一种铁磁型三倍频变压器及分频输电系统
阅读说明：本技术 一种铁磁型三倍频变压器及分频输电系统 (Ferromagnetic type frequency tripling transformer and frequency division power transmission system ) 是由 王锡凡 王秀丽 宁联辉 魏凤廷 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种铁磁型三倍频变压器及分频输电系统,用于实现将三分之一工频的电力转换为工频电力,所述铁磁型三倍频变压器由三个单相变压器构成,所述单相变压器包括铁芯结构、一次绕组和二次绕组,所述一次绕组采用星形或三角形接线,所述二次绕组采用开口三角形接线,构成单相输出三倍频变压器。本发明可以将某一频率的电力转换为三倍频电力输出,完成分频输电,也可作为中频感应加热的电源使用。(The invention discloses a ferromagnetic type frequency tripling transformer and a frequency division power transmission system, which are used for converting power of one third of power frequency into power frequency power. The invention can convert the power of a certain frequency into triple frequency power for output, completes frequency division power transmission, and can also be used as a power supply of medium frequency induction heating.)
技术领域
本发明属于电工技术领域，涉及一种电力设备及电力系统发电、输电、供电系统，具体涉及一种铁磁型三倍频变压器及分频输电系统。
背景技术
当前电力系统发电、输电、供电应用最为广泛的方法是交流输配电技术，输电频率大多采用50Hz或60Hz，限制其输送容量的主要因素为输电系统的电抗X。其输电系统的极限功率可以近似地用下述公式表示：
式中，U表示输电系统的额定电压。为了提高输送容量，历来都采用提高电压U的方法，目前已达1000kV。
由于直流电路不存在电抗的问题，20世纪60年代后出现直流输电，形成交直流混合电力系统。但直流输电系统两端的换流设备价格昂贵，使其应用受到限制。
自从发明了变压器后，从发电、输电到用电，人们可以根据需要选取不同的电压等级，以达到提高效率、方便使用的目的。但频率却似乎是技术禁区，只能是50Hz、60Hz或直流输电。实际上，各种可再生能源维持工频50Hz、60Hz发电并不是效率最高的选择，由于水轮机的本身转速较低，低频发电其效率会更高。同样风能、潮汐能、太阳能等可再生新能源也有类似的问题。
而在输电系统，由于线路电抗与频率成正比，降低频率可以大幅度提高线路输送能力，目前广泛使用的500kV电网如采用50/3Hz输电，则在不改变输电线路的情况下，可提高接近3倍的输送功率。
分频输电系统自提出后，频率变换器就是其关键设备，电力电子变频器一直是其主要研究方向，但由于其成本和设备可靠性等原因，在许多应用场合铁磁型三倍频变压器更加适用。
随着大规模风电和光伏发电的大力开发，电源和负荷在地理空间上的分布特性决定了大量陆上新能源无法就地消纳，因而面临远距离高效外送的现实问题；而沿海的大规模海上风电，尤其是深远海大容量海上风电采用柔直送出时，海上换流站的一次投资及运行维护成本高居不下，严重影响了送出方式的经济性，亟需一种高效经济的深远海风电送出方式。
发明内容
