基于磁链控制的变压器及励磁涌流抑制方法技术

本发明专利技术公开一种基于磁链控制的变压器及励磁涌流抑制方法，在变压器的二次绕组或辅助绕组接入一小容量DC/AC变流器，在空载合闸之前，检测一次侧电网电压的相位，根据绕组电压与铁芯磁链之间的关系，导出铁芯磁链的参考指令。在同步旋转坐标系下构建铁芯磁链闭环PI控制系统，以控制变流器的输出电压，使铁芯磁链对磁链参考值进行无静差跟踪，从而在空载合闸之前能够在铁芯中预先建立一个与电网电压相位差为90度的正弦同步磁链。通过上述措施，无论变压器何时合闸，铁芯磁链将直接处于稳态而无暂态过程，从而能彻底消除励磁涌流。

Suppression method of transformer and inrush current based on flux linkage control

The invention discloses a method for restraining inrush current of transformer and excitation based on flux control. The transformer's secondary winding or auxiliary winding is connected with a small capacity DC/AC converter, and the phase of the primary grid voltage is detected before no-load switching on. According to the relationship between the winding voltage and the core flux, the reference of the core flux is derived. Instructions. The closed-loop PI control system of the core flux is constructed in the synchronous rotating coordinate system to control the output voltage of the converter, so that the core flux can track the reference value of the flux without static error, so that a sinusoidal synchronous flux with 90 degree difference of the voltage phase between the core and the grid can be established in advance before the no-load switching on. Through the above measures, no matter when the transformer closes, the core flux will be directly in a steady state without transient process, thus eliminating the inrush current thoroughly.

【技术实现步骤摘要】
基于磁链控制的变压器及励磁涌流抑制方法
本专利技术属于变压器
，涉及变压器励磁涌流抑制。
技术介绍
变压器空载合闸接入电网时，铁芯磁链除包含正弦稳态分量外，往往还包含相应的直流分量(直流偏磁)，偏磁较大时往往会使铁芯饱和而引发励磁涌流。励磁涌流虽然持续时间不长，但往往能达到额定电流的6-8倍，从而会导致保护装置误动作。为此，诸多科技工作者针对励磁涌流的检测与识别进行了研究，以避免继电保护装置的误动作。事实上，励磁涌流对电网中的敏感设备具有很大的危害。此外，其中的谐波、无功分量数值较大，会对电网造成严重污染。因此，消除励磁涌流才能从根本上解决以上问题。研究表明，励磁涌流的大小与铁芯的直流偏磁程度密切相关，而偏磁大小则与铁芯剩磁及合闸时刻密切相关。从理论上讲，通过精确测量剩磁极性及大小，并控制断路器的合闸相角，使直流偏磁为零，便可以有效抑制励磁涌流。然而实际变压器一般通过真空断路器进行合闸，其合闸时间具有较大的分散性，精确的相位控制很难实现。对于传统变压器来讲，合闸前铁芯磁链仅为剩磁，合闸后，铁芯磁链由电网电压决定，由于电网电压不可控，因此铁芯磁链也不可控。由此可见，要消除励磁涌流，必须在合闸之前实现磁链控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于磁链控制的变压器及励磁涌流抑制方法。