CN107395077A - 一种即插即用的可调阻抗装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种即插即用的可调阻抗装置，包括：互感器、逆变器、调制信号生成模块。互感器的一次侧绕组为穿过其铁芯内部的电源和负载之间的输电线，一次侧绕组的绕制匝数为一匝，互感器铁芯为细长圆柱状或适用于母排的细长长方体状；调制信号生成模块用于生成逆变器的调制信号，调制信号由第一参考信号和第二参考信号叠加生成，第一参考信号通过对基波信号进行第一倍数放大得到，第二参考信号通过对90°相移后的基波信号进行第二倍数放大得到；逆变器用于将直流信号转变成与调制信号同频率的交流电压信号并加载至互感器二次侧绕组两端，以通过第一倍数和第二倍数来调节互感器一次侧基波等效阻抗的幅值和相位。本发明可以实现阻抗连续无级可调。
Description
技术领域
本发明属于可调电抗器技术领域，更具体地，涉及一种即插即用的可调阻抗装置。
背景技术
可调电抗器是一种柔***流输电***装置，在改善***潮流分布、调节电网无功平衡、稳定电压及增加***运行稳定性等方面已经有广泛的应用。近十年已研制出多种基于不同原理的可调电抗器。商业应用主要有两种类型的可控电抗器：电感器，也称作饱和电抗器；晶闸管控制电抗器。
但是现有的饱和电抗器会产生无法忍受的噪声，晶闸管控制电抗器则会产生大量谐波，且他们需要串联在线路中，接入和移出线路均需切断电网的电源，从而无法推广使用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有的饱和电抗器会产生无法忍受的噪声，晶闸管控制电抗器则会产生大量谐波，且他们需要串联在线路中，接入和移出线路均需切断电网的电源，从而无法推广使用的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种即插即用的可调阻抗装置，适用于包括电源和负载的电路，包括：互感器、逆变器、调制信号生成模块；所述互感器的一次侧的绕组为穿过其铁芯内部的电源和负载之间的输电线，所述一次侧绕组的绕制匝数为一匝，所述互感器铁芯的形状为细长圆柱状或适用于母排的细长长方体状，流过所述互感器一次侧绕组的电流包括基波电流；所述调制信号生成模块用于生成所述逆变器的调制信号，所述调制信号由第一参考信号和第二参考信号叠加生成，第一参考信号通过对基波信号进行第一倍数放大得到，第二参考信号通过对90°相移后的基波信号进行第二倍数放大得到；所述逆变器用于将直流信号转变成与所述调制信号同频率的交流电压信号并加载至所述互感器二次侧绕组两端，以通过所述第一倍数和第二倍数来调节所述互感器一次侧基波等效阻抗的幅值和相位。
其中，90°相移后的基波信号可通过相移电路得到。
本发明可通过将阻抗装置串接在***电源和负载之间，工作时通过检测***电流基波分量，通过放大电路和移相电路生成两路相互正交的参考信号，将两路正交信号叠加作为逆变器的参考信号，控制逆变器输出一基波频率的可控电压并加在互感器二次侧绕组两端，由于互感器绕组的双边励磁作用，该互感器串联于***电源与负载间的一次侧绕组(输电线路)将等效为一个可变阻抗。由于两路参考信号相互正交，所以理论上逆变器的调制信号矢量集为整个相平面。在实际***中，该可变阻抗能在一定范围内实现四象限连续无级可调，提高无功补偿的灵活性。
具体地，互感器的一次侧的绕组为穿过其铁芯内部的***电源和谐波负载之间的输电线，一次侧绕组的绕制匝数为一匝，可能会导致一次侧等效阻抗太小。本发明采用增加电流互感器铁芯的长度，例如采用细长圆柱状或适用于母排的细长长方体状铁芯以获得一个特制的互感器，使电网侧等效阻抗满足要求，使得本发明提供的互感器可以替代需要剪断输电线接入的变压器，简化了设计，使得可调阻抗装置更实用。
