CN106783107A - 一种混合式配电变压器解耦磁集成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合式配电变压器解耦磁集成装置，包括一副铁芯及绕制在一副铁芯上的三组绕组，所述铁芯由铁轭、分磁铁芯和分别对应三相绕组的铁芯柱构成；三组绕组包括同心绕制在中部铁芯柱上的主变压器绕组、拆分后同心绕制在上、下部铁芯柱上的隔离变压器绕组和同心绕制在上、下部铁芯柱及中部铁芯柱上的串联及并联变流器输出滤波电感。通过集成设计将混合式配电变压器方案中的各分立磁件集成在一副对称的铁芯之上，充分降低了混合式配电变压器所采用的分立磁件数目。借助铁芯结构的对称性，采用绕组拆分、磁通反向对消及提供分磁铁芯的方法消除了各绕组之间的电磁耦合，保证了原有混合式配电变压器丰富的控制功能，对于实现混合式配电变压器的集成设计具有重要的实用价值。

Description

一种混合式配电变压器解耦磁集成装置

技术领域

本发明涉及一种混合式配电变压器解耦磁集成装置，属于变压器技术领域。

背景技术

近年来，配电网智能化的进程不断加快，传统配电变压器功能单一、可控性差，已无法满足未来配电网的发展需求。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，构成混合式配电变压器，该装置的出现使配电变压器成为一种集电压等级变换、电能传递、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。但该装置中存在较多的分立磁件，诸如主变压器、隔离变压器、两台变流器的6个滤波电感等。采用众多的分立磁件往往使系统整体的结构相当零散，体积、重量相当庞大，效率低下，管理维护十分麻烦，而且铁芯整体的电磁容量利用率较低。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提出一种混合式配电变压器解耦磁集成装置，采用解耦磁集成技术将混合式配电变压器中各分立磁件诸如隔离变压器、滤波电感与主变压器集成于一副铁芯之上，并确保各分立磁件集成之后相互没有耦合，从而不仅减少了原有混合式配电变压器方案使用的分立磁件数目，而且保证了原有混合式配电变压器方案丰富的控制功能。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种混合式配电变压器解耦磁集成装置，包括一副铁芯及绕制在一副铁芯上的三组绕组，所述铁芯由铁轭、分磁铁芯和分别对应三相绕组的铁芯柱构成；三组绕组包括同心绕制在中部铁芯柱上的主变压器绕组，拆分后同心绕制在上、下部铁芯柱上的隔离变压器绕组和拆分后同心绕制在上、下部铁芯柱及中部铁芯柱上的串联及并联变流器输出滤波电感。

进一步，所述主变压器绕组包括一次绕组、二次绕组和补偿绕组；

所述一次绕组包括分别同心绕制在中部三个铁芯柱上最外侧的绕组；所述二次绕组包括分别同心绕制在中部三个铁芯柱上次外侧的绕组；所述补偿绕组包括分别同心绕制在中部三个铁芯柱上内侧的绕组。

进一步，所述隔离变压器绕组包括网侧绕组和变流器侧绕组；

所述网侧绕组包括同心绕制在上部三个铁芯柱上最外侧的绕组与同心绕制在下部三个铁芯柱上最外侧的绕组，二者反向串联；

所述变流器侧绕组包括同心绕制在上部三个铁芯柱上次外侧的绕组与同心绕制在下部三个铁芯柱上次外侧的绕组，二者反向串联。

进一步，所述隔离变压器各相每个绕组均拆分为匝数相等的两部分分别绕制在对称的上、下铁芯柱上；隔离变压器产生的磁通绝大部分经各自的分磁铁芯闭合，而与主变压器各个绕组相交链的部分则大小相等、方向相反，相互抵消，从而实现主变压器与隔离变压器之间的解耦。

进一步，所述变流器输出滤波电感包括串联变流器输出滤波电感和并联变流器输出滤波电感；

所述串联变流器输出滤波电感包括同心绕制在上部三个铁芯柱上最内侧反向串联的两个绕组与同心绕制在下部三个铁芯柱上最内侧反向串联的两个绕组；

所述并联变流器输出滤波电感包括同心绕制在中部三个铁芯柱上最内侧的两个绕组，二者反向串联。

进一步，所述串联变流器输出滤波电感拆分为匝数相等的4段线圈，然后分为两组，每组反向串联之后分别绕制于对称的上、下铁芯柱，而后上、下两组也反向串联在一起构成每相完整的串联变流器输出滤波电感；由于所述串联变流器输出滤波电感每组线圈反向串联，两组之间也采用反向串联，因而与其他所有绕组交链的磁通为零，从而实现串联变流器输出滤波电感与主变压器、隔离变压器和并联变流器输出滤波电感之间的解耦。

