本發(fā)明涉及一種磁控式分時(shí)復(fù)用集成型智能配電變壓器，屬于配電設(shè)備節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)配電變壓器功能單一、可控性差，已逐漸無(wú)法適應(yīng)未來(lái)配電網(wǎng)智能化的發(fā)展需求，因此，亟需研制一種功能比較齊全的智能配電變壓器。綜合目前配網(wǎng)各類(lèi)負(fù)荷的應(yīng)用需求，智能配電變壓器應(yīng)該是一種集電壓等級(jí)變換、電能高效傳遞、穩(wěn)定供電電壓、潮流控制、諧波電流抑制、功率因數(shù)校正、無(wú)功補(bǔ)償、不對(duì)稱(chēng)控制等多種功能于一體的智能設(shè)備。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，基于高頻變壓器的PET(電力電子變壓器)受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注，但這種方案采用了多級(jí)電力電子變換單元進(jìn)行全功率變換，拓?fù)鋸?fù)雜、成本高、效率低，可靠性差，不利于向大容量場(chǎng)合推廣。為此，ABB研究所有限公司Sandeep bala等學(xué)者將背靠背雙PWM變流器接入三繞組配電變壓器之中，構(gòu)成混合配電變壓器。相比PET路線(xiàn)，該方案使用的電力電子變換單元相對(duì)簡(jiǎn)單，而且采用部分功率變換實(shí)現(xiàn)可控，因此十分有利于向大功率場(chǎng)合擴(kuò)展。但為確保隔離并方便匹配各功率器件的耐壓等級(jí)，該方案在實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般需另設(shè)一臺(tái)隔離變壓器，而且在主電路中要采用兩臺(tái)變流器來(lái)分別完成相應(yīng)的串聯(lián)與并聯(lián)補(bǔ)償功能?？傮w來(lái)看，該方案采用的分立磁件仍然較多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種磁控式分時(shí)復(fù)用集成型智能配電變壓器，通過(guò)集成設(shè)計(jì)及單臺(tái)變流器的分時(shí)復(fù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)配電變壓器的智能化，比混合配電變壓器方案能進(jìn)一步降低系統(tǒng)整體的復(fù)雜性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

包括主變壓器模塊、補(bǔ)償模塊、磁通控制模塊。各模塊所包含的繞組繞在一副鐵芯上，磁通控制模塊通過(guò)控制磁控鐵芯的磁化狀態(tài)來(lái)改變整副鐵芯的磁通分布，使補(bǔ)償模塊中電壓型變流器的運(yùn)行狀態(tài)能在串聯(lián)補(bǔ)償模式、并聯(lián)補(bǔ)償模式、混合補(bǔ)償模式之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)智能配電變壓器的多種補(bǔ)償功能。

所述主變壓器模塊傳輸智能配電變壓器的主體功率，每相包括高壓繞組與低壓繞組，采用層式線(xiàn)圈同心繞制，主要完成電壓等級(jí)變換與電能傳輸?shù)幕竟δ堋?/p>

所述補(bǔ)償模塊只承擔(dān)智能配電變壓器的部分功率，包括一臺(tái)三相電壓型變流器和補(bǔ)償變壓器，補(bǔ)償變壓器的兩個(gè)繞組同心繞制，分別為補(bǔ)償繞組和控制繞組。其中控制繞組與變流器連接，補(bǔ)償繞組與主變壓器模塊中的高壓繞組串聯(lián)在一起之后接入電網(wǎng)，通過(guò)對(duì)變流器的輸出電壓進(jìn)行合理控制便能夠?qū)崟r(shí)控制補(bǔ)償繞組及控制繞組的輸出電壓及電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同的控制目標(biāo)。

