一种结构简单的磁集成混合配电变压器

1.本发明属于变压器技术领域，尤其涉及一种结构简单的磁集成混合配电变压器。


背景技术：

2.目前配电网中配电变压器仍是实现电压变换和电能分配最主要的电气设备，但缺乏作为能源枢纽分布式电源和负荷的主动管理和主动控制的能力。在这种背景下，相关的研究所以及科技工作者提出了混合式配电变压器的概念。所谓混合式配电变压器是通过对传统配电变压器进行改进设计，然后将全控型电力电子装置接入其中而实现的一类新型可控配电变压器。与传统配电变压器相比，混合式配电变压器不仅具备传统配电变压器高效可靠的优点，而且能大大提升传统配电变压器的可控性，因此十分适合未来配电网智能化的发展需求。
3.现有技术中的混合式配电变压器包含主变压器、串联隔离变压器、变流器单元的磁集成混合式配电变压器，该结构主变压器与串联隔离变压器共用中部铁轭，实现主变压器与串联隔离变压器的弱耦合集成；一次绕组与控制绕组之间及阀侧绕组与网侧绕组之间布置漏磁铁芯，增大了对应绕组间的漏感，通过用漏感代替电感实现变压器与变流器输出连接电感的磁集成设计。然而该结构有两个缺点：
4.1、该结构中使用了串联隔离变压器，绕组数量较多，装置整体结构依旧比较复杂；
5.2、为了实现磁集成，该结构通过在一次绕组与控制绕组之间及阀侧绕组与网侧绕组之间中布置漏磁铁芯，三相共需至少6个，分立磁元件数量依旧较多，损耗较大；该结构中需要通过调节控制绕组和阀侧绕组中的漏磁铁芯与铁轭之间气隙调节漏感，调节方式不简便且调节范围小。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单的磁集成混合配电变压器，能够减少分立磁元件的数量，简化装置整体结构，省去变换器滤波电感散热设计所需的空间，减少混合配电变压器的体积。
7.根据本发明的一个方面，本发明提供了一种结构简单的磁集成混合配电变压器,所述磁集成混合配电变压器包括变压器单元,所述变压器单元包括磁芯结构和绕组；所述磁芯结构包括主磁芯和辅助磁芯，所述主磁芯包括铁心柱和铁轭，所述铁心柱纵向排列，所述铁心柱上分别设置有绕组；所述铁轭设置在所述铁心柱之间用于固定所述铁心柱；所述辅助磁芯包括独立的方形空心磁环，每个磁环中央形成空心窗口；所述绕组包括设置在所述铁心柱上的高压绕组、低压绕组和辅助绕组；所述绕组从左向右按a相、b相、c相的顺序依次布置在所述铁心柱上；每相辅助绕组位于本相高压绕组与低压绕组上方，穿过本相辅助磁芯的窗口后绕制在本相主磁芯铁心柱上。
8.优选地，每相绕组的所述高压绕组与所述低压绕组采用层式线圈同心绕制在本相主磁芯铁心柱上，从所述铁心柱向外依次为所述低压绕组、所述高压绕组。
9.优选地，通过调节所述每相辅助绕组与每相高压绕组之间的距离来调节所述每相辅助绕组与每相高压绕组之间的漏感。
10.优选地，
11.所述每相辅助绕组与每相高压绕组之间绕入辅助磁芯形成了新的磁通路径，提升所述每相高压绕组和每相辅助绕组之间漏感。
12.优选地，
13.所述辅助磁芯三相独立，所述每相辅助磁芯的尺寸及材料根据所需的漏感频率及漏感值确定。
14.优选地，
15.所述铁轭设置为两组，两组铁轭分别设置在主磁芯铁心柱的上端与下端；所述磁芯结构中的铁轭与主磁芯铁心柱以45度斜接缝阶梯搭接方式拼接；所述铁芯结构的每级叠片采用硅钢片。
16.优选地，所述磁集成混合配电变压器包括变换器单元，所述变换器单元与所述每相辅助绕组以及每相低压绕组相连。
17.优选地，所述变换器单元包括：
