直流自耦變壓器功率設(shè)計(jì)

由圖2所示拓?fù)淇芍?，VSC2的額定直流電壓可取為與直流電網(wǎng)1的額定直流電壓相同，為E1。而VSC1和VSC3等效地分擔(dān)直流電網(wǎng)2和直流電網(wǎng)1之間的電壓差值，其額定直流電壓為(E2-E1)/2。

設(shè)兩互聯(lián)電網(wǎng)之間傳輸?shù)墓β蕿镻_N，則VSC2的額定功率可設(shè)計(jì)為P_N(1-E1/E2)，VSC1及VSC3的額定功率都取為P_N/2(1-E1/E2)。

可進(jìn)一步求得3個(gè)VSC的總功率為：P_total=2 (1-E1/E2) P_N。

結(jié)合圖1和圖2可知：

常規(guī)直流-直流變換器所使用的換流器總?cè)萘繛?PN，而直流自耦變壓器使用的換流器總?cè)萘繛?PN(1-E1/E2)，E1與E2越接近，直流自耦變壓器所采用的換流器容量越小。以互聯(lián)±320 kV和±640 kV直流電網(wǎng)為例，直流自耦變壓器所使用的換流器總量為常規(guī)技術(shù)的一半；而互聯(lián)±320 kV和±400 kV直流電網(wǎng)時(shí)，直流自耦變壓器所使用的換流器容量?jī)H為常規(guī)技術(shù)的20% 。

直流自耦變壓器主要由3個(gè)電壓源型換流器VSC1、VSC2和VSC3依次串聯(lián)而成，其中VSC2的直流端口與直流電網(wǎng)1的直流端口并聯(lián)連接，VSC1的直流正端和VSC3的直流負(fù)端分別與直流電網(wǎng)2的直流正端和直流負(fù)端相連接。3個(gè)VSC換流器的交流側(cè)經(jīng)過(guò)一定的變壓器/相電抗電路連接至交流公共母線(xiàn)B1。由于VSC1和VSC3采用非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)(直流中性點(diǎn)不接地)。為了消除VSC1和VSC3的中性點(diǎn)偏移，VSC1和VSC3的變壓器采用Y/D接線(xiàn)方式。與常規(guī)LCC類(lèi)似，變壓器靠近變頻器側(cè)采用D接線(xiàn)方式 。

根據(jù)應(yīng)用的需要，當(dāng)交流公共母線(xiàn)的電壓取值與VSC2的額定電壓一致時(shí)，與VSC2相連接的變壓器可以由相電抗取代，從而節(jié)省所使用的變壓器數(shù)量。

由于直流-直流自耦變壓器主要應(yīng)用于高壓直流輸電領(lǐng)域，為降低電壓源型換流器實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度，并降低電壓源型換流器的損耗，直流自耦變中的每個(gè)電壓源型換流器采用模塊化多電平換流器拓?fù)洹?

1. 常規(guī)直流-交流-直流變換技術(shù)所有傳輸?shù)挠泄β识夹枰?jīng)過(guò)兩級(jí)交流/直流變換，而直流自耦變壓器中僅部分傳輸?shù)挠泄β市枰M(jìn)行兩級(jí)交流/直流變換，為此直流自耦變所需要的換流器容量遠(yuǎn)低于常規(guī)直流-交流-直流變換技術(shù)。

2. 由于僅部分傳輸?shù)挠泄β市枰M(jìn)行兩級(jí)交流/直流變換，直流自耦變的損耗遠(yuǎn)低于常規(guī)直流-交流-直流變換技術(shù)。

3. 由于另一部分功率可以通過(guò)直接電氣連接進(jìn)行傳輸，直流自耦變所使用的交流鏈路容量也遠(yuǎn)低于常規(guī)直流-交流-直流變換技術(shù) 。

1.具備直流故障隔離功能的自耦變壓器

通過(guò)將VSC1、VSC3改造為具備阻斷直流故障電流能力的自阻型MMC以及在直流自耦變的直流高壓出口端安裝直流斷路器的兩種方案可以實(shí)現(xiàn)自耦變壓器的直流故障隔離功能 。

2.網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)器

未來(lái)的區(qū)域電網(wǎng)會(huì)存在交/直流電網(wǎng)并存的局面。圖3中交流電網(wǎng)、直流電網(wǎng)1和直流電網(wǎng)2可以處于不同的地理位置中。為此，圖3所示的方案可以利用較少的換流容量直接互聯(lián)3個(gè)區(qū)域電網(wǎng)，而不需要經(jīng)過(guò)多級(jí)交流–直流變換。