针对上述需求，本发明的目的在于提供一种实现变频、能量转换和作为倍频电源的电力设备——三倍频变压器，以及基于三倍频变压器的分频输电系统。本发明装置可以将某一频率的电力转换为三倍频电力输出，完成分频输电，也可作为中频感应加热的电源使用。其中包含单相输出三倍频变压器和三相输出的三倍频变压器。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铁磁型三倍频变压器，用于实现将三分之一工频的电力转换为工频电力，所述铁磁型三倍频变压器由三个单相变压器构成，所述单相变压器包括铁芯结构、一次绕组和二次绕组，所述一次绕组采用星形或三角形接线，所述二次绕组采用开口三角形接线，构成单相输出三倍频变压器。
进一步地，所述铁芯结构包括铁芯柱和磁轭，且铁芯柱的截面小于磁轭的截面。
进一步地，利用三相磁阻瞬时值不等的特性或铁磁材料的饱和特性产生三次磁通，通过开口三角形接法使输出电压为三倍频电压，即该三倍频变压器输出电压频率为输入电压的3倍。
进一步地，当所述铁磁型三倍频变压器用于三相输电系统时，为获得三相交流电，另两相构成单相输出三倍频变压器的一次绕组接线形式采用移相变压器接法，以原绕组A相为基准，B相后移40度，C相前移40度。
进一步地，所述铁芯结构采用口字型结构、日字型结构、三相五柱式结构或三相四柱式结构。
进一步地，当铁芯结构采用三相四柱式结构时，所述铁芯结构的横截面为Y字型结构，位于周围的三个铁芯柱呈120度对称排列，与位于中心的铁芯柱构成通路，且位于周围的铁芯柱横截面小于磁轭和位于中心的铁芯柱横截面；
一次绕组的A、B、C相分别绕于三个位于周围的铁芯柱上，接成星形接线，二次绕组绕于位于上，构成单相输出三倍频变压器。
进一步地，当所述铁磁型三倍频变压器用于三相输电系统时，为获得三相交流电，另两相构成单相输出三倍频变压器的一次绕组接线形式采用移相变压器接法，以原绕组A相为基准，B、C相分别后移、前移40度。
一种基于铁磁型三倍频变压器的分频输电系统，包括三分频电源、三分频升压变压器、三分频输电线路、铁磁型三倍频变压器、工频电力系统；所述三分频电源发出频率为50/3Hz的低频电力，通过三分频升压变压器升高电压后，经三分频输电线路输入至铁磁型三倍频变压器的低频端，再由铁磁型三倍频变压器将50/3Hz的低频电力转换为50Hz的工频电力送入工频电力系统。
进一步地，所述三分频电源的三相出线端与三分频升压变压器的一次绕组连接，三分频升压变压器的二次绕组通过三分频输电线路与铁磁型三倍频变压器的分频输入端相连，铁磁型三倍频变压器的工频输出端与工频电力系统连接。
进一步地，所述的三分频电源采用适宜于发出低频电力的可再生能源发电机组，或通过全功率变流器并网的可再生能源发电电源。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的铁磁型三倍频变压器包含单相输出三倍频变压器和三相输出的三倍频变压器。单相三倍频变压器利用利用三相磁阻瞬时值不等的特性或铁磁材料的饱和特性产生三倍频磁通，经过开口三角形联结后实现三倍频电压输出。三相三倍频变压器由三个不同的单相三倍频变压器组成。三相工频输出的A相与低频侧A相初始相位相同，其倍频变与单相倍频变结构相同，工频输出的B相和C相的不同之处在于需通过特定移相方法，如移相绕组或移相变压器，将母线三相电分别后移、前移40度再通入单相三倍频变压器，如此便可将某一频率的电力转换为三倍频电力输出，完成分频输电。分频输电系统结构如图1所示，也可作为中频感应加热的电源使用。
进一步地，铁芯柱、磁轭采用不同尺寸的截面，既可满足产生三倍频磁通的需要，也可保证长期运行热稳定的需要。
进一步地，采用三相四柱三相变压器结构，可减少三倍频变压器二次绕组匝数，节约成本。
进一步地，为获得三相交流电，一次绕组采用移向变压器接法，实现产生三相三倍频交流电。
