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CN116707009A - 一种电力电子混合式配电变压器 - Google Patents

一种电力电子混合式配电变压器 Download PDF

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CN116707009A CN202310869150.5A CN202310869150A CN116707009A CN 116707009 A CN116707009 A CN 116707009A CN 202310869150 A CN202310869150 A CN 202310869150A CN 116707009 A CN116707009 A CN 116707009A
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张娜
刘波
张立志
梁得亮
柳轶彬
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Tebian Electric Ltd By Share Ltd
Xian Jiaotong University
TBEA Intelligent Electric Co Ltd
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Tebian Electric Ltd By Share Ltd
Xian Jiaotong University
TBEA Intelligent Electric Co Ltd
TBEA Beijing Tianjin Hebei Intelligent Technology Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种电力电子混合式配电变压器，包括：配电变压器和电力电子电能转换设备，配电变压器包括：辅助绕组；电力电子电能转换设备包括：第一变流器，第一变流器与辅助绕组连接，由此，借助于辅助绕组和第一变流器的连接，可实现配电变压器与电力电子电能转换设备的连接，进而可综合电力电子电能转换设备和传统的配电变压器的优点，实现二者在成本和功能上的优势互补。具体地，借助传统配电变压器高效且低成本的优势实现电网能量的传输，同时依靠电力电子电能转换设备控制电压以及有功功率、无功功率，并滤除谐波、平衡负载电流，为负载提供更稳定可靠的电能，保证良好的电网电能质量。

Description

一种电力电子混合式配电变压器
技术领域
本发明实施例涉及变压器技术领域，尤其涉及一种电力电子混合式配电变压器。
背景技术
传统配电变压器具备结构简单、运行效率高、运行可靠及成本较低等优点，但传统配电变压器的可控性差且功能单一，例如：其仅能实现电压变换、隔离和能量传输，而无法实现对电压和电流的调节控制，不能参与电网其他设备的互动，且传统配电变压器无直流输出，不利于可再生能源的并网运行，难以满足配网智能化的需求。
而电力电子变压器虽然可实现电压、电流、功率因数的可控，且可连接交直流电网，便于分布式能源的接入，但其功率比传统变压器小，且由于电力电子变压器受制于目前电子器件的特性、成本等，难以在大容量场合进行推广，另外，其结构复杂，高度模块化、需要大量变流器模块，导致可靠性较低，不易进行各端口的功率协同优化控制。
发明内容
本发明实施例提供一种电力电子混合式配电变压器，以解决相关技术中，传统配电变压器的可控性差且功能单一，而电力电子变压器的结构复杂、可靠性低、不易于推广的技术问题。
本发明实施例提供一种电力电子混合式配电变压器，包括：配电变压器和电力电子电能转换设备；
所述配电变压器包括：辅助绕组；
所述电力电子电能转换设备包括：第一变流器；
所述第一变流器与所述辅助绕组连接。
可选的，所述电力电子电能转换设备还包括：第二变流器；
所述第二变流器连接负载回路。
可选的，所述配电变压器还包括：一次侧绕组和二次侧绕组；
所述一次侧绕组与电网末端连接，用于接收所述电网输入的电能；
所述二次侧绕组与负载回路连接，用于向所述负载回路输出电能。
