一种变压器直流偏磁电流抑制装置
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摘要：本实用新型公开了一种变压器直流偏磁电流抑制装置，该装置包括非线性(PTC)热敏电阻、氧化锌电阻、可控间隙两球电极、电流传感器、电压传感器、数字监控器和远程监控系统；氧化锌电阻与非线性(PTC)热敏电阻并联，用于保护非线性(PTC)热敏电阻，防止变压器中性点电压过高；可控间隙两球电极之间的距离可根据需要调整、整定；本装置结构简单、体积很小、安装方便、资金投入较少、不需要控制设备、不改变变压器正常运行时接地方式；本装置具有操作简单、对线路保护基本无影响、可以有效降低线路短路电流等特点。
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&一种变压器直流偏磁电流抑制装置，其特征在于：在变压器中性点与接地点之间设置有非线性热敏电阻，所述非线性热敏电阻串联连接在变压器中性点与接地点之间。
专利代理机构
进入国家日期具有无功补偿功能的变压器直流偏磁补偿装置及控制方法
专利名称具有无功补偿功能的变压器直流偏磁补偿装置及控制方法
技术领域本发明涉及电力电子领域，具体指一种既可以用于改善电网功率因数 又可以抑制变压器中性点直流偏磁的装置及其控制方法。
背景技术随着电力电子技术，计算机技术和控制理论的迅速发展，使高压直流输 电技术日趋完善。在大功率远距离输电、海底电缆和交流系统间异步连接等方面，直流输电 有许多独特的优越性。截至1996年低，世界上已投入运行的直流工程就有56项，输电容量 达54. 166GW。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 术将会在全国电网互联中起到重要作用。目前直流输电在我国已经得到了长足的发展和 应用，我国从自行建成的舟山100KV海底电缆直流输电开始，至今以先后建成三峡至常州 500KV直流输电工程、天广500KV直流输电工程、贵广500KV直流输电工程。直流输电在一 定条件下，是具有很大的经济效益。然而在实际运行中发现，当直流输电系统采用大地作为 回路的运行方式时，巨大的直流电流以大地构成回路，从大地中流过时会对附近的交流系 统产生影响。其对交流系统的影响主要是由接地极附近中性点直接接地的变压器直流偏磁 所引起的。在高压直流输电中，线路一般都采用单极大地回路的方式运行，例如天广输电网 就是采用这种运行方式，直流单极大地回路运行时，部分交流变压器会受到直流偏磁的影 响，会使得电网内部部分变压器振动加剧，噪声增加，励磁电流畸变，三广直流输电线路投 运以后类似事件一直出现。在贵广直流线路中，2004年5月的监测记录表明，贵广直流输电 线路单极大地回路运行方式下，春城站主变压器中性点直流电流达34. 5A，噪声达93. 9dB， 谐波电压总畸变率达2. 1 %。三峡龙泉——江苏政平500kV直流输电系统自2002年12月 调试和试运行以来，常州武南变电站两组500KVA主变压器均出现噪声大幅度上升(上升 20dB)。此外，除了高压直流输电工程可以引起直流偏磁现象外，地磁磁暴同样也可以引 起变压器的直流偏磁。由文献可以看出，引发电力变压器直流偏磁的还有地磁感应电流 (GIC)。地磁暴发生时，极电流产生的磁场和地球磁场相互作用在地球表面产生感应电势 (ESP)，该感应电势可达每公里1 IOV或更高。该地面电势将在长距离输电系统，特别是 东西走向的输电线路中的接地变压器间诱发地磁感应电流。该感应电流的频率在0. 001
0. IHz之间，与交流系统的50Hz工频相比可近似看作直流。日，磁暴引起的偏磁电流导致了加拿大魁北克电网的大停电，起因 是偏磁电流使变压器铁心急剧饱和，谐波大增，导致电网SVC装置的继电保护误动作，大量 电容器退出运行，系统电压崩馈，最终失去950CMW负荷，电网解列近9个小时。因此，研究 变压器的直流偏磁现象的抑制方法和措施对电力系统安全运行是事在必行的。在电网中，很多变压器都会受到了直流偏磁电流的影响，受到影响的变压器有的 是在换流器直流接地极附近，有的却是远离直流接地极[6]，还有的却是在东西走向输电线 路中。但有一点是肯定的，那就是变压器直流偏磁现象是由流入其中性点的直流电流引起 的。直流电流在两接地变压器间产生电位差，电流由一变压器接地中性点流入，从另一个变 压器中性点流出。流过变压器绕组的直流电流引起变压器的偏磁造成变压器铁心饱和，励