所述磁通控制模塊包括磁控繞組、橫/縱磁控鐵芯以及四個(gè)小功率半橋斬波電路，分別控制四個(gè)斬波電路的占空比便可控制四個(gè)磁控繞組的電流大小與極性，進(jìn)而使磁控鐵芯的磁化狀態(tài)能在增磁與去磁之間變化，由此便能改變整副鐵芯的磁通分布，使變流器的工作方式在串聯(lián)補(bǔ)償、并聯(lián)補(bǔ)償、混合補(bǔ)償模式之間切換，從而實(shí)現(xiàn)單臺(tái)變流器的分時(shí)復(fù)用。

所述串聯(lián)補(bǔ)償模式，橫磁控鐵芯處于增磁狀態(tài)，縱磁控鐵芯處于去磁狀態(tài)，主變壓器與補(bǔ)償變壓器的磁通相互獨(dú)立，二者沒(méi)有磁耦合，只有電連接，相當(dāng)于兩臺(tái)獨(dú)立的變壓器初級(jí)側(cè)相互串聯(lián)。補(bǔ)償模塊輸出相位幅值可調(diào)的補(bǔ)償電壓以實(shí)現(xiàn)智能配電變壓器供電電壓的穩(wěn)定控制及不對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償。

所述并聯(lián)補(bǔ)償模式，橫磁控鐵芯處于去磁狀態(tài)，縱磁控鐵芯處于增磁狀態(tài)，主變壓器與補(bǔ)償變壓器每相所有繞組交鏈相同的主磁通，主變壓器與補(bǔ)償變壓器之間不僅有電連接，而且還有磁耦合，通過(guò)對(duì)變流器進(jìn)行合理地控制，使補(bǔ)償繞組產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流，根據(jù)磁勢(shì)平衡原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能配電變壓器的功率因數(shù)矯正、諧波抑制、負(fù)載平衡控制。

所述混合補(bǔ)償模式，磁控鐵芯的增磁、去磁作用較弱，主變壓器與補(bǔ)償變壓器的磁通部分相互交鏈，部分彼此獨(dú)立。并聯(lián)補(bǔ)償模式與串聯(lián)補(bǔ)償模式同時(shí)存在，各自的作用強(qiáng)度則取決于磁控鐵芯的磁化程度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益技術(shù)效果：

本發(fā)明可以使磁控鐵芯的磁化狀態(tài)在增磁與去磁之間轉(zhuǎn)換，通過(guò)控制磁控鐵芯的磁化狀態(tài)來(lái)改變整副鐵芯的磁通分布，使補(bǔ)償模塊的工作模式在串聯(lián)補(bǔ)償、并聯(lián)補(bǔ)償、混合補(bǔ)償模式之間切換，通過(guò)分時(shí)復(fù)用，則能實(shí)現(xiàn)僅用一臺(tái)變流器完成混合配電變壓器方案使用兩臺(tái)變流器才能完成的電能控制功能，從而大大降低設(shè)備整體的成本。本發(fā)明為傳統(tǒng)配電變壓器擴(kuò)充電壓穩(wěn)定控制、不對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償、諧波電流抑制、功率因數(shù)矯正等多種控制功能，使配電變壓器實(shí)現(xiàn)智能化，控制功能豐富，對(duì)于實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)的智能化具有重要的研究?jī)r(jià)值。

進(jìn)一步的，磁通控制模塊不參與負(fù)荷功率傳遞，僅起控制作用，因此四個(gè)半橋斬波電路及繞組的功率等級(jí)很小，控制四個(gè)小功率半橋斬波電路的電流，可以使磁控鐵芯的磁化狀態(tài)在增磁與去磁之間轉(zhuǎn)換。本發(fā)明將所有繞組集成于一副鐵芯上，主電路中傳輸功率的繞組總共只有4個(gè)，相比混合配電變壓器方案，所需獨(dú)立鐵芯的個(gè)數(shù)及功率變換繞組的個(gè)數(shù)較少，經(jīng)濟(jì)性良好。