可选的，所述电力电子电能转换设备还包括：变换器；
所述配电变压器的箱体与所述变换器的箱体集成设计，所述箱体上设置有通风口和隔热层。
可选的，所述二次侧绕组、所述一次侧绕组和所述辅助绕组，以所述配电变压器的中心为基准，依次由内到外而设置。
可选的，所述一次侧绕组的绕组方式为角接方式；所述二次侧绕组的绕组方式为首尾出头不联结方式；所述辅助绕组的绕组方式为星接方式，并引出中性点出头；所述二次侧绕组的绕组出头、所述辅助绕组的绕组出头和所述中性点出头从所述配电变压器的箱体的侧壁引出。
可选的，所述电力电子电能转换设备还包括：传感器、晶闸管和监测器；
所述二次侧绕组的绕组出头均与所述传感器连接；
所述辅助绕组的绕组出头均与所述晶闸管连接；
所述中性点出头与所述监测器连接。
可选的，所述电力电子电能转换设备还包括：L型滤波器；
所述第一变流器为CVp变流器，所述第一变流器与所述L型滤波器连接。
可选的，所述电力电子电能转换设备还包括：LC型滤波器；
所述第二变流器为CVt变流器；所述第二变流器与所述LC型滤波器连接。
可选的，所述电力电子电能转换设备还包括：电压传感器、电流传感器、直流母线电容、滤波电容、阻尼电阻。
由此，本发明实施例提供一种电力电子混合式配电变压器，包括：配电变压器和电力电子电能转换设备，配电变压器包括：辅助绕组；电力电子电能转换设备包括：第一变流器，第一变流器与辅助绕组连接，由此，借助于辅助绕组和第一变流器的连接，可实现配电变压器与电力电子电能转换设备的连接，进而可综合电力电子电能转换设备和传统的配电变压器的优点，实现二者在成本和功能上的优势互补。具体地，借助传统配电变压器高效且低成本的优势实现电网能量的传输，同时依靠电力电子电能转换设备控制电压以及有功功率、无功功率，并滤除谐波、平衡负载电流，为负载提供更稳定可靠的电能，保证良好的电网电能质量。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的一种电力电子混合式配电变压器的结构框图；
图2示出了根据本发明实施例的一种电力电子混合式配电变压器的三相电路接线图；
图3示出了根据本发明实施例的一种电力电子混合式配电变压器的变换器拓扑图。
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得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了根据本发明实施例的一种电力电子混合式配电变压器的结构框图，如图1所示，电力电子混合式配电变压器包括：配电变压器和电力电子电能转换设备，配电变压器包括：辅助绕组W3k；电力电子电能转换设备包括：第一变流器(图1中的CVp变流器)；第一变流器与辅助绕组W3k连接，从而可实现配电变压器与电力电子电能转换设备的连接，且配电变压器和电力电子电能转换设备作为一个整体(电力电子混合式配电变压器)可参与电网其他设备的互动。
在一种可能的实现方式中，电力电子电能转换设备由控制电路、驱动电路、电压及电流检测电路板、PWM变流器、功率继电器等电子元器件构成，其中，电压电流检测电路板具备控制、保护和电源供电等功能，电压电流检测电路板可便于维护；电力电子电能转换设备还包括：弱电控制电路板，其可实现电流补偿电路、电压补偿回路的投入与切除；电力电子电能转换设备还包括：三相变流器，三相变流器使用IGBT作为开关器件，可选的，IGBT耐压不小于1500V，承受电流不小于100A。
在一种可能的实现方式中，如图1所示，电力电子混合式配电变压器的本体绕组由三部分组成，分别为一次侧绕组W1k、二次侧绕组W2k及辅助绕组W3k。其中，一次侧绕组W1k与电网末端(图1中，Usk代表电网)相连，二次侧绕组W2k与负载回路(图1中所示的负载)相连，辅助绕组(三次侧绕组)W3k与第一变流器(图1中所示的CVp变流器)相连，第一变流器负责一次侧电流控制。电力电子电能转换设备还包括：第二变流器(图1中所示的CVt变流器)，第二变流器与负载回路相连，负责负载回路的电压控制。
