本發(fā)明涉及一種磁控式分時復用集成型智能配電變壓器，屬于配電設備節(jié)能技術領域。

背景技術：

傳統(tǒng)配電變壓器功能單一、可控性差，已逐漸無法適應未來配電網智能化的發(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。綜合目前配網各類負荷的應用需求，智能配電變壓器應該是一種集電壓等級變換、電能高效傳遞、穩(wěn)定供電電壓、潮流控制、諧波電流抑制、功率因數校正、無功補償、不對稱控制等多種功能于一體的智能設備。

為了實現上述目標，基于高頻變壓器的PET(電力電子變壓器)受到了學者的廣泛關注，但這種方案采用了多級電力電子變換單元進行全功率變換，拓撲復雜、成本高、效率低，可靠性差，不利于向大容量場合推廣。為此，ABB研究所有限公司Sandeep bala等學者將背靠背雙PWM變流器接入三繞組配電變壓器之中，構成混合配電變壓器。相比PET路線，該方案使用的電力電子變換單元相對簡單，而且采用部分功率變換實現可控，因此十分有利于向大功率場合擴展。但為確保隔離并方便匹配各功率器件的耐壓等級，該方案在實際應用時一般需另設一臺隔離變壓器，而且在主電路中要采用兩臺變流器來分別完成相應的串聯(lián)與并聯(lián)補償功能?？傮w來看，該方案采用的分立磁件仍然較多，系統(tǒng)結構比較復雜。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種磁控式分時復用集成型智能配電變壓器，通過集成設計及單臺變流器的分時復用來實現配電變壓器的智能化，比混合配電變壓器方案能進一步降低系統(tǒng)整體的復雜性。

為實現上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：

包括主變壓器模塊、補償模塊、磁通控制模塊。各模塊所包含的繞組繞在一副鐵芯上，磁通控制模塊通過控制磁控鐵芯的磁化狀態(tài)來改變整副鐵芯的磁通分布，使補償模塊中電壓型變流器的運行狀態(tài)能在串聯(lián)補償模式、并聯(lián)補償模式、混合補償模式之間動態(tài)轉換，從而實現智能配電變壓器的多種補償功能。

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，采用層式線圈同心繞制，主要完成電壓等級變換與電能傳輸的基本功能。

所述補償模塊只承擔智能配電變壓器的部分功率，包括一臺三相電壓型變流器和補償變壓器，補償變壓器的兩個繞組同心繞制，分別為補償繞組和控制繞組。其中控制繞組與變流器連接，補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，通過對變流器的輸出電壓進行合理控制便能夠實時控制補償繞組及控制繞組的輸出電壓及電流，進而實現不同的控制目標。

所述磁通控制模塊包括磁控繞組、橫/縱磁控鐵芯以及四個小功率半橋斬波電路，分別控制四個斬波電路的占空比便可控制四個磁控繞組的電流大小與極性，進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)補償、并聯(lián)補償、混合補償模式之間切換，從而實現單臺變流器的分時復用。

所述串聯(lián)補償模式，橫磁控鐵芯處于增磁狀態(tài)，縱磁控鐵芯處于去磁狀態(tài)，主變壓器與補償變壓器的磁通相互獨立，二者沒有磁耦合，只有電連接，相當于兩臺獨立的變壓器初級側相互串聯(lián)。補償模塊輸出相位幅值可調的補償電壓以實現智能配電變壓器供電電壓的穩(wěn)定控制及不對稱補償。

所述并聯(lián)補償模式，橫磁控鐵芯處于去磁狀態(tài)，縱磁控鐵芯處于增磁狀態(tài)，主變壓器與補償變壓器每相所有繞組交鏈相同的主磁通，主變壓器與補償變壓器之間不僅有電連接，而且還有磁耦合，通過對變流器進行合理地控制，使補償繞組產生相應的補償電流，根據磁勢平衡原理，實現對智能配電變壓器的功率因數矯正、諧波抑制、負載平衡控制。

