CN111600295B - 一种应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流抑制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流抑制策略。其技术方案包括：一，在工频变压器一次侧，采用单片机控制H桥电路输出工频电压；二，软起动，防止初次启动时产生励磁涌流；三，在工频变压器一次侧电压的过零点切除变压器，记录该过零点的电压方向变化状态，变压器再次投入时电压方向变化应延续切除时状态。本发明无需估计变压器磁芯剩磁，通过主动控制变压器一次侧电压切除和投入的过零点状态，使剩磁沿剩磁曲线向衰减方向变化，明显降低了变压器投入时的励磁涌流，而且通过单片机控制H桥电路输出变压器一次侧电压，可以不用考虑传统策略中断路器闭合时间及其铁芯剩磁，操作更灵活，控制精度更高。

Description

一种应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流抑制策略

技术领域

本发明涉及配电网自动化系统安全保障领域，涉及一种应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流抑制策略。

背景技术

终端备电：目前，配电网自动化领域中的用电信息采集终端多为电网直接取电，一旦电网断电，采集终端将无法正常工作。终端备电设备可以在电网断电时，通过将备用电源中的直流电逆变输出为满足要求的交流电，稳定地为采集终端供电，保证其能够持续正常地进行抄表工作。

励磁涌流：励磁涌流是指变压器全电压充电时，由于变压器磁芯的非线性饱和特性以及变压器投入前磁芯中剩余磁通的影响，在其绕组中产生的暂态电流。该电流最大可达额定电流的8-10倍，并含有很大的谐波分量(主要是二次和三次谐波)，会对变压器绕组机械稳定性和绝缘强度产生巨大危害，而且常常造成差动保护动作。

差动保护：差动保护作为变压器的主要保护，会对过高的电流，例如短路电流，进行速断保护，以防止高电流使变压器绕组变形。在空载变压器合闸的瞬间，会随机产生一个很高的电流，在一段时间内会返回正常范围。这个高电流并不是短路电流，但也足以使变压器差动保护动作，导致变压器在启动的瞬间被保护断开从而无法启动。

选相合闸：核心思想是在磁通过零点，即正弦电压的两个峰值点(π/2或3π/2)进行合闸，以防止暂态磁通的产生，以避免空载合闸冲击电流的产生。但是由于断路器开关固有的机械特性往往会带来合闸延时，从而错过合闸的最佳时刻而产生偏磁。而且选相合闸技术的合闸时刻与磁芯中的剩磁有关，但变压器中剩磁难以测量，因此应用中还是有诸多不便。

发明内容

本发明针对上述问题，克服现有技术的不足，提出一种应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流抑制策略。该方法通过电网电压采样来检测电网工作状态，并由单片机控制负载继电器的状态切换，保证负载的持续供电。为提高控制精度，避免传统方案中由于断路器开关固有的机械特性而带来合闸延时，采用单片机控制H桥电路输出变压器一次侧交流电压；通过主动控制交流电压的投切点，保证变压器一次侧交流电压的输入和停止时刻均发生在在特定的过零点，减小变压器一次侧电压投入时变压器磁芯的磁通，从而抑制变压器励磁涌流，避免差动保护动作，保证可控逆变中工频变压器工作状态的稳定性和可靠性。

本发明采取如下技术方案解决上述技术问题：

一种降低应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流策略，包括以下步骤，

步骤一，在工频变压器一次侧，采用单片机控制H桥电路，使其能够输出可控相位的工频电压；

步骤二，软起动，将工频变压器一次侧电压逐渐提升至额定电压并空载稳定运行一段时间；

步骤三，在工频变压器一次侧电压特定的过零点时停止H桥电路输出，记录并保存该过零点的方向；

步骤四，基于AD采样单元，检测电网的供电状态，并根据电网供电状态控制负载继电器执行分合闸动作。

步骤一中，通过单片机控制H桥输出工频电压，并采用LC滤波器进行谐波补偿，即对于需要截止的高频，利用电容吸收，电感阻碍的方法不使其通过，对于需要的低频利用电容高阻，电感低阻的特点使其通过；

步骤二中，变压器软起动是通过单片机控制H桥输出变压器一次侧交流电压，依据设定曲线逐渐将电压升至额定电压并防止初次启动时励磁涌流的产生。

步骤三中，采用单片机控制H桥输出变压器一次侧交流电压，为保证H桥电路输出电压的稳定性，本发明选择在工频变压器一次侧电压特定的过零点投切变压器交流电源；过零点为工频变压器一次侧电压过零点，其方向可以为由负到正过零，也可以是由正到负过零，但必须保证变压器切除和投入是的电压过零点的方向是一致的。

