基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置制造方法
【专利摘要】一种基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置，其特征是：包括由高压变频电源输出连接升压变压器构成的现场试验电源以及：高压补偿滤波器、高压电容，和辅助测量器具组成，由现场试验电源的输出端根据试验项目的种类通过并联高压补偿滤波器或高压电容连接到被试变压器，共同组成可车载移动、成套的大型变压器现场试验集成装置。本实用新型在保证试验电压波形质量的情况下，有效减少整套试验装置的容量；整套车载装置能快速、便捷地完成大型变压器（包括特高压变压器）的现场空载、负载、温升试验，是一种新型的大型变压器车载试验平台，填补了领域的空白。
【专利说明】基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及大型高压变压器的试验装置，具体说是一种基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置。
【背景技术】
[0002]变压器是输送电能的重要设备之一，变压器的质量和可靠性直接关系到电力输送的安全可靠性，直接影响到工农业生产和人民生活用电的正常供应。变压器的试验技术是诊断变压器是否存在缺陷或故障的有效手段之一。
[0003]近年来，特高压和跨区电网建设工程蓬勃发展，越来越多的大型变压器投运。这些变压器电压等级高、容量大、体积大、重量重、成品运输困难。在一些特高压工程建设规划中，国家电网公司创造性提出变压器现场组装、现场进行出厂型式试验的建设模式。这对大型变压器现场试验技术提出了极高的要求；同时，也要求试验装置体积小重量轻、移动方便快捷、便于现场应用，这对研制大型变压器现场试验装置提出了巨大的挑战。
[0004]特高压大型变压器进行现场型式试验在国内外尚属首次，没有直接应用的标准，也没有成熟的经验可供借鉴。为解决实际问题，本实用新型着手研究并提供了可供大型变压器(包括特高压变压器)进行现场试验的成套集成装置。
【发明内容】
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种小体积、大容量的可移动、成套的基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置，以弥补现有技术的空白。
[0006]所述基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置，其特征是:所述试验集成装置包括现场试验电源、高压补偿滤波器、高压电容，和辅助测量器具，其中现场试验电源由高压变频电源输出连接升压变压器构成，所述的辅助测量器具包括直阻测试仪、温度传感器、红外热像仪、互感器和功率分析仪，由现场试验电源的输出端根据试验项目的种类通过并联高压补偿滤波器或高压电容连接到被试变压器，所述互感器连接到被试变压器的输入侧，高压补偿滤波器或高压电容以及其它辅助测量器具可根据被试变压器的空载试验或负载试验、温升试验的需要变更相应的接线方式，共同组成可车载移动、成套的大型变压器现场试验集成装置。
[0007]—种实施方式是，在被试变压器进行空载试验时，在升压变压器和被试变压器之间除电压互感器外仅不间断并联连接一组或多组高压补偿滤波器，所述高压补偿滤波器是RLC滤波器；在所述被试变压器的输入侧接入电压和电流互感器，并在电压和电流互感器的输出端连接功率分析仪。
[0008]进一步地，所述高压补偿滤波器的特征频率为被试变压器额定频率的奇数倍，所述高压滤波器的品质因数Q的取值范围为大于等于10，小于等于50，所述高压滤波器的容量按下式计算:Sf=UmX IfN，其中Sf为高压滤波器的容量，Um为最高试验电压，IfN为高压滤波器特征频率所对应的谐波电流分量。[0009]另一种实施方式是，在被试变压器进行负载或温升试验时，在升压变压器和被试变压器之间除电压互感器外仅并联连接高压电容，所述高压电容是电力电容器，在所述被试变压器的输入侧接入电压和电流互感器，并在电压和电流互感器的输出端连接功率分析仪，并安装温度传感器和温度巡测仪、红外热像仪在实验过程中实时监测。
[0010]作为优化方案，所述高压变频电源以16个功率单元H桥级联结构，组成IOkV单相交流电压输出，16个功率单元的控制端连接控制单元。
[0011]进一步地，每一个所述功率单元的输入端均接有移相变压器，所述移相变压器输入端接入IOkV三相交流电。