附圖說(shuō)明

圖1為磁控式分時(shí)復(fù)用集成型智能配電變壓器整體結(jié)構(gòu)圖。

圖2為磁控式分時(shí)復(fù)用集成型智能配電變壓器在串聯(lián)補(bǔ)償模式下的磁通分布。

圖3為磁控式分時(shí)復(fù)用集成型智能配電變壓器在串聯(lián)補(bǔ)償模式下的單相等效電路。

圖4為磁控式分時(shí)復(fù)用集成型智能配電變壓器在并聯(lián)補(bǔ)償模式下的磁通分布。

圖5為磁控式分時(shí)復(fù)用集成型智能配電變壓器在并聯(lián)補(bǔ)償模式下的單相等效電路。

圖6為磁控式分時(shí)復(fù)用集成型智能配電變壓器在混合補(bǔ)償模式下的磁通分布。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所述的實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明所述磁控式分時(shí)復(fù)用集成型智能配電變壓器，包括主變壓器模塊30、補(bǔ)償模塊31以及磁通控制模塊32。

所述主變壓器模塊30包括一次繞組1、二次繞組2及第一鐵芯柱(即主變壓器模塊鐵芯柱)，它們構(gòu)成主變壓器。一次繞組1(三相依次為一次繞組A相1a、一次繞組B相1b、一次繞組C相1c)各相首/末端子依次為A/X、B/Y、C/Z，二次繞組2(三相依次為二次繞組A相2a、二次繞組B相2b、二次繞組C相2c)各相首/末端子依次為a₀/x₀、b₀/y₀、c₀/z₀。一次繞組1和二次繞組2各相采用層式繞組同心繞制在第一鐵芯柱(三相依次為第一鐵芯柱A相10a、第一鐵芯柱B相10b、第一鐵芯柱C相10c)對(duì)應(yīng)相上，其中一次繞組1為高壓側(cè)，繞在外面，二次繞組2為低壓側(cè)，繞在里面。該部分與傳統(tǒng)配電變壓器功能一致，具有改變電壓等級(jí)，傳遞電能的作用。

所述補(bǔ)償模塊31包括控制繞組3、補(bǔ)償繞組4、第二鐵芯柱(即補(bǔ)償變壓器鐵芯柱)、三相電壓型變流器20、濾波電感21、濾波電容22以及直流母線(xiàn)電容27?？刂评@組3、補(bǔ)償繞組4與第二鐵芯柱構(gòu)成補(bǔ)償變壓器。所述控制繞組3(三相依次為控制繞組A相3a、控制繞組B相3b、控制繞組C相3c)各相的首/末端子依次為a₁/x₁、b₁/y₁、c₁/z₁，補(bǔ)償繞組4(三相依次為補(bǔ)償繞組A相4a、補(bǔ)償繞組B相4b、補(bǔ)償繞組C相4c)各相首/末端子依次為a₂/x₂、b₂/y₂、c₂/z₂?？刂评@組3和補(bǔ)償繞組4各相采用層式繞組同心繞制在第二鐵芯柱(三相依次為第二鐵芯柱A相12a、第二鐵芯柱B相12b、第二鐵芯柱C相12c)對(duì)應(yīng)相上；其中，補(bǔ)償繞組4為高壓側(cè)，繞在外面，控制繞組3為低壓側(cè)，繞在里面。所述補(bǔ)償繞組4與一次繞組1串聯(lián)(a₂與X相連、b₂與Y相連、c₂與Z相連)，補(bǔ)償繞組4采用星型接地連接(x₂、y₂、z₂連接在一起之后接地)，一次繞組1各相的首端(A、B、C)接入三相交流電網(wǎng)。三相電壓型變流器20通過(guò)濾波電感21、濾波電容22接入控制繞組3，控制繞組3和濾波電容22均采用星型接法，二者的中性點(diǎn)引出之后一起接入直流母線(xiàn)電容27的中點(diǎn)n。具體連接方式為：濾波電感21各相的一端與三相電壓型變流器20各相橋臂中點(diǎn)(u、v、w)對(duì)應(yīng)相連，濾波電感21各相的另一端與濾波電容22各相的一端連接在一起之后接入控制繞組3各相的首端(a₁、b₁、c₁)，濾波電容22各相的另一端接在節(jié)點(diǎn)n_c，控制繞組3各相的末端(x₁、y₁、z₁)接在節(jié)點(diǎn)n₃，然后節(jié)點(diǎn)n_c、n₃均接入中點(diǎn)n。通過(guò)對(duì)三相電壓型變流器20各橋臂進(jìn)行合理控制，可使控制繞組3及補(bǔ)償繞組4兩端的電壓或繞組中的電流按給定值變化，從而實(shí)現(xiàn)智能配電變壓器的多種控制功能。