步骤四中，AD采样是通过设计差分采样电路对电网电压进行采样，采样值输入至单片机AD转换单元；执行的相应操作为：

若电网正常供电，由单片机控制，每隔一小时输出PWM波，自检H桥是否短路，并且在输出电压特定的过零点停止发波；

若电网断电，在断电n个周期后，控制H桥电路在特定电压过零点处输出变压器一次侧交流电压，并将负载投入变压器二次侧。其中，变压器一次侧交流电压在相同的过零点输入和停止，是为了延续切除时状态，从而抑制变压器投入瞬间所产生的暂态磁通；H桥输出的交流电压选择在过零点投入，是由于投切瞬间滤波电容两端的电压不能突变，电感中的电流不能突变。

若电网断电一段时间后恢复供电，基于AD采样单元判断电网运行是否稳定，若稳定，将负载投入电网。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流抑制策略，本发明无需估计变压器磁芯剩磁，变压器一次侧交流电压的输入和停止时刻都选择在电压特定的过零点，使剩磁沿剩磁曲线向衰减方向变化，明显降低了变压器投入时的励磁涌流，避免差动保护动作，可保证备用电源工作状态的稳定性和可靠性；而且采用单片机调制PWM控制H桥输出变压器一次侧电压，可以不用考虑传统策略中断路器闭合时间及其铁芯剩磁，控制精度更高；另外本发明的应用环境为电网断电时由备用电源为用电采集终端供电，其工频变压器交流电压的输入和停止时刻是可以主动控制的，操作更灵活。

附图说明

图1为本发明应用环境示意图。

图2为本发明抑制可控工频变压器励磁涌流方法总体流程图。

图3为本发明策略中软起动电压波形图。

图4为本发明备电电源投切点选择策略示意图。

图5为本发明中采用本发明抑制策略，变压器绕组一次侧输入电压和励磁电流示意图；

图6为本发明中电网工作状态、变压器空载和负载投入时变压器绕组一次侧输入电压、变压器输出电压和励磁电流的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，以具体阐述本发明的技术方案。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流抑制策略，应用场景示意图如图1所示，总体方案设计流程图如图2所示，下面详细介绍方案实施步骤。

步骤一，在工频变压器一次侧，采用单片机控制H桥电路，使其能够输出可控相位的工频电压；

通过单片机控制调制PWM，使H桥电路输出工频电压，并采用LC滤波器进行谐波补偿，即对于需要截止的高频，利用电容吸收、电感阻碍的方法不使其通过，对于需要的低频利用电容高阻、电感低阻的特点使其通过；

步骤二，软起动，将工频变压器一次侧电压逐渐提升至额定电压并空载稳定运行一段时间；

由于变压器初次投入时无法确定其磁芯剩磁大小和方向，为抑制初次启动时变压器产生励磁涌流，采用软起动方法投入变压器。通过单片机控制H桥电路，减小变压器投入时的初始电压，依据设定曲线逐渐将电压升至额定电压，预定软起动电压变化曲线如图3。

步骤三，在工频变压器一次侧电压特定的过零点时切除变压器，记录并保存该过零点的方向；

采用单片机控制PWM输出进而控制变压器一次侧交流电压的投切，且H桥输出交流电压经LC滤波电路接入变压器一次侧，为保证H桥电路的稳定输出，选择在工频变压器一次侧电压特定的过零点投切变压器交流电源；

特定的过零点为工频变压器一次侧交流电压过零点，其方向可以为由负到正过零，也可以是由正到负过零，但必须保证变压器一次交流侧电压开始输出和停止的电压过零点方向一致，保证再次投入时电压与上次切除时相位相同，以延续之前的励磁状态。如图4所示，在案例实施中采用由负到正的电压过零点切除变压器一次侧交流电压。

步骤四，步骤四，基于AD采样单元，检测电网的供电状态，并根据电网供电状态控制负载继电器执行分合闸动作；

利用设计的差分采样电路对电网电压进行采样，采样值输入至单片机AD转换单元；

执行分合闸动作具体操作为：

若电网正常供电，由单片机控制，每隔一小时由H桥电路输出PWM波，自检H桥是否短路，变压器的输入电压应延续上次停止输入时的相位状态，并且在输出电压特定的过零点停止发波；

若电网断电，在断电1个周期后，在与变压器一次侧交流电压停止输入时刻相同的电压过零点处，控制H桥电路输出变压器一次侧交流电压，并将负载投入备电单元；

由于投切瞬间滤波电容两端的电压不能突变，电感中的电流不能突变，故H桥输出的交流电压选择在特定的电压过零点投切。另一方面是为了抑制变压器投入瞬间所产生的暂态磁通，使投切时变压器磁芯磁通最小，其具体计算公式为：

