一种自平衡智慧变压器及其控制方法与流程

本技术属于变压器智能控制，具体涉及一种自平衡智慧变压器及其控制方法。

背景技术：

1、配电变压器是配电网中的核心资产，其运行状态直接关系到供电可靠性与电网经济性。随着分布式光伏、电动汽车充电桩等单相高密度负荷的广泛接入，配电变压器面临日益严峻的三相不平衡问题。配电变压器的不平衡运行，会增加变压器的损耗，降低运行效率，在单相过载下出现发热寿命降低甚至直接烧损，这将严重威胁配电网的可靠安全经济运行。

2、传统的配电变压器仅能实现电压变换与电气隔离，不具备动态调节、状态互动、电能质量治理等主动功能。为了解决三相不平衡问题，还需额外在配电变压器外部加装电力电子式的调节装置，导致系统复杂、占地多、成本高、协调难，增加了系统体积和运行成本。而且现有技术仅能处理从电网到三相负载的单向功率流，或在不同电源之间切换，不具备在配电变压器内部构建独立于外部负载通路的相间有功环流的能力。

技术实现思路

1、本技术提出了一种自平衡智慧变压器及其控制方法，能够解决现有技术在调控三相不平衡情况时需要在外部加装电力电子式的调节装置，导致调控成本高和调控难度高的问题。

2、本技术的第一方面提供了一种自平衡智慧变压器，包括：电磁变压器、三相功率调节装置和控制器：

3、所述电磁变压器包括三相的铁芯柱、高压绕组、低压主绕组和内置耦合绕组；

4、所述三相功率调节装置包括三个双向功率变换器，每个双向功率变换器的交流侧与一个所述内置耦合绕组进行电气连接，所述双向功率变换器的直流侧相互连接形成内部直流母线；其中，所述三相功率调节装置内置于所述电磁变压器内部；

5、所述控制器的输入端与传感器组连接，所述传感器用于采集低压主绕组的电气数据和温度数据，所述控制器的输出端与所述双向功率变换器连接。

6、上述方案在电磁变压器的内部额外设置了一个三相功率调节装置和一个控制器。三相功率调节装置为三相分别设置了一个对应的双向功率变换器，每个双向功率变换器均与对应的内置耦合绕组进行电气连接，通过电磁感应对低压主绕组进行功率调节，以此实现对三相负载不均衡的及时、精确调控。控制器通过传感器组及时获知电磁变压器的温度变化情况和三相负载情况，并能控制所述内置耦合绕组在变压器内部形成独立于外部负载功率通路的闭环有功环流，为动态调节低压主绕组的等效负载分布提供支撑。因为所述三相功率调节装置和所述控制器均部署在电磁变压器，实现了不需要在变压器外部额外加装电力电子式的调节装置就能实现功率调控，有效地降低了调控难度，及时实现变压器的三相自平衡。

7、在第一方面的一种可能的实现方法中，所述高压绕组和所述低压主绕组分别绕制于各相的所述铁芯柱上；每个所述内置耦合绕组与对应相的所述低压主绕组同轴绕制于同一所述铁芯柱上，以共享主磁路；所述内置耦合绕组的额定电压低于对应相的所述低压主绕组的额定电压。

8、上述方案通过内置耦合绕组与低压主绕组共享同一铁芯柱，使得三相功率调节装置能够从主磁路中无损地抽取或注入有功功率，无需再额外从外部接入其他的变压器，使得变压器调节的体积和成本大大降低，也降低了调控难度。

9、在第一方面的一种可能的实现方法中，对于同轴绕制的所述内置耦合绕组和所述低压主绕组，所述内置耦合绕组的匝数的取值范围为所述低压主绕组的匝数的1/10倍至1/4倍。

