CN214707171U - 一种含有变压器隔离的低频输电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种含有变压器隔离的低频输电系统。所述含有变压器隔离的低频输电系统，包括三相工频系统，低频系统和交交变换器；包括第一隔离刀闸，连接交交变换器的三相工频端口；包括第二隔离刀闸，连接交交变换器的低频端口；还包括至少一个隔离变压器，位于第一隔离刀闸和三相工频系统之间或者位于第二隔离刀闸和低频系统之间。本实用新型通过改变隔离变压器的变比和位置，改变交交变换器两侧变换的电压，以适应不同电压等级和频率的交流系统，同时还能适时减少交交变换器每个链节的模块数量，降低系统成本。

Description

一种含有变压器隔离的低频输电系统

技术领域

本实用新型涉及电力电子应用技术领域，具体涉及一种含有变压器隔离的低频输电系统。

背景技术

传统工频输电系统采用50/60Hz时，传输距离相比直流供电系统受限，并且还要考虑系统无功以及分布参数问题。而普及直流供电系统，在新能源应用、电能传输领域具有相当的优势，但直流断路器、直流变压器等设备成本昂贵，并且直流系统多数需要新建。为此在一些传输距离相对工频应用较远，但成本要求有限，或者一些需要进行设备改造运行的情况下，低频输电由于降低了输电频率，能够有利于改善系统无功以及分布参数问题，从而实现一定的远距离输电。同时输电线路仍然可以保留工频线路，所以改造成本也相对直流系统较低。

低频输电系统离不开交交变换器，用于工频和低频电压变换。目前常见较成熟的交交变换器为模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter，M3C)，但是该变换器使用了9条链节，在高压应用领域，使用模块数量众多，设备成本较高。为此也有文献提出了6链结构的拓扑，如CN110601201A的六角结构，但是该拓扑在单相电压不均衡时，易导致系统存在较严重的谐波问题。

此外，当一侧交流系统发生故障后，M3C变换器众多的电路桥臂将停止工作，也会降低设备的可用率。

综上，M3C变换器仍然有必要在降低成本、增加其设备可用率方面进行更多的研究。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提出一种含有变压器隔离的低频输电系统，具体方案如下：

本实用新型提供了一种含有变压器隔离的低频输电系统，包括：

三相工频系统，包含三相供电系统；

低频系统，包含至少一相供电系统；

交交变换器，包括三相工频端口和低频端口，所述低频端口的相别数量与低频系统的相别数量一致；

第一隔离刀闸，用于连接三相工频系统和交交变换器的三相工频端口；

第二隔离刀闸，用于连接低频系统和交交变换器的低频端口；

至少一个隔离变压器，位于第一隔离刀闸和三相工频系统之间或者位于第二隔离刀闸和低频系统之间；其中，隔离变压器位于第一隔离刀闸与三相工频系统之间时，为三相工频变压器；隔离变压器位于第二隔离刀闸与低频系统之间时，为低频变压器。

优选的方案中，包括至少两个隔离变压器，一个隔离变压器位于第一隔离刀闸和三相工频系统之间，另一个隔离变压器位于第二隔离刀闸和低频系统之间。

优选的方案中，所述隔离变压器连接交交变换器侧的绕组变比小于另一侧的绕组变比。

优选的方案中，交交变换器为矩阵式变换器，包含N个链节，N为正整数且为3的整数倍，每个链节包含M个交直变换模块和一个谐振支路，每个交直变换模块包含一个交流端口一个直流端口，其中直流端口连接一个电容器，M个交直变换模块通过交流端口串联连接后再与谐振支路串联构成一个链节；每三个链节分为一组，将同一组中三个链节的一端分别连接三相工频端口，三个链节的另一端共同连接到低频端口的其中一相。

优选的方案中，低频系统包括至少以下三种结构形式：

结构形式一：低频系统仅有一相供电系统时，三相工频系统还包括中线；低频系统的相电压一端连接交交变换器的低频端口，另一端连接三相工频系统的中线；

结构形式二：低频系统仅有两相供电系统时，交交变换器包含至少6个链节，每三个链节一组，共分为两组；同一组中三个链节的一端分别连接三相工频端口，三个链节的另一端共同连接到低频端口的其中一相，两组链节分别连接到低频端口的不同相别；低频系统的两相电压分别连接交交变换器低频端口的不同相别；