可选地，所述互感器的铁芯为开口形状，以电流钳样式接入***电源和谐波负载之间。
可选地，所述互感器的铁芯为闭口形状，以***方式接入***电源和谐波负载之间。
本发明提供的有源滤波装置采用闭口式或开口式互感器的接入方式接入***电源和谐波负载之间，可以即插即用，使用起来简单方便。
可选地，所述调制信号生成模块包括：基波电流检测单元、第一参考信号生成单元、第二参考信号生成单元以及叠加单元；
所述基波电流检测单元，用于从流过所述互感器一次侧绕组的电流中检测所述基波电流；
第一参考信号生成单元，用于对基波信号进行第一倍数放大；
第二参考信号生成单元，用于对基波信号90°相移后再进行第二倍数放大；
所述叠加单元，用于将第一参考信号和第二参考信号叠加生成调制信号。
可选地，调制信号Iref为：
Iref＝hk1Imcos(ωt+θ)+hk2Imcos(ωt+θ-π/2)；
其中，互感器一次侧基波电流Im为互感器一次侧电流基波分量的幅值，h为确定流过所述互感器一次侧绕组的电流所用的电流互感器的增益，k1为第一倍数，k2为第二倍数，ω为角频率，t为时间，θ为所述互感器一次侧基波电流的初始相位，hk1Imcos(ωt+θ)为第一参考信号，hk2Imcos(ωt+θ-π/2)为第二参考信号。
可选地，所述逆变器输出的交流电压信号加载至所述互感器二次侧绕组两端成为所述互感器二次侧绕组两端的电压；
互感器二次侧绕组两端的电压U2为：
U2＝KPWMiref＝KPWM(hk1Imcos(ωt+θ)+hk2Imcos(ωt+θ-π/2))，
KPWM为所述逆变器的增益；互感器二次侧绕组两端的电压等效到互感器一次侧绕组两端的电压U2′为：
U2′＝kTU2＝kTKPWM(hk1Imcos(ωt+θ)+hk2Imcos(ωt+θ-π/2))；
kT为所述互感器的耦合变比，令kTKPWMhk1＝α，kTKPWMhk2＝β，则U2′对应的基波分量为如下相量形式：
其中，α和β为阻抗调节控制参数。
可选地，所述互感器一次侧基波等效阻抗通过以下方式确定：
互感器的基波电压方程相量为：
U1 (1)＝Z1I1 (1)+Zm(I1 (1)+I2′(1))
为互感器一次侧绕组两端的基波电压；I2′(1)为互感器二次侧绕组电流等效到互感器一次侧的电流中的基波分量，Z1为互感器的一次侧漏抗，Zm为互感器的励磁阻抗；Z2′为互感器二次侧漏抗等效到一次侧的漏抗；
根据互感器的基波电压方程相量求得互感器一次侧基波等效阻抗为：
可选地，所述互感器一次侧基波等效阻抗为所述可调阻抗装置的阻抗；根据的表达式可知，根据阻抗调节控制参数α和β的变化而变化，而阻抗调节控制参数α和β分别随第一倍数k1和第二倍数k2的变化而变化，因此，所述调制信号生成模块通过调节k1和k2，来连续无级调节所述可调阻抗装置基波等效阻抗的幅值和相位。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)即插即用，采用闭口式或开口式互感器的接入方式。
2)特制结构，与常规互感器不同的地方是，串联互感器的一次侧绕组(输电线)只有一匝，导致电网侧等效电感太小。本方案采用增加电流互感器的长度获得一个特制的电流互感器，使电网侧等效阻抗满足要求。
3)双变量正交控制，检测***电流基波分量，构建两路相互正交的参考信号，控制维度增加，使得对阻抗调节的自由度更高。
