CN117457345B - 一种变压器直流偏磁抑制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种变压器直流偏磁抑制系统及方法，包括：交直流脉冲电源、磁化绕组和补偿绕组；所述交直流脉冲电源包括：电源等效电路、整流电路、第一滤波电路、逆变电路和第二滤波电路，所述电源等效电路、所述整流电路、所述第一滤波电路、所述逆变电路、所述第二滤波电路、所述磁化绕组和所述补偿绕组依次连接，所述磁化绕组和所述补偿绕组中的电流的流向相反，所述磁化绕组缠绕纳米可调磁性材料铁芯，所述补偿绕组缠绕变压器铁芯。本发明可减小直流偏磁对变压器的危害，降低或消除电网谐波污染，提高电力变压器的可靠性以及整个电力系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及变压器直流偏磁抑制技术领域，尤其涉及一种变压器直流偏磁抑制系统及方法。
背景技术
变压器直流偏磁是一个非常复杂的非线性现象。就目前研究现状而言，难以形成统一有效的直流偏磁风险评估和治理标准，对变压器直流偏磁问题的形成及治理措施展开行之有效的研究具有重大的意义。国外对于直流偏磁问题的关注较早，从上个世纪40年代开始，就有相关研究者对直流偏磁展开了研究工作，其中对地磁暴引起的直流以及直流输电单极接地模型引起的直流偏磁的研究较为集中，由此带来的准直流或直流分量对交流电力系统产生了较大的影响，甚至导致网中设备运行失效以及造成故障，引起了很大的关注度。为此也出现了相应的治理措施，针对直流偏磁对电力系统变压器造成的影响展开了研究，从不同程度上开始着手电力变压器直流偏磁抑制。
伴随着交直流输电规模的扩大和发展，以及电力系统使用的非线性负载日益增多，电力系统出现的直流偏磁现象也越趋严重，直流偏磁对变压器的安全运行带来了一定困扰，使得变压器振动异常、温升加剧以及损耗严重等问题。
综合直流偏磁治理措施中，通过增加外部装置或者改变变压器自身参数结构消除和抑制直流偏磁。到目前为止，还没有一种治理措施是从变压器自身的设计角度出发，不改变变压器外部结构主动抑制直流偏磁的入侵，保证变压器中性点有效接地，减少直流偏磁对变压器的危害，保证电网不受直流偏磁的影响，能够安全可靠的运行。
发明内容
本发明实施例提供一种变压器直流偏磁抑制系统及方法，以解决现有技术需要改变变压器外部结构才能抑制直流偏磁的入侵的问题。
第一方面，提供一种变压器直流偏磁抑制系统，包括：
交直流脉冲电源、磁化绕组和补偿绕组；所述交直流脉冲电源包括：电源等效电路、整流电路、第一滤波电路、逆变电路和第二滤波电路，所述电源等效电路、所述整流电路、所述第一滤波电路、所述逆变电路、所述第二滤波电路、所述磁化绕组和所述补偿绕组依次连接，所述磁化绕组和所述补偿绕组中的电流的流向相反，所述磁化绕组缠绕纳米可调磁性材料铁芯，所述补偿绕组缠绕变压器铁芯。
第二方面，提供一种变压器直流偏磁抑制方法，包括：
当变压器发生直流偏磁时，控制如第一方面实施例所述的变压器直流偏磁抑制系统的交直流脉冲电源产生直流电流，使所述磁化绕组对所述纳米可调磁性材料铁芯充磁，以反向抵消变压器铁芯中的直流偏磁磁通。
这样，本发明实施例，通过控制纳米可调磁性材料磁特性的转换，实现材料在剩磁和矫顽力之间有效的转换，结合纳米可调磁材料磁性能，在集成铁芯内部建立有效的磁通调节机制，有效进行直流偏磁定向补偿，实现变压器磁状态从“电调整”到“磁调整”的过渡，通过控制材料的剩磁状态改变电力变压器内部的磁状态，减小直流偏磁对变压器的危害，降低或消除电网谐波污染，提高电力变压器的可靠性以及整个电力系统的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的变压器直流偏磁抑制系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的变压器直流偏磁抑制系统的电路等效图；
图3是本发明实施例的变压器正常工作时磁密分布及磁力线走向示意图；
图4是本发明实施例的补偿绕组单独工作时变压器铁芯内磁力线走向示意图；
图5是本发明实施例的绕组设置和感应磁通示意图；
