一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置及使用方法
【专利摘要】本发明包括一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置及使用方法，包括内置有变压器油的变压器主体及设置于变压器主体一侧的换热装置，换热装置包括冷却器、内置有换热介质的蒸发器及变频热泵压缩机，以及可使换热装置内的换热介质逆向运行的四通阀，换热装置所需的供电源与电源控制器电性连接，电源控制器与贮能器相连接，贮能器经光电转换器与太阳能接收器相连接。本发明克服了传统冷却方式的缺陷，运用智能光伏变频制冷功能的主变换热装置，利用太阳能并通过光伏转换提供给主变换热装置工作所需的电能，本发明克服了现有主变换热方式不能在北方严寒季节对低负荷主变和热备用、冷备用主变油进行加热，以防止油品在主变内的流动性差和保证油品电气性能、绝缘强度和理化性质不下降的缺陷。
【专利说明】一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置及使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置及使用方法。
【背景技术】
[0002]主变在运行过程中，由于电和磁的作用，其线圈和铁芯会发热，如不及时将此热量带走，将导致主变烧毁甚至爆炸的严重事故，因此必须通过主变内充满的变压器油流来冷却线圈和铁芯，而变压器油流带走的热量又需通过散热装置来进行热交换，冷却后的冷油流再进入主变本体进行冷却。传统主变冷却方式主要为强制风冷、自然风冷及水冷三种，水冷虽然经济，效率也高，但如冷却系统中若发生冷却水向主变渗漏现象，哪怕是微小渗漏，也将导致严重后果；风冷因空气热焓低，使得主变冷却效率低，主变、散热器设备制造体积庞大，用油量多、运行成本高、维护量大等缺点。北方寒冷冬季运行的主变，在处于低负荷或冷备用、热备用状态时，主变内的变压器油，由于温度低，造成油品粘度大、不易流动、绝缘强度下降，当此时主变又快速升负荷时，往往来不及加热油品使其流动，此时会导致主变线圈烧毁的严重故障，因此需另外将主变油进行加热才能保证安全使用，或在变压器油中加入抗凝添加剂，来增加油品的流动性，但添加剂的化学组分会对变压器油的电气、绝缘性能和理化性质产生不利影响，长期使用威胁主变的安全运行。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，即提供以带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置及方法，能安全、可靠、高效、经济地带走运行中主变产生的热能，而对在北方寒冷地区运行的主变又能加热，增加油品流动性，有力保障电力系统主变的安全、经济运行。
[0004]本发明的具体实施方案是:一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置，包括一内置有变压器油的变压器主体及设置于变压器主体一侧的换热装置，所述换热装置包括冷却器、内置有换热介质的蒸发器及变频热泵压缩机，所述变压器主体下部的侧壁设有主变出油阀，变压器主体上部的侧壁设有主变进油阀，所述主变出油阀经管路与蒸发器底部侧壁的进油口相连接，所述蒸发器顶部侧壁的出油口经管路与主变进油阀相连接，其特征在于，所述换热装置所需的供电源与电源控制器电性连接，所述电源控制器与贮能器相连接，所述贮能器经光电转换器与太阳能接收器相连接，所述蒸发器上端经四通阀与变频热泵压缩机相连通，所述蒸发器下端经管路与冷却器相连接，所述冷却器的出口端经四通阀与变频热泵压缩机相连通，所述四通阀可使换热装置内的换热介质逆向运行。