18.ac-dc变换器、dc-ac变换器、所述ac-dc变换器与所述dc-ac变换器共用的直流母线电容、滤波电感和三相四线交流电压滤波器。
19.优选地，所述ac-dc变换器包括并联的电流控制桥臂；所述dc-ac变换器包括并联的电压控制桥臂和零序控制桥臂；所述滤波电感连接在所述dc-ac变换器的桥臂输出之后，连接在所述电压控制桥臂之后的滤波电感的后端为所述变换器单元的三相电压输出端，连接在所述零序控制桥臂之后的滤波电感的后端为所述变换器单元的零序输出端；所述三相四线交流电压滤波器并联在所述变换器单元的三相电压输出端和零序输出端之间；所述辅助绕组与所述电流控制桥臂的中点相连，所述低压绕组与所述变换器单元的三相电压输出端相连，所述变换器单元的零序输出端与三相四线制负载的中线相连。
20.优选地，
21.所述高压绕组通过三角形接法接入电网，所述低压绕组分别与三相四线制负载和所述变换器单元的每相电压输出端连接，所述辅助绕组采用三角形接法与所述变换器单元电流输出端相连。
22.有益效果：本发明采用了高压绕组与低压绕组在同一个铁心柱同心绕制、辅助绕组分开绕制的结构，增加了辅助绕组与高压绕组的距离，增大了高压绕组与辅助绕组之间的漏感。这个结构可以在保持结构紧凑的同时，增大漏感，便于实现滤波电感与绕组漏感的磁集成，同时通过调整辅助绕组与高压绕组之间的距离可以方便灵活地调整漏感；通过在高压绕组与低压绕组间增加辅助磁芯，提升了变压器高压绕组与低压绕组间漏感，省去了变换器连接辅助绕组的滤波电感器，实现了变换器滤波电感与变压器绕组的磁集成，可以减少分立磁元件的数量，简化装置整体结构。另外辅助磁芯可以与主磁芯共同散热，省去变换器滤波电感散热设计所需的空间，整体减少混合配电变压的体积。
23.通过参照以下附图及对本发明的具体实施方式的详细描述，本发明的特征及优点将会变得清楚。
附图说明
24.图1(a)、图1(b)、图1(c)是本发明的磁集成混合配电变压器中主电路各部件的电路拓扑及连接关系示意图；
25.图2是本发明的磁集成混合配电变压器电磁本体三维图。
26.图3是是本发明的磁集成混合配电变压器电磁仿真结果图。
具体实施方式
27.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明提供了一种结构简单的磁集成混合配电变压器,所述磁集成混合配电变压器包括变压器单元,所述变压器单元包括磁芯结构和绕组；所述磁芯结构包括主磁芯和辅助磁芯，所述主磁芯包括铁心柱和铁轭，所述铁心柱纵向排列，所述铁心柱上分别设置有绕组；所述铁轭设置在所述铁心柱之间用于固定所述铁心柱；所述辅助磁芯包括独立的方形空心磁环，每个磁环中央形成空心窗口；所述绕组包括设置在所述铁心柱上的高压绕组、低压绕组和辅助绕组；所述绕组从左向右按a相、b相、c相的顺序依次布置在所述铁心柱上；每相辅助绕组位于本相高压绕组与低压绕组上方，穿过本相辅助磁芯的窗口后绕制在本相主磁芯铁心柱上。
29.优选地，每相绕组的所述高压绕组与所述低压绕组采用层式线圈同心绕制在本相主磁芯铁心柱上，从所述铁心柱向外依次为所述低压绕组、所述高压绕组。
30.优选地，通过调节所述每相辅助绕组与每相高压绕组之间的距离来调节所述每相辅助绕组与每相高压绕组之间的漏感。
31.具体地，在磁通量总量不变的情况下，磁导率大的材料中磁通越大，由于铁芯的磁导率远大于空气，因此绕组中电流产生的磁通主要通过主铁芯，绕组间的漏感比较小。在原本的高压绕组、低压绕组和辅助绕组同心圆绕制的结构中，由于绕组间的间距很小，漏感更小。在本发明中的结构增大了高压绕组与辅助绕组间的距离之后，高压绕组与辅助绕组通过主铁芯的耦合作用变弱，主铁芯中的磁通减少，漏磁通增大，漏感也就增大。