[0012]一种上述方案的实施例，所述移相变压器为全绝缘干式变压器，三相输入，输出绕组每相8个抽头，移相角度为60° /8，额定输入/输出电压为10kV/10kV，容量为6000kVA。
[0013]所述高压变频电源由多个功率单元串联构成，每个功率单元均由依次连接的整流环节、稳压环节、逆变环节、滤波环节构成。
[0014]作为上述方案的优化方案，所述功率单元采用电压和电流双反馈结构，即分别采集输出电流和电压，反馈至控制比较回路中，并输出到逆变环节进行调控。
[0015]本实用新型相比现有技术的优势是:利用体积小、重量轻的高压大功率变频调压电源作为试验电源；空载试验中结合滤波器补偿滤波，在保证试验电压波形质量的情况下，有效减少整套试验装置的容量；负载和温升试验中利用电容补偿。在此基础上，集成了互感器、功率分析仪、温度巡测仪、红外热像仪等辅助测量模块，构成车载移动式大型变压器现场试验装置，移动便捷，现场布线方便。整套车载装置能快速、便捷地完成大型变压器(包括特高压变压器)的现场空载、负载、温升试验，是一种新型的大型变压器车载试验平台，填补了领域的空白。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型的整体组成结构示意图，
[0017]图2是现场空载试验接线示意图，
[0018]图3是现场负载及温升试验接线示意图，
[0019]图4是高压大功率变频调压电源结构图，
[0020]图5是功率单元工作原理框图，
[0021 ] 图6是功率单元实施例电路结构图。
[0022]图中:1 一现场试验电源，2—高压变频电源，3—升压变压器，4一高压补偿滤波器，5—高压电容，6—功率分析仪，7—直阻测试仪，8—互感器，9一被试变压器，10—红外热像仪，11 一温度传感器，12 一移相变压器，13 一功率单兀，14 一负载，15 一控制单兀。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明:如图1中所示，所述基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置，所述试验集成装置包括现场试验电源1、高压补偿滤波器4、高压电容5，和辅助测量器具，其中现场试验电源I由高压变频电源2输出连接升压变压器3构成，所述的辅助测量器具包括直阻测试仪7、温度传感器11、红外热像仪10、互感器8和功率分析仪6，由现场试验电源I的输出端根据试验项目的种类通过并联高压补偿滤波器4或高压电容5连接到被试变压器9，所述互感器8连接到被试变压器9的输入侦牝高压补偿滤波器4或高压电容5以及其它辅助测量器具可根据被试变压器9的空载试验或负载试验、温升试验的需要变更相应的接线方式，共同组成可车载移动、成套的大型变压器现场试验集成装置。本技术方案采用了高压变频电源，通过频率的跟踪调节实现以小型化的电源实现对大容量变压器的试验。
[0024]一种实施方式是，如图2所示，在被试变压器9进行空载试验时，在升压变压器3和被试变压器9之间始终并联连接一组或多组高压补偿滤波器4，所述高压补偿滤波器4是RLC滤波器。RLC高压补偿滤波器可以实现不带补偿电容的不间断调压。在被试变压器输入侧利用电压互感器和电流互感器获取被试变压器电流电压信号，由功率分析仪得到被试变压器的空载试验性能参数。所述高压滤波器由高压电容、电感、电阻构成，能补偿空载电流中的基波分量，并能滤除谐波，以改善空载试验中被试变压器的试验电压波形。
[0025]在空载试验中，所述高压补偿滤波器4的特征频率为被试变压器额定频率的奇数倍，所述高压滤波器3的品质因数Q的取值范围为大于等于10，小于等于50，所述高压滤波器3的容量按下式计算:Sf=UmX Iffi，其中Sf为高压滤波器的容量，Um为最高试验电压，IfNS高压滤波器特征频率所对应的谐波电流分量。配合频率的跟踪调节可实现以小型化的试验电源实现对大容量变压器的空载试验。
[0026]另一种实施方式是，如图3所示，在被试变压器9进行负载或温升试验时，在升压变压器3和被试变压器9之间除电压互感器外仅并联连接高压电容4，所述高压电容4是电力电容器，在所述被试变压器9的输入侧接入电压和电流互感器，并在电压和电流互感器的输出端连接功率分析仪6，并安装温度传感器11和温度巡测仪、红外热像仪10在实验过程中实时监测。利用电压互感器和电流互感器获取被试变压器电流电压信号，由功率分析仪得到被试变压器的空载试验性能参数；利用温度巡测仪和红外热像仪监测被试变压器的温升信息，并利用直阻测试仪测试变压器的直阻变化，获取温升数据。温度巡测仪用于实时监测变压器温升试验时各监测点的温度，红外热像仪用于监测变压器器身、套管接线部位等地方的发热情况。
