CN112018781A - 智能型变压器式可控电抗器 - Google Patents

智能型变压器式可控电抗器 Download PDF

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Abstract

智能型变压器式可控电抗器，包括主磁路铁心、高压侧的激发励磁绕组、低压侧的感应励磁绕组、控制调节绕组、阀组控制回路和控制器构成的电抗器本体，所述激发励磁绕组、感应励磁绕组和控制调节绕组为星形连接组合或角形连接组合，所述阀组控制回路为晶闸管阀组控制回路或IGBT阀组控制回路，所述控制器按照阀组控制回路电流值大小进行点对点线性控制，高压侧的激发励磁绕组在闭合磁路中形成主磁通，通过主磁通在低压侧的感应励磁绕组中产生感应励磁，形成主电抗，使变压器的短路阻抗达到100％。

Description

智能型变压器式可控电抗器
技术领域
本发明涉及电抗器，特别是涉及一种智能型变压器式可控电抗器，属于输变电电网及用电电网中，用于改善和提高电网电能质量、实现电网或设备节能的电力电子设备。
背景技术
近年来，随着社会经济快速发展和科学技术的进步，电网电压等级越来越高，电网覆盖区域越来越大，对电网的智能控制和可靠性的要求不断提高。可控电抗器是一种可以连续的输出感性无功功率的装置，通过和补偿电容器组等配合，用于调节电网无功功率，实现高压动态无功补偿，抑制过电压、提高电网稳定性的无功功率调节装置。主要用于解决冲击性负载造成的电压和功率因数不稳定，限制长距离高压架空线路或电缆线路产生的过电压和电容性电流，在最大程度上保持电网电压和功率因数的稳定，减少电网网损，提高电网输送能力。目前，具有可控电抗器的功能并且能够实现连续可调节要求的技术主要有以下几种：一、磁控电抗器；二、晶闸管控制电抗器；三、晶闸管控制高阻抗变压器；四、静止型无功发生器。
一、磁控电抗器的优点是：可以实现连续、无级、平滑的调节，解决电容器过补和欠补达到电网功率因数和电压稳定，可靠性高，过载能力强，适应各种污秽等级的环境，安装方便、免维护、无人值守、运行维护成本低。缺点是：由于采用直流辅助励磁，造成响应速度慢、噪音高、损耗大；不能解决电网电压闪变问题，不能满足城市电网对设备噪音的环保要求。
二、晶闸管控制电抗器的优点是：可以实现连续、无级、平滑的调节，解决电容器过补和欠补达到电网功率因数和电压稳定，响应速度快。缺点是：晶闸管处于高压电网，多只晶闸管的串联在同步控制和内阻均压等方面存在问题；安装调试复杂可靠性差，过载能力低，不能适应污秽环境，需要有人值守，运行维护成本高。
三、晶闸管控制变压器的优点是：可以实现连续、无级、平滑的调节，响应速度快，适应各种污秽环境，安装方便。缺点是：利用变压器的漏磁通形成的高阻抗变压器，电磁感应效率很低，短路阻抗比较小，达不到100％；为了实现高阻抗，需要在变压器绕组之间增加漏磁通道，内部漏磁发热严重，容易造成绝缘老化，可靠性不高；结构复杂，散热差；过载能力低，噪音高，损耗大。
四、静止型无功发生器的优点是：响应速度快，电力电子技术符合国家产业方向。缺点是：检测和控制系统非常复杂，可靠性低；需要安装在清洁无尘的密闭空间，环境要求高；电力电子器件的寿命只有7年左右，器件损坏频繁，维修工作量大，维修时间长，全控型器件自身损耗大；抗电网电压波动、抗负荷电流冲击，抗三相负荷不平衡等能力比较差。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺点，提供一种可以实现连续、无级、平滑的调节，实现智能化控制和数字化传输，具有噪音低、损耗小，电压稳定，节能环保的智能型变压器式可控电抗器。
本发明智能型变压器式可控电抗器的技术方案是：其特征在于包括主磁路铁心、高压侧的激发励磁绕组、低压侧的感应励磁绕组、控制调节绕组、阀组控制回路和控制器构成的电抗器本体，所述激发励磁绕组、感应励磁绕组和控制调节绕组为星形连接组合或角形连接组合，所述阀组控制回路为晶闸管阀组控制回路或IGBT阀组控制回路，所述控制器按照阀组控制回路电流值大小进行点对点线性控制，高压侧的激发励磁绕组在闭合磁路中形成主磁通，通过主磁通在低压侧的感应励磁绕组中产生感应励磁，形成主电抗，使变压器的短路阻抗达到100％。
