CN109116166A - 一种利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组系统及方法，电动汽车充电桩经升压变压器与电网相连，电动汽车充电桩的输入为三相交流电，输出为直流电。当电动汽车充电桩不给电动汽车充电时，控制测试充电桩”运行在测试模式，控制普通充电桩的运行在隔离模式，测试充电桩输出多个频段的高频电压信号并检测对应频段的高频电流信号，并最终分别计算出三相电路的幅频响应特性，将三相幅频响应数据上传充电站管理系统，运行人员或其他装置判断变压器绕组形变状态。

Description

一种利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组系统及方法
技术领域
本发明涉及充电桩领域，尤其涉及一种利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组系统及方法。
背景技术
电力变压器在运行过程中不可避免地遭受到各种短路电流的冲击，一旦有故障电流流经变压器，变压器绕组将会承受巨大的不均匀的轴向和径向电动应力作用。如果绕组内部机械结构存在薄弱环节，承受不住电动力的冲击，变压器线圈必然会产生绕组扭曲、鼓包或移位等永久变形现象，严重影响电网运行安全。
常用的变压器绕组变形测试方法有频率响应法等，频率响应法通过检测变压器各个绕组的幅频响应特性，并对检测结果进行纵向或横向比较，根据幅频响应特性的变化程度，判断变压器可能发生的绕组变形。变压器绕组变形测试能够对绕组变形进行分析和判断，从而保证电力系统可靠安全的运行。传统测试方法需首先将变压器从系统中退出运行，然后利用外接激励源测量不同频率下响应电压和激励电压的信号幅值之比，获得指定激励端和响应端情况下绕组的幅频响应曲线。该方法能够准确分析、判断变压器绕组的变形程度，但需将变压器退出运行，降低变压器的利用率，同时需要运行人员进行现场测试，增加了人力成本。
近年来，电动汽车和电动汽车充电桩的普及度不断提高。电动汽车充电桩主要由电力电子装置组成。为保证电动汽车充电桩正常运行，电力电子装置需要实时获取电网侧的电压电流信息，并以此作为反馈信号控制电力电子器件的开通和关断。随着技术的不断进步，电力电子装置的开关频率、采样频率远高于电网基波频率，通常可以达到兆赫兹；采样精度通常可以达到毫伏、毫安，因此电力电子装置既可以产生高频的输出电压，也可以准确检测出高频的电压、电流。传统充电桩中的电参量测量结果多用于充电桩的反馈控制，或上传充电桩管理系统方便运行人员监视、调度。电动汽车充电桩除了具有传统的电能转换功能，还具有对外部系统进行频率扫描的潜力，现有技术没有充分利用充电桩中电力电子装置的优势，更没有提及如何利用充电桩的宽频输出能力对电网设备运行状态进行检测。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组系统，包括：三相变压器和中央控制器；三相变压器高压侧与电网连接，三相变压器低压侧连接多个电动汽车充电桩；
多个电动汽车充电桩中包括：至少一个具有宽频输出能力的测试充电桩；
测试充电桩包括：隔离开关，AC-DC变换器和DC-DC变换器；
DC-DC变换器的输出端与电动汽车相连，用于控制充电电流和充电电压；DC-DC变换器的输入端与AC-DC变换器的输出端相连；
AC-DC变换器的输入端通过隔离开关与电网相连，当测试充电桩给电动汽车充电时，AC-DC变换器运行在充电模式，用于控制两变换器中间的直流电压为恒定值、控制输入功率因数接近1；当测试充电桩未给电动汽车充电且未收到中央控制器发送的测试信号时，AC-DC变换器运行在停机模式，此时AC-DC变换器和电网之间不存在有功、无功交换；当测试充电桩未给电动汽车充电且收到中央控制器发送的测试信号时，AC-DC变换器运行在测试模式。
优选地，多个电动汽车充电桩中包括：至少一个普通充电桩；
普通充电桩包括：隔离开关，AC-DC变换器和DC-DC变换器；