本发明的分频输电系统在发电、输电、用电各个环节采用不同的频率，极大地提高了效率，由于发电机组根据水头、风力的变化状况使原动机工作在最佳工况，可提高各种可再生能源发电的效率、简化机组结构，降低机组造价；由于可以采用较低的频率输电，如采用1/3工频的频率，对于架空线路，可使输电线路的电抗得以大幅度降低，从而大幅度提高输电线路的静稳极限；对于交流海缆，可使其容性电流大幅减小，从而释放出更多的有功输送空间；与直流输电系统相比，没有换流站，节省大量的一次投资和运维成本，同时避免了直流断路器制造困难、造价昂贵的问题；由于使用铁磁型三倍频变压器作为频率变换器，实现不同频率电网间的互联，相对于电力电子行的频率变换器，具有结构简单、可靠性高、造价低的优点；另外因为输电系统是交流输电，升降压容易实现，断路器灭弧容易解决，可以大幅度节省输变电费用，可方便的进行交流组网，运行方式灵活，维护简单。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是分频输电系统结构示意图
图2是单相三倍频变压器口字型铁芯结构示意图；
图3是单相三倍频变压器日字型铁芯结构示意图；
图4是单相三倍频变压器三相五柱型铁芯结构示意图；
图5是单相三倍频变压器三相四柱型铁芯结构示意图；
图6是三相三倍频变压器一次绕组移向原理结构图；其中(a)为A相联接图，(b)为B相一次移相联接图，(c)为C相一次移相联接图；
图7是三相三倍频变压器的总体原理结构图；
图8是一种采用铁磁型3倍频变压器的输电系统原理结构图。
其中，1、铁芯柱；2、磁轭；3、一次绕组；4、二次绕组；5、三分频电源；6、三分频升压变压器，7、三分频输电线路，8、铁磁型三倍频变压器，9、工频电力系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步详细描述：
本发明主要是作为分频输电系统的关键设备，也可用于中频感应加热的电源设备或电力系统对高压互感器作倍频感应耐压试验设备，具体结构如下：
一种铁磁型三倍频变压器，该装置由铁芯柱1、磁轭2、一次绕组3、二次绕组4组成，利用铁芯磁路的饱和特性，取出谐波分量三次谐波电压，为满足倍频变压器长期工作热稳定需要，磁轭2截面要大于铁芯柱1截面，一次绕组3连接低频电源，安匝数选择需保证铁芯工作于饱和状态，铁芯结构采用的是口字型(如图2)、日字型(如图3)单相变压器结构或三相四柱三相变压器结构(如图5)、三相五柱三相变压器结构(如图4)，二次绕组4采用开口三角形接线，可输出单相三倍频电压；如采用三相四柱铁心的三相变压器结构，其铁芯柱顶视图为Y字型结构，三个旁柱(位于周围的铁芯柱)120度排列，与中芯柱(位于中间的铁芯柱)构成通路，旁柱截面小于磁轭和中芯柱截面，一次绕组3的A、B、C相分别绕于三个旁柱上，接成星形接线，二次绕组4绕于中芯柱上，直接输出单相三倍频电压。
如用于分频输电系统时，为获得三相交流电输出，构成B、C相输出的三倍频变压器的一次绕组接线形式需采用移向变压器接法，以原绕组A相为基准，B、C相分别后移或前移40度。
一种基于铁磁型三倍频变压器的分频输电系统，包括三分频电源5、三分频升压变压器6、三分频输电线路7、铁磁型三倍频变压器8、工频电力系统9；所述三分频电源5发出频率为50/3Hz的低频电力，通过三分频升压变压器6升高电压后，经三分频输电线路7输入至铁磁型三倍频变压器8的低频端，再由铁磁型三倍频变压器8将50/3Hz的低频电力转换为50Hz的工频电力送入工频电力系统9。
所述三分频电源5的三相出线端与三分频升压变压器6的一次绕组连接，三分频升压变压器6的二次绕组通过三分频输电线路7与铁磁型三倍频变压器8的分频输入端相连，铁磁型三倍频变压器8的工频输出端与工频电力系统9连接。
所述的三分频电源5可包括水轮发电机组或风力发电机组等适宜于发出低频电力的可再生能源发电机组，以及光伏阵列等通过全功率变流器并网的可再生能源发电电源。所述的铁磁型三倍频变压器8实现将分频电力转换为3倍分频的工频电力，实现了3倍频率转换的目的。铁磁型三倍频变压器8的结构与普通铁磁型变压器类同，由铁芯和绕组构成，但设计时铁磁材料的磁通密度选择不同，正常工作时，铁磁型三倍频变压器8的铁磁材料工作在饱和状态，利用一次侧铁芯饱和产生的3次谐波在二次侧感应的3次谐波电压作为输出电压。
