一种抑制船舶变压器励磁涌流的装置和方法
【专利摘要】本发明属于船舶电力系统技术领域，尤其涉及一种抑制船舶变压器励磁涌流的装置和方法，直流电源、DC/AC逆变器、LC滤波器、交流接触器、船舶变压器、断路器和船舶电网依次相连，船舶变压器一次侧和船舶电网侧分别安装第一电压测量单元和第二电压测量单元，两个电压测量单元、DC/AC逆变器、交流接触器、断路器分别与变压器并网控制器相连；变压器并网控制器经软件锁相环及变压器接线方式相位补偿，闭环控制DC/AC逆变器输出电压的幅值和相位，使得船舶变压器一次侧电压幅值由零逐渐增加到与船舶电网电压幅值相同后，向断路器发出并网合闸指令，并经短延时后封锁DC/AC逆变器输出，从而实现励磁涌流的抑制。
【专利说明】
-种抑制船舶变压器励磁涌流的装置和方法
技术领域
[0001] 本发明属于船舶电力系统技术领域，尤其设及一种抑制船舶变压器励磁涌流的装 置和方法。
【背景技术】
[0002] 变压器是船舶电力系统中联接发电机与负荷之间的重要设备，随着船舶电力系统 容量和电压等级的不断增加，船舶变压器的容量和电压等级也相应提高。由于变压器铁忍 的非线性，使得船舶变压器在空载合闽投入船舶电网中运行时，会产生励磁涌流。受剩磁、 合闽角等因素的影响，励磁涌流的幅值可能很大，如不采取相应的防范措施，则有可能导致 变压器差动保护装置误动、机械应力增大造成绕组变形、电能质量降低与产生电磁干扰影 响系统中其他用电设备正常运行等问题。
[0003] 为了抑制大容量船舶变压器空载合闽时产生的励磁涌流，目前一般采用对变压器 进行预充磁，在延时若干秒钟后再接通变压器的主供电断路器，W减少励磁涌流的冲击。一 种预充磁方法是在变压器一次侧Ξ相线路串联电阻，先合闽电阻支路，延时后将电阻支路 短路，使变压器投入运行。但串联电阻值、变压器剩磁与接入电阻的时间都影响此方法抑制 涌流的效果。另一种方法是并联预充磁变压器来充磁，此方法是从低压电网接通一台等压 变比（1:1)的小型变压器与中压变压器的二次侧绕组并联，中压变压器的一次侧绕组会感 应一个高电压，经过延时后，变压器一次侧主断路器合闽，然后再断开小变压器电路。但是 若合闽时间选择不合适，仍然会有较大的励磁涌流。所W，现有变压器预充磁方法很难完全 抑制励磁涌流的产生。
【发明内容】
[0004] 为了抑制大容量船舶变压器空载合闽时产生的励磁涌流，本发明提出了一种抑制 船舶变压器励磁涌流的装置和方法。
[0005] 抑制船舶变压器励磁涌流的装置包括:直流电源、DC/AC逆变器、LC滤波器、交流接 触器、第一电压测量单元、第二电压测量单元、变压器并网控制器;其中，直流电源、DC/AC逆 变器、LC滤波器、交流接触器、船舶变压器、断路器和船舶电网依次相连，船舶变压器一次侧 和船舶电网侧分别安装第一电压测量单元和第二电压测量单元，两个电压测量单元分别与 变压器并网控制器相连，变压器并网控制器分别与DC/AC逆变器、交流接触器、断路器相连。
[0006] 所述直流电源由蓄电池串联组成或由交流电经整流得到，直流电源的电压为船舶 变压器二次侧线电压幅值的1.15~1.3倍。
[0007] 所述DC/AC逆变器为Ξ相PWM逆变器。
[000引所述LC滤波器将DC/AC逆变器输出的交流电压滤波变成正弦波，电感值L计算如 下：
其中A Imax为电感电流纹波峰-峰值的最大值，fs为DC/AC逆变器的开关频 率，山。为DC/AC逆变器的直流母线电压，也即是直流电源的电压；电容值C由如下公式确定： 2;r./;L，i0fn ^s/lO,其牛 为LC谐振频率，fs为DC/AC逆变器的开
2兀乂 C 关频率，f η为船舶电网的额定频率。
[0009] 所述第一电压测量单元是利用电压传感器将船舶变压器一次侧线电压的高电压 转换为变压器并网控制器可测量的低压信号，且至少测量两个线电压信号，电压传感器为 铁磁型或霍尔型。
[0010] 所述第二电压测量单元是利用电压传感器将船舶电网线电压的高电压转换为变 压器并网控制器可测量的低压信号，且至少测量两个线电压信号，电压传感器为铁磁型或 霍尔型。
[0011] 所述变压器并网控制器根据第一电压测量单元、第二电压测量单元检测到的电压 信号来控制DC/AC逆变器输出和交流接触器、断路器的通断，实现励磁涌流的抑制。