[0027]上述所有部件均采用车载集成的方式，便于运输、移动和现场应用。
[0028]作为优化方案，如图4，所述高压变频电源2以16个功率单元13H桥级联结构，组成IOkV单相交流电压输出，16个功率单元13的控制端连接控制单元15。进一步地,每一个所述功率单元13的输入端均接有移相变压器12，所述移相变压器12输入端接入IOkV三相交流电。多个功率单元H桥级联叠加后组成多电平电压输出电源结构，在额定负载下应能长时间可靠运行。当功率因数很低时，即逆变电源带大量的无功负荷，对逆变器功率单元来说会有大量的无功能量通过续流回路返回到功率单元的电容器中。在相同视在功率时，对于纯电容负载，穿越逆变器功率单元的能量将增加一倍，造成器件的温度升高超过器件的允许值。同时，返回无功能量将使电容器两端电压产生波动，导致输出电压的谐波增加。因此在低功率因数负载情况下，功率单元器件的容量选择应增加2-4倍。
[0029]所述高压大功率变频调压电源是基于电力电子器件的电能变换装置，能将市电转换为频率、电压一定范围内可调的正弦波。采用多个变频功率单元串联输出电压的方式来实现高压大功率输出。每个功率单元均采用“交-直-交”的结构，先通过整流回路将市电整流为直流电，再经逆变电路将直流电转换为频率、幅值可调的交流电。每个功率单元由移相变压器供电，保证输入到每个功率单元的市电之间的相位相差一个固定的移相角度，以改善电源的输出特性。高压大功率变频调压电源的储能方式为电压源型，即在整流电路中采用二极管进行全波整流，中间采用大电容滤波，逆变回路既控制输出电压的幅值，也控制
其频率。
[0030]所述中间变压器用于提升高压大功率变频调压电源的输出电压，其变比由高压大功率变频调压电源输出电压和被试变压器所需的最大试验电压决定。
[0031]一种上述方案的实施例，所述移相变压器12为全绝缘干式变压器，三相输入，输出绕组每相8个抽头，移相角度为60° /8，额定输入/输出电压为10kV/10kV，容量为6000kVA。移相变压器二次线圈相互间存在相位差，这种多级移相叠加的整流方式可以改善网侧的电流波形，消除对电网的谐波干扰。当η个三相整流器通过移相变压器并联时，移相变压器副边各绕组之间相位差为60° /η，对应的整流脉冲数为6η，可消除6η_1次以下的谐波。
[0032]本实用新型中移相变压器选用全绝缘干式变压器，三相输入，输出绕组每相8个抽头，移相角度为60° /8，可消除47次以下的谐波。额定输入/输出电压为10kV/10kV，容量为 6000kVA。
[0033]高压大功率变频调压电源利用多个功率单元串联实现了高电压输出。每个功率单元均由整流环节、稳压环节、逆变环节、滤波环节构成，如图5所示。为确保得到期望的输出波形，采用电压和电流双反馈，即采集输出电流和电压，反馈至控制比较回路中。控制方法可采用目前应用广泛、成熟的双极性载波三角波移相SPWM调制方法。图6为每个功率单元对应的主电路结构。
[0034]如图5所示，所述高压变频电源2由多个功率单元串联构成，每个功率单元均由依次连接的整流环节、稳压环节、逆变环节、滤波环节构成。作为优化方案，所述功率单元采用电压和电流双反馈结构，即分别采集输出电流和电压，反馈至控制比较回路中，并输出到逆变环节进行调控。
[0035]在控制策略选择上只需要考虑逆变部分。实际的逆变电源由于受到输入直流电压波动、输出负载变化以及输出分量等因素的影响并不具有理想电压源特性。
[0036]因此，采用双环控制来改善系统特性，即在电压闭环控制基础上，加入滤波电感电流反馈环节，建立电流内环、电压外环的双闭环控制系统。
[0037]采集输出电压瞬时值，经电压反馈环节得到的信号同电压给定值进行比较，得到的误差信号。电流内环将电流给定值与滤波电感电流瞬时值相比较，将误差信号经电流控制器送入PWM控制环节，调整功率开关器开通时间，从而调节电源系统的输出电压。
[0038]加入电流闭环不但可以提高系统性，同时还可以通过限定滤波电感电流给定参考值的幅值来控制输出电压，实现过载或短路保护。
[0039]一种实施例为:
[0040]采用控制方式:载波三角波移相SPWM控制，
[0041]载波:为了与工作频率匹配，取载波为三角波，频率fc=500Hz，
[0042]调制波:50Hz正弦波，
[0043]输出电平:输出电压的电平数为33，