结构形式三：低频系统仅有三相供电系统时，交交变换器包含至少9个链节，每三个链节一组，共分为三组；同一组中三个链节的一端分别连接三相工频端口，三个链节的另一端共同连接到低频端口的其中一相，三组链节分别连接到低频端口的不同相别；低频系统的三相电压分别连接交交变换器低频端口的不同相别。

优选的方案中，所述第一隔离刀闸和第二隔离刀闸均为断路器或断路器与隔离开关组成的开关组。

优选的方案中，所述谐振支路为直连导线或电容或电感或电容与电感构成的支路。

优选的方案中，所述交直变换模块为全桥电路或者三电平电路。

本实用新型实施例提供的技术方案，通过合理设置工频变压器和低频变压器变比，降低交交变换器两侧交流电压，从而降低交交变换器单个链节的模块数量，降低系统成本；此外，本实用新型设置的隔离刀闸，能够通过合理分断配合，实现M3C变换器转化为无功补偿设备(SVG或STATCOM)使用，提高了设备使用率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提出的一种低频输电系统示意图。

图2是本实用新型实施例提出的另一种低频输电系统示意图。

图3是本实用新型实施例提出的再一种低频输电系统示意图。

图4是本实用新型实施例提供的一种交交变换器的电路结构示意图。

图5是本实用新型实施例提供的另一种交交变换器的电路结构示意图。

图6本实用新型实施例提供的再一种交交变换器的电路结构示意图。

图7是本实用新型实施例提供的一种交直变换模块示意图。

图8是本实用新型实施例提供的另一种交直变换模块示意图。

图9是本实用新型实施例提供的再一种交直变换模块示意图。

图10是低频输电系统控制方法流程图一。

图11是低频输电系统控制方法流程图二。

图12是低频输电系统控制方法流程图三。

图13是低频输电系统控制方法流程图四。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应当理解，本实用新型的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本实用新型的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

如图1、图2所示本实用新型实施例提出的一种含有变压器隔离的低频输电系统，包括：

三相工频系统101，包含三相供电系统；

低频系统103，包含至少一相供电系统；

交交变换器102，包括三相工频端口和低频端口，低频端口的相别数量与低频系统的相别数量一致；

第一隔离刀闸109，用于连接三相工频系统和交交变换器的三相工频端口；

第二隔离刀闸110，用于连接低频系统和交交变换器的低频端口；

至少一个隔离变压器，位于第一隔离刀闸109和三相工频系统101之间或者位于第二隔离刀闸110和低频系统103之间；其中，隔离变压器位于第一隔离刀闸与三相工频系统之间时，为三相工频变压器104，如图1所示；隔离变压器位于第二隔离刀闸与低频系统之间时，为低频变压器105，如图2所示。

根据一些实施例，如图3所示，一种含有变压器隔离的低频输电系统，包括至少两个隔离变压器，一个隔离变压器位于第一隔离刀闸和三相工频系统之间，另一个隔离变压器位于第二隔离刀闸和低频系统之间。

根据一些实施例，所述含有变压器隔离的低频输电系统中隔离变压器连接交交变换器侧的绕组变比小于另一侧的绕组变比。具体的，三相工频变压器连接交交变换器一侧的绕组变比小于连接三相工频系统绕组的变比；低频变压器连接交交变换器一侧的绕组变比小于连接低频系统绕组的变比。

根据一些实施例，所述含有变压器隔离的低频输电系统，交交变换器为矩阵式变换器，包含N个链节，N为正整数且为3的整数倍，每个链节包含M个交直变换模块和一个谐振支路，每个交直变换模块包含一个交流端口一个直流端口，其中直流端口连接一个电容器，M个交直变换模块通过交流端口串联连接后再与谐振支路串联构成一个链节；每三个链节分为一组，将同一组中三个链节的一端分别连接三相工频端口，三个链节的另一端共同连接到低频端口的其中一相。如图1～3所示，组件106、组件107和组件108是交交变换器的三个链节，组件1061是其中一个交直变换模块，组件1062是谐振支路。如图4～6分别为本实用新型实施例提供的3个、6个、9个链节的交交变换器示意图。