[0012] 所述DC/AC逆变器在船舶变压器一次侧接入电网后，可W断开与变压器二次侧之 间的交流接触器，也可W保持连接状态作为备用电源供负载使用。
[0013] 抑制船舶变压器励磁涌流的方法包括：
[0014] 变压器并网控制器通过第二电压测量单元获得船舶电网电压，通过第一电压测量 单元获得船舶变压器一次侧电压，经软件锁相环及变压器接线方式相位补偿，闭环控制DC/ AC逆变器输出电压的幅值和相位，使得船舶变压器一次侧电压幅值由零逐渐增加到与船舶 电网电压幅值相同，并且船舶变压器一次侧电压频率和相位也与电网电压的频率和相位保 持相同，在断路器两侧电压的幅值、频率和相位相同的条件满足后，变压器并网控制器向断 路器发出并网合闽指令，考虑断路器合闽动作时间，经短延时后封锁DC/AC逆变器输出，从 而实现励磁涌流的抑制。
[0015] 与现有抑制船舶变压器励磁涌流的技术相比，本发明的有点在于：
[0016] (1)采用DC/AC逆变器电力电子装置，闭环控制船舶变压器一次侧电压，自动适应 船舶电网电压的变化，励磁涌流抑制效果稳定。
[0017] (2)抑制励磁涌流装置电压低，容量小，结构简单。
[0018] (3)本发明提出的装置和方法对抑制船舶变压器励磁涌流效果十分显著，可适用 于船舶电力系统中不同形式的变压器。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明装置的结构原理图。
[0020] 图2为本发明装置抑制励磁涌流的控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0021 ]下面结合附图，对实施例作详细说明。如图1所示，一种抑制船舶变压器励磁涌流 的装置，该装置连接在船舶变压器的二次侧，所述抑制船舶变压器励磁涌流的装置主要包 括直流电源UDC/AC逆变器2、LC滤波器3、交流接触器4、第一电压测量单元5、第二电压测量 单元6、变压器并网控制器7。其中，直流电源UDC/AC逆变器2、LC滤波器3、交流接触器4、船 舶变压器8、断路器9和船舶电网依次相连，其中船舶变压器一次侧和船舶电网侧分别安装 第一电压测量单元和第二电压测量单元，两个电压测量单元分别与变压器并网控制器相 连，变压器并网控制器分别与DC/AC逆变器、交流接触器、断路器相连。
[0022] 所述直流电源1由蓄电池串联组成，直流电压为船舶变压器二次侧线电压幅值的 1.2 倍。
[0023] 所述DC/AC逆变器2为Ξ相PWM逆变器。
[0024] 所述LC滤波器3将DC/AC逆变器输出2的交流电压滤波变成正弦波，电感值L计算如 下：
，其中A Imax为电感电流纹波峰-峰值的最大值，fs为DC/AC逆变器2的开关频 率，Ud。为DC/AC逆变器2的直流母线电压，也即是直流电源1的电压。电容值C由如下公式确 定：
lOfn^c^s/lO,其中
为LC谐振频率，fs为DC/AC逆变器2 的开关频率，f η为船舶电网的额定频率。
[0025] 所述第一电压测量单元5,是利用电压传感器(铁磁型或霍尔型）将船舶变压器一 次侧线电压的高电压转换为变压器并网控制器可测量的低压信号，至少测量两个线电压信 号。
[0026] 所述第二电压测量单元6,是利用电压传感器(铁磁型或霍尔型）将船舶电网线电 压的高电压转换为变压器并网控制器可测量的低压信号，至少测量两个线电压信号。
[0027] 所述变压器并网控制器7,控制接触器4闭合，将DC/AC逆变器2与船舶变压器二次 侧连接。所述的变压器并网控制器7,采用如下方法抑制励磁涌流，通过第二电压测量单元6 获得电网电压，通过第一电压测量单元7获得船舶变压器一次侧电压，经软件锁相环及变压 器接线方式相位补偿，闭环控制DC/AC逆变器2输出电压的幅值和相位，使得船舶变压器一 次侧电压幅值由零逐渐增加到与电网电压幅值相同，并且船舶变压器一次侧电压频率和相 位也与电网电压的频率和相位保持相同，在断路器9两侧电压的幅值、频率和相位相同的条 件满足后，变压器并网控制器7向断路器9发出并网合闽指令，船舶变压器一次侧断路器合 闽，船舶变压器与船舶电网连接。考虑断路器合闽动作时间，经短延时后封锁DC/AC逆变器 输出。