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于磁链控制的变压器，包括主变压器、DC/AC变流器以及与DC/AC变流器的直流母线电容并联的小功率辅助电源，DC/AC变流器与主变压器的二次绕组或辅助绕组相连。在单相应用场合，主变压器采用单相双绕组或单相三绕组结构，DC/AC变流器采用单相全桥变流器。在三相应用场合，主变压器采用三相双绕组或三相三绕组结构，DC/AC变流器采用电容中点引出的三相半桥变流器。优选的，所述基于磁链控制的变压器还包括通过控制DC/AC变流器以在主变压器接入电网前建立主变压器铁芯同步稳态磁链的铁芯磁链控制模块。优选的，所述铁芯磁链控制模块在主变压器空载合闸之前，通过控制DC/AC变流器的端电压，使主变压器铁芯磁链实时跟踪给定的稳态指令以消除直流偏磁。优选的，无论三相还是单相应用场合，采用双绕组结构时，主变压器包括一次绕组和二次绕组。采用三绕组结构时，主变压器包括一次绕组、二次绕组和辅助绕组。主变压器的一次绕组通过网侧断路器接入电网，二次绕组为负载供电。优选的，所述单相全桥变流器由连接电感及相并联的2个桥臂和1个直流母线电容构成。所述三相半桥变流器由对应三相的连接电感及相并联的3个桥臂和直流母线构成，直流母线上设置有2个串联在一起的直流母线电容。所述辅助电源由相串联的限流电阻、直流侧断路器和蓄电池构成，用于在合闸前给直流母线电容限流上电。主变压器合闸接入电网之后，直流侧断路器断开，使该辅助电源退出。优选的，在单相应用场合，当采用双绕组结构时，单相全桥变流器并联在二次绕组两端；当采用三绕组结构时，单相全桥变流器并联在辅助绕组两端。在三相应用场合，当采用双绕组结构时，二次绕组采用三相四线方式为负载供电，电容中点引出的三相半桥变流器各相输出端与对应相二次绕组首端相连，电容中点与二次绕组中性点相连；当采用三绕组结构时，辅助绕组采用星型中性点引出接法，电容中点引出的三相半桥变流器各相输出端与对应相辅助绕组首端相连，电容中点与辅助绕组中性点相连。一种基于磁链控制的变压器励磁涌流抑制方法，包括以下步骤：在原有变压器(即上述主变压器)的二次绕组或辅助绕组上并接一DC/AC变流器。在主变压器接入电网之前，通过控制DC/AC变流器以提前建立铁芯的同步稳态磁链，从而能彻底消除电网合闸时的励磁涌流。所述励磁涌流抑制方法具体包括以下步骤：1)在主变压器通过网侧断路器空载合闸之前，利用上述小功率辅助电源为DC/AC变流器的直流母线电容限流上电，当DC/AC变流器母线电容达到稳定值后，该辅助电源退出；2)经过步骤1)后，通过控制DC/AC变流器的端电压对铁芯磁链进行控制，使主变压器铁芯磁链实时跟踪给定的稳态指令以消除直流偏磁，从而能从根本上消除励磁涌流。网侧断路器合闸之后，变流器停止工作，跟踪结束。优选的，所述步骤2)中，对铁芯磁链进行控制包括以下步骤：在单相应用场合，检测单相电网电压，通过单相锁相环计算得出电网电压的相位，用作坐标变换时的相位参考信号。根据铁芯磁链幅值与电网电压有效值之间的关系，算出磁链的幅值，将磁链的幅值作为dq同步旋转坐标系下q轴磁链的参考值。检测铁芯磁链瞬时值，并通过90度延迟构造该瞬时值在两相静止坐标系下的正交磁链信号，对两相静止坐标系下的磁链信号进行坐标变换，将通过坐标变换得出的dq同步旋转坐标系下的q轴磁链信号作为磁链瞬时反馈值，将该反馈值与所述参考值的偏差送入PI控制器进行计算，得出磁链的q轴调制信号，令磁链的d轴调制信号为0，对dq同步旋转坐标系下的磁链调制信号进行坐标反变换，得到静止坐标系下的磁链调制信号，对其中静止坐标系下α轴的磁链调制信号进行SPWM调制，得出变流器的驱动脉冲以驱动单相全桥变流器发出脉冲电压，从而控制铁芯磁链。优选的，所述步骤2)中，对铁芯磁链进行控制包括以下步骤：在三相应用场合，检测三相电网电压，通过三相锁相环计算得出电网电压的相位，用于坐标变换时的相位参考信号。根据铁芯磁链幅值与电网电压有效值之间的关系，算出磁链的幅值，将磁链的幅值作为dq0同步旋转坐标系下q轴磁链的参考值，令d轴与0轴磁链的参考值为0。检测三相铁芯磁链瞬时值，得到三相静止坐标系下a轴、b轴、c轴的磁链信号，对三相静止坐标系下的磁链信号进行坐标变换，将通过坐标变换得到的dq0同步旋转坐标系下的d轴、q轴、0轴的磁链信号作为磁链瞬时反馈值，将d轴、q轴及0轴反馈值与对应磁链的参考值的偏差分别送入PI控制器进行计算，得到磁链的d轴、q轴及0轴调制信号，对dq0同步旋转坐标系下的磁链调制信号进行坐标反变换，得出三相静止坐标系下a轴、b轴、c轴的调制信号，对各调制信号进行SPWM调制，得出变流器的驱动脉冲以驱动电容中点引出的三相半桥变流器发出脉冲电压，从而控制三相铁芯的磁链。优选的，所述步骤2)中，当网侧断路器合闸之后，封锁变流器的驱动脉冲，使变流器停止工作，跟踪结束。