CN108418440A - 单/三相两用三电平低频干燥电源 - Google Patents

单/三相两用三电平低频干燥电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单/三相两用三电平低频干燥电源，包括加热电源，加热电源的输入端与主控制单元相连，加热电源的输出端与单相变压器或三相变压器相连；加热电源由四个电流源模块先分别与四个分控单元串联后再并联，每个电流源模块由四个NPC三电平电路并联，单个NPC三电平电路通过单/三相切换开关控制其输出单相或三相模式；主控制单元产生的电流指令和交错运行时钟信号分别进入各电流源模块内部，再由各电流源模块对应的分控单元产生驱动信号控制电流和电压的输出。本发明加热效率高，适用范围广，能实现单/三相输出，可对大型电力变压器进行干燥。

Description

单/三相两用三电平低频干燥电源
技术领域
本发明涉及低频干燥电源技术领域，更具体地说，涉及一种单/三相两用三电平低频干燥电源。
背景技术
变压器现场安装的过程中，防止变压器受潮是非常重要的一环。近年来，变压器的电压等级和单台容量的上升趋势十分明显，为了使高电压等级和大容量的变压器能够满足绝缘干燥的要求安全运行，并且尽量延长其使用寿命，变压器的干燥除湿技术是一个关键性的问题。
目前常用变压器的水分主要是聚集在绝缘纸板和变压器油中，而这两个部分又是变压器主要的绝缘材料，因此它们的含水量对变压器的安全运行有着十分重要的意义。当绝缘材料内的含水量过高时，会导致变压器的绝缘电阻降低，介质损耗增加，介质的击穿强度也随绝缘系统含水量增加而急剧下降，这会严重影响到变压器的安全运行，严重时还会造成放电击穿事故。
在变压器内，除了制造时变压器的内部水分与运行时从外部侵入的水分之外，运行时油纸的绝缘老化导致其自身也会产生水分，这些水分被绝缘介质吸收后反过来又参与纤维素降解老化过程。如果含水量越大，纤维素的裂解反应就越强烈，从而纸的聚合度下降得越快，这会加速绝缘系统介电强度的降低以及变压器各项性能的劣化，直接或间接地影响到变压器的使用寿命。因此一般认为，变压器内绝缘纸中的含水量是影响变压器使用寿命的因素之一，当含水量过高时会明显的加剧变压器的老化。
由于以上原因，变压器的干燥除湿技术现已引起各方面包括变压器维护部门的广泛关注。目前，我国的大型电力变压器现场安装依然采用传统方法即真空干燥除湿技术。这种干燥方式真空罐周围的加热器是以空气为载热介质，在大气压力下，将变压器器身或绕组逐步项热到105℃左右，再通过热的传导将热量传到内部。对于容量的改变，只是增加热油循环时间、抽真空时间及静放时间，现场处理时间长且效率低下。而且在环境温度很低的情况下，受到滤油机加热能力的限制，热油循环中变压器油只能加热到较低温度。在这种情况下，即使延长热油循环时间，也难以达到好的干燥效果。
鉴于上述问题，公布号为CN 203690095 U的中国专利中提出了一种三电平低频烘燥电源，该方案采用三电平逆变器模块对工作变压器进行加热，从内部将变压器器身绝缘加热到指定的温度，达到干燥变压器的效果。但该专利仅采用1个三电平逆变器模块完成干燥电源，处理大型油浸变压器时会出现功率不足、电流纹波等问题。并且目前大多数超、特高压变电站的主变都为单相变压器，该方案只能实现三相输出，无法满足超、特高压变压器现场干燥的要求。但如果仅针对大型单相变压器进行干燥电源的设计，又会造成适用范围窄、资源浪费的问题。
因此，需要提供一种单/三相两用三电平低频干燥电源，可以实现单相输出和三相输出两种输出模式，能够用于大型电力变压器的现场干燥。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种单/三相两用三电平低频干燥电源。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种单/三相两用三电平低频干燥电源，包括加热电源，所述加热电源的输入端与主控制单元相连，所述加热电源的输出端与单相变压器或三相变压器相连；所述加热电源由四个电流源模块先分别与四个分控单元串联后再并联，每个所述电流源模块由四个NPC(Neutral Point Clamped，中性点箝位)三电平电路并联，单个所述NPC三电平电路通过单/三相切换开关控制其输出单相或三相模式；所述主控制单元产生的一系列频率相同而相位差为1/2π的驱动信号及电流指令分别进入分控制单元内部，再由各自的分控设备产生驱动信号控制电流和电压的输出，NPC三电平电路中的各开关器件IGBT按照时序方式工作。