其中，Φ为变压器磁芯磁通量，Φ_m为稳态磁通最大值，±Φ_r-Φ_msinα为暂态磁通，Φ_r为磁芯剩磁，与变压器交流电源切除时刻有关，Φ_msinα为直流偏磁，是保证变压器磁芯磁通不发生突变所需的磁通，与合闸时刻有关，ω表示交流电源的频率，α表示变压器合闸角度，R1表示一次绕组的电阻，L1表示一次绕组的电感，-R1/L1为偏磁的衰减常数。

由上述公式，通过在与切除变压器一次侧交流电压相同的特定电压过零点处将变压器投入时，剩磁沿剩磁曲线向衰减方向变化，直流偏磁与剩磁可以相互抵消，变压器磁芯磁通为稳态磁通。

如图5为采用本发明抑制策略，变压器绕组一次侧输入电压和励磁电流示意图；图中当电网断电备电电路启动，同时负载投入备电电路时，励磁电流略微增大，但下一周期即恢复为稳定工作时的励磁电流状态。

若电网断电一段时间后恢复供电，基于AD采样单元判断电网运行是否稳定，若稳定，将负载投入电网；

如图6为本发明中电网工作状态、变压器空载和负载投入时变压器绕组一次侧输入电压、变压器输出电压和励磁电流的波形图。

综上所述，本发明提出一种应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流抑制策略，首先该方法采用单片机控制H桥电路输出工频交流电压，以保证变压器一次侧交流电压幅值与相角可控；在备电初次启动时运用软起动技术将工频变压器一次侧电压逐渐提升至额定电压并空载稳定运行一段时间；通过主动控制变压器一次侧电压的输入和停止时刻，保证变压器交流电压的投入和切除均发生在在特定的过零点，以降低工频变压器励磁涌流，避免差动保护动作，可保证备电电源工作的稳定性和可靠性；根据对电网电压采样检测电网工作状态，采用单片机控制负载继电器，实现对负载的持续供电。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流抑制策略，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，在工频变压器一次侧，采用单片机控制H桥电路，使其能够输出可控相位的工频电压；

步骤二，软起动，将工频变压器一次侧电压逐渐提升至额定电压并空载稳定运行一段时间；

步骤三，在工频变压器一次侧电压特定的过零点时停止H桥电路输出，记录并保存该一次侧电压特定的过零点的方向；

步骤四，基于AD采样单元，检测电网的供电状态，若电网断电，在断电n个周期后，控制H桥电路在所述一次侧电压特定的过零点处输出变压器一次侧交流电压，并将负载投入变压器二次侧。

2.根据权利要求1所述的一种应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流抑制策略，其特征在于：步骤一中，通过单片机控制H桥输出工频电压，并采用LC滤波器进行谐波补偿，即对于需要截止的高频，利用电容吸收，电感阻碍的方法不使其通过，对于需要的低频利用电容高阻，电感低阻的特点使其通过。

3.根据权利要求1所述的一种应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流抑制策略，其特征在于：步骤二中，变压器软起动是通过单片机控制H桥输出变压器一次侧交流电压，依据设定曲线逐渐将电压升至额定电压并防止初次启动时励磁涌流的产生。

4.根据权利要求1所述的一种应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流抑制策略，其特征在于：步骤三中，采用单片机控制H桥输出变压器一次侧交流电压，为保证H桥电路输出电压的稳定性，本发明选择在工频变压器一次侧电压特定的过零点投切变压器交流电源；所述一次侧电压特定的过零点为工频变压器一次侧电压过零点，其方向可以为由负到正过零，也可以是由正到负过零，但必须保证变压器切除和投入的电压过零点的方向是一致的。

5.根据权利要求1所述的一种应用于可控逆变的工频变压器励磁涌流抑制策略，其特征在于：步骤四中，AD采样是通过设计差分采样电路对电网电压进行采样，采样值输入至单片机AD转换单元；执行的相应操作为：

若电网正常供电，由单片机控制，每隔一小时输出PWM波，自检H桥是否短路，并且在输出所述一次侧电压特定的过零点停止发波；

若电网断电，在断电n个周期后，控制H桥电路在所述一次侧电压特定的过零点处输出变压器一次侧交流电压，并将负载投入变压器二次侧；其中，变压器一次侧交流电压在相同的所述一次侧电压特定的过零点输入和停止，是为了延续切除时状态，从而抑制变压器投入瞬间所产生的暂态磁通；H桥输出的交流电压选择在所述一次侧电压特定的过零点投入，是由于投切瞬间滤波电容两端的电压不能突变，电感中的电流不能突变；

若电网断电一段时间后恢复供电，基于AD采样单元判断电网运行是否稳定，若稳定，将负载投入电网。