图6是本发明实施例的基于纳米可调磁性材料的变压器抑制直流偏磁的两种补偿方式的示意图；
图7是本发明实施例的变压器直流偏磁抑制系统的一种工作状态示意图；
图8是本发明实施例的变压器直流偏磁抑制系统的另一种工作状态示意图；
图9是本发明实施例的直流偏磁抑制工作示意图。
具体实施方式
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。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前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种变压器直流偏磁抑制系统。具体的，如图1所示，该变压器直流偏磁抑制系统包括：交直流脉冲电源、磁化绕组L12和补偿绕组M。交直流脉冲电源包括：电源等效电路1、整流电路2、第一滤波电路4、逆变电路5和第二滤波电路6。电源等效电路1、整流电路2、第一滤波电路4、逆变电路5、第二滤波电路6、磁化绕组L12和补偿绕组M依次连接。磁化绕组L12和补偿绕组M中的电流的流向相反，磁化绕组L12缠绕纳米可调磁性材料铁芯7，补偿绕组M缠绕变压器铁芯。
纳米可调磁性材料由于其软、硬磁相交换耦合作用，具有比半硬磁材料更优的磁性能。纳米可调磁性材料在一定外部磁场条件下进行转换，纳米可调磁性材料的励磁方向可以控制，并且在很小励磁电流下就能实现连续调节较大磁通的能力。在发生直流偏磁时，对纳米可调磁性材料进行充磁，使纳米可调磁性材料产生与偏磁磁通大小相等、方向相反的如图1所示的纳米可调磁性材料反向补偿磁通8，使得变压器恢复正常工作状态；当偏磁电流消失时，对纳米可调磁性材料进行退磁，变压器恢复到正常的工作状态。在一具体实施例中，纳米可调磁性材料铁芯的材质为NdFe35。
具体的，如图2所示，电源等效电路包括：交流电源AC和第一电感LH1。交流电源AC的正极连接第一电感LH1的一端。
具体的，如图2所示，整流电路包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4。第一二极管D1的负极、第二二极管D2的负极、第二二极管D2的正极、第四二极管D4的负极、第四二极管D4的正极、第三二极管D3的正极、第三二极管D3的负极和第一二极管D1的正极顺次连接。第一二极管D1的正极连接第一电感LH1的另一端，第四二极管D4的负极连接交流电源AC的负极。
具体的，如图2所示，逆变电路包括：第一IGBT开关管VT1、第二IGBT开关管VT2、第三IGBT开关管VT3、第四IGBT开关管VT4，第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8。第一IGBT开关管VT1的集电极、第二IGBT开关管VT2的集电极、第二IGBT开关管VT2的发射极、第四IGBT开关管VT4的集电极、第四IGBT开关管VT4的发射极、第三IGBT开关管VT3的发射极、第三IGBT开关管VT3的集电极和第一IGBT开关管VT1的发射极顺次连接。第一IGBT开关管VT1的发射极连接第五二极管D5的正极，第一IGBT开关管VT1的集电极连接第五二极管D5的负极。第二IGBT开关管VT2的发射极连接第六二极管D6的正极，第二IGBT开关管VT2的集电极连接第六二极管D6的负极。第三IGBT开关管VT3的发射极连接第七二极管D7的正极，第三IGBT开关管VT3的集电极连接第七二极管D7的负极。第四IGBT开关管VT4的发射极连接第八二极管D8的正极，第四IGBT开关管VT4的集电极连接第八二极管D8的负极。
具体的，如图2所示，第一滤波电路包括：第一电容C1。第一电容C1的一极板连接第二二极管D2的负极和第一IGBT开关管VT1的集电极，第一电容C1的另一极板连接第四二极管D4的正极和第三IGBT开关管VT3的发射极。
具体的，如图2所示，第二滤波电路为LC滤波电路，包括：第二电感LH2和第二电容C2。第二电感LH2的一端连接第一IGBT开关管VT1的发射极，第二电感LH2的另一端连接第二电容C2的一极板和磁化绕组L12的一端，第二电容C2的另一极板连接第四IGBT开关管VT4的集电极和磁化绕组L12的另一端。
