直流自耦变压器

由图2所示拓扑可知，VSC2的额定直流电压可取为与直流电网1的额定直流电压相同，为E1。而VSC1和VSC3等效地分担直流电网2和直流电网1之间的电压差值，其额定直流电压为(E2-E1)/2。

设两互联电网之间传输的功率为P_N，则VSC2的额定功率可设计为P_N(1-E1/E2)，VSC1及VSC3的额定功率都取为P_N/2(1-E1/E2)。

可进一步求得3个VSC的总功率为：P_total=2 (1-E1/E2) P_N。

结合图1和图2可知：

常规直流-直流变换器所使用的换流器总容量为2PN，而直流自耦变压器使用的换流器总容量为2PN(1-E1/E2)，E1与E2越接近，直流自耦变压器所采用的换流器容量越小。以互联±320 kV和±640 kV直流电网为例，直流自耦变压器所使用的换流器总量为常规技术的一半；而互联±320 kV和±400 kV直流电网时，直流自耦变压器所使用的换流器容量仅为常规技术的20% 。

1.具备直流故障隔离功能的自耦变压器

通过将VSC1、VSC3改造为具备阻断直流故障电流能力的自阻型MMC以及在直流自耦变的直流高压出口端安装直流断路器的两种方案可以实现自耦变压器的直流故障隔离功能 。

2.网间联络器

未来的区域电网会存在交/直流电网并存的局面。图3中交流电网、直流电网1和直流电网2可以处于不同的地理位置中。为此，图3所示的方案可以利用较少的换流容量直接互联3个区域电网，而不需要经过多级交流–直流变换。

3.单向整流型直流自耦变压器

图4为单向整流型直流自耦变压器。图4与图2的区别在于，VSC1和VSC3替换为相控换流器LCC1和LCC3。由于在电气接线确定后，LCC1和LCC3只能单向地传输有功功率，为此图4所示方案只能实现由直流电网1向直流电网2单向地传输有功功率。

4.单向逆变型直流自耦变压器

图5为单向逆变型直流自耦变压器。图5与图4类似，区别在于LCC1和LCC3的接线方式从整流工况转变为逆变工况。图5在电气接线确定时，只能实现直流电网2向直流电网1单向地传输有功功率。

5.多端口直流自耦变压器

图6所示的多端口直流自耦变压器 用于互联多个直流电压等级不同的直流系统。

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直流自耦变压器主要由3个电压源型换流器VSC1、VSC2和VSC3依次串联而成，其中VSC2的直流端口与直流电网1的直流端口并联连接，VSC1的直流正端和VSC3的直流负端分别与直流电网2的直流正端和直流负端相连接。3个VSC换流器的交流侧经过一定的变压器/相电抗电路连接至交流公共母线B1。由于VSC1和VSC3采用非对称结构(直流中性点不接地)。为了消除VSC1和VSC3的中性点偏移，VSC1和VSC3的变压器采用Y/D接线方式。与常规LCC类似，变压器靠近变频器侧采用D接线方式 。

根据应用的需要，当交流公共母线的电压取值与VSC2的额定电压一致时，与VSC2相连接的变压器可以由相电抗取代，从而节省所使用的变压器数量。

由于直流-直流自耦变压器主要应用于高压直流输电领域，为降低电压源型换流器实现的技术难度，并降低电压源型换流器的损耗，直流自耦变中的每个电压源型换流器采用模块化多电平换流器拓扑。

1. 常规直流-交流-直流变换技术所有传输的有功功率都需要经过两级交流/直流变换，而直流自耦变压器中仅部分传输的有功功率需要进行两级交流/直流变换，为此直流自耦变所需要的换流器容量远低于常规直流-交流-直流变换技术。

2. 由于仅部分传输的有功功率需要进行两级交流/直流变换，直流自耦变的损耗远低于常规直流-交流-直流变换技术。

3. 由于另一部分功率可以通过直接电气连接进行传输，直流自耦变所使用的交流链路容量也远低于常规直流-交流-直流变换技术 。

⑴由于自耦变压器的计算容量小于额定容量。所以在同样的额定容量下，自耦变压器的主要尺寸较小，有效材料（硅钢片和导线）和结构材料（钢材）都相应减少，从而降低了成本。有效材料的减少使得铜耗和铁耗也相应减少，故自耦变压器的效率较高。同时由于主要尺寸的缩小和质量的减小，可以在容许的运输条件下制造单台容量更大的变压器。但通常在自耦变压器中只有k≤2时，上述优点才明显。

⑵由于自耦变压器的短路阻抗标幺值比双绕组变压器小，故电压变化率较小，但短路电流较大。

⑶由于自耦变压器一、二次之间有电的直接联系，当高压侧过电压时会引起低压侧严重过电压。为了避免这种危险，一、二次都必须装设避雷器，不要认为一、二次绕组是串联的，一次已装、二次就可省略。