[0005]进一步的，所述太阳能接收器包括多片可翻转的太阳能电池板，所述每片太阳能电池板下端套于转轴上并贮能器相连接，所述贮能器内设有比较器，所述比较器根据各个太阳能电池板收集能量大小控制转轴旋转以实现各个太阳能电池板达到最大能量采集量，所述光电转换系统通过接收太阳能，并进行光伏转换和电源控制，以提供充足合格的电能供给换热系统工作，所述换热系统电性连接于备用电源，外接备用电源是当长期雨天光照不足时自动切换使用，光电转换系统电性连接于换热系统。
[0006]进一步的，所述主变出油阀出口端设有变频油泵及变频油泵出油阀。
[0007]进一步的，所述蒸发器下端的管路上设有节流阀。
[0008]进一步的，所述变压器主体内设有油温在线测温器，所述测温器经控制模块与变频油泵和变频热泵压缩机相连接，所述控制模块根据在线测温器的油温值，自动控制变频油泵和变频热泵压缩机的工作。
[0009]进一步的，所述冷却器是风冷却器或水冷却器。
[0010]本发明第二实施方案为:一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置的使用方法其特征在于:包括如权利要求5或6所述的一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置，具体使用方法步骤如下:
(1)开启太阳能接收器及变压器主体下部出油阀和上部的进油阀；开启控制模块，控制模块根据油温在线监测温器测量的油温，自动控制换热装置的运行；
(2)当油温高于设定值时，开启蒸发器、变频热泵压缩机、冷却器及变频油泵，主变本体内的油流开始循环流动，变压器油经变频油泵打入蒸发器内油流程，油流在蒸发器内被冷却后流出蒸发器，又回到主变本体内进行冷却；蒸发器内的换热介质吸收油流热量后蒸发成气体，经四通阀被吸入变频热泵压缩机中压缩，经变频热泵压缩机压缩后的高温、高压换热介质气体至冷却器，在冷却器中被冷却成高温液体，此高温换热介质液体经节流阀减压节流蒸发成低温气体和低温液体的混合物，再回流至蒸发器对蒸发器内的油流进行冷却，形成又一轮的冷却油流循环过程；
当油温低于设定值时，开启蒸发器、变频热泵压缩机、冷却器及变频油泵，开始加热变压器油，由于四通阀切换成加热通道模式，从冷却器来的换热介质气体，经四通阀被吸入变频热泵压缩机中，被压缩成高温高压气体，此高温高压换热介质气体出压缩机后，至蒸发器对走油流程的变压器油进行加热，而自身从高温高压气体被冷却成液体的换热介质，出蒸发器后，经节流阀至冷却器中节流减压蒸发，在冷却器中的换热介质液体大量吸收冷却器周围空气的热量后，蒸发成气体，出蒸发器的换热介质气体又经过四通阀被变频热泵压缩机压缩，如此循环反复；
(3)开启控制模块，控制模块根据油温在线监测温装置测量的油温，进行智能分析运算，自动控制变频油泵的频率降低或升高，从而增大或减少油流循环量。
[0011]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:由于本发明使用的智能光伏变频热泵功能的主变换热装置，利用太阳能并通过光伏转换提供给变频热泵换热系统和油流换热循环系统工作所需的电能，因此除了极少数时间使用备用电源外，耗能极低，使主变冷却效率得到很大提高,大幅降低主变铜、铁损，极大改善主变运行状况,与传统主变冷却方式相t匕，具有安全可靠、冷却效率高、设备体积小、用油量少、耗能低、整体运行经济等巨大优势，是主变冷却方式的革命性创新。本技术也能在北方严寒季节时对低负荷、热备用、冷备用的主变内变压器油进行加热，防止油流因低温而减低流动性、降低电气绝缘性能和理化性质，以保障主变安全运行。
[0012]本发明还克服了现有技术当中以水冷方式的变在运行中如冷却系统发生向主变本体渗漏，哪怕是微小的渗漏，在主变内高电压环境下都将产生严重故障，甚至主变爆炸的严重后果；也克服了现有技术当中以强制风冷或自然风冷的主变，由于空气热焓低，使得主变冷却效率低，设备制造体积大，用油量多、运行成本高、维护工作量大等诸多缺点；还克服了现有主变换热方式不能再北方严寒季节对低负荷主变和热备用、冷备用主变油进行加热，以防止油品在主变内的流动性差和保证油品电气性能、绝缘强度和理化性质不下降，与现广泛使用传统主变热交换装置相比，本发明有着巨大优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明实施例的光伏转换供电系统原理示意图(Kl电源开关为常开状态、K2电源开关为常闭状态，KU K2互为闭锁)。