32.优选地，
33.所述每相辅助绕组与每相高压绕组之间绕入辅助磁芯形成了新的磁通路径，提升所述每相高压绕组和每相辅助绕组之间漏感。
34.具体地，增加辅助磁芯后，辅助磁芯的磁导率比较高，在高压绕组与辅助绕组间加入辅助磁芯后，磁通重新分配，通过辅助磁芯的磁通增大，通过主铁芯的磁通减少，相当于增大了漏感。
35.优选地，
36.所述辅助磁芯三相独立，所述每相辅助磁芯的尺寸及材料根据所需的漏感频率及漏感值确定。
37.优选地，
38.所述铁轭设置为两组，两组铁轭分别设置在主磁芯铁心柱的上端与下端；所述磁
芯结构中的铁轭与主磁芯铁心柱以45度斜接缝阶梯搭接方式拼接；所述铁芯结构的每级叠片采用硅钢片。
39.优选地，所述磁集成混合配电变压器包括变换器单元，所述变换器单元与所述每相辅助绕组以及每相低压绕组相连。
40.优选地，所述变换器单元包括：
41.ac-dc变换器、dc-ac变换器、所述ac-dc变换器与所述dc-ac变换器共用的直流母线电容、滤波电感和三相四线交流电压滤波器。
42.优选地，所述ac-dc变换器包括并联的电流控制桥臂；所述dc-ac变换器包括并联的电压控制桥臂和零序控制桥臂；所述滤波电感连接在所述dc-ac变换器的桥臂输出之后，连接在所述电压控制桥臂之后的滤波电感的后端为所述变换器单元的三相电压输出端，连接在所述零序控制桥臂之后的滤波电感的后端为所述变换器单元的零序输出端；所述三相四线交流电压滤波器并联在所述变换器单元的三相电压输出端和零序输出端之间；所述辅助绕组与所述电流控制桥臂的中点相连，所述低压绕组与所述变换器单元的三相电压输出端相连，所述变换器单元的零序输出端与三相四线制负载的中线相连。
43.优选地，
44.所述高压绕组通过三角形接法接入电网，所述低压绕组分别与三相四线制负载和所述变换器单元的每相电压输出端连接，所述辅助绕组采用三角形接法与所述变换器单元电流输出端相连。
45.为了更好地理解本发明，以下结合图1(a)、图1(b)、图1(c)、图2、图3进行详细说明本发明结构简单的磁集成混合配电变压器的具体实施过程。
46.本发明结构简单的磁集成混合配电变压器，其主电路包括变压器单元16和变换器单元6；如图1(a)所示，变压器单元15的绕组包括a相高压绕组1a、b相高压绕组1b、c相高压绕组1c，a相低压绕组2a、b相低压绕组2b、c相低压绕组2c、a相辅助绕组3a、b相辅助绕组3b及c相辅助绕组3c。a、b、c三相高压绕组各相首/末端子依次为a/x、b/y、c/z，a、b、c三相低压绕组各相首/末端子依次为a2/x2、b2/y2、c2/z2，a、b、c三相辅助绕组各相首/末端子依次为a3/x3、b3/y3、c3/z3；规定高压绕组、低压绕组及辅助绕组的首端为同名端；高压绕组采用三角形接法接入电网，具体为，a、b、c三相高压绕组1a、1b、1c的首端a、b、c接入电网，同时1a的首端a与1c的末端z连接，1b的首端b与1a的末端x连接，1c的首端c与1b的末端y连接。
47.如图1(b)所示，所述变换器单元6由1个ac-dc变换器7、1个dc-ac变换器8、1个ac-dc变换器与dc-ac变换器共用的直流母线电容9和4个滤波电感13和1个交流输出滤波器14构成。其中所述ac-dc变换器7包括3个并联的电流控制桥臂，每相电流桥臂由两个开关管10串联而成，所述dc-ac变换器包括3个并联的电压控制桥臂和1个零序控制桥臂，每相电压桥臂由两个开关管11串联而成，零序控制桥臂由两个开关管12串联而成；所述的每相辅助绕组采用三角形接法与变换器单元每相电流输出端相连，具体为a、b、c三相辅助绕组3a、3b、3c的首端a3、b3、c3与变换器单元a、b、c三相电流输出端u3、v3、w3相连，同时3a的首端a3与3c的末端z3连接，3b的首端b3与3a的末端x3连接，3c的首端c3与3b的末端y3连接。