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过将DC/AC变流器接入变压器，在空载合闸之前，利用变流器提前在铁芯中构建与电网电压同步的正弦稳态磁链，从而能有效避免直流偏磁引起的励磁涌流。本专利技术对断路器的合闸时刻没有任何限制，不再需要精确控制断路器的合闸相角，不存在合闸时刻的分散性问题，无论何时合闸，磁链都将直接处于稳态，从而能从根本上消除励磁涌流。附图说明图1a为单相三绕组变压器励磁涌流抑制方案的主电路拓扑示意图。图1b为单相双绕组变压器励磁涌流抑制方案的主电路拓扑示意图。图2a为三相三绕组变压器励磁涌流抑制方案的主电路拓扑示意图。图2b为三相双绕组变压器励磁涌流抑制方案的主电路拓扑示意图。图3为变压器铁芯磁链控制框图，其中：(a)单相应用场合；(b)三相应用场合。图4为涌流抑制前后铁芯磁链标幺值及一次绕组电流波形图，其中：(a)无磁链控制；(b)有磁链控制。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述。应当理解，此处所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁链控制的变压器，其特征在于：包括主变压器、DC/AC变流器以及辅助电源；所述主变压器采用单相双绕组或单相三绕组结构，且DC/AC变流器采用单相全桥变流器，或者，所述主变压器采用三相双绕组或三相三绕组结构，且DC/AC变流器采用电容中点引出的三相半桥变流器；辅助电源与DC/AC变流器的直流母线电容并联，DC/AC变流器的输出端与主变压器的二次绕组或辅助绕组相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁链控制的变压器，其特征在于：包括主变压器、DC/AC变流器以及辅助电源；所述主变压器采用单相双绕组或单相三绕组结构，且DC/AC变流器采用单相全桥变流器，或者，所述主变压器采用三相双绕组或三相三绕组结构，且DC/AC变流器采用电容中点引出的三相半桥变流器；辅助电源与DC/AC变流器的直流母线电容并联，DC/AC变流器的输出端与主变压器的二次绕组或辅助绕组相连。2.根据权利要求1所述一种基于磁链控制的变压器，其特征在于：所述基于磁链控制的变压器还包括通过控制DC/AC变流器以在主变压器接入电网前建立主变压器铁芯同步稳态磁链的铁芯磁链控制模块。3.根据权利要求2所述一种基于磁链控制的变压器，其特征在于：所述铁芯磁链控制模块在主变压器空载合闸之前，通过控制DC/AC变流器的端电压，使主变压器铁芯磁链实时跟踪给定的稳态指令以消除直流偏磁。4.根据权利要求1所述一种基于磁链控制的变压器，其特征在于：采用双绕组结构时，主变压器包括一次绕组和二次绕组，DC/AC变流器的输出端与主变压器的二次绕组相连；采用三绕组结构时，主变压器包括一次绕组、二次绕组和辅助绕组，DC/AC变流器的输出端与主变压器的辅助绕组相连；主变压器的一次绕组通过网侧断路器接入电网，二次绕组为负载供电。5.根据权利要求1所述一种基于磁链控制的变压器，其特征在于：所述单相全桥变流器包括连接电感及相并联的2个桥臂和1个直流母线电容，主变压器的二次绕组或辅助绕组通过连接电感接入其中一个桥臂的中点；所述三相半桥变流器包括对应三相的连接电感及相并联的3个桥臂和直流母线，直流母线上设置有2个串联的直流母线电容，主变压器的对应相二次绕组或辅助绕组通过连接电感接入对应一个桥臂的中点；所述辅助电源包括相串联的限流电阻、直流侧断路器和蓄电池。6.根据权利要求1所述一种基于磁链控制的变压器，其特征在于：当采用单相双绕组结构时，单相全桥变流器并联在主变压器的二次绕组两端；当采用单相三绕组结构时，单相全桥变流器并联在主变压器的辅助绕组两端；当采用三相双绕组结构时，主变压器的二次绕组采用三相四线方式为负载供电，电容中点引出的三相半桥变流器各相输出端与主变压器的对应相二次绕组首端相连，电容中点与主变压器的二次绕组中性点相连；当采用三相三绕组结构时，主变压器的辅助绕组采用星型中性点引出接法，电容中点引出的三相半桥变流器各相输出端与主变压器的对应相辅助绕组首端相连，电容中点与主变压器的辅助绕组中性点相连。7.一种基于磁链控制的变压器励磁涌流抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：在主变压器的二次绕组或辅...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳轶彬，梁得亮，梁阳，张明康，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61