4)四象限调节，常规可调电抗器阻抗类型固定(电阻型、电抗型或混合型)，其中电抗型可调电抗器中的感抗型或容抗型难以改变，因此其调节***无功和稳定电压的能力受限。本发明提供的可变阻抗装置可以四象限调节，即在正、负电阻，感、容性电抗之间切换，提高无功补偿的灵活性。
5)连续无级可调，通过连续调节放大器增益，即可轻松实现可变阻抗的幅值、相角连续无级调节，控制精准高效、成本更低。
6)模块集成，本发明初定将逆变器及其直流母线电压的整流器设计在一起，并与特制互感器集成为一个标准化模块。若可变阻抗容量不足，则可采用多模块串联方式。
7)无线通讯，当模块用于三相***时，不同模块间的相位关系通过无线通讯进行传递；当多个模块用于单相***时，不同模块间补偿量的大小关系通过无线通讯进行传递。
8)高低压通用且便于保护，可变阻抗一般用于低压***，但由于该结构中特制互感器变比较小，因此既可用于低压***也可用于高压***。
9)响应迅速且无谐波污染，电压源逆变桥由IGBT器件构成，采用SPWM控制策略，***响应迅速；可变阻抗中特制互感器一次侧绕组串接于***电源与负载间，对电网的作用相当于串联一可变阻抗，不会造成谐波污染。
附图说明
图1为本发明实施例提供的即插即用的可调阻抗装置接入电网的示意图；
图2a和图2b分别为本发明实施例提供的闭口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图；
图3a和图3b分别为本发明实施例提供的开口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图；
图4a和图4b分别为本发明实施例提供的适用于母排的闭口特制互感器的一次侧、二次侧示意图；
图5a和图5b分别为本发明实施例提供的适用于母排的开口特制互感器的一次侧、二次侧示意图；
其中，图2a—图5b中附图标记含义如下：1为输电线，2为圆柱铁芯，3为二次绕组，4为母排，5为长方体铁芯。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
需要说明的是，本发明提供的互感器铁芯的长度、形状以及结构皆不同于常规用于检测电流的互感器。进而本发明提供的互感器可理解为本发明特制的互感器。
图1为本发明实施例提供的即插即用的可调阻抗装置接入电网的示意图。如图1所示，US代表理想***电压源，LS表示***电压源的阻抗。互感器一次侧的电流为Is(同I1)，其中基波分量为Cd和Ld构成LC滤波电路，用于滤除逆变器开关频率处的谐波。互感器的一次侧端口设为AX端口，二次侧端口设为ax端口。U1为互感器一次侧两端的电压，U2为互感器二次侧两端的电压，ld和rd代表阻感负载。
如图1所示，互感器的一次侧的绕组为穿过其铁芯内部的电源和负载之间的输电线，其一次侧绕组的绕制匝数为一匝，可能会导致一次侧等效电感太小，本发明采用增加互感器长度获得一个特制互感器，使电网侧等效阻抗满足要求。例如，特制互感器铁芯的形状为细长圆柱状或适用于母排的细长长方体状。其中，流过互感器一次侧绕组的电流包括基波电流，本发明可基于基波电流调制可调阻抗装置中互感器一次侧基波等效阻抗值。
调制信号生成模块用于生成逆变器的调制信号iref，调制信号由第一参考信号iref1和第二参考信号iref2叠加生成，即iref＝iref1+iref2。第一参考信号iref1通过对基波信号进行第一倍数k1放大得到iref1＝hk1i1＝hk1Imcos(ωt+θ)，第二参考信号通过对90°相移后的基波信号进行第二倍数k2放大得到iref2＝hk2Imcos(ωt+θ-π/2)。h为确定流过所述互感器一次侧绕组的电流所用的电流互感器的增益。