DC-DC变换器的输出端与电动汽车相连，用于控制充电电流和充电电压；AC-DC变换器的输入端通过隔离开关与电网相连，DC-DC变换器的输入端与AC-DC变换器的输出端相连；当普通充电桩给电动汽车充电时，AC-DC变换器运行在充电模式，用于控制两变换器中间的直流电压为恒定值、控制输入功率因数接近1；当普通充电桩未给电动汽车充电且未收到中央控制器发送的测试信号时，AC-DC变换器运行在停机模式，所述AC-DC变换器和电网之间不存在有功、无功交换，当普通充电桩未给电动汽车充电且收到中央控制器发送的测试信号时，AC-DC变换器运行在隔离模式。
优选地，中央控制器包括：测试单元；
测试单元包括：直流电压稳定模块，高频交流电压叠加模块，高频交流电流提取模块以及三相高频幅频特性计算模块；
直流电压稳定模块用于稳定AC-DC变换器直流侧电压，并控制AC-DC变换器的输入有功功率，以抵消AC-DC变换器运行过程中的损耗；
高频交流电压叠加模块用于在AC-DC变换器的交流侧输出电压中叠加高频交流电压；
高频交流电流提取模块用于采集三相交流电流值并提取出其中与高频交流电压同频率的交流电流幅值和相位；
三相高频幅频特性计算模块用于计算发出的高频交流电压和采集的高频交流电流的幅值比与相位差。
优选地，隔离模式为将普通充电桩与电网之间的隔离开关断开，使普通充电桩的AC-DC变换器与电网之间没有电气连接。
优选地，三相变压器为三相双绕组变压器。
一种利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组方法，方法包括：
所有测试充电桩运行在充电模式时，所有测试充电桩每经过一预设时长向中央控制器发送忙碌信号；
当所有测试充电桩未运行在充电模式时，所有测试充电桩每经过一预设时长向中央控制器发送闲置信号；
中央控制器收到并识别所有测试充电桩发送的信号，如果所有测试充电桩发送的信号均为闲置信号时，中央控制器向所有电动汽车充电桩发送测试信号，测试充电桩运行在测试模式；
普通充电桩未接收到中央控制器发送的测试信号时，普通充电桩的AC-DC变换器的保持当前运行状态不变；当普通充电桩接收到中央控制器发送的测试信号时，普通充电桩运行在隔离模式，普通充电桩的AC-DC变换器与电网连接的隔离开关切换为断开状态。
优选地，测试模式包括：
高频交流电压叠加模块设定高频电压的幅值Ur和高频电压的谐波次数nr，Ur取值根据变压器的容量和并网点的谐波限值进行选取；nr的取值范围为
高频交流电压叠加模块根据设定的Ur和nr计算出三相高频电压uar，计算公式为：
高频交流电流提取模块采样的三相电流iabc首先经过快速傅里叶变换，从快速傅里叶变换的计算结果中分别提取频率为fr＝nrω的三相电流信号的幅值Ira，Irb，Irc和相位θra，θrb，θrb；
三相高频幅频特性计算模块根据计算出的三相电流信号的幅值Ira，Irb，Irc，相位θra，θrb，θrb、高频电压的幅值Ur、高频电压的谐波次数nr，计算出高频电压、高频电流的幅值和相角比值：
测试充电桩将计算数据△Ara、△Arb、△Arc、△θra、△θrb、△θrc上传给中央控制器。
优选地，方法包括：
测试完成后，中央控制器向所有电动汽车充电桩发送测试完成信号，测试充电桩停止测试模式的运行；
普通充电桩接收到中央控制器发送的测试完成信号后，普通充电桩的AC-DC变换器与电网连接的隔离开关闭合，使普通充电桩的AC-DC变换器与电网连接。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组系统利用电动汽车充电桩的空闲状态测量三相变压器每相绕组的幅频响应特性。测量过程中无需拆除变压器现有的运行线路，降低了变压器的维护成本。新添加的功能有利于提高充电桩的运行效率，拓展电动汽车充电站的功能范围，增加电动汽车充电站的收益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组系统示意图；
图2为测试模式中各充电桩与电网连接状态示意图；
图3为测试充电桩在测试模式下的系统控制框图；
图4为利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组方法流程图。
具体实施方式