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

與現有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益技術效果：

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換，通過控制磁控鐵芯的磁化狀態(tài)來改變整副鐵芯的磁通分布，使補償模塊的工作模式在串聯(lián)補償、并聯(lián)補償、混合補償模式之間切換，通過分時復用，則能實現僅用一臺變流器完成混合配電變壓器方案使用兩臺變流器才能完成的電能控制功能，從而大大降低設備整體的成本。本發(fā)明為傳統(tǒng)配電變壓器擴充電壓穩(wěn)定控制、不對稱補償、諧波電流抑制、功率因數矯正等多種控制功能，使配電變壓器實現智能化，控制功能豐富，對于實現配網的智能化具有重要的研究價值。

進一步的，磁通控制模塊不參與負荷功率傳遞，僅起控制作用，因此四個半橋斬波電路及繞組的功率等級很小，控制四個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，相比混合配電變壓器方案，所需獨立鐵芯的個數及功率變換繞組的個數較少，經濟性良好。

附圖說明

圖1為磁控式分時復用集成型智能配電變壓器整體結構圖。

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

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

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

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

圖6為磁控式分時復用集成型智能配電變壓器在混合補償模式下的磁通分布。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。應當理解，此處所述的實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)明所述磁控式分時復用集成型智能配電變壓器，包括主變壓器模塊30、補償模塊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)對應相上，其中一次繞組1為高壓側，繞在外面，二次繞組2為低壓側，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，傳遞電能的作用。

所述補償模塊31包括控制繞組3、補償繞組4、第二鐵芯柱(即補償變壓器鐵芯柱)、三相電壓型變流器20、濾波電感21、濾波電容22以及直流母線電容27?？刂评@組3、補償繞組4與第二鐵芯柱構成補償變壓器。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，補償繞組4(三相依次為補償繞組A相4a、補償繞組B相4b、補償繞組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)對應相上；其中，補償繞組4為高壓側，繞在外面，控制繞組3為低壓側，繞在里面。所述補償繞組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。三相電壓型變流器20通過濾波電感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，二者的中性點引出之后一起接入直流母線電容27的中點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(u、v、w)對應相連，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n_c，控制繞組3各相的末端(x₁、y₁、z₁)接在節(jié)點n₃，然后節(jié)點n_c、n₃均接入中點n。通過對三相電壓型變流器20各橋臂進行合理控制，可使控制繞組3及補償繞組4兩端的電壓或繞組中的電流按給定值變化，從而實現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)以及直流母線電容27。四個磁控繞組分別繞制在對應的四個橫磁控鐵芯上，四個橋臂與直流母線電容27構成四個半橋斬波電路，所述四個磁控繞組的一端共同接入直流母線電容27的中點n(圖1中接入了節(jié)點n₃，n₃與n為等位點)，另一端分別與對應的橋臂中點相連，具體為：第一磁控繞組5與第一橋臂23的中點n₅相連、第二磁控繞組6與第二橋臂24的中點n₆相連、第三磁控繞組7與第三橋臂25的中點n₇相連、第四磁控繞組8與第四橋臂26的中點n₈相連。分別控制四個半橋斬波電路的占空比便可獨立控制四個磁控繞組中的電流大小與方向，從而使得四個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、補償模塊31、磁通控制模塊32所包含的繞組繞在一副鐵芯結構上，該鐵芯結構包括上鐵軛13、第一鐵芯柱、四個橫磁控鐵芯、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應相連接為一體；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，四個橫磁控鐵芯與鐵芯結構其他部分也是連接為一體。

所述磁通控制模塊32是整個智能配電變壓器的關鍵，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，從而使補償模塊31的工作模式能夠根據實際工況在串聯(lián)補償模式、并聯(lián)補償模式、混合補償模式之間靈活切換。