[0014]图2是本发明实施例的控制模块工作原理示意图。
[0015]图3是本发明实施例的变压器油换热循环示意图。
图4是本发明实施例的换热介质制冷流程工作示意图。
[0016]图5是本发明实施例的换热介质制热流程工作示意图。
[0017]图6是本发明实施例的变压器油冷却主变流程工作示意图。
[0018]图7是本发明实施例的变压器油加热主变流程工作示意图。
[0019]图8是本发明实施例的四通阀冷却变压器油时工作原理示意图(四通阀中的2-1、2-2阀门开启，2-3、2-4阀门关闭)。
[0020]图9是本发明实施例的四通阀加热变压器油时工作原理示意图(四通阀中的2-3、
2-4阀门开启，2-1、2-2阀门关闭)。
[0021]图10是本发明实施例的太阳能接收器工作结构示意图。
[0022]图中:1-变频热泵压缩机，2-四通阀，3-冷却器，4-风机；5-节流阀，6-蒸发器，7-蒸发器换热介质流程，8-主变出油阀，9-变频油泵，10-变频油泵出油阀，11-油流进蒸发器，12-蒸发器中的油流程，13-油流出蒸发器，14-主变进油阀，15-油温在线检测器，16-主变本体，17-太阳能电池板，18-电机，19-比较器。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细的说明。
[0024]如图1?10所示，本发明涉及一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置，包括内设有变压器油的主变本体16、变频热泵压缩机1、蒸发器6、冷却器3、节流阀5、变频油泵9、油温在线测温器15、控制模块、备用电源以及系统连接的管道、阀门等组成，变压器油与换热介质在蒸发器6中不直接接触，而是走各自的流程，通过器壁进行热交换。
[0025]一种具有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置的运行方式:
主变本体16下部的侧壁设有主变出油阀8，主变本体上部的侧壁设有主变进油阀14，所述主变出油阀8经变频油泵与蒸发器6底部侧壁的进油口相连接，所述蒸发器6顶部侧壁的出油口经管路与主变进油阀14相连接。
[0026]主变本体16内部充满的变压器油主要起到绝缘和冷却(北方冬季为防油凝固时，起加热作用)作用，主变绕组和铁芯由于在电、磁的作用下会发热，如不及时将此热量带走，将导致主变烧毁甚至爆炸的严重事故，所述流动的冷变压器油能将主变绕组、铁芯产生的热量带走，油流自身被加热而成为热油流，热油流在蒸发器中通过与低温换热介质的热交换，其热量被蒸发的换热介质带走，而自身又成为冷油流，重新回到主变中对绕组和铁芯进行冷却，周而复始。
[0027]然而，北方寒冷冬季运行的主变以及处于低负荷或冷备用、热备用状态需启动时，主变内的变压器油，由于温度低，造成油品粘度大、不易流动、绝缘强度下降，此时会导致主变烧毁的严重故障，因此需另外将主变油进行加热才能保证安全使用，或在变压器油中加入抗凝添加剂，来增加油品的流动性，但添加剂的化学组分会对变压器油的电气、绝缘性能和理化性质产生不利影响，长期使用威胁主变的安全运行。
[0028]冷却与加热变压器油工作中，油循环流程未发生改变，但换热介质则需通过四通阀的切换，改变流程，蒸发器和冷却器的作用互为对调，既在冷却变压器油时，换热介质在蒸发器中吸热蒸发，在冷却器中被冷却，油流在蒸发器中被冷却；在加热变压器油时，换热介质在蒸发器中放热冷却，在冷却器中吸热；油流在蒸发器中被加热；同样控制模块也应切换成冷却或加热方式，对换热系统进行自动控制。
