兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器控制系统，包括与电网连接的等效阻抗、PWM可控整流器、单相逆变器、电容、正向充磁控制接触器、反向充磁控制接触器、退磁控制接触器和CPU，PWM可控整流器、单相逆变器、正向充磁控制接触器、反向充磁控制接触器、退磁控制接触器均与CPU相连接。本发明利用了对两相磁性材料磁特性的转换的功能，使变压器自身具有抑制直流偏磁和无功调节的能力。降低电力系统损耗，节能效果明显；并且克服了传统的抑制直流偏磁方法所带来的不足，保证了变压器中性点的可靠接地；提高了电力网及变压器安全运行的可靠性，对整个电力系统具有重大的实际意义。
【专利说明】兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子领域，涉及一种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器控制系统，同时该装置也可用来控制两相磁性材料磁特性转换实现具有变压器直流偏磁补偿和无功补偿的能力。
【背景技术】
[0002]二十世纪七八十年代以来，随着超高压远距离输电系统的发展及电力系统负荷变化影响的加剧，电网中的无功功率消耗日益增大，无功功率不足是导致我国电能质量不高和浪费的重要因素。可控电抗器与电容器组并运行相互协调可以调节无功。所以在特高压或超高压，大容量的电网中，安装一定的无功补偿装置来控制无功潮流，稳定电网的运行电压。大量的理论研究和实践证明，调节电抗对于提高电力系统的运行性能有显著的作用，特别是可电抗器的应用，其容量会随着传输功率的大小而自动变化，防止了线路一侧开关切合时所产生的过高的工频操作过电压及相应的暂态震荡过电压，同时也可以减少电网损耗、提高电能质量，带来了巨大的经济效益和社会效益。所以可控电抗器的研究越来越成为当今各国电力决策和电力设计人员的共同目标。
[0003]1965年英国通用电气公司制造了世界上第一台可控电抗器，1977?1978年，美国GE公司，西屋公司和BBC公司先后研制出采用晶闸管控制的静补装置、超高压TCT型静补装置、晶闸管控制电抗器(TCR)。1986年，原苏联提出了新型可控电抗器结构，从而使饱和式可控电抗器有了突破性进展，电抗器性能有了大大的改善。随后日本的研究人员提出了基于控制磁通原理正交磁心的可控电抗器；欧美一些国家也开始对可控电抗器进行研究。近些年来，国内外学者和科研机构对可控电器的研究，在许多方面都取得了成果，如基于PWM控制的可控电抗器、基于可控负载原理的变压器式可控电抗器、基于磁通控制原理的正交磁心式可控电抗器、超/特高压可控电抗器等。
[0004]国内对可控电抗器的研究主要集中在直流可控电抗器和交流可控电抗器上。在直流可控电抗器方面，武汉大学、上海交通大学和华北电力大学进行了深入的研究。在交流电抗器方面，浙江大学、华中科技大学展开了这个方面的研究。我国的原武汉水利电力大学于1990年开始对新型可控电抗器进行研究，并取得了一系列的研究成果。1977年研制成功了基于磁阀式可控电抗器的自动调谐消弧线圈，1988年开发出27.5KV电气铁路动态无功补偿的可控电抗器，目前正致力于更高电压等级、更大容量的可控电抗器的理论和应用研究。对特高压可控电抗器的研究还有湖南大学、西安交通大学、浙江大学、华中科技大学等高等院校，以及特变电工衡阳变压器有限公司、特变电工沈阳变压器有限公司和西安变压器有限公司等企业单位。
[0005]随着我国“西电东送，南北互供，全国联网”的电力发展总方针，直流输电技术将会成为全国电网互联主要解决途径，因此直流输电系统稳定运行对于整个电网的安全稳定具有重要作用。但随着大容量、长距离直流输电的应用，以大地返回方式运行的直流输电系统的接地极电流会通过变压器中性点流过变压器绕组，引起变压器直流偏磁现象。变压器中性点引入的直流电在变压器内部形成直流偏磁，可以使铁心磁通严重饱和，励磁电流高度畸变，产生大量谐波，噪声明显增大，金属构件损耗增加，无功损耗增加，严重时可能会导致局部过热现象，破坏绝缘，以致损坏变压器或降低寿命。
[0006]1989年3月13日，直流偏磁现象引起加拿大魁北克水力发电中断，美国东海岸发电站的大型升压变压器被毁，其中连接两个低压绕组导线的铜接线头烧毁，电网SVC装置的继电保护误动作，大量电容器退出运行，系统电压崩溃，最终失去9500MW负荷，电网解列了近9个小时。
[0007]1992年，美国专家以魁北克水电站Radisson/LG2联合体为对象，提出了几种抑制直流电流的方案，其方法是将中性线串联工频阻抗较小的电容器，以间隙、可触发间隙及M0V等实现中性点电容器的快速过电压保护，方案还配备有机械旁路开关。美国DEI公司1996年初开发了 4套变压器隔直装置；2003年又根据SIEMENS公司提供的参数开发了 10套变压器隔直装置，并用于靠近印度的一条HVDC终端站的变压器。此装置由I个4000uF(50Hz)隔直/通交电容器和2组反并联的大电流旁路通道以及机械开关旁路组成。