3磁电流畸变，产生大量谐波，无功损耗增加，甚至还可能引起系统电压严重降低，系统继电 器误动作等等。所以研究直流偏磁的抑制是势在必行的。但是仅仅只研究直流偏磁的抑制是远远不够的，应该将这个问题放入大电网系统 来考虑，既抑制了直流偏磁又不影响电网系统正常运行，或者还可以为电网系统做更大的 贡献，比如本发明，在静止无功补偿器的基础上增加抑制直流偏磁的结构。综上所述，直流偏磁是外间强加给变压器的，所以不但是将研究直流偏磁的抑制， 还要将抑制装置嵌入到静止无功功率补偿器中，以达到一个装置两种功效目的，这对电力 系统是具有重大的实际意义的。
发明目的本发明提供一种装置，将用于抑制直流偏磁的DC-DC变换器并联在用 于静止无功补偿的PWM整流器直流侧，目的在于降低用于抑制偏磁的装置的成本。技术方案本发明是通过以下技术方案实施的具有无功补偿功能的变压器直流偏磁补偿装置，其特征在于所述装置包括与电 网通过电抗器连接的PWM整流器，PWM整流器是由IGBT和续流二极管构成的三相整流桥 连接组成；PWM整流器作为整个装置的交流侧与直流侧并联，其中直流侧包括电容、电阻、 DC-DC变换器并联组成，在电阻与DC-DC变换器之间接入切换开关，其中DC-DC变换器由 IGBT、续流二极管连接组成；DC-DC变换器的一条线路连接地线，另一条线路通过扼流圈与 变压器连接，变压器通过中性线霍尔电流传感器与CPU连接；电网与CPU之间通过第一个 PLL锁相环电路连接；电抗器与CPU之间接入第二个PLL锁相环电路。直流侧由电容、电阻、保护电路、DC-DC变换器并联组成，在保护电路与电阻之间接 入切换开关；其中保护电路由电阻、IGBT、续流二极管连接组成。具有无功补偿功能的变压器直流偏磁补偿装置的控制方法，其特征在于所述控 制方法为通过交流侧对电网的无功功率进行补偿，通过直流侧对变压器的中性点直流偏磁 进行抑制，具体方法为当变压器发生直流偏磁现象时，通过中性线霍尔电流传感器将检测信号送入CPU， 然后CPU控制切换开关将DC-DC变换器接入到直流侧，开始产生直流电源来抑制直流偏磁， 当前状态下PWM整流器处于整流状态，只能工作在三、四象限，其中在三象限时PWM整流器 相当于电感，在四象限时PWM整流器相当于电容，既可以吸收有功功率又可以吸收无功功 率，其中有功功率远大于无功功率，当需要电位补偿时，有功功率能耗增大，检测信号反馈 给无功补偿的控制核心CPU，DC-DC变换器就可以利用这一有功功率来抑制直流偏磁；当变 压器无直流偏磁现象产生时，通过中性线霍尔电流传感器将检测信号送入CPU，CPU控制切 换开关断开，将DC-DC变换器从直流侧中切除，此时PWM整流器工作在接近纯电容状态下， 即Y轴负半轴；通过第一个PLL锁相环电路，根据瞬时无功功率理论，检测电网中的有功分量和 无功分量，同时得出所需要产生的无功电流，再通过第二个PLL锁相环电路检测电流信号， 根据瞬时无功功率理论，结合已知的电抗器的阻抗值，计算电位补偿所消耗的有功电流，将 以上由第一个PLL锁相环电路、第二个PLL锁相环电路所得出的两个检测信号输入CPU，产 生相应的触发脉冲，达到无功补偿和电位补偿的双重效果。
当变压器发生直流偏磁现象时，通过中性线霍尔电流传感器将检测信号送入CPU， 然后CPU控制切换开关将DC-DC变换器、保护电路接入到直流侧，开始产生直流电源来抑制 直流偏磁；当变压器无直流偏磁现象产生时，通过中性线霍尔电流传感器将检测信号送入 CPU, CPU控制切换开关断开，将DC-DC变换器、保护电路从直流侧中切除。优点及效果本发明通过在静止无功补偿的基础上增加抑制直流偏磁的结构，将 对直流偏磁抑制的研究放入到大电网系统来考虑，既抑制了直流偏磁，又不影响电网系统 的正常运行，实现了一个装置两种功效的目的，降低了抑制偏磁装置的成本，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。
