CN115841916B - 一种基于磁放大器原理的有载调压变压器和调压方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磁放大器原理的有载调压变压器和调压方法，包括电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组，所述电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组均设置在同一三臂桥铁芯上；所述电抗绕组用于调节所述变压器的输出电压；所述直流磁场控制绕组用于同时调节所述电抗绕组及所述变压器绕组的阻抗；所述变压器绕组用于将电压变压后输出；以通过该有载调压器对电压进行连续调节，以应对未来更为复杂的配电网电压波动，改善电能质量。

Description

一种基于磁放大器原理的有载调压变压器和调压方法

技术领域

本发明涉及有载调压器技术领域，具体而言，涉及一种基于磁放大器原理的有载调压变压器和调压方法。

背景技术

新能源并网规模的增加给电网稳定运行带来了诸多问题。如风能、太阳能具有突出的随机性波动性和间歇性特点，大规模并网给电网的电能质量、电力系统安全性等带来诸多不利，其中对电网电压的影响尤为突出。当发电系统（风电、光伏等）接入点位于电网末端，随着其出力的提升，将明显拉高配电网电压，若在这个位置所接的发电系统的发电容量比较大，就很容易导致电压越限。

传统变压器有载调压技术是通过分接头切换来实现电压控制的，但是这种控制方式容易产生比较严重的电弧问题。现有的新型变压器有载调压技术则主要就电弧问题进行了改进，大致可分为三类：机械式、电力电子式和复合式。其中机械式又可分为改进型、带在线滤油装置型和真空灭弧型，分别通过增加电子开关电路、在线滤油装置和将分接头切换在真空管中完成来避免电弧的产生。电力电子式有载调压技术则采用微处理器直接控制晶闸管电力电子开关来实现分接头切换。复合型有载调压技术则为上述两种技术的复合。

现有机械式、电力电子式有载调压设备不同程度上存在结构复杂、后期维护成本高的问题。其次现存的主流有载调压技术，基本思路都是采用分接头切换的方式来实现电压调节，只能实现离散的分档电压控制。

有鉴于此，本发明提出了一种基于磁放大器原理的有载调压变压器和调压方法，以通过该有载调压器对电压进行连续调节，以应对未来更为复杂的配电网电压波动，改善电能质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁放大器原理的有载调压变压器，其结构包括电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组，所述电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组均设置在同一三臂桥铁芯上，实现调压、变压功能结构的整合；所述电抗绕组用于调节所述变压器的输出电压；所述直流磁场控制绕组用于同时调节所述电抗绕组及所述变压器绕组的阻抗；所述变压器用于将电压变压后输出。

进一步的，所述变压器绕组包括原边绕组和副边绕组；所述原边绕组和所述副边绕组缠绕于所述三臂桥铁芯的中间臂上。

进一步的，所述电抗绕组包括第一辅助电抗绕组、第二辅助电抗绕组和交流电源；所述第一辅助电抗绕组缠绕于所述三臂桥铁芯的第一臂上；所述第二辅助电抗绕组缠绕于所述三臂桥铁芯的第三臂上；所述第一辅助电抗绕组、所述原边绕组和所述第二辅助电抗绕组依次串联；所述第一辅助电抗绕组和所述第二辅助电抗绕组通过交流电源首尾连接。

进一步的，所述直流磁场控制绕组包括第一直流绕组、第二直流绕组和直流控制电源；所述第一直流绕组的一端与所述第二直流绕组的一端直接连接；所述第一直流绕组和所述第二直流绕组未连接的另一端通过所述直流控制电源连接。

进一步的，所述第一直流绕组与所述第二直流绕组以反串联的方式直接连接。

进一步的，还包括有载调压器，所述第一辅助电抗绕组、所述第二辅助电抗绕组、所述交流电源、所述第一直流控制绕组、所述第二直流控制绕组、所述三臂桥铁芯和所述直流控制电源构成所述有载调压器。