在上述方案中，单个所述NPC三电平电路包括三相三电平电路，所述三相三电平电路的输入端与第一不控整流桥的输出端相连，所述三相三电平电路的输入端还与第二不控整流桥的输出端相连，所述三相三电平电路的输出端与单/三相切换开关相连后接入负载变压器；所述第一不控整流桥与第二不控整流桥相串联，所述第一不控整流桥的输入端与隔离变压器的输出端相连，所述隔离变压器的输入端与380V电压相连，所述第二不控整流桥的输入端与380V电压相连。
在上述方案中，所述第一不控整流桥、第二不控整流桥均由6个二极管组成，其中二极管为不可控的二极管。
在上述方案中，单个所述NPC三电平电路通过正弦脉宽调制SPWM(Sine PulseWidth Modulation)控制其开关器件IGBT的导通与关断。
在上述方案中，所述主控制单元由TM320F28335芯片、外部AD、液晶界面、通信、电源、电流指令模块组成。
实施本发明单/三相两用三电平低频干燥电源，具有以下有益效果：
1、本发明可以通过单/三相切换开关控制其输出的单/三相模式，可以对各电压等级的单相/三相变压器进行干燥，适用范围广，解决了大容量单相干燥电源造价高、使用范围较窄，容易造成资源浪费的问题。
2、本发明采用交错并联的控制方法，每个电流源模块时钟互相独立，频率完全相同，系统输出电流的纹波是每个电流源模块输出电流纹波最大程度上的抵消，同时输出纹波频率也提高为单模块的N倍，极大提高了干燥电源的输出电流和功率，解决了大容量变压器干燥时所需加热功率大的问题。
3、本发明中每个电流源模块时钟有序错开，而开关频率相同，则系统输出电流的纹波使每个电流源模块输出电流纹波得到最大限度的削减，这样不仅可以保证各个模块的稳流精度，而且避免了各个模块之间的耦合干扰，也不存在因IGBT差异性而产生的均流问题。
4、本发明在进行加热时热量是从工作变压器绝缘的内部产生，因此加热效率很高、耗时短、除湿效果显著，并且现场绕组带电加热时，加热功率可以通过调节一次侧所加电源电压大小来进行调节以满足温度需要。
综上所述，本发明加热效率高，适用范围广，能实现单/三相输出，可对大型电力变压器进行干燥；而且本发明采用交错并联的控制方法，解决了大型电力变压器现场干燥电源功率不足、电流纹波等问题。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明单/三相两用三电平低频干燥电源的结构示意图；
图2为本发明采用交错运行控制模式的电源纹波控制效果图；
图3为单个NPC三电平电路的结构示意图；
图4为单个NPC三电平电路其中一相的等效电路图；
图5为单个NPC三电平电路的SPWM控制图；
图6为现场干燥过程(单相)等效电路图。
图中：三相三电平电路1，第一不控整流桥2，第二不控整流桥3，单/三相切换开关4，隔离变压器5。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供一种单/三相两用三电平低频干燥电源，包括加热电源，加热电源的输入端与主控制单元相连，加热电源的输出端与负载(单相变压器或三相变压器)相连。加热电源由电流源模块1与分控单元1串联、电流源模块2与分控单元2串联、电流源模块3与分控单元3串联、电流源模块4与分控单元4串联后再并联。每个电流源模块由四个125A的NPC三电平电路并联，每个电流源模块的输出电流可以达到500A，可知，本发明采用4个500A电流源模块并联，其输出电源可达到2000A。主控制单元由TM320F28335芯片、外部AD、液晶界面、通信、电源、电流指令模块组成。