进一步，所述并联变流器输出滤波电感拆分为匝数相等的两段线圈，反向串联之后与主变压器各绕组一起绕制在中间铁芯柱上，两段绕组反向串联，并且结构对称，因而与其他所有绕组交链的磁通为零，从而实现了并联变流器输出滤波电感与主变压器、隔离变压器和串联变流器输出滤波电感之间的解耦。

与现有技术相比，本发明至少具有以下技术效果：

1)将混合式配电变压器方案中出现的多种分立磁件，诸如主变压器、隔离变压器、串联变流器输出滤波电感、并联变流器输出滤波电感集成于一副铁芯上，能有效减少系统中分立磁件的个数，减小设备体积，提高铁磁材料的电磁容量利用率。

2)采用绕组平均拆分、铁芯对称布置及提供分磁铁芯的方法实现各分立磁件的解耦集成，完整地保持了原有混合式配电变压器诸多强大的控制功能。

附图说明

图1为本发明一种混合式配电变压器解耦磁集成装置结构图。

图2表示本发明混合式配电变压器单相电路原理图。

图1与图2中相同元件的标号相同，为方便表示各绕组之间的连接关系，图中出现端子标号相同的现象则表示相应绕组在该端子连接在一起。

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。

为了更加清晰说明本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2所示，一种混合式配电变压器解耦磁集成装置，包括一副铁芯及三组绕组。铁芯包括铁轭24、27，分磁铁芯25、26及铁芯柱21(三相依次为21a、21b、21c)、22(三相依次为22a、22b、22c)、23(三相依次为23a、23b、23c)。三组绕组均绕制在一副铁芯上，三组绕组包括主变压器绕组、隔离变压器绕组、串/并联变流器输出滤波电感。

主变压器绕组包括一次绕组1(三相依次为绕组1a、绕组1b、绕组1c)、二次绕组2(三相依次为绕组2a、绕组2b、绕组2c)和补偿绕组3(三相依次为绕组3a、绕组3b、绕组3c)。一次绕组1各相首/末端子依次为A/a₅、B/b₅、C/c₅，二次绕组2各相首/末端子依次为a₂/x₂、b₂/y₂、c₂/z₂，补偿绕组3各相首/末端子依次为a₃/x₃、b₃/y₃、c₃/z₃。一次绕组1、二次绕组2和补偿绕组3每相均采用层式线圈同心绕制在铁芯柱22(三相依次为铁芯柱22a、铁芯柱22b、铁芯柱22c)上。

隔离变压器绕组包括网侧绕组14(三相依次为14a、14b、14c)及变流器侧绕组15(三相依次为15a、15b、15c)。网侧绕组14由绕组5(三相依次为5a、5b、5c)与绕组7(三相依次为7a、7b、7c)反向串联而成，变流器侧绕组15由绕组4(三相依次为4a、4b、4c)与绕组6(三相依次为6a、6b、6c)反向串联而成。绕组5各相首/末端子依次为a₅/a₆、b₅/b₆、c₅/c₆，绕组7各相首/末端子依次为a₆/X、b₆/Y、c₆/Z，绕组4各相首/末端子依次为a₄/a₇、b₄/b₇、c₄/c₇，绕组6各相首/末端子依次为a₇/x₄、b₇/y₄、c₇/z₄。绕组5与绕组4同心绕制在铁芯柱21(三相依次为21a、21b、21c)上，它们产生的磁通大部分经过分磁铁芯25、铁芯柱21、铁轭24闭合。绕组7与绕组6同心绕制在铁芯柱23(三相依次为23a、23b、23c)上，它们产生的磁通大部分经过分磁铁芯26、铁芯柱23、铁轭27闭合。铁芯柱21与铁芯柱23上下对称，绕组5与绕组7具有相同的匝数且反向串联，于是二者在铁芯22中产生的磁通总是大小相等方向相反，从而相互抵消；同理，绕组4与绕组6在铁芯22中产生的磁通也能相互抵消。因此，主变压器各绕组与隔离变压器各绕组之间完全没有耦合，该装置能够实现主变压器19与隔离变压器18之间的完全解耦。

串联变流器输出滤波电感16(三相依次为16a、16b、16c)由绕组8(三相依次为8a、8b、8c)、绕组9(三相依次为9a、9b、9c)、绕组10(三相依次为10a、10b、10c)、绕组11(三相依次为11a、11b、11c)串联而成。绕组8～11的匝数相等，其中绕组8、9反向串联，上下布置，其首/末端子三相依次为a₈/a₉、b₈/b₉、c₈/c₉，与绕组4、5一起同心绕制在铁芯柱21上；绕组10、11也采用反向串联，上下布置，其首/末端子三相依次为a₉/a₁₀、b₉/b₁₀、c₉/c₁₀，与绕组6、7一起同心绕制在铁芯柱23上。绕组8、9反向串联，匝数相等，而且与铁芯中其他绕组的距离相近，于是各其他绕组在铁芯21中激发的磁场在绕组8、9上产生的感应电动势大小近似相等、方向相反，彼此近似抵消，绕组8、9构成的整体与其他绕组近似解耦。同理，绕组10、11与其他绕组也近似解耦，从而整个串联变流器输出滤波电感16相当于一个独立的电感，其电感值实际上由绕组自身的漏磁场决定。