本发明将分频输电技术运用于风电场的集电及送出，可在不提高电压等级的情况下使其有效输送容量提升至工频交流方式下输送容量的2.5倍以上；应用于海上风电送出时，由于线路沿线的充电电流减小，线路末端电压波动率低于工频高压交流输电方式，因此极大节省输电走廊及无功补偿装置的一次投资；与采用常规直流送出方案相比，分频输电方式采用交流断路器实现电流开断，利用变压器进行电压等级变换和匹配，可方便的进行交流组网，容易构建适用于多个风电场集中外送的多端分频输电系统，维护简单，运行方式灵活，是一种极具潜力和开发前景的大规模风电并网方案，大规模陆上新能源送出和深远海风电并网场景下具有显著实用价值。
下面结合实施例对本发明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。
本发明的三相三倍频变压器如附图7所示。铁磁型三倍频变压器8由铁磁型的变压器构成，可将3分频的电力转换为工频电力，实现频率转换的目的。铁磁型三倍频变压器的结构与普通铁磁型变压器类同，由铁芯和绕组构成，但设计时铁磁材料的磁通密度选择不同，利用三相磁阻瞬时值不等的特性或铁磁材料的饱和特性，产生的3次磁通在副边感应的3次谐波电压作为输出电压。一个3倍频变压器可以由三个单相变压器在外部通过接线构成，也可以采用三相五柱铁芯结构的三相变压器构成。安倍频变压器的原绕组接三相交流电源，副绕组接成开口三角型，构成工频输出电压的一相，为实现三相交流输出，另外两相采用以上类同铁芯结构，但原绕组要采用移相变压器的绕组接线。
参见图6和图7，A相结构如附图6中(a)所示，为单相输出的三倍频变压器绕组联接图，三相输出时可作为A相电源，一次绕组为星形(或三角形)联接，二次绕组为开口三角形联接，该二次联接图适用于单相变压器或三相五柱铁芯结构构成的三倍频变压器，若采用三相四柱三相变压器结构，二次绕组电压直接输出。
B相结构的移相部分如附图6中(b)所示，为三相输出时作为B相输出的三倍频变压器一次绕组接线，为后移40度星形联接。三倍频接线同A相部分。
C相结构的移相部分如附图6中(c)所示，为三相输出时作为C相输出的三倍频变压器一次绕组接线，为前移40度星形联接。
三相铁磁型三倍频变压器的总体结构如图7，二次绕组将三个单相输出三倍频电源二次绕组(a′x′、b′y′、c′z′相)联接为星形或三角形输出。
参见图8，一种采用铁磁型3倍频变压器的输电系统由三分频电源5、三分频升压变压器6、三分频输电线路7、铁磁型三倍频变压器8、工频电力系统9组成。三分频电源5根据水头、风力的不同转速发出低频电力，通过三分频升压变压器6升为低频高压后，经三分频输电线路7输入至铁磁型三倍频变压器8低频端，再由铁磁型三倍频变压器8将低频率的电力转换为工频电力送入工频电力系统9。
三分频电源5为水轮发电机组、风力发电机组或光伏阵列；三分频电源5的三相出线端与三分频升压变压器6的一次绕组连接，三分频升压变压器6的二次绕组通过三分频输电线路7与铁磁型三倍频变压器8的低频端相连，铁磁型三倍频变压器8的工频端与工频电力系统9连接。
本发明在发电、输电、用电各个环节选择不同的频率。发电机组根据水头、风力变速运行在最佳工况，以提高发电机组效率；输电线路采用50/3Hz的低频传输电能，可在不提高电压等级的前提下将功率极限提升至采用50Hz工频传输时的3倍；三倍频变压器将线路输送的低频电能转换为工频电能，然后送入工频电网。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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