3.單向整流型直流自耦變壓器

圖4為單向整流型直流自耦變壓器。圖4與圖2的區(qū)別在于，VSC1和VSC3替換為相控?fù)Q流器LCC1和LCC3。由于在電氣接線(xiàn)確定后，LCC1和LCC3只能單向地傳輸有功功率，為此圖4所示方案只能實(shí)現(xiàn)由直流電網(wǎng)1向直流電網(wǎng)2單向地傳輸有功功率。

4.單向逆變型直流自耦變壓器

圖5為單向逆變型直流自耦變壓器。圖5與圖4類(lèi)似，區(qū)別在于LCC1和LCC3的接線(xiàn)方式從整流工況轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀児r。圖5在電氣接線(xiàn)確定時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)2向直流電網(wǎng)1單向地傳輸有功功率。

5.多端口直流自耦變壓器

圖6所示的多端口直流自耦變壓器 用于互聯(lián)多個(gè)直流電壓等級(jí)不同的直流系統(tǒng)。

2100433B

⑴由于自耦變壓器的計(jì)算容量小于額定容量。所以在同樣的額定容量下，自耦變壓器的主要尺寸較小，有效材料（硅鋼片和導(dǎo)線(xiàn)）和結(jié)構(gòu)材料（鋼材）都相應(yīng)減少，從而降低了成本。有效材料的減少使得銅耗和鐵耗也相應(yīng)減少，故自耦變壓器的效率較高。同時(shí)由于主要尺寸的縮小和質(zhì)量的減小，可以在容許的運(yùn)輸條件下制造單臺(tái)容量更大的變壓器。但通常在自耦變壓器中只有k≤2時(shí)，上述優(yōu)點(diǎn)才明顯。

⑵由于自耦變壓器的短路阻抗標(biāo)幺值比雙繞組變壓器小，故電壓變化率較小，但短路電流較大。

⑶由于自耦變壓器一、二次之間有電的直接聯(lián)系，當(dāng)高壓側(cè)過(guò)電壓時(shí)會(huì)引起低壓側(cè)嚴(yán)重過(guò)電壓。為了避免這種危險(xiǎn)，一、二次都必須裝設(shè)避雷器，不要認(rèn)為一、二次繞組是串聯(lián)的，一次已裝、二次就可省略。

⑷在一般變壓器中。有載調(diào)壓裝置往往連接在接地的中性點(diǎn)上，這樣調(diào)壓裝置的電壓等級(jí)可以比在線(xiàn)端調(diào)壓時(shí)低。而自耦變壓器中性點(diǎn)調(diào)壓側(cè)會(huì)帶來(lái)所謂的相關(guān)調(diào)壓?jiǎn)栴}。因此，要求自耦變壓器有載調(diào)壓時(shí)，只能采用線(xiàn)端調(diào)壓方式。

自耦變壓器優(yōu)點(diǎn)

降壓起動(dòng)器中的自耦變壓器的變壓比是固定的，而接觸式調(diào)壓器的變壓比是可變的。自耦變壓器與同容量的一般變壓器相比較，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用料省、體積小等優(yōu)點(diǎn)。尤其在變壓比接近于1的場(chǎng)合顯得特別經(jīng)濟(jì)，所以在電壓相近的大功率輸電變壓器中用得較多，此外在10千瓦以上異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)器中得到廣泛使用。但是，由于初次級(jí)繞組共用一個(gè)繞組，有電的聯(lián)系，因此在某些場(chǎng)合不宜使用，特別是不能用作行燈變壓器。自耦變壓器與普通的雙繞組變壓器比較有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)消耗材料少，成本低。因?yàn)樽儔浩魉霉桎撈豌~線(xiàn)的量是和繞組的額定感應(yīng)電勢(shì)和額定電流有關(guān)，也即和繞組的容量有關(guān)，自耦變壓器繞組容量降低，所耗材料也減少，成本也低。

2)損耗少效益高。由于銅線(xiàn)和硅鋼片用量減少，在同樣的電流密度及磁通密度時(shí)，自耦變壓器的銅損和鐵損都比雙繞組變壓器減少，因此效益較高。

3)便于運(yùn)輸和安裝。因?yàn)樗韧萘康碾p繞組變壓器重量輕，尺寸小，占地面積小。

4)提高了變壓器的極限制造容量。變壓器的極限制造容量一般受運(yùn)輸條件的限制，在相同的運(yùn)輸條件的限制，在相同的運(yùn)輸條件下，自耦變壓器容量可比雙繞組變壓器制造大一些。