根据一些实施例，所述含有变压器隔离的低频输电系统，其中，低频系统包括至少以下三种结构形式：

结构形式一：低频系统仅有一相供电系统时，三相工频系统还包括中线；低频系统的相电压一端连接交交变换器的低频端口，另一端连接三相工频系统的中线，如图4所示。

结构形式二：低频系统仅有两相供电系统时，交交变换器包含至少6个链节，每三个链节一组，共分为两组；同一组中三个链节的一端分别连接三相工频端口，三个链节的另一端共同连接到低频端口的其中一相，两组链节分别连接到低频端口的不同相别；低频系统的两相电压分别连接交交变换器低频端口的不同相别，如图5所示，

结构形式三：低频系统仅有三相供电系统时，交交变换器包含至少9个链节，每三个链节一组，共分为三组；同一组中三个链节的一端分别连接三相工频端口，三个链节的另一端共同连接到低频端口的其中一相，三组链节分别连接到低频端口的不同相别；低频系统的三相电压分别连接交交变换器低频端口的不同相别，如图6所示。

根据一些实施例，所述含有变压器隔离的低频输电系统，其中，所述第一隔离刀闸和第二隔离刀闸均为断路器或断路器与隔离开关组成的开关组。

根据一些实施例，所述含有变压器隔离的低频输电系统，其中，所述谐振支路为直连导线或电容或电感或电容与电感构成的支路。

根据一些实施例，所述交直变换模块为全桥电路。在图7中示意性地示出了全桥电路的一种结构图。包括第一半导体开关、第二半导体开关、第三半导体开关和第四半导体开关；第一半导体开关和第三半导体开关串联；第二半导体开关和第四半导体开关串联；电容器与两个串联支路并联连接；第一半导体开关和第三半导体开关的连接点与第二半导体开关和第四半导体开关的连接点构成交直变换模块的交流端口。在图8中示意性地示出了全桥电路的另一种结构图。包括第一半导体开关、第二半导体开关、第一电容和第二电容；第一半导体开关和第二半导体开关串联；第一电容和第二电容串联，构成交直变换器直流侧的电容器；第一半导体开关和第二半导体开关的连接点与第一电容和第二电容的连接点构成交直变换模块的交流端口。

根据一些实施例，所述交直变换模块为三电平电路。在图9中示意性地示出了三电平电路的结构图。包括第一半导体开关、第二半导体开关、第三半导体开关和第四半导体开关，第一二极管和第二二极管，以及第一电容和第二电容；第一半导体开关、第二半导体、第三半导体开关和第四半导体开关由上至下依次串联；第一电容和第二电容串联，构成交直变换器直流侧的电容器；第一二极管阴极连接第一半导体开关和第二半导体开关的连接点，第一二极管阳极连接第一电容和第二电容的连接点；第二二极管阴极连接第一电容和第二电容的连接点，第二二极管阳极连接第三半导体开关和第四半导体开关的连接点；第二半导体开关和第三半导体开关的连接点与第一电容和第二电容的连接点构成交直变换模块的交流端口。

图10所示为本实用新型实施例提供的功率流向为三相工频系统至低频系统时的系统控制流程图。一种含有变压器隔离的低频输电系统的控制方法，功率流向为三相工频系统至低频系统时，采用如下步骤：

S11：闭合第一隔离刀闸和第二隔离刀闸。

S12：采集三相工频系统电压、电流。

S13：采集低频系统电压、电流。

S14：调节交交变换器每个链节的输出电压的工频分量电压与三相工频系统电压的功角，控制三相工频系统流入交交变换器的功率。

S15：调节交交变换器每个链节的输出电压的低频分量电压与低频系统电压的功角，控制交交变换器向低频系统流出的功率，并保证三相工频系统流入交交变换器的功率与交交变换器向低频系统流出的功率相等。

图11所示为本实用新型实施例提供的功率流向为低频系统至三相工频系统时的系统控制流程图。含有变压器隔离的低频输电系统的控制方法，功率流向为低频系统至三相工频系统时，采用如下步骤：

S21：闭合第一隔离刀闸和第二隔离刀闸。

S22：采集低频系统电压、电流。

S23：采集三相工频系统电压、电流。

S24：调节交交变换器每个链节的输出电压的低频分量电压与低频系统电压的功角，控制低频系统流入交交变换器的功率。

S25：调节交交变换器每个链节的输出电压的工频分量电压与三相工频系统电压的功角，控制交交变换器向三相工频系统流出的功率；并保证低频系统流入交交变换器的功率与交交变换器向三相工频系统流出的功率相等。