本发明公开了一种智能型变压器式可控电抗器，包括主磁路铁心、激发励磁绕组、感应励磁绕组、控制调节绕组、阀组控制回路和控制器构成，其中，主磁路铁心设计成芯式放在内部，激发励磁绕组、感应励磁绕组和控制调节绕组套装在主磁路铁心外侧。工作时，利用变压器电磁感应原理，将高压侧的激发励磁绕组，通过变压器原理的“电生磁”过程，在闭合磁路中形成主磁通，通过主磁通在变压器原理“磁生电”的过程，在低压侧的感应励磁绕组中产生感应励磁，形成主电抗，使变压器的短路阻抗达到100％，此时，“变压器”就成为了同容量的“电抗器”，改变了普通的高阻抗变压器利用变压器的漏磁通形成的漏电抗，因此，利用变压器原理的主磁通形成主电抗，电磁感应效率很高。由于电抗器是100％短路阻抗的变压器，其激发励磁绕组连接电网的高压侧，感应励磁绕组可以在完全短路的状态下长期连续运行。而阀组控制回路,可以调节阀组的导通角，改变回路中的电流，通过变压器原理：变压器线圈中电流之比等于线圈中匝数的反比，即I1/I2 = W2/W1 ，利用功率Q = I2Z，改变电流“I”的大小，即可改变输出感性无功功率“Q”的大小，实现对电抗器高压侧输出感性无功功率的连续无级控制。阀组控制回路5使用晶闸管或IGBT作为阀组的主要器件，设计1只阀组运行在电抗器的低压侧，其端电压为1—2 kV，不需要多只晶闸管或IGBT串联成阀组，也不需要将晶闸管或IGBT安装在高电压回路中处于高电位状态。采用普通的晶闸管或IGBT元件和控制方式即可，大大简化了运行在高电压下多只晶闸管或IGBT串联的复杂程度与成本，减少了晶闸管或IGBT安装在高电压回路中处于高电位状态带来的隐患，提高了系统的可靠性和安全性。晶闸管或IGBT调节过程中，只是电抗器的高压侧一次电流和低压侧二次电流的变化，电抗器一直处于恒磁通状态，运行中既没有调节励磁、也没有调节匝数，电抗器自身响应时间几乎为零。按照电抗器二次侧电流的变化，控制器的控制模式变得简单，按照电流值进行点对点的线性控制，大大减少了控制器的控制时间，同时也提高了控制器在运行中的安全可靠性，具备自动跟踪定位，电网电能质量自动诊断报告，电能质量问题决策处理和自动控制，组成智能化管理平台，实现遥测、遥信、遥控和遥调功能。
其有益效果有：
（1）、实现对智能型变压器式可控电抗器输出的感性无功功率进行连续、无级、平滑的调节。功能上与磁控电抗器（MCR）、静止型无功发生器（SVG）、晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管控制高阻抗变压器（TCT）等现有技术相同；
（2）、智能型变压器式可控电抗器的响应速度达到或超过静止型无功发生器（SVG）的响应速度，满足电网对电压闪变冲击电网的响应速度的要求；
（3）、智能型变压器式可控电抗器的噪音低，与相同电压等级、相同容量的变压器或并联电抗器的噪音一致，满足城市电网对设备噪音的环保要求；
（4）、实现变压器类产品所具有的电磁感应静态结构，性能稳定、可靠性高、寿命长、抗过载能力强，可直接安装运行于高压电网，无电磁辐射污染环境；
（5）、能够适应各种污秽等级的环境、安装方便、运行免维护、无人值守、装置运行维护成本低；
（6）、阀组控制回路设计在变压器原理的低压侧，解决了晶闸管或IGBT器件处于高压电网，多只晶闸管或IGBT的串联在同步控制和内阻均压等方面存在的问题；阀组控制部分在低压侧，晶闸管控制不需要高压电气隔离或高压光电隔离，控制部分的制造成本大幅度降低，可靠性大幅度提高，售后服务工作量大幅度减少；
（7）、电磁感应过程中没有直流励磁电流，绕组中的损耗大幅度降低，铁心中的噪音和损耗也大幅度降低；因此电磁感应效率高，短路阻抗达到100％，阻抗值稳定且容易控制；
（8）、智能控制器的控制模式由步进式趋近控制目标，改变为直接按照电流值进行点对点的线性控制，大大减少了控制器的控制时间，提高了控制器在运行中的安全可靠性，有效减少控制器的售后服务工作量；实现智能化控制和数字化传输，可以实现从0-100％的全容量调节；
（9）、应用变压器和电抗器等产品的传统结构型式和制造工艺技术，质量稳定，工艺成熟、制造成本低；
（10）、实现高电压、大容量要求，电压等级可满足10-1000kV，容量可达到400kVA-240MVA。
本发明的智能型变压器式可控电抗器，根据容量要求，所述的电抗器本体可以设计为单相或三相，所述三相包括三相分体式或三相一体式。根据消防要求，所述的电抗器本体为油浸式绝缘或环氧树脂干式绝缘。所述的主磁路铁心为单相双柱式、单相三柱式、三相三柱式或三相六柱式，不同相数的铁芯，产品的电流容量也各不相同，可根据实际情况而定。所述的阀组控制回路，可以根据回路电流大小阀组的散热形式，采用2只以上晶闸管并联集中控制、2只以上晶闸管阀组并联分别控制、2只以上IGBT并联集中控制或者2只以上IGBT阀组并联分别控制，散热效果更好。
