控制绕组3、补偿绕组4均交链，作用与并联补偿模式相似。另有部分磁通分别只与一次绕组1、二次绕组2及控制绕组3、补偿绕组4各自交链，磁通分布与串联补偿模式相似。此时整个智能配电变压器兼具并联补偿模式及串联补偿模式的控制功能，但二者的作用程度均弱于各模式单独运行的工况，而且此时两种模式各自的作用程度取决于磁控绕组的增磁、去磁作用，由于磁控绕组中的电流变化是连续的，因此该模式可以作为并联补偿模式与串联补偿模式之间的过渡模式。
所述磁控式分时复用集成型智能配电变压器所涉及的变流器控制等相关内容则可借鉴APF、DVR等装置的相关控制策略。
总之，本发明通过主变压器与补偿变压器的集成设计将一台电压型变流器接入传统配电变压器中，提出一种新型智能配电变压器。基于磁通控制，使该配电变压器主电路仅利用一台变流器便既能进行串联补偿又能实现并联补偿，经济性良好，控制功能丰富，对于实现配网的智能化具有重要的研究价值。

Claims (10)

1.一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器，其特征在于：包括主变压器模块(30)、补偿模块(31)以及磁通控制模块(32)；所述补偿模块(31)包括补偿变压器以及电压型变流器；主变压器模块(30)、补偿模块(31)以及磁通控制模块(32)所包含的绕组绕在一副铁芯结构上，该铁芯结构包括连接于主变压器模块(30)以及补偿模块(31)内铁芯之间的横纵排布的磁控铁芯，磁通控制模块(32)通过控制磁控铁芯的磁化状态来改变所述铁芯结构的磁通分布，使补偿模块(31)中电压型变流器的运行状态在串联补偿模式、并联补偿模式、串并联混合补偿模式之间动态转换。
2.根据权利要求1所述一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器，其特征在于：所述主变压器模块(30)每相包括高压绕组与低压绕组，高、低压绕组采用层式线圈同心绕制。
3.根据权利要求1所述一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器，其特征在于：所述补偿模块(31)包括三相电压型变流器(20)和补偿变压器，补偿变压器每相的两个绕组同心绕制，分别为补偿绕组(4)和控制绕组(3)；其中控制绕组(3)与三相电压型变流器(20)连接，补偿绕组(4)与主变压器模块(30)中的高压绕组串联在一起之后接入电网。
4.根据权利要求3所述一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器，其特征在于：通过对所述三相电压型变流器(20)的输出电压进行控制，从而实时控制所述补偿绕组(4)及控制绕组(3)的电压和电流。
5.根据权利要求1所述一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器，其特征在于：所述磁通控制模块(32)包括横磁控铁芯、纵磁控铁芯、半桥斩波电路以及设置在横磁控铁芯上的磁控绕组，半桥斩波电路与磁控绕组相连，横磁控铁芯横跨在相邻纵磁控铁芯之间，纵磁控铁芯连接于主变压器模块(30)以及补偿模块(31)内铁芯之间。
6.根据权利要求5所述一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器，其特征在于：所述铁芯结构包括上铁轭(13)、主变压器模块铁芯柱、四个横磁控铁芯、纵磁控铁芯、补偿变压器铁芯柱以及下铁轭(14)；其中，主变压器模块铁芯柱与上铁轭(13)连接，补偿变压器铁芯柱与下铁轭(14)连接，纵磁控铁芯与主变压器模块铁芯柱以及补偿变压器铁芯柱连接，第一横磁控铁芯(15)的一端连接于纵磁控铁芯A相(11a)与主变压器模块铁芯柱A相的交界处，另一端连接于纵磁控铁芯B相(11b)与主变压器模块铁芯柱B相的交界处，第二横磁控铁芯(16)的一端连接于纵磁控铁芯B相(11b)与主变压器模块铁芯柱B相的交界处，另一端连接于纵磁控铁芯C相(11c)与主变压器模块铁芯柱C相的交界处，第三横磁控铁芯(17)的一端连接于纵磁控铁芯A相(11a)与补偿变压器铁芯柱A相的交界处，另一端连接于纵磁控铁芯B相(11b)与补偿变压器铁芯柱B相的交界处，第四横磁控铁芯(18)的一端连接于纵磁控铁芯B相(11b)与补偿变压器铁芯柱B相的交界处，另一端连接于纵磁控铁芯C相(11c)与补偿变压器铁芯柱C相的交界处。
7.根据权利要求5或6所述一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器，其特征在于：通过分别控制四个半桥斩波电路的占空比，对四个磁控绕组的电流大小与极性进行控制，使磁控铁芯的磁化状态在增磁与去磁之间变化，改变所述铁芯结构的磁通分布，使三相电压型变流器(20)的工作方式在串联补偿、并联补偿、混合补偿模式之间切换，从而实现单台变流器的分时复用。
8.根据权利要求1或5所述一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器，其特征在于：所述串联补偿模式下，横磁控铁芯处于增磁状态，纵磁控铁芯处于去磁状态，主变压器模块(30)与补偿变压器的磁通相互独立，构成两台独立的相互串联的变压器。
9.根据权利要求1或5所述一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器，其特征在于：所述并联补偿模式下，横磁控铁芯处于去磁状态，纵磁控铁芯处于增磁状态，主变压器模块(30)与补偿变压器每相所有绕组交链相同的主磁通，主变压器模块(30)与补偿变压器之间不仅有电连接，而且还有磁耦合。
10.根据权利要求1或5所述一种磁控式分时复用集成型智能配电变压器，其特征在于：所述混合补偿模式下，磁控铁芯的增磁、去磁作用较弱，主变压器模块(30)与补偿变压器的磁通一部分相互交链，另一部分彼此独立；并联补偿模式与串联补偿模式同时存在，各自的作用强度则取决于磁控铁芯的磁化程度。
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