图1为本发明的结构示意图；附图标记说明1 电网、2 电抗器、3 第一个PLL锁相环电路、4 :PWM整流器、5 =IGBT,6 直流侧、 7 保护电路、8 切换开关、9 扼流圈、10 :DC-DC变换器、11 变压器、12 中性线霍尔电流传 感器、13 :CPU、14 续流二极管、15 第二个PLL锁相环电路。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行具体说明图1为本发明的结构示意图，如图所示，电网1通过电抗器2与PWM整流器4连接， PWM整流器4是由六个IGBT5和续流二极管14构成的三相整流桥连接组成；PWM整流器4 与直流侧6并联，这里把PWM整流器4作为整个装置的交流侧；直流侧6由一个电容、一个 电阻、一个保护电路7、一个DC-DC变换器10依次并联组成，在电阻与护电路7之间接入切 换开关8 ；其中保护电路7由电阻、IGBT5、续流二极管14连接组成，DC-DC变换器10由四 个IGBT5、续流二极管14连接组成；DC-DC变换器10的一条线路连接地线，另一条线路通过 扼流圈9与变压器11连接，变压器11通过中性线霍尔电流传感器12与CPU13连接；电网 1与CPU13之间通过第一个PLL锁相环电路3连接；电抗器2与CPU13之间接入第二个PLL 锁相环电路15。整个装置的主要工作部分为交流侧和直流侧，交流侧可以对电网1的无功功率进 行补偿，通过直流侧对变压器11由中性点直流电流引起的偏磁进行抑制，其中交流侧为一 个电压型PWM整流器4，只不过让其运行在整流状态，即既从电网1吸收无功功率又吸收有 功功率的状态，吸收的有功功率用于降低线路损耗及抑制直流偏磁，吸收的无功功率用于 改善电网1的功率因素；直流侧主要部分是一个DC-DC变换器10，可以随着中性点的偏磁 电流大小而改变输出电压，从而对变压器11的中性点直流偏磁进行抑制。当变压器11发生直流偏磁现象时，通过中性线霍尔电流传感器12将检测信号送 入CPU13，然后CPU13控制切换开关8将保护电路7、DC_DC变换器10接入到直流侧6，开始 产生直流电源来抑制直流偏磁，当前状态下PWM整流器4处于整流状态，只能工作在三、四 象限，其中在三象限时PWM整流器4相当于电感，在四象限时PWM整流器4相当于电容，既可 以吸收有功功率又可以吸收无功功率，其中有功功率远大于无功功率，当需要电位补偿时， 有功功率能耗增大，检测信号反馈给无功补偿的控制核心CPU13，DC-DC变换器10就可以利用这一有功功率来抑制直流偏磁，此时保护电路7的作用是当直流母线上的电压超过安全 值时，过电压保护电路上的IGBT导通，通过此电路泄流，母线上的多余电能以热的形式散 发出去；当变压器11无直流偏磁现象产生时，通过中性线霍尔电流传感器12将检测信号送 入CPU13，CPU13控制切换开关8断开，将保护电路7、DC-DC变换器10从直流侧6中切除， 此时PWM整流器4工作在接近纯电容状态下，即Y轴负半轴。将六个IGBT5构成的三相整流桥通过电抗器2连接在电网1上，然后通过第一个 PLL锁相环电路3，根据瞬时无功功率理论，检测电网1中的有功分量和无功分量，同时得出 所需要产生的无功电流，再通过第二个PLL锁相环电路15检测电流信号，根据瞬时无功功 率理论，结合已知的电抗器2的阻抗值，计算电位补偿所消耗的有功电流，将以上由第一个 PLL锁相环电路3、第二个PLL锁相环电路15所得出的两个检测信号输入CPU13，产生相应 的触发脉冲，达到无功补偿和电位补偿的双重效果。所以，在控制整个装置时，要实现既保证PWM整流器4工作在第四象限，又要调节 DC-DC变换器10输出有用功率。