10、上述方案设置所述内置耦合绕组的匝数低于对应相的所述低压主绕组的匝数，以确保所述内置耦合绕组的额定电压低于对应相的所述低压主绕组的额定电压。

11、在第一方面的一种可能的实现方法中，所述双向功率变换器采用单相h桥拓扑结构，所述双向功率变换器通过公共直流母线与支撑电容并联连接，以形成所述内部直流母线。

12、在第一方面的一种可能的实现方法中，所述控制器还包括一个数字孪生寿命预测模块；通过所述电磁变压器的历史负荷数据和历史温度数据训练所述数字孪生寿命预测模块，以构建三相负载不平衡度与所述低压主绕组的绝缘寿命折损情况的映射关系。

13、上述方案通过构建的映射关系，以现有的三相负载不平衡度来预测低压主绕组的当前绝缘寿命，并将预测得到的寿命折损率作为修正因子用于动态调整自平衡智慧变压器的控制模式。

14、本技术第二方面提供了一种自平衡智慧变压器的控制方法，所述方法包括：

15、采集自平衡智慧变压器在低压侧的电流数据，以及在所述低压主绕组一侧的温度数据，以计算当前的三相电流负序分量和绕组温差；

16、基于所述三相电流负序分量、绕组温差和预设的约束条件，以最小化预设的目标函数为目标，构建所述三相功率调节装置的功率调节指令；

17、基于所述功率调节指令，通过所述三相功率调节装置对所述低压主绕组进行功率抽取和注入。

18、上述方案根据采集的电流数据和温度数据，以实现三相平衡为目标计算应向各相低压主绕组注入或抽取的功率，以使各相维持平衡。然后以三相电流负序分量最小和绕组温差最小为优化目标计算对应的功率调节指令。通过降低三相电流负序分量能有效降低三相负载不均衡情况，通过降低绕组温差能有效提升低压主绕组的绝缘使用寿命，间接提升变压器的使用寿命。通过得到的功率调节指令，能仅通过内部环流调整各相的低压主绕组从电网侧获取功率的比例，实现三相电流的动态平衡，并延长变压器的使用寿命。

19、在第二方面的一种可能的实现方式中，基于所述三相电流负序分量、绕组温差和预设的约束条件，以最小化预设的目标函数为目标，构建所述三相功率调节装置的功率调节指令，具体为：

20、以所述三相电流负序分量最小和所述绕组温差最低为优化目标，构建所述目标函数；

21、基于所述约束条件，以满足所述目标函数为目标，求解所述三相功率调节装置在各相的所述低压主绕组的抽取功率量和注入功率量，以得到所述功率调节指令；

22、其中，所述抽取功率量和注入功率量均称为转移功率。

23、上述方案以最小化三相电流负序分量和均衡三相低压主绕组的温度为协同优化目标，为生成能降低三相不平衡度和变压器绝缘老化速率的功率调节指令提供理论支撑。

24、在第二方面的一种可能的实现方式中，约束条件限制了所有所述转移功率之和为零，且任意的所述转移功率均小于等于所述双向功率变换器的可承载最大功率。

25、在第二方面的一种可能的实现方式中，基于所述功率调节指令，通过所述三相功率调节装置对所述低压主绕组进行功率抽取和注入，具体为：

26、对于任一相对应的所述低压主绕组，如果所述功率调节指令大于0，则将对应的所述双向功率变换器切换至逆变模式，在逆变模式下从所述内部直流母线抽取功率以向所述低压主绕组进行功率注入；

27、对于任一相对应的所述低压主绕组，如果所述功率调节指令小于0，则将对应的所述双向功率变换器切换至整流模式，在整流模式下从所述低压主绕组抽取功率以向所述内部直流母线进行功率注入。

28、上述方案的功率抽取和注入是通过自平衡智慧变压器内部的内部直流母线实现的，因此这个功率抽取/注入过程不会改变自平衡智慧变压器的总输入功率和总输出功率，仅通过调节功率在各相的低压主绕组之间的分配比例就能降低三相不平衡度，有效降低了调节难度和成本。

29、在第二方面的一种可能的实现方式中，功率注入过程和功率抽取过程的功率在时间上是同步的，以使所述内部直流母线上的瞬时净功率始终为0。

30、上述方案通过同时向不同相的低压主绕组进行功率注入和功率提取，确保内部直流母线上的瞬时净功率不会有过大的波动，以维持自平衡智慧变压器的运行稳定。