CN112563002A - 一种裂心式磁控智能变压器及控制方法 - Google Patents

一种裂心式磁控智能变压器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及磁控变压器技术，具体涉及一种裂心式磁控智能变压器及控制方法，变压器铁芯包括三相铁芯柱、上轭和下轭，每相铁芯柱为分裂开的第一、第二半铁芯，长度为L，且每个半铁芯上均有一段长度为lt、截面形状与半铁芯的截面形状相同、截面面积为半铁芯截面积一半的小铁芯；其中，lt<L；变压器绕组结构均包括每个半铁芯分别绕有一半匝数的二次侧绕组，一次侧绕组环绕在二次侧绕组外面，包裹第一、第二半铁芯，一次侧、二次侧绕组间留有绝缘距离。该变压器通过直流励磁调节变压器励磁电抗，在兼有实现传统变压器升降压功能的同时，可实现无有载调压开关的电压控制，配合固定电容器组还可以动态平滑调节无功功率、稳定电压。

Description

一种裂心式磁控智能变压器及控制方法
技术领域
本发明属于磁控变压器技术领域，尤其涉及一种裂心式磁控智能变压器。
背景技术
目前，电力系统中的变压器的作用仅有单一的升压降压作用，当电网负荷波动时，电压会随之波动，现有技术中变压器应对电压波动采用的调压方式主要有：(1)10kV或者35kV电压等级配电网中现有的变压器有载调压方式主要采用机械和电动部件，动作速度慢，容易产生电弧；(2)部分采用电力电子开关实现分接头的有载调压装置由于电力电子装置运行成本高，易受雷电冲击影响，且晶闸管功率消耗大，对控制精确性和器件自身性能要求高；(3)另外还有少部分采用复合调压开关，但是仍然处于研究阶段，实用性还缺乏实际验证；(4)110kV以上电压等级的输电网调压手段主要靠调节变压器有载调压开关，或者在低压侧安装SVC设备，灵活性不够，且电力电子设备在高压环境下故障率高，造成后期维护成本大，电力电子设备也会对电力系统造成高次谐波污染，影响电能质量。
另外，目前电力变压器的励磁电抗基本为固定值，在制造变压器过程中由铁心尺寸和结构决定，在变压器运行过程中铁心一般处于非饱和状态，因此励磁电抗十分大，且无法在运行过程中改变，即使有部分改变的手段，一般是采用机械调整或者其他改变铁心结构的方式，不具备灵活可操作性，更缺乏自动调节的控制准确性。
因此，现有的变压器功能单一，结构固定，不具备调节线路无功功率、稳定电压的功能，调压手段要么动作速度慢，要么存在稳定性和高成本问题。
以下专利也存在一些问题如：申请日为2014年06月09日的实用新型专利“磁控变压器”(CN 203966805U)采用的是六柱结构，每相的高压绕组分别绕在两个铁心柱上并且并联在一起，响应速度比较慢而且变压器成本很高。申请日为2013年09月11日的发明专利“一种磁可控变压器”(CN 104425116A)的铁心在饱和区运行时谐波很大，而且为单相变压器，不适用于输配电环节。申请日为2018年08月17日的实用新型专利“一种磁控谐振工频试验电源”(CN208971399U)是一种高压试验电源，不适用于输配电环节。申请日为2016年09月29日的发明专利“一种可快速励磁和退磁的磁控电抗器”(CN 106300384B)是一种电抗器，不具备变压器的升降压功能，仅能作为电抗使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过直流励磁调节变压器励磁电抗的裂心式磁控智能变压器装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种裂心式磁控智能变压器，变压器铁芯包括三相铁芯柱、上轭和下轭，每相铁芯柱为分裂开的第一、第二半铁芯，长度为L，且每个半铁芯上均有一段长度为lt、截面形状与半铁芯的截面形状相同、截面面积为半铁芯截面积一半的小铁芯；其中，lt<L；