并联输出滤波电感17(三相依次为17a、17b、17c)由绕组12(三相依次为12a、12b、12c)、绕组13(三相依次为13a、13b、13c)反向串联而成，二者匝数相等，与绕组1、2、3一起同心绕制在铁芯柱22上，其首/末端子三相依次为a₁₁/a₁₂、b₁₁/b₁₂、c₁₁/c₁₂。由于绕组12、13分布对称，根据磁通反向抵消原理，并联输出滤波电感17与铁芯中的其他绕组完全解耦，其电感大小决定于自身的漏磁场。

混合式配电变压器采用本发明的解耦磁集成装置之后，原有的功能保持不变，其单相电路原理如图2所示，系统整体由主变压器19、隔离变压器18、串联变流器28、并联变流器29构成，其中串联变流器28通过滤波电感16接入隔离变压器18的变流器侧绕组15，隔离变压器18的网侧绕组14则与主变压器19的一次绕组1串联，主要由于解决电网的电压质量问题，比如电网电压不对称，波动、畸变等。并联变流器29通过滤波电感17接入主变压器19的补偿绕组3，基于磁势平衡原理，完成电流补偿，主要用于解决负载侧的电流质量问题，比如谐波电流抑制、无功补偿、不平衡负载补偿。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种混合式配电变压器解耦磁集成装置，其特征在于，包括一副铁芯及绕制在一副铁芯上的三组绕组，所述铁芯由铁轭、分磁铁芯和分别对应三相绕组的铁芯柱构成；三组绕组包括同心绕制在中部铁芯柱上的主变压器绕组，拆分后同心绕制在上、下部铁芯柱上的隔离变压器绕组和拆分后同心绕制在上、下部铁芯柱及中部铁芯柱上的串联及并联变流器输出滤波电感。

2.根据权利要求1所述的一种混合式配电变压器解耦磁集成装置，其特征在于，所述主变压器绕组包括一次绕组、二次绕组和补偿绕组；

所述一次绕组包括分别同心绕制在中部三个铁芯柱上最外侧的绕组；所述二次绕组包括分别同心绕制在中部三个铁芯柱上次外侧的绕组；所述补偿绕组包括分别同心绕制在中部三个铁芯柱上内侧的绕组。

3.根据权利要求1所述的一种混合式配电变压器解耦磁集成装置，其特征在于，所述隔离变压器绕组包括网侧绕组和变流器侧绕组；

所述网侧绕组包括同心绕制在上部三个铁芯柱上最外侧的绕组与同心绕制在下部三个铁芯柱上最外侧的绕组，二者反向串联；

所述变流器侧绕组包括同心绕制在上部三个铁芯柱上次外侧的绕组与同心绕制在下部三个铁芯柱上次外侧的绕组，二者反向串联。

4.根据权利要求3所述的一种混合式配电变压器解耦磁集成装置，其特征在于，所述隔离变压器各相每个绕组均拆分为匝数相等的两部分分别绕制在对称的上、下铁芯柱上；隔离变压器产生的磁通绝大部分经各自的分磁铁芯闭合，而与主变压器各个绕组相交链的部分则大小相等、方向相反，相互抵消，从而实现主变压器与隔离变压器之间的解耦。

5.根据权利要求1所述的一种混合式配电变压器解耦磁集成装置，其特征在于，所述变流器输出滤波电感包括串联变流器输出滤波电感和并联变流器输出滤波电感；

所述串联变流器输出滤波电感包括同心绕制在上部三个铁芯柱上最内侧反向串联的两个绕组与同心绕制在下部三个铁芯柱上最内侧反向串联的两个绕组；

所述并联变流器输出滤波电感包括同心绕制在中部三个铁芯柱上最内侧的两个绕组，二者反向串联。

6.根据权利要求5所述的一种混合式配电变压器解耦磁集成装置，其特征在于，所述串联变流器输出滤波电感拆分为匝数相等的4段线圈，然后分为两组，每组反向串联之后分别绕制于对称的上、下铁芯柱，而后上、下两组也反向串联在一起构成每相完整的串联变流器输出滤波电感，从而与其他所有绕组交链的磁通为零，实现串联变流器输出滤波电感与主变压器、隔离变压器和并联变流器输出滤波电感之间的解耦。

7.根据权利要求5所述的一种混合式配电变压器解耦磁集成装置，其特征在于，所述并联变流器输出滤波电感拆分为匝数相等的两段线圈，反向串联之后与主变压器各绕组一起绕制在中间铁芯柱上，两段绕组反向串联，并且结构对称，从而与其他所有绕组交链的磁通为零，实现并联变流器输出滤波电感与主变压器、隔离变压器和串联变流器输出滤波电感之间的解耦。