具体的，如图2所示，磁化绕组L12的两端分别连接补偿绕组M的两端。
优选的，如图1所示，该系统还包括：限制电路3。如图2所示，限制电路包括：电阻R。电阻R串联在第二二极管D2的负极和第一电容C1的一极板之间。
优选的，如图2所示，限制电路还包括：第一开关K1，第一开关K1与电阻R并联。
优选的，第二电容C2的一极板和磁化绕组L12的一端之间串联第二开关K2，磁化绕组L12和补偿绕组M之间串联第三开关K3。
优选的，该系统还包括：数字信号处理器DSP，具体可采用TMS320F2812型号。数字信号处理器DSP连接驱动电路，通过自身的PWM对驱动电路输出以控制驱动电路驱动整流电路和逆变电路的各元件动作。数字信号处理器DSP连接磁化绕组L12和补偿绕组M，以进行AD采样，模拟量输入，数字信号输出等等。
变压器正常工作时磁密分布及磁力线走向如图3所示。从图3中可以看出，变压器空载运行时流经补偿装置的交流磁通几乎为零，可以有效地避免两相磁性材料发生退磁现象。
此外，当还存在直流偏磁时，补偿绕组可产生如图1所示的补偿绕组反向补偿磁通9，以进一步抵消直流偏磁10。补偿绕组单独工作时变压器铁芯内磁密分布及磁力线走向，如图4所示。从图4可知，直流补偿磁通绝大部分与变压器铁芯形成闭合回路，可以有效抑制变压器直流偏磁的偏磁磁通。
对于基于纳米可调磁性材料的变压器磁路解耦设计中，纳米可调磁性材料与硅钢片不产生磁耦合。变压器集成补偿绕组与变压器绕组之间的电磁耦合不可避免，通过合理绕组设计才可以实现两个相互独立磁路之间的解耦。设计过程中，首先要保证电力变压器交变工作磁通不受影响，实现变压器磁通完全解耦，磁路相对独立。具体实施过程如图5所示，图中给出了变压器绕组L、磁化绕组L1和L2布置方式。磁化绕组L1与L2，分别与变压器绕组L在空间上平行方式布置，纳米可调磁性材料铁芯和变压器铁芯独立平铺排列。磁化绕组L1和L2的匝数相等，磁化绕组L1和L2中的电流的流向相反，磁化绕组L1和L2缠绕纳米可调磁性材料铁芯。
互感是指当回路中电流变化时在邻近回路中感应出感应电动势的现象。如果环境中存在两个绕组，它们之间的互感为：
M21＝ψ21/i1。
M12＝ψ12/i2。
式中，M12，M21分别为磁化绕组L1与L2的互感系数，单位为H；ψ12，ψ21为磁化绕组L1与L2所形成的磁链，单位为Wb；i1，i2分别为磁化绕组L1与L2中的电流，单位为A。
变压器绕组中通入电流IL，在铁心中产生磁场，穿过磁化绕组L1与磁化绕组L2产生磁链ψLL1和ψLL2：
ψLL1＝NLΦL1。
ψL1L＝NL1ΦL。
ψLL2＝NLΦL2。
ψL2L＝NL2ΦL。
其中，ΦL1∝iL1，ΦL2∝iL2，iL1＝iL2，NL1＝NL2。
即：ΦL1＝ΦL2。
可得：ψLL1＝ψLL2，ψL1L＝ψL2L。
由感应电动势定理可知：E＝dψ/dt。
ELL1＝ψLL1/dt，ELL2＝ψLL2/dt，EL1L＝ψL1L/dt，EL2L＝ψL2L/dt；
ELL12＝ELL1+ELL2＝(ψLL1+ψLL2)/dt，EL12L＝EL1L+EL2L＝(ψL1L+ψL2L)/dt。
式中，ψLL1，ψLL2分别为变压器绕组L对磁化绕组L1与L2产生的磁链；ψL1L，ψL2L分别为磁化绕组L1与L2对变压器绕组L产生的磁链；N为变压器绕组匝数；NL1和NL2分别为磁化绕组L1与L2的绕组匝数；ΦL为变压器绕组产生的磁通；ΦL1和ΦL2分别为磁化绕组L1与L2产生的磁通；ELL1，ELL2分别为变压器绕组L对磁化绕组L1与L2产生的感应电动势，单位为V；EL1L，EL2L分别为磁化绕组L1与L2产生的感应电动势对变压器绕组L产生的感应电动势；
由于磁化绕组L1和L2，绕组匝数相等方向相反，绕组电流大小相等；变压器绕组L匝数、电流固定不变，可知：
ELL12＝0，EL12L＝0。
式中，ELL12为变压器绕组L对磁化绕组L1和L2产生的感应电动势；EL12L为磁化绕组L1和L2对变压器绕组L对产生的感应电动势。