本发明提供一种利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组系统，如图1至3所示，包括：三相变压器T1和中央控制器1；三相变压器T1高压侧与电网连接，三相变压器T1低压侧连接多个电动汽车充电桩；多个电动汽车充电桩中包括：至少一个具有宽频输出能力的测试充电桩C1；测试充电桩C1包括：隔离开关CGL，AC-DC变换器2和DC-DC变换器3；DC-DC变换器3的输出端与电动汽车相连，用于控制充电电流和充电电压；DC-DC变换器3的输入端与AC-DC变换器2的输出端相连；AC-DC变换器2的输入端通过隔离开关CGL与电网相连，当测试充电桩C1给电动汽车充电时，AC-DC变换器2运行在充电模式，用于控制两变换器中间的直流电压为恒定值、控制输入功率因数接近1；当测试充电桩C1未给电动汽车充电且未收到中央控制器1发送的测试信号时，AC-DC变换器2运行在停机模式，此时AC-DC变换器2和电网之间不存在有功、无功交换；当测试充电桩C1未给电动汽车充电且收到中央控制器1发送的测试信号时，AC-DC变换器2运行在测试模式。
多个电动汽车充电桩中包括：至少一个普通充电桩C2；普通充电桩C2包括：隔离开关CGL，AC-DC变换器2和DC-DC变换器3；DC-DC变换器3的输出端与电动汽车相连，用于控制充电电流和充电电压；AC-DC变换器2的输入端通过隔离开关CGL与电网相连，DC-DC变换器3的输入端与AC-DC变换器2的输出端相连；当普通充电桩C2给电动汽车充电时，AC-DC变换器2运行在充电模式，用于控制两变换器中间的直流电压为恒定值、控制输入功率因数接近1；当普通充电桩C2未给电动汽车充电且未收到中央控制器1发送的测试信号时，AC-DC变换器2运行在停机模式，所述AC-DC变换器2和电网之间不存在有功、无功交换，当普通充电桩C2未给电动汽车充电且收到中央控制器1发送的测试信号时，AC-DC变换器2运行在隔离模式。
本发明中，中央控制器1包括：测试单元；测试单元包括：直流电压稳定模块M1，高频交流电压叠加模块M2，高频交流电流提取模块M3以及三相高频幅频特性计算模块M4；直流电压稳定模块M1用于稳定AC-DC变换器2直流侧电压，并控制AC-DC变换器2的输入有功功率，以抵消AC-DC变换器2运行过程中的损耗；高频交流电压叠加模块M2用于在AC-DC变换器2的交流侧输出电压中叠加高频交流电压；高频交流电流提取模块M3用于采集三相交流电流值并提取出其中与高频交流电压同频率的交流电流幅值和相位；
三相高频幅频特性计算模块M4用于计算发出的高频交流电压和采集的高频交流电流的幅值比与相位差。
本发明中，隔离模式为将普通充电桩C2与电网之间的隔离开关CGL断开，使普通充电桩C2的AC-DC变换器与电网之间没有电气连接。三相变压器T1为三相双绕组变压器。
电动汽车充电桩经升压变压器与电网相连，电动汽车充电桩的输入为三相交流电，输出为直流电。当电动汽车充电桩不给电动汽车充电时，控制测试充电桩运行在测试模式，控制普通充电桩的运行在隔离模式，测试充电桩输出多个频段的高频电压信号并检测对应频段的高频电流信号，并最终分别计算出三相电路的幅频响应特性，将三相幅频响应数据上传充电站管理系统，运行人员或其他装置判断变压器绕组形变状态。
测试信号为一组通过通讯线路传输的命令信号，由电动汽车充电站的中央控制器发出。中央控制器可以获取所有充电桩的运行状态，并根据运行状态判断是否发出测试信号。
本发明还提供一种利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组方法，如图4所示，，方法包括：
S1，所有测试充电桩运行在充电模式时，所有测试充电桩每经过一预设时长向中央控制器发送忙碌信号；
S2，当所有测试充电桩未运行在充电模式时，所有测试充电桩每经过一预设时长向中央控制器发送闲置信号；
S3，中央控制器收到并识别所有测试充电桩发送的信号，如果所有测试充电桩发送的信号均为闲置信号时，中央控制器向所有电动汽车充电桩发送测试信号，测试充电桩运行在测试模式；否则不发送测试信号。