4个电流源模块采用交错运行的控制方法，即：当设备工作时，电流指令模块产生一系列频率相同而相位差为1/2π(2π/4)的驱动信号及电流指令分别进入分控制单元内部，再由各自的分控设备产生驱动信号控制电流和电压的输出，NPC三电平电路中的各开关器件IGBT按照时序方式工作，驱动信号频率一致，相角相互错开而交替导通。这种交错运行的控制方法具有抑制输出电流纹波、降低输出滤波器容量和扩大系统功率输出优点，其电源纹波控制效果图如图2所示，从原理上分析，本发明中每个电流源模块时钟互相独立，频率完全相同，本发明输出电流的纹波是每个电流源模块输出电流纹波最大程度上的抵消，同时输出纹波频率也提高为单个电流源模块的N倍。
如图3所示，单个NPC三电平电路利用交-直-交变换原理，其包括三相三电平电路1，三相三电平电路1的输入端与第一不控整流桥2的输出端相连，三相三电平电路1的输入端还与第二不控整流桥3的输出端相连，三相三电平电路1的输出端与单/三相切换开关4相连后接入负载变压器。第一不控整流桥2与第二不控整流桥3相串联，第一不控整流桥2的输入端与隔离变压器5的输出端相连，隔离变压器5的输入端与380V电压相连，第二不控整流桥3的输入端与380V电压相连。第一不控整流桥、第二不控整流桥均由6个二极管组成，其中二极管为不可控的二极管。
单个NPC三电平电路通过单/三相切换开关控制其输出单相或三相模式：当单/三相切换开关4断开时，三相三电平电路1输出为三相低频电压，用于对三相变压器进行干燥；当单/三相切换开关4闭合时，三相三电平电路1输出为单相低频电压，用于对单相变压器进行干燥。
单个NPC三电平电路可以看作三个输出电压相位互差120°的单相三电平电路的组合，具有输出功率大、开关损耗小、谐波含量少的特点。图4为单个NPC三电平电路其中一相的等效电路。假设电容电压已处于平衡状态，图4的工作原理主要如下：
(1)当T1、T2导通，T3、T4关断时，如果忽略管压降，则该相的输出端电压为U＝Ud/2；这时有两种情况，一是如果负载电流是从逆变器流向负载端的话，那么电容C1通过主管T1、T2放电；第二种情况是负载电流从负载端流入逆变器，则电流流经与主管T1、T2并联的续流二极管D1、D2对电容C1进行充电。
(2)当T2、T3导通，T1、T4关断时，如果忽略管压降，则该相的输出端电压为U＝0；这时又有两种情况，第一种情况是负载电流从逆变器流向负载端，则电流流过嵌位二极管D5、主管T2对电容C1进行充电；第二种情况是负载电流从负载端流入逆变器，则电流流经主管T3，再流过嵌位二极管D6，对电容C2进行充电。
(3)当T3、T4导通，T1、T2关断时，如果忽略管压降，则该相的输出端电压为U＝-Ud/2；这时又有两种情况，第一种情况是负载电流从逆变器流向负载端，这时电流流经与主管T3、T4并联的续流二极管D3、D4对电容C2充电，第二种情况是负载电流从负载端流向逆变器，这时电容C2通过主管T3、T4对外放电。
将上述工作原理用表1表示出来为：
表1变换器输出与各开关状态的关系
T1 T2 T3 T4 Ua 开关状态Sx
ON ON OFF OFF Ud/2 p
OFF ON ON OFF 0 o
OFF OFF ON ON -Ud/2 n
这时，若定义三个开关状态变量Sa、Sb、Sc，分别来表示各相桥臂的输出状态，这时各相的输出相电压可以表示为：
(1)式中的S为x相的开关函数，其取值为：
因此从以上的分析可以看出，如果NPC三电平逆变器的每相都可以输出三种电平，那么三相叠加的话，就可以输出33＝27种电平组合，27种电平组合状态分别对应着27种不同的变换器开关状态。
单个NPC三电平电路通过正弦脉宽调制SPWM控制其开关器件IGBT的导通与关断。图5为单个NPC三电平电路的SPWM控制图。因为调制波的正半波和负半波具有对称性，所以以正半波为例来进行分析。Utri为三角载波的峰-峰值，Um为余弦调制波的瞬时值，根据三角载波PWM调制的理论，在三角载波与调制波的交点处将产生对应的各开关管的开通或关断信号，开关状态是不连续的。
在调制波的正半波内公式(2)可以简化为：