自耦變壓器缺點(diǎn)

在電力系統(tǒng)中采用自耦變壓器，也會(huì)有不利的影響。其缺點(diǎn)如下：

1)使電力系統(tǒng)短路電流增加。

由于自耦變壓器的高、中壓繞組之間有電的聯(lián)系，其短路阻抗只有同容量普通雙繞組變壓器的(1-1/K)平方倍，因此在電力系統(tǒng)中采用自耦變壓器后，將使三相短路電流顯著增加。又由于自耦變壓器中性點(diǎn)必須直接接地，所以將使系統(tǒng)的單相短路電流大為增加，有時(shí)甚至超過(guò)三相短路電流。

2)造成調(diào)壓上的一些困難。

主要也是因其高、中壓繞組有電的聯(lián)系引起的自耦變壓器可能的調(diào)壓方式有三種，第一種是在自耦變壓器繞組內(nèi)部裝設(shè)帶負(fù)荷改變分頭位置的調(diào)壓裝置；第二種是在高壓與中壓線(xiàn)路上裝設(shè)附加變壓器。而這三種方法不僅是制造上存在困難，不經(jīng)濟(jì)，且在運(yùn)行中也有缺點(diǎn)(如影響第三繞組的電壓)，解決得都不夠理想。

3)使繞組的過(guò)電壓保護(hù)復(fù)雜。

由于高、中壓繞組的自耦聯(lián)系，當(dāng)任一側(cè)落入一個(gè)波幅與該繞組絕緣水平相適應(yīng)的雷電沖擊波時(shí)，另一側(cè)出現(xiàn)的過(guò)電壓沖擊的波幅則可能超出該絕緣水平。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，必須在高、中壓兩側(cè)出線(xiàn)端都裝一組閥型避雷器。

4)使繼電保護(hù)復(fù)雜。

盡管自耦變壓器存在著一定的缺點(diǎn)，但各國(guó)還是非常重視自耦變壓器的應(yīng)用，主要是與電力系統(tǒng)向大容量高電壓的發(fā)展是分不開(kāi)的，隨著容量增大，電壓升高，自耦變壓器的優(yōu)點(diǎn)就更為顯著。

自耦變壓器在不需要初、次級(jí)隔離的場(chǎng)合都有應(yīng)用，具有體積小、耗材少、效率高的優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的交流（手動(dòng)旋轉(zhuǎn)）調(diào)壓器、家用小型交流穩(wěn)壓器內(nèi)的變壓器、三相電機(jī)自耦減壓起動(dòng)箱內(nèi)的變壓器等等，都是自耦變壓器的應(yīng)用范例。

隨著電力系統(tǒng)向大容量、高電壓的方向快速發(fā)展，自耦變壓器以低成本、高效率等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高壓電力網(wǎng)絡(luò)中，成為傳遞重要電能的電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備。作為高壓電網(wǎng)中最重要的設(shè)備之一，自耦變壓器對(duì)于確保電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行、靈活分配電能有重大意義。

隨著高鐵的快速發(fā)展，自耦變壓器的可靠性對(duì)高鐵的安全運(yùn)行至關(guān)重要。而直擊雷、接觸網(wǎng)異物等引起高鐵短路跳閘事故頻發(fā)，其產(chǎn)生的短路沖擊電流極易引起自耦變壓器繞組故障，大大降低了變壓器運(yùn)行的可靠性，嚴(yán)重影響高鐵安全運(yùn)行。

自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)是指電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)利用自耦變壓器來(lái)降低加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的啟動(dòng)電壓。待電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，再使電動(dòng)機(jī)與自耦變壓器脫離，從而在全壓下正常運(yùn)動(dòng)。采用自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流 及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與其端電壓的平方成比例降低，相同的啟動(dòng)電流的情況下能獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如目前 8000kW主流救助船舶側(cè)推啟動(dòng)器選擇變壓器抽頭電壓降至額定電壓的45%，其啟動(dòng)電流為全壓?jiǎn)?dòng)電流的20.25%，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為全壓?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)矩的20.25%。

自耦降壓起動(dòng)電路不能頻繁操作，如果啟動(dòng)不成功，第二次起動(dòng)應(yīng)間隔幾分鐘以上，連續(xù)兩次起動(dòng)后，應(yīng)最少半小時(shí)后再次啟動(dòng)運(yùn)行，這是為了防止自耦變壓器繞組內(nèi)啟動(dòng)電流太大而發(fā)熱損壞自耦變壓器的絕緣。