[0029]变频制冷系统的连接及运行方式:
所述蒸发器6上端设有换热介质出口，下端设有换热介质进口，所述蒸发器6下端经设有四通阀2的管路与变频热泵压缩机I相连接，所述变频热泵压缩机经设有四通阀2的管路与冷却器3相连接，所述冷却器3的出口端与蒸发器6上端通过节流阀相连通相连通。
[0030]四通阀2的原理图如8、所示:
冷却油时:
将控制模块切换为制冷模式，开启四通阀2的2-1、2-2阀门，关闭2-3、2-4阀门；运行时，蒸发器6换热介质流程输出低压换热介质气体，此低压换热介质气体通过变频热泵压缩机I压缩成高压、高温换热介质气体后进入冷却器3冷却，在冷却器3中，高压、高温换热介质气体被冷却成高温换热介质液体，高温换热介质液体通过节流阀5的减压节流降温，至蒸发器6换热介质流程中节流蒸发，吸收大量热油流中的热量成为低压换热介质气体，又至变频热泵压缩机I中压缩，以此反复循环。
[0031]加热油时:
将控制模块切换为加热模式，开启四通阀2的2-3、2-4阀门，关闭2-1、2-2阀门；将从冷却器3 (此时冷却器做换热介质的蒸发吸热之用)出来的低压低温换热介质气体经四通阀2吸入变频热泵压缩机I压缩成高温、高压换热介质气体；高温、高压换热介质气体逆向进入蒸发器6的换热介质流程7 (此时蒸发器做加热变压器油之用)，对进入蒸发器6油流程12的变压器油进行加热，自身放出热量后转变为低温换热介质液体；低温换热介质液体通过节流阀5减压节流进入冷却器3，吸收冷却器3器壁周围空气的热量后，蒸发为低压低温换热介质气体；低压低温换热介质气体又经过四通阀2至变频热泵压缩机I压缩，进行下一轮的加热循环。
[0032]变压器油流冷却(加热)循环及变频制冷(加热)系统的控制方式:
主变本体16内设有油温在线测温器15，主变出油阀8出口端设有变频油泵9及变频油泵出油阀12。控制模块电性连接于油温在线测温器15、变频油泵9和变频热泵压缩机
I。在线测温器15实时将油温数据传送至控制模块，控制模块根据预先编程设置的程序对变频油泵9、变频热泵压缩机I进行自动控制，控制模块可以是PLC、单片机或其它形式的微机处理器。当油温升高至设定值(或低于设定值)时，控制模块启动变频热泵压缩机，油温越高(或越低)，控制模块控制变频热泵压缩机电机频率增加，加大制冷量(或制热量)，同时控制变频油泵增大循环量，以降低油温(或提高油温)，反之亦然，当油温降低(或升高)至设置温度值时，控制模块自动关闭变频热泵压缩机，同时减少变频油泵的油循环量。
[0033]变压器换热装置的能源供应:
所述变压器换热系统的电能由光伏转换系统供电，光伏转换系统包括有:太阳能接收器、光电转换器、贮能器、电源控制器、备用电源等组成。换热系统与电源控制器及备用电源电性连接，所述电源控制器还与贮能器相连接，所述贮能器经光电转换器与太阳能接收器相连接。
[0034]由太阳能接收器接收到的太阳能，通过光电转换器将太阳能转化为电能并贮存在贮能器中，电源控制器能将光伏电源转化为可供主变换热系统工作的电能。光伏转换供电系统电性连接于备用电源，当遇到夜晚或长期阴雨天，而主变油温又超过设定值，此时如光伏转换供电系统供电不足，自动启动备用电源以补充换热系统供电的不足。正常情况下，备用电源平常处关闭状态，只有当光伏转换供电系统供电不足时，备用电源才自动开启。一般在白昼有阳光时，光伏转换供电系统能提供充足的电力，而夜晚和阴雨天往往气温低(相对于阳光白昼)，主变本身被大气环境所冷却，所需的制冷量也小，因此启动备用电源的几率较小。
[0035]为了保证太阳能接收器的储能效率，本发明还设计了一种具有自动调控太阳能板17朝向的装置，太阳能接收器包括多片可翻转的太阳能电池板17，所述每片太阳能电池板下端设有轴套，轴套套于转轴上并贮能器相连接，转轴由电机18控制转动，所述贮能器内设有比较器，所述比较器19与电机18及控制系统连接，比较器19根据各个太阳能电池板17收集能量大小控制转轴旋转以实现调节各个太阳能电池板的角度，使不同角度的太阳能电池板调整至与最大储能太阳能电池板17相同的角度，以达到太阳能接收器最大储能量。