对ux在开关周期Ts内求平均值，如公式(4)：
而开关函数S的开关周期平均值：
公式(5)中，D为一个开关周期Ts内的占空比。
从图5中可以看出：
将公式(4)、公式(5)代入公式(6)，可得：
由公式(7)可以看出，调制波Um与三电平电路输出电压Ux之间的传递函数为：
在调制波负半周期，由于对称性，可以作类似的推导。同样可以得到如上传递函数。可以看出，当单个NPC三电平电路采用SPWM调制，在载波频率很高时，单个NPC三电平电路可以看作一个比例系数为K的比例环节。
下面对本发明在现场的实际应用方式进行说明。本发明在现场干燥过程中(单相)等效电路图如图6所示，将NPC三电平电路等效为电压有效值为Ux的交流电压源，变压器简化为短路时的等效电路。在现场变压器绕组带电干燥除湿中，将NPC三电平电路作为电源接在变压器一次侧，二次侧短路，使一次、二次绕组流过电流，利用绕组和铁心发热的方式对工作变压器进行加热，从内部将工作变压器器身绝缘加热到指定的温度，再经过抽真空带走器身绝缘内的潮气以达到干燥变压器的效果。
若负载变压器为单相，将变压器连接至单相输出，由电流指令模块发出驱动信号分别进入分控制单元内部，控制单元控制单/三相切换开关4闭合，同时三相三电平电路1的每一相输出的低频电压相位一致，此时输出为低频单相电压，可用于加热单相变压器。
若负载变压器为三相，将其与A、B、C三相输出相连，由电流指令模块发出驱动信号分别进入分控制单元内部，控制单元控制单/三相切换开关4断开，同时三相三电平电路1的每一相输出的低频电压相位差为120°，此时输出为低频三相电压，可用于加热三相变压器。
图6中，Rk与Xk分别为变压器的短路电阻以及短路电抗，电流i为此时的短路电流，可得：
将公式(8)代入公式(9)，
此时用于变压器除湿的热量Q为变压器短路时的负载损耗Pk经过加热时间t所产生的热量，负载损耗Pk可表示为：
经过时间t所产生的热量Q为：
公式(12)给出了采用NPC三电平电路对变压器进行干燥时产生的热量与SPWM控制时调制波Um的关系，为本发明的实时控制提供了依据。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种单/三相两用三电平低频干燥电源，其特征在于，包括加热电源，所述加热电源的输入端与主控制单元相连，所述加热电源的输出端与单相变压器或三相变压器相连；所述加热电源由四个电流源模块先分别与四个分控单元串联后再并联，每个所述电流源模块由四个NPC三电平电路并联，单个所述NPC三电平电路通过单/三相切换开关控制其输出单相或三相模式；所述主控制单元产生的一系列频率相同而相位差为1/2π的驱动信号及电流指令分别进入分控制单元内部，再由各自的分控设备产生驱动信号控制电流和电压的输出，NPC三电平电路中的各开关器件IGBT按照时序方式工作。
2.根据权利要求1所述的单/三相两用三电平低频干燥电源，其特征在于，单个所述NPC三电平电路包括三相三电平电路，所述三相三电平电路的输入端与第一不控整流桥的输出端相连，所述三相三电平电路的输入端还与第二不控整流桥的输出端相连，所述三相三电平电路的输出端与单/三相切换开关相连后接入负载变压器；所述第一不控整流桥与第二不控整流桥相串联，所述第一不控整流桥的输入端与隔离变压器的输出端相连，所述隔离变压器的输入端与380V电压相连，所述第二不控整流桥的输入端与380V电压相连。
3.根据权利要求2所述的单/三相两用三电平低频干燥电源，其特征在于，所述第一不控整流桥、第二不控整流桥均由6个二极管组成，其中二极管为不可控的二极管。
4.根据权利要求2所述的单/三相两用三电平低频干燥电源，其特征在于，单个所述NPC三电平电路通过正弦脉宽调制SPWM控制其开关器件IGBT的导通与关断。
5.根据权利要求1所述的单/三相两用三电平低频干燥电源，其特征在于，所述主控制单元由TM320F28335芯片、外部AD、液晶界面、通信、电源、电流指令模块组成。
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