[0008]我国电力网存在直流偏磁问题。江苏500kV上河主变压器、三峡龙泉一江苏政平500kV直流输电系统中的常州武南变电站两组500kVA主变压器、贵广直流线路中春城站主变压器均受到直流偏磁的影响。申请者从1996年开始进行有关直流偏磁问题的研究，曾分析了 2007年辽宁抚顺电力局胜利一次变电站22万伏18万千伏安电力变压器出现的直流偏磁问题(检测到2-11安培偏磁电流、引起高达90分贝的噪声)。直流偏磁问题越来越得到我国学者的广泛关注，许多学者多年来也对直流偏磁问题开展研究及开发补偿装置。清华大学提出了一种小电阻装置用于变压器中性点直流偏磁的抑制。该装置主要由一无感电阻和间隙组成，并于2005年在现场进行了安装与测试，对抑制变压器中性线直流电流有明显效果。有学者介绍了变压器中性点注入反向直流电流的方法，其主要原理是电源经过调压器后再经过硅整流经辅助接地极和变压器中性点回路向变压器中性点注入反向直流电流。2007年有学者提出了一种基于电位补偿原理的校检变压器中性点直流电流的新方法，其原理是在变压器中性线中间串联一个小电阻，通过外部电源在该电阻上形成一个直流点位，以此调节变压器中性点的直流点位来达到减小流入变压器绕组直流电流的目的。国内也开展了电容隔直装置的研究与开发工作。华北电力大学、西安交通大学、浙江大学等高校也都做了大量工作，有效地抑制了变压器直流偏磁的影响。
[0009]但是，各种方法都存在一定的问题。小电阻限流法无法完全消除中性点直流电流，有时候不得不采用较大阻值的电阻，有可能影响主变压器中性点绝缘强度；电容隔直法虽然能够较好地消除中性点直流电流，但影响变压器的有效接地，对主变压器中性点绝缘强度要求较高，应对电网短路故障能力较差；中性点注入反向电流限制法需要另外建补偿接地极，补偿地极的选取极其困难。并且在远距离输电系统，补偿电流的效率将降低，直流发生器的功率将倍增，大电流入地也加重了地网负担,加速接地网腐蚀,应用成本极高；电位补偿法耗电量大，装置较昂贵，补偿地极的选取也较困难。
【发明内容】
[0010]发明目的:
本发明提供一种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器控制系统，用于实现两相磁性材料的转换，将此功能用于兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器上，目的在于实现电感连续可调、无功补偿以及抑制变压器直流偏磁问题。
[0011]技术方案:
本发明是通过以下技术方案实施的:
一种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器控制系统，与具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器相连接，其特征在于:所述系统主要由与电网三相电源连接的等效阻抗、PWM可控整流器、电容、单相逆变器、正向充磁控制接触器、反向充磁控制接触器，退磁控制接触器构成，等效阻抗连接PWM可控整流器，PWM可控整流器连接单相逆变器，正向充磁控制接触器及反向充磁控制接触器与PWM可控整流器相连，退磁控制接触器连接单相逆变器，单相逆变器与电容并联后连接补偿控制绕组；PWM可控整流器、单相逆变器、正向充磁控制接触器、反向充磁控制接触器、退磁控制接触器均与CPU相连接；具有直流偏磁补偿功能的变压器内设有两相磁性材料、补偿控制绕组和霍尔电流传感器，补偿控制绕组绕制在两相磁性材料上并与控制系统相连，霍尔电流传感器与CPU相连接。
[0012]PWM可控整流器是由第一 IGBT与第一续流二极管构成的三相桥式连接组成。
[0013]单相逆变器是由第二 IGBT与第二续流二极管构成的单相桥式连接组成。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明的结构示意图。
[0015]附图标记说明:
1、三相电源，2、等效阻抗，3、PWM可控整流器，4、电容，5、单相逆变器，6、正向充磁控制接触器，7、反向充磁控制接触器，8、退磁控制接触器，9、CPU，10、变压器，11、两相磁性材料，12、补偿、控制绕组，13、霍尔电流传感器，14、第一 IGBT，15、第一续流二极管，16、第二IGBT，17、第二续流二极管。
[0016]【具体实施方式】:
下面结合附图对本发明进行具体说明:
本发明是一种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器控制系统，与具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器10相连接，如图1中所示，其特征在于:所述控制系统主要由与电网三相电源I连接的等效阻抗2、PWM可控整流器3、电容4、单相逆变器5、正向充磁控制接触器6、反向充磁控制接触器7，退磁控制接触器8构成，等效阻抗2连接PWM可控整流器3，PWM可控整流器3连接单相逆变器5，正向充磁控制接触器6及反向充磁控制接触器7与PWM可控整流器3相连，退磁控制接触器8连接单相逆变器5，单相逆变器5与电容4并联后连接变压器10内的补偿控制绕组12 ;PWM可控整流器3、单相逆变器5、正向充磁控制接触器6、反向充磁控制接触器7、退磁控制接触器8均与CPU 9相连接；具有直流偏磁补偿功能的变压器10内设有两相磁性材料11、补偿控制绕组12和霍尔电流传感器13，补偿控制绕组12绕制在两相磁性材料11上并与控制系统相连，霍尔电流传感器13与CPU 9相连接。