附图说明
图1是本发明智能型变压器式可控电抗器技术结构原理图；
图2是本发明智能型变压器式可控电抗器控制星形连接原理图；
图3是本发明智能型变压器式可控电抗器控制角形连接原理图；
图4是本发明智能型变压器式可控电抗器单相单柱磁路原理图；
图5是本发明智能型变压器式可控电抗器单相双柱磁路原理图；
图6是本发明智能型变压器式可控电抗器三相磁路原理图。
具体实施方式
本发明涉及一种智能型变压器式可控电抗器，如图1—图6所示，包括主磁路铁心1、高压侧的激发励磁绕组2、低压侧的感应励磁绕组3、控制调节绕组4、阀组控制回路5和控制器6构成的电抗器本体01，所述激发励磁绕组2、感应励磁绕组3和控制调节绕组4为星形连接组合或角形连接组合，所述阀组控制回路5为晶闸管阀组控制回路或IGBT阀组控制回路，所述控制器6按照阀组控制回路5电流值大小进行点对点线性控制，高压侧的激发励磁绕组2在闭合磁路中形成主磁通，通过主磁通在低压侧的感应励磁绕组3中产生感应励磁，形成主电抗，使变压器的短路阻抗达到100％。根据容量要求，所述的电抗器本体可以设计为单相或三相，所述三相包括三相分体式或三相一体式。根据消防要求，所述的电抗器本体为油浸式绝缘或环氧树脂干式绝缘。所述的主磁路铁心为单相双柱式、单相三柱式、三相三柱式或三相六柱式，不同相数的铁芯，产品的电流容量也各不相同，可根据实际情况而定。所述的阀组控制回路，可以根据回路电流大小阀组的散热形式，采用2只以上晶闸管并联集中控制、2只以上晶闸管阀组并联分别控制、2只以上IGBT并联集中控制或者2只以上IGBT阀组并联分别控制，散热效果更好。
本方案包括主磁路铁心1、激发励磁绕组2、感应励磁绕组3、控制调节绕组4、阀组控制回路5和控制器6构成，其中，主磁路铁心1设计成芯式放在内部，激发励磁绕组2、感应励磁绕组3和控制调节绕组4套装在主磁路铁心1外侧。磁路铁心1材料选用高导磁冷轧硅钢片，磁通密度小于1.7特斯拉，铁心芯柱采用全气隙结构；激发励磁回路绕组设计成纠结连续式、左绕向、均匀换位，导线选用纸包扁铜线，电流密度小于3.0 A/mm2；感应励磁回路绕组设计成普通连续式、左绕向、普通换位，导线选用纸包扁铜线，电流密度小于3.2 A/mm2；控制调节回路绕组设计成普通连续式、左绕向、普通换位，导线选用纸包扁铜线，电流密度小于3.5 A/mm2；阀组控制回路阀组选用晶闸管器件，电流200A；智能控制回路的智能控制器选用点对点线性控制，数字化传输。组装时，将激发励磁绕组、感应励磁绕组和控制调节绕组分别套装在芯式铁心外侧。
本智能型变压器式可控电抗器，高压侧的激发励磁绕组2激发励磁，通过变压器原理的“电生磁”的过程，在闭合磁路中形成了主磁通，主磁通在变压器原理“磁生电”的过程，在低压侧的感应励磁绕组3和控制调节绕组4中产生感应励磁，形成主电抗，此时变压器的短路阻抗达到100％，“变压器”成为同容量的“电抗器”。
在智能型变压器式可控电抗器的低压侧设置晶闸管阀组控制回路,调节阀组的导通角，改变智能型变压器式可控电抗器的二次回路中的电流，此时，变压器线圈中电流之比等于线圈中匝数的反比，即I1/I2 = W2/W1 ，利用功率Q = I2Z，改变电流“I”的大小，改变输出感性无功功率“Q”的大小，实现了对智能型变压器式可控电抗器一次侧输出感性无功功率的连续无级控制。设计1只阀组运行在智能型变压器式可控电抗器的低压侧，端电压为1kV，系统安全可靠。晶闸管调节过程中，只是智能型变压器式可控电抗器的高压侧一次电流和低压侧二次电流的变化，智能型变压器式可控电抗器处于恒磁通状态，调节过程中没有调节励磁，也没有调节匝数，智能型变压器式可控电抗器自身的响应时间几乎为零，与普通的变压器相同，总的响应时间主要由控制器（检测、计算、控制）决定。智能控制器的控制模式由步进式趋近控制目标，改变为直接按照电流值进行点对点的线性控制，智能控制器的控制时间只有5mS，容量上升从0-100％总的响应时间为小于20mS，容量减少从100-0％总的响应时间为小于5mS，满足电网对电压闪变60mS的要求。
实测该智能型变压器式可控电抗器的噪音为55dB，满足城市电网对电力设备噪音小于60分贝的要求；总的损耗小于总容量的0.6％，满足低损耗的要求。
整个测试调节过程，电压稳定，对智能型变压器式可控电抗器输出的感性电流，进行了连续、无级、平滑的调节，包括电流上升从0-100％，电流减少从100-0％，电流波形非常稳定。
该智能型变压器式可控电抗器安装运行现场是严重污秽环境，冲击性负荷大，无人值守，经过长期运行观察，产品安全稳定可靠。