变压器绕组结构均包括每个半铁芯分别绕有一半匝数的二次侧绕组，一次侧绕组环绕在二次侧绕组外面，包裹第一、第二半铁芯，一次侧、二次侧绕组间留有绝缘距离。
在上述的裂心式磁控智能变压器中，变压器包括裂心式磁控智能主变压器和裂心式磁控智能配电变压器；主变压器为一次侧三相绕组星形连接，中性点接地，二次侧三相绕组三角形连接；配电变压器为一次侧三相绕组三角形连接，二次侧绕组星形连接。
在上述的裂心式磁控智能变压器中，半铁芯的截面为圆形或椭圆形。
在上述的裂心式磁控智能变压器中，裂心式磁控智能变压器采用自耦励磁的结构为，每个半铁芯的上下抽头间均接有第一、第二可控硅K1、K2，二次侧绕组交叉连接后并联输出二次侧电压，二极管D连接在两交叉端点之间。
在上述的裂心式磁控智能变压器中，裂心式磁控智能变压器采用外接励磁的结构为，每个半铁芯的上下抽头交叉连接并联输出二次侧电压，第二半铁芯的上下抽头间外接励磁直流源。
一种裂心式磁控智能变压器的控制方法，包括：
一、采取自耦励磁；
当电源在正半周期时，第一可控硅K1导通，第二可控硅K2不导通，二次侧绕组经自耦变压后由匝数为Nk的绕组生成控制电流；当电源在负半周期时，第二可控硅K2导通，第一可控硅K1不导通，产生的控制电流方向与电源正半周期时相同，电路中产生直流控制电流；在直流控制电流的作用下，第一半铁芯和第二半铁芯中产生直流磁感应强度Bd，且方向相反，直流磁通在第一半铁芯和第二半铁芯内自我闭合，对第一半铁芯和第二半铁芯分别起到助磁和去磁的作用，使第一、第二半铁芯交替饱和；通过改变第一可控硅K1、第二可控硅K2的触发角来调节直流控制电流的大小，改变第一、第二半铁芯磁导率的大小，实现平滑地调节变压器等效励磁电感的大小；而在裂心式磁控智能变压器的整个工作范围内，长度为lt的小铁芯始终处于饱和状态；
监测电网的运行状态，测量负荷侧无功和电压波动情况，将无功和电压参数送至控制器，通过控制器调节第一、第二可控硅K1、K2导通角度，从而调节变压器的励磁电流和励磁电抗，控制器通过调节直流控制电流来控制变压器励磁电抗平滑调节到所需大小，实现电压和无功功率的调节；
二、采用外接励磁；
监测电网的运行状态，测量负荷侧无功和电压波动情况，将无功和电压参数送至控制器，通过控制器调节外接励磁直流源的大小从而控制直流励磁电流，使得励磁电抗平滑调节到所需大小，实现电压和无功功率的调节。
本发明的有益效果是：裂心式磁控智能变压器采用自耦或外励磁结构进行直流励磁，具有根据线路运行状态以及控制需求自动平滑改变变压器励磁电抗的能力；
裂心式磁控智能变压器可以跟踪线路无功，在变压器升降压功能基础上，具有补偿线路无功功率的功能，无须加装其他无功功率补偿装置；
当电压波动时，裂心式磁控智能变压器能检测线路电压变化，通过调节直流励磁稳定线路电压。
附图说明
图1是本发明一个实施例裂心式磁控智能主变压器绕组接线示意图；
图2是本发明一个实施例裂心式磁控智能配电变压器绕组接线示意图；
图3是本发明一个实施例裂心式磁控智能变压器铁芯示意图；
图4是本发明一个实施例裂心式磁控智能变压器其中一相绕组结构横截面示意图；
图5是本发明一个实施例三相自耦裂心式磁控智能变压器采用自耦励磁时其中一相铁芯、绕组结构图；
图6是本发明一个实施例三相自耦裂心式磁控智能变压器采用外励磁时一相铁心绕组结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例通过直流励磁调节变压器励磁电抗，在兼有实现传统变压器升降压功能的同时，可实现无有载调压开关的电压控制，配合固定电容器组还可以动态平滑调节无功功率、稳定电压。
