特变电工股份有限公司新疆变压器厂新疆昌吉831100
摘要:近几年,我国的智能电网和能源互联网发展的速度越来越快,伴随而来的是智能变压器的发展。而在其中,又发展出来了智能配电变压器。智能配电变压器是一种新型的变压器,改变了以往变压器的诸多缺点,因此应用的越来越广泛。本篇文章一开始先对智能变压器进行了简单介绍,主要是其概述、电路拓扑和工作原理,然后依次展开了智能配电变压器控制系统的研究,并展望了其未来发展状况。
关键词:智能配电;变压器;控制系统;未来发展
引言
随着近几年我国的智能电网、能源互联网等未来电网技术的快速发展,实现变压、电气隔离、功率调节与控制、可再生能源接入等多种功能的智能变压器(也称为固态变压器、电力电子变压器等)被广泛运用,并且关于这一新型变压器的相关理论和技术的研究得到了越来越广泛的关注。但是,从总体而言,智能变压器的大规模推广应用还有诸多问题需要解决。
1关于智能变压器
1.1概述
智能变压器(smarttransformer,ST)也称电力电子变压器(powerelectronictransformer,PET)或者固态变压器(solid-statetransformer,SST)等,一般是指通过电力电子技术及高频变压器(相对于工频变压器工作频率更高)实现的具有但不限于传统工频交流变压器功能的新型电力电子设备。电力电子变压器一般至少包括传统交流变压器的电压等级变换和电气隔离功能,此外,还包括交流侧无功功率补偿及谐波治理、可再生能源/储能设备直流接入、端口间的故障隔离功能以及与其他智能设备的通讯功能等。
1.2智能变压器的电路拓扑
智能变压器一般可应用于智能电网、可再生能源接入或电力机车牵引变流系统等需要对电能形式进行变换并要求电气隔离的场合。根据应用场景的不同,智能变压器的高、低压端口电能形式及隔离方式一般也不相同,通常需要采用定制化的电路拓扑,很难实现统一标准化设计。这也促成了智能变压器电路拓扑的多元化技术路线。
作为应用于交流电网的智能变压器,其输入侧一般为中高压交流端口,而为了能够涵盖传统工频变压器的基本功能,在很多场合也要求PET能够输出低压交流。因此,本文以中高压交流输入、低压交流输出的智能变压器作为基本的分类对象。而对于具有直流端口的智能变压器来说,大多数情况下其可以作为低压交流输出型智能变压器的一部分。智能变压器包含电力电子变流器构成的AC/AC,AC/DC或DC/AC等电能变换环节。电能变换环节数量的多少是影响智能变压器效率的重要因素。
1.3智能配电变压器中的高频变压器优化设计
智能配电变压器中的高频变压器是实现电气隔离和电压等级变换功能的核心元件。首先需要说明的是,本文中的“高频”是与工频变压器的“工频”而言的相对概念。一般来说,过低的工作频率会使得变压器铁心体积较大,而过高的频率会使得变压器及其连接的电力电子变换器损耗增加,给系统散热带来困难。实际上,对于可以隔离lOkV或更高电压的高频变压器来说,由于爬电距离、空气间隙等绝缘因素的限制,一般工作频率高于数kHz之后,即便继续提高频率,高频变压器本身的体积很难继续减小;而因工作频率提高带来的变压器及变流器散热需求增加,需要另外增加散热设计,反而可能会增大智能变压器系统的体积。因此,智能变压器中高频变压器的工作频率设计需综合考虑系统的体积(功率密度)、绝缘、散热等多项性能的协同优化。所以,目前研制的PET样机中,高频变压器工作频率一般在400Hz-20kHz之间,有些文献中将这些变压器称为中频变压器。
2智能配电变压器控制系统
2.1无线2G模块
F2X14系列IPMODEM是一种物联网无线数据终端,该产品采用高性能的工业级32位通信处理器和工业级无线模块,以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台,同时提供RS232和RS485(或RS422)接口,可直接连接串口设备,实现数据透明传输功能;低功耗设计,最低功耗小于1mA;提供5路I/O,可实现数字量输入输出、脉冲输出、模拟量输入、脉冲计数等功能。
2.1.1参数配置