所述串聯(lián)補償模式，整副鐵芯結構中的磁通分布如圖2所示。第一、第三磁控繞組5、7及第二、第四磁控繞組6、8產生的磁場分別對第一、第三橫磁控鐵芯15、17及第二、第四橫磁控鐵芯16、18中的磁場具有增強作用，而對縱磁控鐵芯各相中的磁場具有削弱作用。于是，主變壓器的主磁通不通過縱磁控鐵芯各相，而是經由第一鐵芯柱、上鐵軛13、第一橫磁控鐵芯15、第二橫磁控鐵芯16構成閉合回路(例如，依次經由上鐵軛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構成其中一個閉合回路)；主變壓器的主磁通只與一次繞組1、二次繞組2交鏈；補償變壓器的主磁通也不經過縱磁控鐵芯各相，而是經由第二鐵芯柱、第三橫磁控鐵芯17、第四橫磁控鐵芯18、下鐵軛14構成閉合回路(例如，依次經由下鐵軛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構成其中一個閉合回路)，主變壓器的主磁通只與控制繞組3、補償繞組4交鏈。此時主變壓器與補償變壓器相當于兩臺磁通獨立的變壓器，所述磁控式分時復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，由于補償繞組4與一次繞組1串聯(lián)。當電網電壓波動或負載變化導致二次繞組2兩端電壓偏離額定值時，通過控制補償模塊31中的三相電壓型變流器20便可改變補償繞組4輸出電壓的相位和幅值，該原理完全類似于DVR(動態(tài)電壓調節(jié)器)的工作原理，顯然能夠實現負載供電電壓的動態(tài)穩(wěn)定控制及不對稱補償。

所述并聯(lián)補償模式，整副鐵芯結構中的磁通分布如圖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)補償模式時的極性相反，其產生的磁場對第一、第三橫磁控鐵芯15、17及第二、第四橫磁控鐵芯16、18中的磁場具有削弱作用，而對縱磁控鐵芯中的磁場具有增強作用。于是，主變壓器與補償變壓器的主磁通均不經過各橫磁控鐵芯，而是經過上鐵軛13、第一鐵芯柱、縱磁控鐵芯、第二鐵芯柱、下鐵軛14構成閉合回路(例如，依次經由上鐵軛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構成一個閉合回路)。即一次繞組1、二次繞組2、控制繞組3、補償繞組4交鏈同一個磁通。由于一次繞組1和補償繞組4相互串聯(lián)、可將它們看作一個繞組，此時所述磁控式分時復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，根據磁勢平衡原理，一次繞組1(或補償繞組4)、二次繞組2、控制繞組3三者的電流應滿足下列方程

(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、補償繞組4的匝數，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，當i₂中包含無功、諧波、負序、零序分量時，通過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的正弦波。上述原理類似于并聯(lián)APF(有源濾波器)的工作原理，因此完全能夠實現進行電流補償，完成功率因數矯正、諧波電流抑制、不平衡負荷補償等控制任務。

所述混合補償模式，整副鐵芯中的磁通分布如圖6所示，四個磁控繞組的電流對四個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)補償與串聯(lián)補償模式之間時，整副鐵芯結構中有一部分磁通經過上鐵軛13、第一鐵芯柱、縱磁控鐵芯、第二鐵芯柱、下鐵軛14構成閉合回路，該部分磁通與主變壓器的一次繞組1、二次繞組2及補償變壓器的控制繞組3、補償繞組4均交鏈，作用與并聯(lián)補償模式相似。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、補償繞組4各自交鏈，磁通分布與串聯(lián)補償模式相似。此時整個智能配電變壓器兼具并聯(lián)補償模式及串聯(lián)補償模式的控制功能，但二者的作用程度均弱于各模式單獨運行的工況，而且此時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)補償模式與串聯(lián)補償模式之間的過渡模式。

所述磁控式分時復用集成型智能配電變壓器所涉及的變流器控制等相關內容則可借鑒APF、DVR等裝置的相關控制策略。

總之，本發(fā)明通過主變壓器與補償變壓器的集成設計將一臺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。基于磁通控制，使該配電變壓器主電路僅利用一臺變流器便既能進行串聯(lián)補償又能實現并聯(lián)補償，經濟性良好，控制功能豐富，對于實現配網的智能化具有重要的研究價值。