本实施例裂心式磁控智能变压器可以用作主变压器或配电变压器，裂心式磁控智能主变压器主要用于110kV、220kV、500kV电网中，裂心式磁控智能配电变压器主要用于10kV或35kV电网中，它们具有相似的铁芯和绕组结构，区别在于绕组连接方式不同。裂心式磁控智能主变压器一次侧三相绕组如图1星形连接，中性点接地，二次侧三相绕组三角形连接。裂心式磁控智能配电变压器一次侧三相绕组如图2三角形连接，二次侧绕组星形连结。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种裂心式磁控智能变压器，包括：
1.裂心式磁控智能变压器的本体结构，包括裂心式铁芯拓扑，铁芯磁阀结构，绕组结构，采用自耦励磁方式时的自耦励磁结构。
2.裂心式磁控智能变压器采用外接直流励磁方式时外励磁结构和外接可控直流源模块。
2.裂心式磁控智能变压器外接固定电容器的无功补偿功能模块。
3.裂心式磁控智能变压器的控制模块，包括线路无功功率测量模块，直流电流控制模块。
下面以裂心式磁控智能主变压器为例说明具体实施方式。
裂心式磁控智能主变压器的接线示意图如图1所示，首先通过变压器电磁计算和具体的电网参数、变压器容量需求确定铁芯大小、绝缘等级、绕组匝数等变压器参数。图3为裂心式磁控智能变压器的铁芯示意图，裂心式磁控智能变压器包括三相铁芯柱、上轭和下轭，每相铁芯柱分裂成两个半铁芯，即第一、第二半铁芯，半铁芯可采用圆形或椭圆形截面。
通过其中一相铁芯的结构详细说明铁芯和绕组的结构。绕组结构俯视图如图4所示，以变压器的一相绕组横截面为例，图中每个半铁芯分别绕有一半匝数的二次绕组，一次绕组环绕在二次绕组外面，包裹整个铁芯。一次、二次绕组间保证一定绝缘距离。如图5所示，该相铁芯和绕组结构具体为：变压器的主铁芯分裂为两半，长度为L，并且每个半铁芯上都有一段小截面，即长度为lt(lt<L)、截面形状与半铁芯的截面形状相同、截面面积为半铁芯截面积一半的小铁芯；。第一半铁芯I和第二半铁芯II上套着三个绕组，一次侧绕组匝数为N1，二次侧绕组匝数为N2。第一半铁芯I和第二半铁芯II分别绕有两个匝数为N2的绕组，且各有一抽头，抽头比为Nk/N2。
本实施例采用自耦励磁或者外接直流励磁的方式。当采取自耦励磁的时候，如图5所示，每个半铁芯的上下抽头间都接有第一、第二可控硅K1、K2，二次侧绕组交叉连接后并联输出二次侧电压，二极管D连接在两交叉端点之间。当第一、第二可控硅K1、K2不导通的时候，磁控电抗变压器与普通电力变压器无区别。当电源在正半周期时，第一可控硅K1导通，第二可控硅K2不导通，此时，二次侧绕组会经自耦变压后由匝数为Nk的绕组生成控制电流。当电源在负半周期时，第二可控硅K2导通，第一可控硅K1不导通，产生的控制电流方向与电源正半周期时相同，因此电路中产生了直流控制电流。在直流控制电流的作用下，铁芯I和铁芯II中会产生直流磁感应强度Bd，且方向相反，直流磁通在铁芯I和铁芯II内自我闭合，对铁芯I和铁芯II分别起到助磁和去磁的作用，两铁芯交替饱和。新型磁控电抗变压器通过改变第一、第二可控硅K1、K2的触发角来调节直流控制电流的大小，从而使铁芯的饱和程度发生改变，即改变铁芯磁导率μ的大小，这样就可以平滑地调节变压器等效励磁电感的大小。直流控制电流越大，铁芯的饱和程度越高，铁芯磁导率μ越小，变压器的等效励磁电感就越小，反之，直流控制电流越小，变压器的等效励磁电感就越大。在磁控电抗变压器的整个工作范围内，始终只有lt这一段小截面饱和，铁芯的其它部分是不饱和的。
进行绕组连接时，如图1所示，一次侧三相绕组星形连接，中性点接地，引出三相接线端子；二次侧绕组如图1所示分成上下两部分，上下交叉连接，其中一个半铁芯的上下两绕组间有一个抽头，之间接有可控硅，续流二极管横跨在交叉断点，然后三相绕组二次侧三角形连接后引出三相接线端子。最后按照传统变压器的制造流程总装。