本发明的目的在于提供一种基于磁放大器原理的有载调压方法，包括电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组，所述电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组均设置在同一三臂桥铁芯上；还包括：获取调压控制信号；基于所述调压控制信号，调节所述直流磁场控制绕组的电流；通过所述直流磁场控制绕组同时改变所述电抗绕组及所述变压器绕组的阻抗；副边输出电压改变。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明中的一些实施例基于磁放大器原理，使用直流偏置磁场改变变压器铁芯的磁化程度，调节变压器主绕组电磁感应的同时,也调节一个共用铁芯磁路并串联于原边的电抗绕组的电抗。通过直接调节绕组电磁感应和调节电抗绕组的分压两个过程的共同作用，达到对变压器输出电压的连续、平滑、且较大范围的调节，克服分接头式调压的诸多缺点。

本发明中的一些实施例将传统变压器、饱和电抗器和磁控式调压器整合为一体，实现连续有载调压的功能。本发明利用了磁场同时调节饱和电抗器的电抗以及变压器的等效阻抗，在总体效果上形成基于铁芯材料的非线性特点，通过施加直流偏置磁场的方式改变串联辅助电抗器和变压器的磁工作点，即可完成交流侧输出电压调节。与传统机械联动式调压器相比无分接开关，因而无灭弧需求，极大降低后期运维频次。与全功率电力电子型调压器相比，仅需低电压小电流的电力电子控制系统即可完成调压。此外由于磁场控制的连续特性，调压点可精准连续性控制，且结构简单、调压范围更大、调压效率更高的优点。

本发明中的一些实施例通过第一直流绕组6与第二直流绕组7以反串联的方式直接连接，使得可以通过该连接方式在三臂桥铁芯1中产生方向一致的磁场，并在三臂桥铁芯1的外环（由铁芯的两侧臂和上下横担构成）中形成环流式的控制磁通；另外，原边绕组4和副边绕组5的交变磁通将会在第一直流绕组6和第二直流绕组7中产生感应电动势，采用反串连接方式可将两侧第一直流绕组6和第二直流绕组7中的感应电动势进行抵消，进而降低直流控制电源8两端的交流电压扰动，降低直流控制电源8的设计复杂度和制造成本。

附图说明

图1为本发明一些实施例提供的基于磁放大器原理的有载调压变压器的示例性示意图；

图2为本发明一些实施例提供的另一基于磁放大器原理的有载调压变压器的示例性示意图；

图3为本发明一些实施例提供的一种基于磁放大器原理的有载调压方法的示例性流程图；

图标：1-三臂桥铁芯，2-第一辅助电抗绕组，3-第二辅助电抗绕组，4-原边绕组，5-副边绕组，6-第一直流绕组，7-第二直流绕组，8-直流控制电源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

图1为本发明一些实施例提供的一种基于磁放大器原理的有载调压变压器的示例性示意图。

一种基于磁放大器原理的有载调压变压器，包括电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组，所述电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组均设置在同一三臂桥铁芯1上。

电抗绕组用于调节变压器的输出电压。电抗绕组包括第一辅助电抗绕组2、第二辅助电抗绕组3；第一辅助电抗绕组2缠绕于三臂桥铁芯1的第一臂上；第二辅助电抗绕组3缠绕于三臂桥铁芯1的第三臂上；第一辅助电抗绕组2、原边绕组4和第二辅助电抗绕组3依次串联；第一辅助电抗绕组2和第二辅助电抗绕组3通过交流电源首尾连接。辅助电抗（第一辅助电抗绕组2和第二辅助电抗绕组3）与变压器其他绕组共用磁场通路，形成复杂的磁路耦合。电路方面，辅助电抗（第一辅助电抗绕组2和第二辅助电抗绕组3）与变压器原边绕组4串联于原边回路，与变压器的等效阻抗形成分压关系，辅助电抗的电抗值对变压器原边绕组4的输入电压产生影响，因此可实现对输出电压的调节。