具有无功补偿功能的变压器直流偏磁补偿装置，其特征在于所述装置包括与电网(1)通过电抗器(2)连接的PWM整流器(4)，PWM整流器(4)是由IGBT(5)和续流二极管(14)构成的三相整流桥连接组成；PWM整流器(4)作为整个装置的交流侧与直流侧(6)并联，其中直流侧(6)包括电容、电阻、DC DC变换器(10)并联组成，在电阻与DC DC变换器(10)之间接入切换开关(8)，其中DC DC变换器(10)由IGBT(5)、续流二极管(14)连接组成；DC DC变换器(10)的一条线路连接地线，另一条线路通过扼流圈(9)与变压器(11)连接，变压器(11)通过中性线霍尔电流传感器(12)与CPU(13)连接；电网(1)与CPU(13)之间通过第一个PLL锁相环电路(3)连接；电抗器(2)与CPU(13)之间接入第二个PLL锁相环电路(15)。
2.根据权利要求1所述具有无功补偿功能的变压器直流偏磁补偿装置，其特征在于 直流侧(6)由电容、电阻、保护电路(7)、DC-DC变换器(10)并联组成，在保护电路(7)与电 阻之间接入切换开关⑶；其中保护电路⑵由电阻、IGBT(5)、续流二极管(14)连接组成。
3.如权利要求1所述具有无功补偿功能的变压器直流偏磁补偿装置的控制方法，其特 征在于所述控制方法为通过交流侧对电网(1)的无功功率进行补偿，通过直流侧对变压 器(11)的中性点直流偏磁进行抑制，具体方法为当变压器(11)发生直流偏磁现象时，通过中性线霍尔电流传感器(12)将检测信号送 入CPU (13)，然后CPU (13)控制切换开关(8)将DC-DC变换器(10)接入到直流侧(6)，开始 产生直流电源来抑制直流偏磁，当前状态下PWM整流器(4)处于整流状态，只能工作在三、 四象限，其中在三象限时PWM整流器⑷相当于电感，在四象限时P丽整流器⑷相当于电 容，既可以吸收有功功率又可以吸收无功功率，其中有功功率远大于无功功率，当需要电位 补偿时，有功功率能耗增大，检测信号反馈给无功补偿的控制核心CPU (13)，DC-DC变换器 (10)就可以利用这一有功功率来抑制直流偏磁；当变压器(11)无直流偏磁现象产生时，通 过中性线霍尔电流传感器(12)将检测信号送CPU (13)，CPU (13)控制切换开关⑶断开，将 DC-DC变换器(10)从直流侧(6)中切除，此时PWM整流器⑷工作在接近纯电容状态下，即 Y轴负半轴；通过第一个PLL锁相环电路(3)，根据瞬时无功功率理论，检测电网(1)中的有功分量 和无功分量，同时得出所需要产生的无功电流，再通过第二个PLL锁相环电路(15)检测电 流信号，根据瞬时无功功率理论，结合已知的电抗器⑵的阻抗值，计算电位补偿所消耗的 有功电流，将以上由第一个PLL锁相环电路(3)、第二个PLL锁相环电路(15)所得出的两个 检测信号输入CPU(13)，产生相应的触发脉冲，达到无功补偿和电位补偿的双重效果。
4.根据权利要求3所述具有无功补偿功能的变压器直流偏磁补偿装置的控制方法，其 特征在于当变压器(11)发生直流偏磁现象时，通过中性线霍尔电流传感器(12)将检测信 号送入CPU (13)，然后CPU (13)控制切换开关(8)将DC-DC变换器(10)、保护电路(7)接入 到直流侧(6)，开始产生直流电源来抑制直流偏磁；当变压器(11)无直流偏磁现象产生时， 通过中性线霍尔电流传感器(12)将检测信号送CPU (13)，CPU (13)控制切换开关⑶断开， 将DC-DC变换器(10)、保护电路(7)从直流侧(6)中切除。
具有无功补偿功能的变压器直流偏磁补偿装置及控制方法，所述装置包括与电网通过电抗器连接的PWM整流器，PWM整流器作为交流侧与直流侧并联，直流侧、变压器、中性线霍尔电流传感器、CPU依次连接；电网与CPU之间、电抗器与CPU之间均连接有PLL锁相环电路；所述方法为通过交流侧对电网的无功功率进行补偿，通过直流侧对变压器的中性点直流偏磁进行抑制。本发明通过在静止无功补偿的基础上增加抑制直流偏磁的结构，将对直流偏磁抑制的研究放入到大电网系统来考虑，既抑制了直流偏磁，又不影响电网系统的正常运行，实现了一个装置两种功效的目的，降低了抑制偏磁装置的成本，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。
文档编号H02J3/18GKSQ
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者刘宗伟, 张志佳, 白保东 申请人:沈阳工业大学