当进行冷却主变工作时，变压器油去冷却主变绕组由于电流作用产生的热量，热的油流流至蒸发器被换热介质冷却后又回到主变内冷却。其具体使用方法步骤如下:(1)、首先启动光伏转换供电系统；(2)、开启主变下部出油阀8和上部的进油阀14 ;(3)、开启变频热泵换热系统中蒸发器6的油流流程12 ; (4)、开启变频油泵出油阀10和变频油泵9，此时油流开始循环流动；(5)、开启变频热泵换热系统中蒸发器6中的换热介质流程7、节流阀5、冷却器3，风机4以及连接的阀门等；(6)、开启四通阀2中的2-1、2-2阀门，关闭2_3、2_4阀门；(7)、启动变频热泵压缩机1，开始换热工作；(8)、切换控制模块为制冷模式，控制模块根据油温在线监测温器测量的油温，进行智能分析运算，当主变内油温上升到设定值时，控制模块自动启动变频热泵压缩机1，油温越高，控制模块控制变频热泵压缩机I频率增力口，增大出力，同时自动控制变频油泵9的频率增加，增大油流循环量；(9)、当主变油温降低时，以上自动控制反之；(10)、当主变内油温降到设定值以下时，变频热泵压缩机停止工作，变频油泵9以最低负荷运行(可以是多台变频油泵中仅轮流开一台并以最低负荷运行)。
[0036]当进行加热主变工作时，需切换控制模块和四通阀为加热模式，将蒸发器与冷却器互为转换使用功能，换热介质逆向流动，按以下步骤进行:(I)、首先启动光伏转换供电系统，(2)、开启主变本体下部的出油阀8和上部的进油阀14 ; (3)开启变频油泵出油阀10和变频油泵9，此时油流开始循环；(4)开启四通阀2的2-3、2-4阀门，关闭2_1、2_2阀门；
(5)将从冷却器3 (此时冷却器做换热介质的蒸发吸热之用)出来的低压低温换热介质气体经四通阀2吸入变频热泵压缩机I压缩成高温、高压换热介质气体；(6)高温、高压换热介质气体进入蒸发器6的换热介质流程7 (此时蒸发器做加热变压器油之用)，对进入蒸发器6油流程12的变压器油进行加热，自身放出热量后转变为低温换热介质液体；(7)低温换热介质液体通过节流阀5减压节流进入冷却器3，吸收冷却器3器壁周围空气的热量后，蒸发为低压低温换热介质气体；(8)低压低温换热介质气体又经过四通阀2至变频热泵压缩机I压缩，进行下一轮的加热循环；(9)开启控制模块，控制模块根据油温在线监测温器15测量的油温，进行智能分析运算，当主变内油温下降到设定值时，控制模块自动开启变频热泵压缩机I，油温越低，控制模块控制变频热泵压缩机I频率增加，增大出力，同时自动控制变频油泵9的频率增加，增大油流循环量；(11)、当主变油温升高时，以上自动控制反之；(12)、当主变内油温升到设定值时，变频热泵换热系统停止工作，变频油泵9以最低负荷运行(可以是多台变频油泵中仅轮流开一台并以最低负荷运行)。
[0037]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【权利要求】
1.一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置，包括一内置有变压器油的变压器主体及设置于变压器主体一侧的换热装置，所述换热装置包括冷却器、内置有换热介质的蒸发器及变频热泵压缩机，所述变压器主体下部的侧壁设有主变出油阀，变压器主体上部的侧壁设有主变进油阀，所述主变出油阀经管路与蒸发器底部侧壁的进油口相连接，所述蒸发器顶部侧壁的出油口经管路与主变进油阀相连接，其特征在于，所述换热装置所需的供电源与电源控制器电性连接，所述电源控制器与贮能器相连接，所述贮能器经光电转换器与太阳能接收器相连接，所述蒸发器上端经四通阀与变频热泵压缩机相连通，所述蒸发器下端经管路与冷却器相连接，所述冷却器的出口端经四通阀与变频热泵压缩机相连通，所述四通阀可使换热装置内的换热介质逆向运行。