在一种可能的实现方式中，以配电变压器的中心为参考点，三个绕组的设置顺序由内到外(从配电变压器的中心到边缘/外侧)分别为二次侧绕组W2k、一次侧绕组W1k和辅助绕组W3k，即辅助绕组W3k设计在配电变压器的最外侧。且上述三相绕组的绕组方式分别为：一次侧绕组W1k的绕组方式为角接方式；二次侧绕组W2k的绕组方式为首尾出头不联结方式；辅助绕组W3k的绕组方式为星接方式，并引出中性点出头n2(如图2和图3所示)。且二次侧绕组W2k的绕组出头x2、y2、z2(如图2和图3所示)、辅助绕组W3k的绕组出头a3、b3、c3(如图2和图3所示)以及中性点出头n2均从配电变压器的箱体(变压器油箱)的侧壁引出。
在一种可能的实现方式中，如图2所示，除上述的x2、y2、z2、n2以及a3、b3、c3之外，A、B、C代表一次侧绕组W1A的一端绕组出头，X1、Y1、Z1代表一次侧绕组另一端的绕组出头；a2、b2、c2代表二次侧绕组W2a的另一端绕组出头；x3、y3、z3代表辅助绕组W3a的另一侧绕组出头。
在一种可能的实现方式中，二次侧绕组W2k的绕组出头x2、y2、z2均与电力电子电能转换设备的传感器连接(通过传感器监测信号线连接)；辅助绕组W3k的绕组出头a3、b3、c3均与电力电子电能转换设备的晶闸管连接(通过晶闸管控制信号线连接)；中性点出头n2与电力电子电能转换设备的监测器连接(例如：监测器可用于对配电变压器的电压进行监测，中性点出头通过电压信号线与监测器连接)，由此，可实现对配电变压器的数据(例如：配电变压器的电压、电流和频率等)的采集及监测功能。
具体来说，电力电子电能转换设备中的传感器，可以获取来自二次侧绕组W2k的电流(如图3中，与x2、y2、z2相连接的电流传感器)、电压等数据，并将其传输给电力电子电能转换设备，以对配电变压器进行实时的监测和分析，以了解配电变压器的工作状态、负载情况等重要参数，例如：可监测温度、振动、磁场等参数；还可以检测异常情况，如：过载、短路等故障。通过晶闸管，电力电子电能转换设备可以对配电变压器进行调节，例如：调节配电变压器的输出电压、频率等参数，以满足特定的电能转换要求。通过监测器(如：电压信号监测器)，电力电子电能转换设备可实时监测并记录配电变压器的输入电压和输出电压的波形、电压稳定性等信息，以辅助分析电力系统的电压质量、检测电压异常等情况。综上，通过将配电变压器的绕组出头与电力电子电能转换设备相连接，可以实现对配电变压器的数据采集、监测和控制功能，从而提高配电变压器的运行效率、安全性和可靠性。
在一种可能的实现方式中，如图3所示，本发明实施例的电力电子电能转换设备所包括的第一变流器为CVp变流器，可在CVp侧配置L型(Lp)滤波器(图3中所示的滤波电感LP)，L型(Lp)滤波器具备结构简单且系统的稳定裕度高的效果，而第二变流器可以为CVt变流器，可在CVt侧配置LC型(Lt、Ctf)滤波器(图3中所示的滤波电感Lt)，LC型(Lt、Ctf)滤波器具备结构简单、滤波性能优良的效果。需要说明的是，可根据稳定性及动静态特性计算滤波器的参数，并以符合性能最优化与经济性原则进行选配。
在一种可能的实现方式中，本发明实施例的电力电子电能转换设备还包括：8个电压传感器、6个电流传感器(如图3所示的电流传感器)、2个直流母线电容CD、3个滤波电容Cf、3个阻尼电阻Rf(可防止谐振)、3个CVp滤波电感LP(上述的L型滤波器)、3个CVt滤波电感Lt(上述的LC型滤波器)组成。其中，电压传感器主要用于测量直流母线上/下电容电压、CVp变流器三相输入电压及三相负载电压，电流传感器主要用于测量CVp变流器三相输入电流与CVt变流器输出电流。
需要说明的是，出于成本和节约资源考虑，本发明实施例中的电力电子电能转换设备在实现功能的基础上，可尽量减小尺寸。例如：可通过将配电变压器的箱体与电力电子电能转换设备中的变换器的箱体集成设计，而减少空间占用，并提高电力电子混合式配电变压器整体的紧凑性和整体性能，这不仅有利于减小电力电子混合式配电变压器整体的体积和重量，还可以提高其整体效率和可靠性。且箱体上可设置通风口和隔热层，以保障电子元器件的有效散热环境，还可布置风机，以防止电子元器件的运行过热，避免电子元器件的运行温度超过最大温度阈值，保障电子元器件的使用寿命。
综上，本发明实施例所述的电力电子混合式配电变压器，具备如下优点：