直流磁场控制绕组用于同时调节电抗绕组及变压器绕组的等效阻抗。直流磁场控制绕组包括第一直流绕组6、第二直流绕组7和直流控制电源8；第一直流绕组6的一端与第二直流绕组7的一端直接连接；第一直流绕组6和第二直流绕组7未连接的另一端通过直流控制电源8连接。在一些实施例中，第一直流绕组6与第二直流绕组7以反串联的方式直接连接。

当第一直流绕组6、第二直流绕组7对铁芯输入直流偏置磁场，改变铁芯磁化状态时，辅助电抗的电抗值也联动改变。这一过程导致原边绕组4分压变化，叠加上由于铁芯磁化状态改变本身造成的副边感应电压变化，使得副边绕组5的输出电压可以在很大范围内得到调节。由于这两个调压机制在电路和磁路方面都有耦合，偏置磁场和输出电压之间的关系并非线性，调节曲线较为复杂，但在一定范围内可保持单调变化，使得基于这一原理的有载调压实际可行。

变压器绕组用于将电压变压后输出。变压器包括原边绕组4和副边绕组5；原边绕组4和副边绕组5缠绕于三臂桥铁芯1的中间臂上。

在一些实施例中，还包括有载调压器，第一辅助电抗绕组2、第二辅助电抗绕组3、交流电源、第一直流控制绕组6、第二直流控制绕组7、三臂桥铁芯1和直流控制电源8构成有载调压器。

本发明基于磁放大器原理，当直流控制电源8输出电流为0A时，铁芯1中无直流磁通，铁芯处于非饱和状态，此时第一辅助电抗绕组2和第二辅助电抗绕组3的电抗值最大。当直流控制电源8输出电流大于0A，第一直流绕组6和第二直流绕组7在三臂桥铁芯1中产生直流偏置磁通，随着直流电流的逐渐增大，三臂桥铁芯1外环中的直流偏置磁通逐渐增大，交、直流磁通在铁芯中的某些部分产生叠加。由于铁芯材料的非线性特性，当磁感应强度大于B-H曲线拐点后，磁导率将随磁感应强度的增加而减小，从而导致铁芯外环的一部分出现饱和，左右两侧辅助电抗值降低。由串联分压原理可知，此时第一辅助电抗绕组2和第二辅助电抗绕组3两侧总电压降低。直流偏置磁场作用下铁芯的部分饱和改变了铁芯的磁化特性，也会引起原副边绕组间电磁感应关系的变化。总的来讲，当直流偏置增大时，副边电压会相应减小，但减小的幅度一般会小于因为分压改变而增大的电压。两种效应叠加之后原边绕组4两端电压会压随着直流控制电流的增大而升高，进而达到升高副边绕组5电的目的。反之当直流控制电源8输出电流从不为0A的某一数值逐渐减小的过程中，原边绕组电压逐渐升降低。所述发明由此实现对负载侧电压的调节功能。

图2为本发明一些实施例提供的另一基于磁放大器原理的有载调压变压器的示例性示意图。

在调压范围满足实际工程需求时，可对图1中结构简化，去除第一辅助电抗绕组2和第二辅助电抗绕组3，亦可实现有载调压的功能，技术原理二者相同，具体结构如图2所示。

此外，本发明的基于磁放大器原理的有载调压变压器中的第一直流绕组6和第二直流绕柱7采用反串联方式与直流控制电源8相连，其主要目的是实现磁场补偿的同时，通过抵消作用最大限度的减少由变压器主绕组引起的感应电压对控制电源的影响。如果第一直流绕组6和第二直流绕组7采用常规串联方式与直流控制电源8连接，理论上也可以实现对铁芯磁场的补偿。