⑷在一般变压器中。有载调压装置往往连接在接地的中性点上，这样调压装置的电压等级可以比在线端调压时低。而自耦变压器中性点调压侧会带来所谓的相关调压问题。因此，要求自耦变压器有载调压时，只能采用线端调压方式。

自耦变压器优点

降压起动器中的自耦变压器的变压比是固定的，而接触式调压器的变压比是可变的。自耦变压器与同容量的一般变压器相比较，具有结构简单、用料省、体积小等优点。尤其在变压比接近于1的场合显得特别经济，所以在电压相近的大功率输电变压器中用得较多，此外在10千瓦以上异步电动机降压起动器中得到广泛使用。但是，由于初次级绕组共用一个绕组，有电的联系，因此在某些场合不宜使用，特别是不能用作行灯变压器。自耦变压器与普通的双绕组变压器比较有以下优点：

1)消耗材料少，成本低。因为变压器所用硅钢片和铜线的量是和绕组的额定感应电势和额定电流有关，也即和绕组的容量有关，自耦变压器绕组容量降低，所耗材料也减少，成本也低。

2)损耗少效益高。由于铜线和硅钢片用量减少，在同样的电流密度及磁通密度时，自耦变压器的铜损和铁损都比双绕组变压器减少，因此效益较高。

3)便于运输和安装。因为它比同容量的双绕组变压器重量轻，尺寸小，占地面积小。

4)提高了变压器的极限制造容量。变压器的极限制造容量一般受运输条件的限制，在相同的运输条件的限制，在相同的运输条件下，自耦变压器容量可比双绕组变压器制造大一些。

自耦变压器缺点

在电力系统中采用自耦变压器，也会有不利的影响。其缺点如下：

1)使电力系统短路电流增加。

由于自耦变压器的高、中压绕组之间有电的联系，其短路阻抗只有同容量普通双绕组变压器的(1-1/K)平方倍，因此在电力系统中采用自耦变压器后，将使三相短路电流显著增加。又由于自耦变压器中性点必须直接接地，所以将使系统的单相短路电流大为增加，有时甚至超过三相短路电流。

2)造成调压上的一些困难。

主要也是因其高、中压绕组有电的联系引起的自耦变压器可能的调压方式有三种，第一种是在自耦变压器绕组内部装设带负荷改变分头位置的调压装置；第二种是在高压与中压线路上装设附加变压器。而这三种方法不仅是制造上存在困难，不经济，且在运行中也有缺点(如影响第三绕组的电压)，解决得都不够理想。

3)使绕组的过电压保护复杂。

由于高、中压绕组的自耦联系，当任一侧落入一个波幅与该绕组绝缘水平相适应的雷电冲击波时，另一侧出现的过电压冲击的波幅则可能超出该绝缘水平。为了避免这种现象的发生，必须在高、中压两侧出线端都装一组阀型避雷器。

4)使继电保护复杂。

尽管自耦变压器存在着一定的缺点，但各国还是非常重视自耦变压器的应用，主要是与电力系统向大容量高电压的发展是分不开的，随着容量增大，电压升高，自耦变压器的优点就更为显著。

自耦变压器在不需要初、次级隔离的场合都有应用，具有体积小、耗材少、效率高的优点。常见的交流（手动旋转）调压器、家用小型交流稳压器内的变压器、三相电机自耦减压起动箱内的变压器等等，都是自耦变压器的应用范例。

随着电力系统向大容量、高电压的方向快速发展，自耦变压器以低成本、高效率等特点，被广泛应用于高压电力网络中，成为传递重要电能的电压转换设备。作为高压电网中最重要的设备之一，自耦变压器对于确保电网安全可靠运行、灵活分配电能有重大意义。

随着高铁的快速发展，自耦变压器的可靠性对高铁的安全运行至关重要。而直击雷、接触网异物等引起高铁短路跳闸事故频发，其产生的短路冲击电流极易引起自耦变压器绕组故障，大大降低了变压器运行的可靠性，严重影响高铁安全运行。

自耦变压器降压启动是指电动机启动时利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压。待电动机启动后，再使电动机与自耦变压器脱离，从而在全压下正常运动。采用自耦变压器降压启动，电动机的启动电流 及启动转矩与其端电压的平方成比例降低，相同的启动电流的情况下能获得较大的启动转矩。如目前 8000kW主流救助船舶侧推启动器选择变压器抽头电压降至额定电压的45%，其启动电流为全压启动电流的20.25%，启动转矩为全压启动转矩的20.25%。

自耦降压起动电路不能频繁操作，如果启动不成功，第二次起动应间隔几分钟以上，连续两次起动后，应最少半小时后再次启动运行，这是为了防止自耦变压器绕组内启动电流太大而发热损坏自耦变压器的绝缘。