48.如图1(b)和图1(c)所示，所述每相低压绕组分别与负载和变换器单元每相电压输出端连接，所述变换器单元的零序输出端与三相四线制负载15的中线相连，具体为，a、b、c三相低压绕组2a、2b、2c的首端a2、b2、c2与a、b、c三相负载15前端u2、v2、w2相连，a、b、c三相
低压绕组2a、2b、2c的末端x2、y2、z2分别与变换器三相电压输出端u2y、v2y、w2y相连，变换器单元的零序输出端ny2与三相四线制负载15的中线n2相连。
49.图2是本发明结构简单的磁集成混合配电变压器电磁本体三维图。如图2所示，上文所述结构简单的磁集成混合配电变压器磁芯结构包括主磁芯和辅助磁芯，所述的主磁芯包括3个铁心柱和铁轭，铁心柱包括a相铁心柱4a、b相铁心柱4b和c相铁心柱4c。辅助磁芯为三个独立的方形空心磁环，每个磁环中央的空心形成1个窗口，包括a相辅助磁芯5a、b相辅助磁芯5b和c相辅助磁芯5c；三相辅助磁芯5a、5b、5c分别以窗口与水平面垂直的方向竖直布置在三相铁心柱4a、4b、4c上；a相低压绕组2a和高压绕组1a采用层式绕组，由内向外同心绕制在a相主磁芯铁心柱4a上，a相辅助绕组3a穿过a相辅助磁芯的窗口绕制在a相主磁芯铁心柱4a上；b相低压绕组2b和高压绕组1b采用层式绕组，由内向外同心绕制在b相主磁芯铁心柱4b上，b相辅助绕组3b穿过b相辅助磁芯的窗口绕制在b相主磁芯铁心柱4b上；c相低压绕组2c和高压绕组1c采用层式绕组，由内向外同心绕制在c相主磁芯铁心柱4c上，c相辅助绕组3c穿过c相辅助磁芯的窗口绕制在c相主磁芯铁心柱4c上。
50.如图2所示，三相的辅助磁芯相互独立，可以各自根据需要灵活调节漏感。
51.图3是本发明结构简单的磁集成混合配电变压器电磁仿真结果图。如图3所示，本发明实施例提供的电磁仿真结果表明：
52.1、辅助磁芯位于辅助绕组和高压绕组之间的部分有较高磁感应强度(图中呈现绿色，与主铁芯中磁感应强度较高的部分颜色相同)，说明有较多磁通通过辅助磁芯，辅助绕组和高压绕组之间的漏感得到了显著提升，验证了本发明结构设计的有效性。
53.2、本发明结构简单的磁集成混合配电变压器的主铁芯和辅助磁芯处均未饱和，满足变压器铁芯设计设计要求，验证了本发明结构设计的实际可行性。
54.本发明采用了高压绕组与低压绕组在同一个铁心柱同心绕制、辅助绕组分开绕制的结构，增加了辅助绕组与高压绕组的距离，增大了高压绕组与辅助绕组之间的漏感。这个结构可以在保持结构紧凑的同时，增大漏感，便于实现滤波电感与绕组漏感的磁集成，同时通过调整辅助绕组与高压绕组之间的距离可以方便灵活地调整漏感；通过在高压绕组与低压绕组间增加辅助磁芯，提升了变压器高压绕组与低压绕组间漏感，省去了变换器连接辅助绕组的滤波电感器，实现了变换器滤波电感与变压器绕组的磁集成，可以减少分立磁元件的数量，简化装置整体结构。另外辅助磁芯可以与主磁芯共同散热，省去变换器滤波电感散热设计所需的空间，整体减少混合配电变压的体积。
55.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。