[0044]载波移相:180。/16=11.25。。[0045]输出电压和频率独立调节，输出电压连续可调，步进20V，输出频率连续可调，步进0.0lHz0
【权利要求】
1.一种基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置，其特征是:所述试验集成装置包括现场试验电源(I)、高压补偿滤波器(4)、高压电容(5)，和辅助测量器具，其中现场试验电源(I)由高压变频电源(2)输出连接升压变压器(3)构成，所述的辅助测量器具包括直阻测试仪(7)、温度传感器(11)、红外热像仪(10)、互感器(8)和功率分析仪(6)，由现场试验电源(I)的输出端根据试验项目的种类通过并联高压补偿滤波器(4)或高压电容(5 )连接到被试变压器(9 )，所述互感器(8 )连接到被试变压器(9 )的输入侧，高压补偿滤波器(4)或高压电容(5)以及其它辅助测量器具可根据被试变压器(9)的空载试验或负载试验、温升试验的需要变更相应的接线方式，共同组成可车载移动、成套的大型变压器现场试验集成装置。
2.根据权利要求1所述的基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置，其特征是:在被试变压器(9 )进行空载试验时，在升压变压器(3 )和被试变压器(9 )之间除电压互感器外仅不间断并联连接一组或多组高压补偿滤波器(4)，所述高压补偿滤波器(4)是RLC滤波器；在所述被试变压器(9)的输入侧接入电压和电流互感器，并在电压和电流互感器的输出端连接功率分析仪(6 )。
3.根据权利要求1或2所述的基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置，其特征是:所述高压补偿滤波器(4)的特征频率为被试变压器额定频率的奇数倍，所述高压滤波器(3)的品质因数Q的取值范围为大于等于10，小于等于50，所述高压滤波器(3)的容量按下式计算:Sf=UmX IfN，其中Sf为高压滤波器的容量，Um为最高试验电压，IfN为高压滤波器特征频率所对应的谐波电流分量。
4.根据权利要求1所述的基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置，其特征是:在被试变压器(9)进行负载或温升试验时，在升压变压器(3)和被试变压器(9)之间除电压互感器外仅并联连接高压电容(4)，所述高压电容(4)是电力电容器，在所述被试变压器(9)的输入侧接入电压和电流互感器，并在电压和电流互感器的输出端连接功率分析仪(6)，并安装温度传感器(11)和温度巡测仪、红外热像仪(10)在实验过程中实时监测。
5.根据权利要求1所述的基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置，其特征是:所述高压变频电源(2)以16个功率单元(13)H桥级联结构，组成IOkV单相交流电压输出，16个功率单元(13)的控制端连接控制单元(15)。
6.根据权利要求5所述的基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置，其特征是:每一个所述功率单元(13)的输入端均接有移相变压器(12)，所述移相变压器(12)输入端接入IOkV三相交流电。
7.根据权利要求6所述的基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置，其特征是:所述移相变压器(12)为全绝缘干式变压器，三相输入，输出绕组每相8个抽头，移相角度为60° /8，额定输入/输出电压为10kV/10kV，容量为6000kVA。
8.根据权利要求1所述的基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置，其特征是:所述高压变频电源(2)由多个功率单元串联构成，每个功率单元均由依次连接的整流环节、稳压环节、逆变环节、滤波环节构成。
9.根据权利要求8所述的基于变频调压电源的大型变压器现场试验集成装置，其特征是:所述功率单元采用电压和电流双反馈结构，即分别采集输出电流和电压，反馈至控制比较回路中，并输出到逆变环节进行调控。
【文档编号】G01R31/00GK203535143SQ201320681293
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】尹正民, 汪发明, 阮羚, 谢齐家, 周凯 申请人:国家电网公司, 国网湖北省电力公司电力科学研究院