应用时，当直流偏磁发生的方向为从下往上引入变压器铁芯时，交直流脉冲电源产生直流电流，磁化绕组对纳米可调磁性材料铁芯进行充磁，用于反向抵消变压器铁芯中的直流偏磁磁通，如图6(a)所示；补偿绕组用于变压器铁芯中还存在直流偏磁磁通时，产生反向补偿磁通，如6(b)所示，达到消除直流偏磁对变压器造成的影响，实现对直流偏磁的定向补偿。
当输出需要为直流时，整流电路的主要任务是将交流输入电压转换为稳定的直流输出电压给纳米可调磁性材料进行充磁。在充磁方面，充磁磁场是通过整流电路获取直流磁场实现的，单相全桥整流电路采用中性点接地，这样操作能够提高直流衰减电路的输出电压，并联的电压起到稳压的作用，同时能够增强系统的稳定性。逆变电路会停止工作，不生成交流输出。这时，整流电路会将输入的交流电源转换为直流电源，并将其稳定为所需的直流电压，以满足应用的需求。具体的，当对变压器铁芯进行充磁时，第一二极管D1和第四二极管D4导通，第二二极管D2和第三二极管D3关断，逆变电路不导通(即逆变电路的各元件都关断)，第一电容C1和第二电容C2充电，整流电路将交流电源AC产生的交流电压转换为直流电压。若安装了第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3，则第一开关K1断开，第二开关K2和第三开关K3闭合。该过程为正向直流输出，如图7所示。当需要反向直流输出，如图8所示，第二二极管D2和第三二极管D3导通，第一二极管D1和第四二极管D4关断。
在退磁方面，衰减交流磁场则是通过逆变电路实现。桥臂上、下两个开关器件轮流导通。具体的，当对变压器铁芯进行退磁时，第一IGBT开关管VT1和第四IGBT开关管VT4导通，第二IGBT开关管VT2和第三IGBT开关管VT3关断，或者，第二IGBT开关管VT2和第三IGBT开关管VT3导通，第一IGBT开关管VT1和第四IGBT开关管VT4关断，第一二极管D1、第四二极管D4、第五二极管D5和第八二极管D8导通，第二二极管D2、第三二极管D3、第六二极管D6和第七二极管D7关断，第一电容C1和第二电容C2放电。若安装了第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3，则第一开关K1断开，第二开关K2和第三开关K3闭合。
综上，本发明实施例的变压器直流偏磁抑制系统，可以完成对直流偏磁正向、反向补偿；通过自动控制实现对直流偏磁进行有效的抑制，实时监控电力系统中直流偏磁变化情况。
本发明实施例还公开了一种变压器直流偏磁抑制方法。该方法包括：
当变压器发生直流偏磁时，控制变压器直流偏磁抑制系统的交直流脉冲电源产生直流电流，使磁化绕组对纳米可调磁性材料铁芯充磁，以反向抵消变压器铁芯中的直流偏磁磁通。
优选的，该步骤之后，本发明实施例的方法还包括：
若变压器铁芯中还存在直流偏磁磁通时，控制补偿绕组产生反向补偿磁通。
优选的，该步骤之后，本发明实施例的方法还包括：
当直流偏磁消失后，控制变压器直流偏磁抑制系统的交直流脉冲电源产生交流电流，以使纳米可调磁性材料铁芯退磁。
图9为直流偏磁补偿工作示意图，直流完成对纳米可调磁性材料的充磁操作；交流完成对纳米可调磁性材料的退磁操作；充磁完成对直流偏磁的补偿的工作，退磁使得变压器恢复到正常工作。
综上，本发明实施例，通过控制纳米可调磁性材料磁特性的转换，实现材料在剩磁和矫顽力之间有效的转换，结合纳米可调磁材料磁性能，在集成铁芯内部建立有效的磁通调节机制，有效进行直流偏磁定向补偿，实现变压器磁状态从“电调整”到“磁调整”的过渡，通过控制材料的剩磁状态改变电力变压器内部的磁状态，减小直流偏磁对变压器的危害，降低或消除电网谐波污染，提高电力变压器的可靠性以及整个电力系统的稳定性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种变压器直流偏磁抑制系统，其特征在于，包括：交直流脉冲电源、磁化绕组和补偿绕组；所述交直流脉冲电源包括：电源等效电路、整流电路、第一滤波电路、逆变电路和第二滤波电路，所述电源等效电路、所述整流电路、所述第一滤波电路、所述逆变电路、所述第二滤波电路、所述磁化绕组和所述补偿绕组依次连接，所述磁化绕组和所述补偿绕组中的电流的流向相反，所述磁化绕组缠绕纳米可调磁性材料铁芯，所述补偿绕组缠绕变压器铁芯；