在对IPMODEM进行配置前,需要通过出厂配置的RS232串口线或RS232-485转换线把IPMODEM和用于配置的PC连接,用户只需要有串口通信的程序就可以配置IPMODEM的所有参数,或者直接由用户的单片机系统对设备进行配置;可以运行IPModemConfigureo
串口参数默认是COM1,115200,并且串口已经打开;如连接IPMODEM的实际串口参数小相符,需在此项配置中选择正确的值,同时打开串口。串口参数设置栏内的右边按钮若显示为“关闭串口”,表明串口已经打开,否则需打开串口。串口打开时,在输出信息栏内会给出提示信息:串口(<COM)已打开,请重新上电设备,正在等待设备上电后进入配置状态川。
参数配置软件使IPMODEM进入配置状态后会自动载入设备中的当前配置参数,并显示在右边的“IPMODEM设备参数配置”中,至此可以开始配置IPMODEM中所有配置参数。
2.1.2数据传输试验环境测试
Server:模拟实际应用中的数据中心,在Server上运行ServerDemo软件,假设Server的IP地址为222.76.128.204,DEMO软件监听在5001端口。
PC模拟用于数据采集的串口设备,运行串口调试工具。由数据采集PC发送数据给Server的数据流程为:PC串口数据-IPMODEM串口一IPMODEMTCP/IP协议栈对数据进行TCP/IP封装一发送到无线网络一无线网络转发到Internet-Internet转发数据到ServeroServer发送数据到PC的流程是上面过程的逆向传输。
2.2系统设计
2.2.1计算机后台软件设计
计算机后台软件主要使用微软公司可视化程序VB6.0编写。通过构思优化、版本升级,该后台软件具有人机对话功能优良、操作简单等特点,极大地满足了用户的现场使用需求。
2.2.2控制器微处理器程序设计
微处理程序我们使用汇编语言编写,程序共分以下几部分:初始化部分、电量采样部分、计算部分、I/O控制处理部分、串口中断部分、遥控/遥调/遥测部分。
串口中断程序设计:判断无线2G模块发出的信号是:
读数据命令?
是,则串口输出对应的数据;
是设定命令?
如果是的话,将设定值保存至EROM中;
是控制命令?
如果是的话,将输出对应的控制数据,中断返回。
2.2.3系统集成及调试
通过对系统联网调试,智能配电变压器各种参数提取正常,数据准确,控制命令执行顺利,控制准确,完全满足设计要求。
2.3用途及特点
2.3.1用途
适用于负荷随一定规律变化大的用户、存在低电压问题的供电区域。
2.3.2特点
具有自动调压功能,消除“低电压”问题、有载自动调节,实现配电设备自动化。
3智能配电变压器控制系统的未来发展
3.1由于智能变压器功能远多于传统的工频变压器,将智能变压器仅与工频变压器本身进行效率、造价、功率密度等性能的直接比较不尽合理。实际上,与集成了工频变压器及电能质量治理功能的综合电能管理装置相比,目前的智能变压器功率密度已经达到了相当甚至更高的水平,但运行效率和经济性仍需进一步提高。
3.2由于智能变压器电气连接端口形式多样灵活,智能变压器更加适合于交流输入、直流输出的场合应用,而非直接替代现有的工频变压器。尤其是应用于以低压直流为主的配电网时,PET可以取消原有交流低压配电网中各种直流设备前端的并网逆变器,优化整个系统的结构和运行效率。
3.3对我国的机车牵引系统来说,现有的车载牵引变压器额定工作频率为SOHz,比欧洲的部分铁路系统的16.7Hz已经高出很多,即车上的牵引变压器本身体积已经减小很多。在此种场合通过智能变压器来替代车载牵引变压器的困难更大。而机车上的空间有限、震动明显、冷却方式受限等问题也给此种替代方案带来了更大的挑战,相关技术也需更加深入的研究。
结束语
综上所述,该智能配电变压器的控制系统是基于无线2G数据通信的控制系统,该系统有效地解决了变压器远程控制的难题,为配网自动化应用提供了一个优良的开端,发展前景广阔。
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