S4，普通充电桩未接收到中央控制器发送的测试信号时，普通充电桩的AC-DC变换器的保持当前运行状态不变；当普通充电桩接收到中央控制器发送的测试信号时，普通充电桩运行在隔离模式，普通充电桩的AC-DC变换器与电网连接的隔离开关切换为断开状态。
本发明提供的方法中，测试模式包括：
高频交流电压叠加模块设定高频电压的幅值Ur和高频电压的谐波次数nr，其中Ur的取值应在不影响电网运行要求的基础上尽可能大，以便准确测试，Ur取值根据变压器的容量和并网点的谐波限值进行选取；nr的取值范围为
高频交流电压叠加模块根据设定的Ur和nr计算出三相高频电压uar，计算公式为：
高频交流电流提取模块采样的三相电流iabc首先经过快速傅里叶变换，从快速傅里叶变换的计算结果中分别提取频率为fr＝nrω的三相电流信号的幅值Ira，Irb，Irc和相位θra，θrb，θrb；
三相高频幅频特性计算模块根据计算出的三相电流信号的幅值Ira，Irb，Irc，相位θra，θrb，θrb、高频电压的幅值Ur、高频电压的谐波次数nr，计算出高频电压、高频电流的幅值和相角比值：
测试充电桩将计算数据△Ara、△Arb、△Arc、△θra、△θrb、△θrc上传给中央控制器。
测试完成后，中央控制器向所有电动汽车充电桩发送测试完成信号，测试充电桩停止测试模式的运行；普通充电桩接收到中央控制器发送的测试完成信号后，普通充电桩的AC-DC变换器与电网连接的隔离开关闭合，使普通充电桩的AC-DC变换器与电网连接。
利用电动汽车充电桩宽频输出能力的变压器绕组变形测试方法电动汽车充电桩经升压变压器与电网相连，电动汽车充电桩的输入为三相交流电，输出为直流电。当电动汽车充电桩不给电动汽车充电时，控制测试充电桩运行在测试模式，控制普通充电桩的运行在隔离模式，测试充电桩输出多个频段的高频电压信号并检测对应频段的高频电流信号，并最终分别计算出三相电路的幅频响应特性，将三相幅频响应数据上传充电站管理系统，运行人员或其他装置判断变压器绕组形变状态。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参考即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组系统，其特征在于，包括：三相变压器(T1)和中央控制器(1)；三相变压器(T1)高压侧与电网连接，三相变压器(T1)低压侧连接多个电动汽车充电桩；
多个电动汽车充电桩中包括：至少一个具有宽频输出能力的测试充电桩(C1)；
测试充电桩(C1)包括：隔离开关(CGL)，AC-DC变换器(2)和DC-DC变换器(3)；
DC-DC变换器(3)的输出端与电动汽车相连，用于控制充电电流和充电电压；DC-DC变换器(3)的输入端与AC-DC变换器(2)的输出端相连；
AC-DC变换器(2)的输入端通过隔离开关(CGL)与电网相连，当测试充电桩(C1)给电动汽车充电时，AC-DC变换器(2)运行在充电模式，用于控制两变换器中间的直流电压为恒定值、控制输入功率因数接近1；当测试充电桩(C1)未给电动汽车充电且未收到中央控制器(1)发送的测试信号时，AC-DC变换器(2)运行在停机模式，此时AC-DC变换器(2)和电网之间不存在有功、无功交换；当测试充电桩(C1)未给电动汽车充电且收到中央控制器(1)发送的测试信号时，AC-DC变换器(2)运行在测试模式。
2.根据权利要求1所述的利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组系统，其特征在于，
多个电动汽车充电桩中包括：至少一个普通充电桩(C2)；
普通充电桩(C2)包括：隔离开关(CGL)，AC-DC变换器(2)和DC-DC变换器(3)；
DC-DC变换器(3)的输出端与电动汽车相连，用于控制充电电流和充电电压；AC-DC变换器(2)的输入端通过隔离开关(CGL)与电网相连，DC-DC变换器(3)的输入端与AC-DC变换器(2)的输出端相连；当普通充电桩(C2)给电动汽车充电时，AC-DC变换器(2)运行在充电模式，用于控制两变换器中间的直流电压为恒定值、控制输入功率因数接近1；当普通充电桩(C2)未给电动汽车充电且未收到中央控制器(1)发送的测试信号时，AC-DC变换器(2)运行在停机模式，所述AC-DC变换器(2)和电网之间不存在有功、无功交换，当普通充电桩(C2)未给电动汽车充电且收到中央控制器(1)发送的测试信号时，AC-DC变换器(2)运行在隔离模式。