1、综合了电力电子电能转换设备和传统的配电变压器的优点，可实现二者在成本和功能上的优势互补，具有除电压等级变换、电能传输、电气隔离等基本功能外，还具备丰富的控制功能，包括电能质量治理与线路功率的优化控制两大方面。具体地，借助传统配电变压器高效且低成本的优势实现电网能量的传输，同时依靠电力电子电能转换设备控制电压以及有功功率、无功功率，并滤除谐波、平衡负载电流，为负载提供更稳定可靠的电能，保证良好的电网电能质量。
2、电力电子混合式配电变压器可实时补偿负载电流中的谐波、无功功率等有害分量，功率因数可达到94％以上，补偿容量可达30％，总谐波失真可控制在3％以内；
3、电力电子混合式配电变压器中的电力电子电能转换设备本体直流母线电压可实现稳定控制，在扰动作用下的电压波动可低于4％；且可实时抑制来自电网侧的电压波动、畸变等有害分量，使负载电压始终稳定在额定值附近；可连接交直流电网，有利于可再生能源的并网运行；且电力电子电能转换设备可免去隔离变压器、具备拓扑结构简单，安装方式便捷，控制可靠性高的优点。
4、基于上述的配电变压器的绕组出头与电力电子电能转换设备相连接，电力电子混合式配电变压器可以实现对配电变压器的数据采集和监测和控制功能，从而提高配电变压器的运行效率、安全性和可靠性；且对配电变压器的运行状态进行监测与控制，能够有效防止故障扩散；通过电力电子电能转换设备进行实时自动的控制，配电变压器可实现智能运维，从而节省运维成本。
5、电力电子混合式配电变压器可广泛应用在配网自动化和农网改造中，另外，新能源接入配网、交直流配网混合并存的局面已成为未来配网的发展趋势，本发明实施例所示的电力电子混合式配电变压器可利用变换器直流母线接入新能源发电，实现交直流功率的协调配合，有广阔的市场前景。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种电力电子混合式配电变压器，其特征在于，包括：配电变压器和电力电子电能转换设备；
所述配电变压器包括：辅助绕组；
所述电力电子电能转换设备包括：第一变流器；
所述第一变流器与所述辅助绕组连接。
2.根据权利要求1所述的电力电子混合式配电变压器，其特征在于，所述电力电子电能转换设备还包括：第二变流器；
所述第二变流器连接负载回路。
3.根据权利要求1所述的电力电子混合式配电变压器，其特征在于，所述配电变压器还包括：一次侧绕组和二次侧绕组；
所述一次侧绕组与电网末端连接，用于接收所述电网输入的电能；
所述二次侧绕组与负载回路连接，用于向所述负载回路输出电能。
4.根据权利要求1所述的电力电子混合式配电变压器，其特征在于，所述电力电子电能转换设备还包括：变换器；
所述配电变压器的箱体与所述变换器的箱体集成设计，所述箱体上设置有通风口和隔热层。
5.根据权利要求3所述的电力电子混合式配电变压器，其特征在于，所述二次侧绕组、所述一次侧绕组和所述辅助绕组，以所述配电变压器的中心为基准，依次由内到外而设置。
6.根据权利要求5所述的电力电子混合式配电变压器，其特征在于，
所述一次侧绕组的绕组方式为角接方式；所述二次侧绕组的绕组方式为首尾出头不联结方式；所述辅助绕组的绕组方式为星接方式，并引出中性点出头；所述二次侧绕组的绕组出头、所述辅助绕组的绕组出头和所述中性点出头从所述配电变压器的箱体的侧壁引出。
7.根据权利要求6所述的电力电子混合式配电变压器，其特征在于，所述电力电子电能转换设备还包括：传感器、晶闸管和监测器；
所述二次侧绕组的绕组出头均与所述传感器连接；
所述辅助绕组的绕组出头均与所述晶闸管连接；
所述中性点出头与所述监测器连接。
8.根据权利要求1所述的电力电子混合式配电变压器，其特征在于，所述电力电子电能转换设备还包括：L型滤波器；
所述第一变流器为CVp变流器，所述第一变流器与所述L型滤波器连接。
9.根据权利要求2所述的电力电子混合式配电变压器，其特征在于，所述电力电子电能转换设备还包括：LC型滤波器；
所述第二变流器为CVt变流器；所述第二变流器与所述LC型滤波器连接。
10.根据权利要求1所述的电力电子混合式配电变压器，其特征在于，所述电力电子电能转换设备还包括：电压传感器、电流传感器、直流母线电容、滤波电容、阻尼电阻。
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