变压器运行时，通过监测电网的运行状态，测量负荷侧无功和电压波动情况，将无功和电压参数送至控制器，由控制器调节图中晶闸管导通角度，从而调节变压器的励磁电流和励磁电抗，由于裂心式磁控智能变压器励磁电抗可以从0到额定电感值变化，因此控制器可以通过直流控制电流控制变压器励磁电抗平滑调节到所需大小，达到调节电压和无功功率的效果。
当采用外接励磁的时候如图6所示，通过监测电网的运行状态，测量负荷侧无功和电压波动情况，将无功和电压参数送至控制器，由控制器调节外接励磁直流源的大小从而控制直流励磁电流，使得励磁电抗平滑调节到所需大小，达到调节电压和无功功率的效果。
本实施例铁芯中有一段小截面部分小铁芯，使得整个铁芯在运行中不饱和，仅小截面处饱和，变压器在饱和区运行时谐波小，而且采用裂心式铁芯，高压绕组包绕在两个分裂铁芯外面，降低成本的同时，响应速度也更加快。而且同时具有升降压功能和调节无功的功能。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种裂心式磁控智能变压器，其特征是，变压器铁芯包括三相铁芯柱、上轭和下轭，每相铁芯柱为分裂开的第一、第二半铁芯，长度为L，且每个半铁芯上均有一段长度为lt、截面形状与半铁芯的截面形状相同、截面面积为半铁芯截面积一半的小铁芯；其中，lt<L；
变压器绕组结构均包括每个半铁芯分别绕有一半匝数的二次侧绕组，一次侧绕组环绕在二次侧绕组外面，包裹第一、第二半铁芯，一次侧、二次侧绕组间留有绝缘距离。
2.如权利要求1所述的裂心式磁控智能变压器，其特征是，变压器包括裂心式磁控智能主变压器和裂心式磁控智能配电变压器；主变压器为一次侧三相绕组星形连接，中性点接地，二次侧三相绕组三角形连接；配电变压器为一次侧三相绕组三角形连接，二次侧绕组星形连接。
3.如权利要求1所述的裂心式磁控智能变压器，其特征是，半铁芯的截面为圆形或椭圆形。
4.如权利要求1所述的裂心式磁控智能变压器，其特征是，裂心式磁控智能变压器采用自耦励磁的结构为，每个半铁芯的上下抽头间均接有第一、第二可控硅K1、K2，二次侧绕组交叉连接后并联输出二次侧电压，二极管D连接在两交叉端点之间。
5.如权利要求1所述的裂心式磁控智能变压器，其特征是，裂心式磁控智能变压器采用外接励磁的结构为，每个半铁芯的上下抽头交叉连接并联输出二次侧电压，第二半铁芯的上下抽头间外接励磁直流源。
6.如权利要求1-5任意一项所述裂心式磁控智能变压器的控制方法，其特征是，包括：
一、采取自耦励磁；
当电源在正半周期时，第一可控硅K1导通，第二可控硅K2不导通，二次侧绕组经自耦变压后由匝数为Nk的绕组生成控制电流；当电源在负半周期时，第二可控硅K2导通，第一可控硅K1不导通，产生的控制电流方向与电源正半周期时相同，电路中产生直流控制电流；在直流控制电流的作用下，第一半铁芯和第二半铁芯中产生直流磁感应强度Bd，且方向相反，直流磁通在第一半铁芯和第二半铁芯内自我闭合，对第一半铁芯和第二半铁芯分别起到助磁和去磁的作用，使第一、第二半铁芯交替饱和；通过改变第一可控硅K1、第二可控硅K2的触发角来调节直流控制电流的大小，改变第一、第二半铁芯磁导率的大小，实现平滑地调节变压器等效励磁电感的大小；而在裂心式磁控智能变压器的整个工作范围内，长度为lt的小铁芯始终处于饱和状态；
监测电网的运行状态，测量负荷侧无功和电压波动情况，将无功和电压参数送至控制器，通过控制器调节第一、第二可控硅K1、K2导通角度，从而调节变压器的励磁电流和励磁电抗，控制器通过调节直流控制电流来控制变压器励磁电抗平滑调节到所需大小，实现电压和无功功率的调节；
二、采用外接励磁；
监测电网的运行状态，测量负荷侧无功和电压波动情况，将无功和电压参数送至控制器，通过控制器调节外接励磁直流源的大小从而控制直流励磁电流，使得励磁电抗平滑调节到所需大小，实现电压和无功功率的调节。
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