Claims (5)

1.智能型变压器式可控电抗器，其特征在于包括主磁路铁心（1）、高压侧的激发励磁绕组（2）、低压侧的感应励磁绕组（3）、控制调节绕组（4）、阀组控制回路（5）和控制器（6）构成的电抗器本体（01），所述激发励磁绕组（2）、感应励磁绕组（3）和控制调节绕组（4）为星形连接组合或角形连接组合，所述阀组控制回路（5）为晶闸管阀组控制回路或IGBT阀组控制回路，所述控制器（6）按照阀组控制回路（5）电流值大小进行点对点线性控制，高压侧的激发励磁绕组（2）在闭合磁路中形成主磁通，通过主磁通在低压侧的感应励磁绕组（3）中产生感应励磁，形成主电抗，使变压器的短路阻抗达到100％。
2.如权利要求1所述的智能型变压器式可控电抗器，其特征在于所述的电抗器本体（01）为单相或三相，所述三相包括三相分体式或三相一体式。
3.如权利要求1所述的智能型变压器式可控电抗器，其特征在于所述的电抗器本体（01）为油浸式绝缘或环氧树脂干式绝缘。
4.如权利要求1所述的智能型变压器式可控电抗器，其特征在于所述的主磁路铁心（1）为单相双柱式、单相三柱式、三相三柱式或三相六柱式。
5.如权利要求1所述的智能型变压器式可控电抗器，其特征在于所述的阀组控制回路（5）采用2只以上晶闸管并联集中控制、2只以上晶闸管阀组并联分别控制、2只以上IGBT并联集中控制或者2只以上IGBT阀组并联分别控制。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112908644A (zh) * 2021-01-22 2021-06-04 杭州银湖电气设备有限公司 一种新型双磁路高阻抗式可控电抗器

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