2.根据权利要求1所述的一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置，所述太阳能接收器包括多片可翻转的太阳能电池板，所述每片太阳能电池板下端套于转轴上并贮能器相连接，所述贮能器内设有比较器，所述比较器根据各个太阳能电池板收集能量大小控制转轴旋转以实现各个太阳能电池板达到最大能量采集量，所述光电转换系统通过接收太阳能，并进行光伏转换和电源控制，以提供充足合格的电能供给换热系统工作，所述换热系统还连接有外接备用电源，光电转换系统电性连接于换热系统。
3.根据权利要求1所述的一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置，所述主变出油阀出口端设有变频油泵及变频油泵出油阀。
4.根据权利要求3所述的一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置，所述蒸发器下端的管路上设有节流阀。
5.根据权利要求4所述的一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置，所述变压器主体内设有油温在 线测温器，所述测温器经控制模块与变频油泵和变频热泵压缩机相连接，所述控制模块根据在线测温器的油温值，自动控制变频油泵和变频热泵压缩机的工作。
6.根据权利要求1所述的一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置，所述冷却器是风冷却器或水冷却器。
7.一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置的使用方法其特征在于:包括如权利要求5或6所述的一种带有智能光伏变频热泵功能的主变换热装置，具体使用方法步骤如下: (1)开启太阳能接收器及变压器主体下部出油阀和上部的进油阀；开启控制模块，控制模块根据油温在线监测温器测量的油温自动控制换热装置的运行； (2)当油温高于设定值时，开启蒸发器、变频热泵压缩机、冷却器及变频油泵，主变本体内的油流开始循环流动，变压器油经变频油泵打入蒸发器内油流程，油流在蒸发器内被冷却后流出蒸发器，又回到主变本体内进行冷却；蒸发器内的换热介质吸收油流热量后蒸发成气体，经四通阀被吸入变频热泵压缩机中压缩，经变频热泵压缩机压缩后的高温、高压换热介质气体至冷却器，在冷却器中被冷却成高温液体，此高温换热介质液体经节流阀减压节流蒸发成低温气体和低温液体的混合物，再回流至蒸发器对蒸发器内的油流进行冷却，形成又一轮的冷却油流循环过程； 当油温低于设定值时，开启蒸发器、变频热泵压缩机、冷却器及变频油泵，开始加热变压器油，由于四通阀切换成加热通道模式，从冷却器来的换热介质气体，经四通阀被吸入变频热泵压缩机中，被压缩成高温高压气体，此高温高压换热介质气体出压缩机后，至蒸发器对走油流程的变压器油进行加热，而自身从高温高压气体被冷却成液体的换热介质，出蒸发器后，经节流阀至冷却器中节流减压蒸发，在冷却器中的换热介质液体大量吸收冷却器周围空气的热量后，蒸发成气体，出蒸发器的换热介质气体又经过四通阀被变频热泵压缩机压缩，如此循环反复； (3)开启控制模块，控制模块根据油温在线监测温装置测量的油温，进行智能分析运算，自动控制变频油 泵的频率降低，从而增大或减少油流循环量。
【文档编号】H02S10/00GK104008860SQ201410191278
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】林晓铭, 陈玉树, 宋仕江, 张孔林, 陆鸿, 黄种桑, 周玮, 施广宇, 郑东升, 郑良根, 连鸿松, 林荣辉, 连文杰 申请人:国家电网公司, 国网福建省电力有限公司, 国网福建省电力有限公司南平供电公司, 国网福建省电力有限公司邵武市供电公司, 林晓铭, 林舒妍