3.根据权利要求2所述的利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组系统，其特征在于，
中央控制器(1)包括：测试单元；
测试单元包括：直流电压稳定模块(M1)，高频交流电压叠加模块(M2)，高频交流电流提取模块(M3)以及三相高频幅频特性计算模块(M4)；
直流电压稳定模块(M1)用于稳定AC-DC变换器(2)直流侧电压，并控制AC-DC变换器(2)的输入有功功率，以抵消AC-DC变换器(2)运行过程中的损耗；
高频交流电压叠加模块(M2)用于在AC-DC变换器(2)的交流侧输出电压中叠加高频交流电压；
高频交流电流提取模块(M3)用于采集三相交流电流值并提取出其中与高频交流电压同频率的交流电流幅值和相位；
三相高频幅频特性计算模块(M4)用于计算发出的高频交流电压和采集的高频交流电流的幅值比与相位差。
4.根据权利要求2所述的利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组系统，其特征在于，
隔离模式为将普通充电桩(C2)与电网之间的隔离开关(CGL)断开，使普通充电桩(C2)的AC-DC变换器与电网之间没有电气连接。
5.根据权利要求1或2所述的利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组系统，其特征在于，
三相变压器(T1)为三相双绕组变压器。
6.一种利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组方法，其特征在于，方法包括：
所有测试充电桩运行在充电模式时，所有测试充电桩每经过一预设时长向中央控制器发送忙碌信号；
当所有测试充电桩未运行在充电模式时，所有测试充电桩每经过一预设时长向中央控制器发送闲置信号；
中央控制器收到并识别所有测试充电桩发送的信号，如果所有测试充电桩发送的信号均为闲置信号时，中央控制器向所有电动汽车充电桩发送测试信号，测试充电桩运行在测试模式；
普通充电桩未接收到中央控制器发送的测试信号时，普通充电桩的AC-DC变换器的保持当前运行状态不变；当普通充电桩接收到中央控制器发送的测试信号时，普通充电桩运行在隔离模式，普通充电桩的AC-DC变换器与电网连接的隔离开关切换为断开状态。
7.根据权利要求6所述的利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组方法，其特征在于，
测试模式包括：
高频交流电压叠加模块设定高频电压的幅值Ur和高频电压的谐波次数nr，Ur取值根据变压器的容量和并网点的谐波限值进行选取；nr的取值范围为
高频交流电压叠加模块根据设定的Ur和nr计算出三相高频电压uar，计算公式为：
高频交流电流提取模块采样的三相电流iabc首先经过快速傅里叶变换，从快速傅里叶变换的计算结果中分别提取频率为fr＝nrω的三相电流信号的幅值Ira，Irb，Irc和相位θra，θrb，θrb；
三相高频幅频特性计算模块根据计算出的三相电流信号的幅值Ira，Irb，Irc，相位θra，θrb，θrb、高频电压的幅值Ur、高频电压的谐波次数nr，计算出高频电压、高频电流的幅值和相角比值：
测试充电桩将计算数据△Ara、△Arb、△Arc、△θra、△θrb、△θrc上传给中央控制器。
8.根据权利要求6所述的利用充电桩宽频带输出能力测试变压器绕组方法，其特征在于，方法包括：
测试完成后，中央控制器向所有电动汽车充电桩发送测试完成信号，测试充电桩停止测试模式的运行；
普通充电桩接收到中央控制器发送的测试完成信号后，普通充电桩的AC-DC变换器与电网连接的隔离开关闭合，使普通充电桩的AC-DC变换器与电网连接。
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