所述磁通控制模塊32包括四個(gè)磁控繞組(依次為第一磁控繞組5、第二磁控繞組6、第三磁控繞組7、第四磁控繞組8)、四個(gè)橫磁控鐵芯(依次為第一橫磁控鐵芯15、第二橫磁控鐵芯16、第三橫磁控鐵芯17、第四橫磁控鐵芯18)、縱磁控鐵芯(三相依次為縱磁控鐵芯A相11a、縱磁控鐵芯B相11b、縱磁控鐵芯C相11c)、四個(gè)橋臂(依次為第一橋臂23、第二橋臂24、第三橋臂25、第四橋臂26)以及直流母線(xiàn)電容27。四個(gè)磁控繞組分別繞制在對(duì)應(yīng)的四個(gè)橫磁控鐵芯上，四個(gè)橋臂與直流母線(xiàn)電容27構(gòu)成四個(gè)半橋斬波電路，所述四個(gè)磁控繞組的一端共同接入直流母線(xiàn)電容27的中點(diǎn)n(圖1中接入了節(jié)點(diǎn)n₃，n₃與n為等位點(diǎn))，另一端分別與對(duì)應(yīng)的橋臂中點(diǎn)相連，具體為：第一磁控繞組5與第一橋臂23的中點(diǎn)n₅相連、第二磁控繞組6與第二橋臂24的中點(diǎn)n₆相連、第三磁控繞組7與第三橋臂25的中點(diǎn)n₇相連、第四磁控繞組8與第四橋臂26的中點(diǎn)n₈相連。分別控制四個(gè)半橋斬波電路的占空比便可獨(dú)立控制四個(gè)磁控繞組中的電流大小與方向，從而使得四個(gè)橫磁控鐵芯及縱磁控鐵芯各相的磁化狀態(tài)能夠在去磁與增磁之間切換。

上述智能配電變壓器中主變壓器模塊30、補(bǔ)償模塊31、磁通控制模塊32所包含的繞組繞在一副鐵芯結(jié)構(gòu)上，該鐵芯結(jié)構(gòu)包括上鐵軛13、第一鐵芯柱、四個(gè)橫磁控鐵芯、縱磁控鐵芯、第二鐵芯柱以及下鐵軛14，其中，第一鐵芯柱各相均與上鐵軛13連接為一體，第二鐵芯柱各相與下鐵軛14連接為一體；縱磁控鐵芯的每相分別與第一鐵芯柱以及第二鐵芯柱的對(duì)應(yīng)相連接為一體；第一橫磁控鐵芯15的一端連接于縱磁控鐵芯A相11a與第一鐵芯柱A相10a的交界處，另一端連接于縱磁控鐵芯B相11b與第一鐵芯柱B相10b的交界處，第二橫磁控鐵芯16的一端連接于縱磁控鐵芯B相11b與第一鐵芯柱B相10b的交界處，另一端連接于縱磁控鐵芯C相11c與第一鐵芯柱C相10c的交界處，第三橫磁控鐵芯17的一端連接于縱磁控鐵芯A相11a與第二鐵芯柱A相12a的交界處，另一端連接于縱磁控鐵芯B相11b與第二鐵芯柱B相12b的交界處，第四橫磁控鐵芯18的一端連接于縱磁控鐵芯B相11b與第二鐵芯柱B相12b的交界處，另一端連接于縱磁控鐵芯C相11c與第二鐵芯柱C相12c的交界處，四個(gè)橫磁控鐵芯與鐵芯結(jié)構(gòu)其他部分也是連接為一體。