[0017]PWM可控整流器3是由第一 IGBT 14与第一续流二极管15构成的三相桥式连接组成。
[0018]单相逆变器5是由第二 IGBT 16与第二续流二极管17构成的单相桥式连接组成。[0019]本发明CPU9采用面向控制类TMS320系列DSP芯片如:TMS320C24x/F24x、TMS320F28xx，本发明采实验现有TMS320F2812高性价比的32位定点DSP芯片，提高了系统稳定，同时也降低系统的开发成本。
[0020]该控制系统可以实现两相磁性材料11的特性转换，即硬磁特性与软磁特性的转换。两相磁性材料11最初呈现软磁特性，当两相磁性材料11需要进行磁特性转换时，由控制系统发出高频脉冲信号，对两相磁性材料11进行充磁，两相磁性材料11即可呈现硬磁特性；同理，对两相磁性材料11进行退磁处理时，两相磁性材料11又可恢复到初始状态呈现软磁特性。
[0021]本发明的工作原理:
兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器控制系统工作原理:当具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器10发生直流偏磁时，由于偏磁电流使变压器铁心磁通发生变化，通过霍尔电流传感器13对偏磁电流(磁通)进行检测，将检测到的信号送入CPU 9,CPU 9控制正向充磁控制接触器6或者反向充磁控制接触器7吸合，同时控制PWM可控整流器3产生直流电压，直流电压通过控制绕组12产生补偿电流(磁通)，该磁通与偏磁磁通大小相等，方向相反。最后，CPU 9控制正向充磁控制接触器6或者反向充磁控制接触器7断开，同时控制PWM可控整流器3停止工作，进而达到断电对具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器10进行直流偏磁的抑制，完成了对变压器直流偏磁现象的检测和消除。节能效果显著；当直流偏磁消失时，通过霍尔电流传感器13对励磁电流的检测，将检测到的信号送入CPU9，CPU 9控制退磁控制接触器8吸合，并控制单相逆变器5产生交流电压，交流电压通过控制绕组12产生退磁电流(磁通)，进而对两相磁性材料11进行从硬磁特性到软磁特性的转换。当两相磁性材料11表征为软磁特性后，CPU 9控制退磁控制接触器8断开，单相逆变器5停止工作，完成整个工作过程。
[0022]本发明这种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器控制系统，可实现对两相磁性材料在直流励磁及退磁功能之间的转换，完成对电力系统的无功补偿及谐波抑制。降低电力系统损耗，节能效果明显，取得一定的经济效益，对整个电力系统具有重大的实际意义。
[0023]该控制系统利用了对两相磁性材料磁特性的转换的功能，使变压器自身具有抑制直流偏磁的能力。克服了传统的抑制直流偏磁方法所带来的不足，保证了变压器中性点的可靠接地，提高了电力网及变压器安全运行的可靠性，对整个电力系统具有重大的实际意义。
【权利要求】
1.一种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器控制系统，与具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器(10)相连接，其特征在于:所述系统主要由与电网三相电源(I)连接的等效阻抗(2)、PWM可控整流器(3)、电容(4)、单相逆变器(5)、正向充磁控制接触器(6)、反向充磁控制接触器(J)，退磁控制接触器(8)构成，等效阻抗(2)连接PWM可控整流器(3)，PWM可控整流器(3)连接单相逆变器(5)，正向充磁控制接触器(6)及反向充磁控制接触器(7)与PWM可控整流器(3)相连，退磁控制接触器(8)连接单相逆变器(5)，单相逆变器(5)与电容(4)并联后连接补偿控制绕组(12) ；PWM可控整流器(3)、单相逆变器(5)、正向充磁控制接触器(6)、反向充磁控制接触器(7)、退磁控制接触器(8)均与CPU (9)相连接；具有直流偏磁补偿功能的变压器(10)内设有两相磁性材料(11)、补偿控制绕组(12)和霍尔电流传感器(13)，补偿控制绕组(12)绕制在两相磁性材料(11)上并与控制系统相连，霍尔电流传感器(13)与CPU (9)相连接。
2.根据权利要求1所述的兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器控制系统，其特征在于:PWM可控整流器(3)是由第一 IGBT (14)与第一续流二极管(15)构成的三相桥式连接组成。
3.根据权利要求1所述的兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器控制系统，其特征在于:单相逆变器(5)是由第二 IGBT (16)与第二续流二极管(17)构成的单相桥式连接组 成。
【文档编号】H01F27/38GK104022698SQ201410279706
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】白保东, 陈志伟, 于江华, 胡召富, 赵晓旋, 王禹 申请人:沈阳工业大学