图12所示为本实用新型实施例提供的交交变换器转化为三相工频系统无功补偿装置的控制流程图。含有变压器隔离的低频输电系统的控制方法，采用如下步骤后，将系统等效为三相工频系统的无功补偿设备：

S31：闭合第一隔离刀闸，断开第二隔离刀闸；

S32：采集三相工频系统电压、电流；

S33：启动交交变换器，并基于所述三相工频系统电压和电流，控制三相工频系统的无功功率为设定值。

图13所示为本实用新型实施例提供的交交变换器转化为低频系统无功补偿装置的控制流程图。含有变压器隔离的低频输电系统的控制方法，采用如下步骤后，将系统等效为低频系统的无功补偿设备：

S41：闭合第二隔离刀闸，断开第一隔离刀闸；

S42：采集低频系统电压、电流；

S43：启动交交变换器，并基于所述低频系统电压和电流，控制低频系统的无功功率为设定值。

以上对本实用新型实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本实用新型的思想，基于本实用新型的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本实用新型保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种含有变压器隔离的低频输电系统，其特征在于，包括：

三相工频系统，包含三相供电系统；

低频系统，包含至少一相供电系统；

交交变换器，包括三相工频端口和低频端口，所述低频端口的相别数量与低频系统的相别数量一致；

第一隔离刀闸，用于连接三相工频系统和交交变换器的三相工频端口；

第二隔离刀闸，用于连接低频系统和交交变换器的低频端口；

至少一个隔离变压器，位于第一隔离刀闸和三相工频系统之间或者位于第二隔离刀闸和低频系统之间；其中，隔离变压器位于第一隔离刀闸与三相工频系统之间时，为三相工频变压器；隔离变压器位于第二隔离刀闸与低频系统之间时，为低频变压器。

2.如权利要求1所述的一种含有变压器隔离的低频输电系统，其特征在于，包括至少两个隔离变压器，一个隔离变压器位于第一隔离刀闸和三相工频系统之间，另一个隔离变压器位于第二隔离刀闸和低频系统之间。

3.如权利要求1所述的一种含有变压器隔离的低频输电系统，其特征在于，所述隔离变压器连接交交变换器侧的绕组变比小于另一侧的绕组变比。

4.如权利要求1所述的一种含有变压器隔离的低频输电系统，其特征在于，交交变换器为矩阵式变换器，包含N个链节，N为正整数且为3的整数倍，每个链节包含M个交直变换模块和一个谐振支路，每个交直变换模块包含一个交流端口一个直流端口，其中直流端口连接一个电容器，M个交直变换模块通过交流端口串联连接后再与谐振支路串联构成一个链节；每三个链节分为一组，将同一组中三个链节的一端分别连接三相工频端口，三个链节的另一端共同连接到低频端口的其中一相。

5.如权利要求1所述的一种含有变压器隔离的低频输电系统，其特征在于，低频系统包括至少以下三种结构形式：

结构形式一：低频系统仅有一相供电系统时，三相工频系统还包括中线；低频系统的相电压一端连接交交变换器的低频端口，另一端连接三相工频系统的中线；

结构形式二：低频系统仅有两相供电系统时，交交变换器包含至少6个链节，每三个链节一组，共分为两组；同一组中三个链节的一端分别连接三相工频端口，三个链节的另一端共同连接到低频端口的其中一相，两组链节分别连接到低频端口的不同相别；低频系统的两相电压分别连接交交变换器低频端口的不同相别；

结构形式三：低频系统仅有三相供电系统时，交交变换器包含至少9个链节，每三个链节一组，共分为三组；同一组中三个链节的一端分别连接三相工频端口，三个链节的另一端共同连接到低频端口的其中一相，三组链节分别连接到低频端口的不同相别；低频系统的三相电压分别连接交交变换器低频端口的不同相别。

6.如权利要求1所述的一种含有变压器隔离的低频输电系统，其特征在于，所述第一隔离刀闸和第二隔离刀闸均为断路器或断路器与隔离开关组成的开关组。

7.如权利要求4所述的一种含有变压器隔离的低频输电系统，其特征在于，所述谐振支路为直连导线或电容或电感或电容与电感构成的支路。

8.如权利要求4所述的一种含有变压器隔离的低频输电系统，其特征在于，所述交直变换模块为全桥电路或者三电平电路。

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