所述磁通控制模塊32是整個(gè)智能配電變壓器的關(guān)鍵，可使磁控鐵芯的磁化狀態(tài)在增磁與去磁之間連續(xù)變化，從而使補(bǔ)償模塊31的工作模式能夠根據(jù)實(shí)際工況在串聯(lián)補(bǔ)償模式、并聯(lián)補(bǔ)償模式、混合補(bǔ)償模式之間靈活切換。

所述串聯(lián)補(bǔ)償模式，整副鐵芯結(jié)構(gòu)中的磁通分布如圖2所示。第一、第三磁控繞組5、7及第二、第四磁控繞組6、8產(chǎn)生的磁場(chǎng)分別對(duì)第一、第三橫磁控鐵芯15、17及第二、第四橫磁控鐵芯16、18中的磁場(chǎng)具有增強(qiáng)作用，而對(duì)縱磁控鐵芯各相中的磁場(chǎng)具有削弱作用。于是，主變壓器的主磁通不通過(guò)縱磁控鐵芯各相，而是經(jīng)由第一鐵芯柱、上鐵軛13、第一橫磁控鐵芯15、第二橫磁控鐵芯16構(gòu)成閉合回路(例如，依次經(jīng)由上鐵軛13、第一鐵芯柱A相10a、第一橫磁控鐵芯15、第一鐵芯柱B相10b構(gòu)成其中一個(gè)閉合回路)；主變壓器的主磁通只與一次繞組1、二次繞組2交鏈；補(bǔ)償變壓器的主磁通也不經(jīng)過(guò)縱磁控鐵芯各相，而是經(jīng)由第二鐵芯柱、第三橫磁控鐵芯17、第四橫磁控鐵芯18、下鐵軛14構(gòu)成閉合回路(例如，依次經(jīng)由下鐵軛14、第二鐵芯柱C相12c、第四橫磁控鐵芯18、第二鐵芯柱B相12b構(gòu)成其中一個(gè)閉合回路)，主變壓器的主磁通只與控制繞組3、補(bǔ)償繞組4交鏈。此時(shí)主變壓器與補(bǔ)償變壓器相當(dāng)于兩臺(tái)磁通獨(dú)立的變壓器，所述磁控式分時(shí)復(fù)用集成型智能配電變壓器的單相等效電路原理如圖3所示，由于補(bǔ)償繞組4與一次繞組1串聯(lián)。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變化導(dǎo)致二次繞組2兩端電壓偏離額定值時(shí)，通過(guò)控制補(bǔ)償模塊31中的三相電壓型變流器20便可改變補(bǔ)償繞組4輸出電壓的相位和幅值，該原理完全類(lèi)似于DVR(動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器)的工作原理，顯然能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載供電電壓的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制及不對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償。

所述并聯(lián)補(bǔ)償模式，整副鐵芯結(jié)構(gòu)中的磁通分布如圖4所示，第一、第三磁控繞組5、7及第二、第四磁控繞組6、8的電流方向與串聯(lián)補(bǔ)償模式時(shí)的極性相反，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)第一、第三橫磁控鐵芯15、17及第二、第四橫磁控鐵芯16、18中的磁場(chǎng)具有削弱作用，而對(duì)縱磁控鐵芯中的磁場(chǎng)具有增強(qiáng)作用。于是，主變壓器與補(bǔ)償變壓器的主磁通均不經(jīng)過(guò)各橫磁控鐵芯，而是經(jīng)過(guò)上鐵軛13、第一鐵芯柱、縱磁控鐵芯、第二鐵芯柱、下鐵軛14構(gòu)成閉合回路(例如，依次經(jīng)由上鐵軛13、第一鐵芯柱A相10a、縱磁控鐵芯A相11a、第二鐵芯柱A相12a、下鐵軛14、第二鐵芯柱B相12b、縱磁控鐵芯B相11b、第一鐵芯柱B相10b構(gòu)成一個(gè)閉合回路)。即一次繞組1、二次繞組2、控制繞組3、補(bǔ)償繞組4交鏈同一個(gè)磁通。由于一次繞組1和補(bǔ)償繞組4相互串聯(lián)、可將它們看作一個(gè)繞組，此時(shí)所述磁控式分時(shí)復(fù)用集成型智能配電變壓器的單相等效電路原理如圖5所示。在圖5中，根據(jù)磁勢(shì)平衡原理，一次繞組1(或補(bǔ)償繞組4)、二次繞組2、控制繞組3三者的電流應(yīng)滿(mǎn)足下列方程