图3为本发明一些实施例提供的一种基于磁放大器原理的有载调压方法的示例性流程图。一种基于磁放大器原理的有载调压方法，包括电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组，其特征在于，电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组均设置在同一三臂桥铁芯上。在一些实施例中，流程300可以包括以下内容：

步骤310，获取调压控制信号。调压控制信号可以是指用于调整电压的信号。在一些实施例中，可以通过各种可行的方式获取调压控制信号，例如，手动下发控制信号。

步骤320，基于调压控制信号，调节直流磁场控制绕组的电流。例如，调整直流控制电源8的电流。

步骤330，通过直流磁场控制绕组同时改变电抗绕组及变压器绕组的阻抗。关于步骤330的更多内容，参见图1及其相关描述。

步骤340，副边输出电压改变。关于步骤340的更多内容，参见图1及其相关描述。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于磁放大器原理的有载调压变压器，包括电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组，其特征在于，所述电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组均设置在同一三臂桥铁芯上；

所述电抗绕组用于调节所述变压器的输出电压；其中，所述电抗绕组包括第一辅助电抗绕组、第二辅助电抗绕组和交流电源；所述第一辅助电抗绕组缠绕于所述三臂桥铁芯的第一臂上；所述第二辅助电抗绕组缠绕于所述三臂桥铁芯的第三臂上；所述第一辅助电抗绕组、原边绕组和所述第二辅助电抗绕组依次串联；所述第一辅助电抗绕组和所述第二辅助电抗绕组通过交流电源首尾连接；

所述直流磁场控制绕组用于同时调节所述电抗绕组及所述变压器绕组的阻抗；其中，所述直流磁场控制绕组包括第一直流绕组、第二直流绕组和直流控制电源；所述第一直流绕组的一端与所述第二直流绕组的一端直接连接；所述第一直流绕组和所述第二直流绕组未连接的另一端通过所述直流控制电源连接；其中，所述第一直流绕组与所述第二直流绕组以反串联的方式直接连接；

所述变压器绕组用于将电压变压后输出；其中，所述变压器绕组包括所述原边绕组和副边绕组；所述原边绕组和所述副边绕组缠绕于所述三臂桥铁芯的中间臂上。

2.根据权利要求1所述的基于磁放大器原理的有载调压变压器，其特征在于，还包括有载调压器，所述第一辅助电抗绕组、所述第二辅助电抗绕组、所述交流电源、所述第一直流绕组、所述第二直流绕组、所述三臂桥铁芯和所述直流控制电源构成所述有载调压器。

3.一种基于磁放大器原理的有载调压方法，包括电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组，其特征在于，所述电抗绕组、直流磁场控制绕组和变压器绕组均设置在同一三臂桥铁芯上；所述电抗绕组包括第一辅助电抗绕组、第二辅助电抗绕组和交流电源；所述第一辅助电抗绕组缠绕于所述三臂桥铁芯的第一臂上；所述第二辅助电抗绕组缠绕于所述三臂桥铁芯的第三臂上；所述第一辅助电抗绕组、原边绕组和所述第二辅助电抗绕组依次串联；所述第一辅助电抗绕组和所述第二辅助电抗绕组通过交流电源首尾连接；所述直流磁场控制绕组包括第一直流绕组、第二直流绕组和直流控制电源；所述第一直流绕组的一端与所述第二直流绕组的一端直接连接；所述第一直流绕组和所述第二直流绕组未连接的另一端通过所述直流控制电源连接；其中，所述第一直流绕组与所述第二直流绕组以反串联的方式直接连接；所述变压器绕组包括所述原边绕组和副边绕组；所述原边绕组和所述副边绕组缠绕于所述三臂桥铁芯的中间臂上；还包括：

获取调压控制信号；

基于所述调压控制信号，调节所述直流磁场控制绕组的电流；

通过所述直流磁场控制绕组同时改变所述电抗绕组及所述变压器绕组的阻抗；

副边输出电压改变。

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