[0028] 抑制励磁涌流的效果某船舶电力系统中一台大型船舶日用变压器为例，变压 器接法为Δ/Υ-11，变比为6.6/0.4^，容量为31￥4，船舶电网电压等级为6.化￥，频率为 50Hz，额定电流为。此船舶日用变压器直接空载合闽时励磁涌流可达658A，为额定电流的 2.5倍。采用本发明所述的抑制励磁涌流装置后，船舶日用变压器合闽时励磁电流仅为 1.05A，为额定电流的0.4%，接近空载励磁电流。励磁涌流抑制效果十分明显。本发明不受 变压器剩磁、断路器合闽时刻、船舶电网参数变化的影响，抑制励磁涌流的效果稳定可靠。
[0029] 此实施例仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该W权利要求的保护范围 为准。
【主权项】
1. 一种抑制船舶变压器励磁涌流的装置，其特征在于，包括:直流电源、DC/AC逆变器、 LC滤波器、交流接触器、第一电压测量单元、第二电压测量单元、变压器并网控制器;其中， 直流电源、DC/AC逆变器、LC滤波器、交流接触器、船舶变压器、断路器和船舶电网依次相连， 船舶变压器一次侧和船舶电网侧分别安装第一电压测量单元和第二电压测量单元，两个电 压测量单元分别与变压器并网控制器相连，变压器并网控制器分别与DC/AC逆变器、交流接 触器、断路器相连。2. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述直流电源由蓄电池串联组成或由交流电 经整流得到，直流电源的电压为船舶变压器二次侧线电压幅值的1.15~1.3倍。3. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述DC/AC逆变器为三相PWM逆变器。4. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述LC滤波器将DC/AC逆变器输出的交流电 压滤波变成正弦波，电感值L计算如下：，其中A ImM为电感电流纹波峰-峰值的 最大值，f s为DC/AC逆变器的开关频率，Udc为DC/AC逆变器的直流母线电压，也即是直流电源 的电压；电容值C由如下公式确定0fn<Kfs/10,其中为 LC谐振频率，f s为DC/AC逆变器的开关频率，fn为船舶电网的额定频率。5. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述第一电压测量单元是利用电压传感器将 船舶变压器一次侧线电压的高电压转换为变压器并网控制器可测量的低压信号，且至少测 量两个线电压信号，电压传感器为铁磁型或霍尔型。6. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述第二电压测量单元是利用电压传感器将 船舶电网线电压的高电压转换为变压器并网控制器可测量的低压信号，且至少测量两个线 电压信号，电压传感器为铁磁型或霍尔型。7. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述变压器并网控制器根据第一电压测量单 元、第二电压测量单元检测到的电压信号来控制DC/AC逆变器输出和交流接触器、断路器的 通断，实现励磁涌流的抑制。8. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述DC/AC逆变器在船舶变压器一次侧接入 电网后，可以断开与变压器二次侧之间的交流接触器，也可以保持连接状态作为备用电源 供负载使用。9. 一种基于权利要求1所述装置的抑制船舶变压器励磁涌流的方法，其特征在于，包 括： 变压器并网控制器通过第二电压测量单元获得船舶电网电压，通过第一电压测量单元 获得船舶变压器一次侧电压，经软件锁相环及变压器接线方式相位补偿，闭环控制DC/AC逆 变器输出电压的幅值和相位，使得船舶变压器一次侧电压幅值由零逐渐增加到与船舶电网 电压幅值相同，并且船舶变压器一次侧电压频率和相位也与电网电压的频率和相位保持相 同，在断路器两侧电压的幅值、频率和相位相同的条件满足后，变压器并网控制器向断路器 发出并网合闸指令，考虑断路器合闸动作时间，经短延时后封锁DC/AC逆变器输出，从而实 现励磁涌流的抑制。
【文档编号】H02J3/12GK105870929SQ201610182889
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】毕大强
【申请人】清华大学