(N₁+N₄)i₁+N₂i₂+N₃i₃＝N₁i_m (1)

式(1)中，N₁、N₂、N₃、N₄分別表示一次繞組1、二次繞組2、控制繞組3、補(bǔ)償繞組4的匝數(shù)，i₁、i₂、i₃分別表示一次繞組1、二次繞組2、控制繞組3的電流，i_m表示激磁電流。由于i_m較小，可以忽略不計(jì)，當(dāng)i₂中包含無(wú)功、諧波、負(fù)序、零序分量時(shí)，通過(guò)控制變流器輸出電壓，使i₃反極性跟蹤上述分量，便可保證i₁始終為單位功率因數(shù)的正弦波。上述原理類(lèi)似于并聯(lián)APF(有源濾波器)的工作原理，因此完全能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)行電流補(bǔ)償，完成功率因數(shù)矯正、諧波電流抑制、不平衡負(fù)荷補(bǔ)償?shù)瓤刂迫蝿?wù)。

所述混合補(bǔ)償模式，整副鐵芯中的磁通分布如圖6所示，四個(gè)磁控繞組的電流對(duì)四個(gè)橫磁控鐵芯及縱磁控鐵芯各相的增磁/去磁、去磁/增磁作用介于并聯(lián)補(bǔ)償與串聯(lián)補(bǔ)償模式之間時(shí)，整副鐵芯結(jié)構(gòu)中有一部分磁通經(jīng)過(guò)上鐵軛13、第一鐵芯柱、縱磁控鐵芯、第二鐵芯柱、下鐵軛14構(gòu)成閉合回路，該部分磁通與主變壓器的一次繞組1、二次繞組2及補(bǔ)償變壓器的控制繞組3、補(bǔ)償繞組4均交鏈，作用與并聯(lián)補(bǔ)償模式相似。另有部分磁通分別只與一次繞組1、二次繞組2及控制繞組3、補(bǔ)償繞組4各自交鏈，磁通分布與串聯(lián)補(bǔ)償模式相似。此時(shí)整個(gè)智能配電變壓器兼具并聯(lián)補(bǔ)償模式及串聯(lián)補(bǔ)償模式的控制功能，但二者的作用程度均弱于各模式單獨(dú)運(yùn)行的工況，而且此時(shí)兩種模式各自的作用程度取決于磁控繞組的增磁、去磁作用，由于磁控繞組中的電流變化是連續(xù)的，因此該模式可以作為并聯(lián)補(bǔ)償模式與串聯(lián)補(bǔ)償模式之間的過(guò)渡模式。

所述磁控式分時(shí)復(fù)用集成型智能配電變壓器所涉及的變流器控制等相關(guān)內(nèi)容則可借鑒APF、DVR等裝置的相關(guān)控制策略。

總之，本發(fā)明通過(guò)主變壓器與補(bǔ)償變壓器的集成設(shè)計(jì)將一臺(tái)電壓型變流器接入傳統(tǒng)配電變壓器中，提出一種新型智能配電變壓器?；诖磐刂?，使該配電變壓器主電路僅利用一臺(tái)變流器便既能進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償又能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償，經(jīng)濟(jì)性良好，控制功能豐富，對(duì)于實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)的智能化具有重要的研究?jī)r(jià)值。