所述逆变电路包括：第一IGBT开关管、第二IGBT开关管、第三IGBT开关管、第四IGBT开关管，第五二极管、第六二极管、第七二极管和第八二极管，所述第一IGBT开关管的集电极、所述第二IGBT开关管的集电极、所述第二IGBT开关管的发射极、所述第四IGBT开关管的集电极、所述第四IGBT开关管的发射极、所述第三IGBT开关管的发射极、所述第三IGBT开关管的集电极和所述第一IGBT开关管的发射极顺次连接，所述第一IGBT开关管的发射极连接所述第五二极管的正极，所述第一IGBT开关管的集电极连接所述第五二极管的负极，所述第二IGBT开关管的发射极连接所述第六二极管的正极，所述第二IGBT开关管的集电极连接所述第六二极管的负极，所述第三IGBT开关管的发射极连接所述第七二极管的正极，所述第三IGBT开关管的集电极连接所述第七二极管的负极，所述第四IGBT开关管的发射极连接所述第八二极管的正极，所述第四IGBT开关管的集电极连接所述第八二极管的负极。
2.根据权利要求1所述的变压器直流偏磁抑制系统，其特征在于，所述电源等效电路包括：交流电源和第一电感，所述交流电源的正极连接所述第一电感的一端。
3.根据权利要求2所述的变压器直流偏磁抑制系统，其特征在于，所述整流电路包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管的负极、所述第二二极管的负极、所述第二二极管的正极、所述第四二极管的负极、所述第四二极管的正极、所述第三二极管的正极、所述第三二极管的负极和所述第一二极管的正极顺次连接，所述第一二极管的正极连接所述第一电感的另一端，所述第四二极管的负极连接所述交流电源的负极。
4.根据权利要求3所述的变压器直流偏磁抑制系统，其特征在于，所述第一滤波电路包括：第一电容，所述第一电容的一极板连接所述第二二极管的负极和所述第一IGBT开关管的集电极，所述第一电容的另一极板连接所述第四二极管的正极和所述第三IGBT开关管的发射极。
5.根据权利要求4所述的变压器直流偏磁抑制系统，其特征在于，所述第二滤波电路包括：第二电感和第二电容，所述第二电感的一端连接所述第一IGBT开关管的发射极，所述第二电感的另一端连接所述第二电容的一极板和所述磁化绕组的一端，所述第二电容的另一极板连接所述第四IGBT开关管的集电极和所述磁化绕组的另一端。
6.根据权利要求5所述的变压器直流偏磁抑制系统，其特征在于：当对变压器铁芯进行充磁时，所述第一二极管和所述第四二极管导通，所述第二二极管和所述第三二极管关断，或者，所述第二二极管和所述第三二极管导通，所述第一二极管和所述第四二极管关断；所述逆变电路不导通，所述第一电容和所述第二电容充电，所述整流电路将所述交流电源产生的交流电压转换为直流电压；
当对变压器铁芯进行退磁时，所述第一IGBT开关管和所述第四IGBT开关管导通，所述第二IGBT开关管和所述第三IGBT开关管关断，或者，所述第二IGBT开关管和所述第三IGBT开关管导通，所述第一IGBT开关管和所述第四IGBT开关管关断；所述第一二极管、所述第四二极管、所述第五二极管和所述第八二极管导通，所述第二二极管、所述第三二极管、所述第六二极管和所述第七二极管关断，所述第一电容和所述第二电容放电。
7.一种变压器直流偏磁抑制方法，其特征在于，包括：
当变压器发生直流偏磁时，控制如权利要求1~6任一项所述的变压器直流偏磁抑制系统的交直流脉冲电源产生直流电流，使所述磁化绕组对所述纳米可调磁性材料铁芯充磁，以反向抵消变压器铁芯中的直流偏磁磁通。
8.根据权利要求7所述的变压器直流偏磁抑制方法，其特征在于，所述磁化绕组对所述纳米可调磁性材料铁芯充磁的步骤之后，所述方法还包括：若所述变压器铁芯中还存在直流偏磁磁通时，控制所述补偿绕组产生反向补偿磁通。
9.根据权利要求7所述的变压器直流偏磁抑制方法，其特征在于，所述磁化绕组对所述纳米可调磁性材料铁芯充磁的步骤之后，所述方法还包括：当直流偏磁消失后，控制所述变压器直流偏磁抑制系统的交直流脉冲电源产生交流电流，以使所述纳米可调磁性材料铁芯退磁。
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