其中，本发明实施例提及的逆变器为电压源型逆变器(voltage sourceinverter，VSI)。将逆变器102等效为一阶小惯性环节，电压源型逆变器的传递函数GPWM(s)为KPWM为逆变器增益，TPWM为逆变器延时，s为s域算子，为简化分析，忽略逆变器的延时，则逆变器等效为增益为KPWM的比例环节。
电压源型逆变器VSI用于将Ud提供的直流信号转变成与Iref同频率交流电压信号U2并加载至所述互感器二次侧绕组两端，互感器二次侧绕组两端的电压U2为：
U2＝KPWMiref＝KPWM(hk1Imcos(ωt+θ)+hk2Imcos(ωt+θ-π/2))，
KPWM为逆变器的增益；互感器二次侧绕组两端的电压等效到互感器一次侧绕组两端的电压U2′为：
U2′＝kTU2＝kTKPWM(hk1Imcos(ωt+θ)+hk2Imcos(ωt+θ-π/2))；
kT为互感器的耦合变比，令kTKPWMhk1＝α，kTKPWMhk2＝β，则U2′对应的基波分量为如下相量形式：
其中，α和β为阻抗调节控制参数。
互感器一次侧基波等效阻抗通过以下方式确定：
由图1，可得互感器等效二端口网络电压表达式：：
U1 (1)＝Z1I1 (1)+Zm(I1 (1)+I2′(1)) (2)
为互感器一次侧绕组两端的基波电压；I2′(1)为互感器二次侧绕组电流等效到互感器一次侧的电流中的基波分量，Z1为互感器的一次侧漏抗，Zm为互感器的励磁阻抗；Z2′为互感器二次侧漏抗等效到一次侧的漏抗；
联立公式(1)—公式(3)，求得互感器一次侧基波等效阻抗为：
由于一般情况下，互感器励磁阻抗远大于漏抗，即Zm远大于Z1和Z2′(一般Zm与Z1或Z2′的比值大于100)，因此为简化分析，可将上述一次侧绕组等效阻抗近似为
综上，调制信号生成模块通过调节所述第一倍数使得α＝0时，所述可调阻抗装置的基波等效阻抗可以在感抗和容抗之间连续无级调节；调制信号生成模块通过调节所述第二倍数使得β＝0时，所述可调阻抗装置的基波等效阻抗可以在正电阻和负电阻之间连续无级调节；当α≠0且β≠0时，协同调节调制信号生成模块中的第一倍数和第二倍数，在满足***稳态条件下，可精准高效地实现所述可调阻抗装置基波等效阻抗的幅值、相位的四象限连续无级调节。
三相***下可以参考单相***，在每一相上单独使用四象限连续无级调节可变阻抗。三相线路上各放大器单独控制，发生故障时互不影响。
基波电流通过以下方式检测得到：电流互感器串接在给负载供电的***母线上，感应线路电流送入基波电流检测环节，该环节将从畸变的***母线电流中检测出基波电流信号，该基波信号直接通过一定增益的放大电路后作为第一路参考信号，该基波信号经过一定增益的放大电路并经移相控制单元延迟90°作为第二路参考信号，正交的两路参考信号叠加输出作为电压源逆变器控制***单元的调制信号。
以三角波为载波，将载波和上述调制信号经过一个电流调节器转换成正弦脉冲带宽调制SPWM信号，控制逆变器输出一基波频率的可控电压，该可控电压经过一LC滤波器后加在特制互感器的二次侧绕组两端，通过特制互感器单元接入电网***。逆变器直流侧电压Ud有三种来源方式：1)直流侧接一个电容器，通过控制逆变器使得直流侧电压稳定；2)直流侧接一个蓄电池，通过控制逆变器得到稳定的直流侧电压；3)通过电力***感应取电，经过整流得到稳定的直流侧电压。
特制互感器用于将逆变器输出的基频可控电压耦合到电网***中。由于基于基波磁通补偿的四象限连续无级调节可变阻抗串联在线路中，接入线路不方便，所以本发明提出使用特制互感器代替串联变压器。如图2a和图2b所示的闭口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图，其中，1为输电线，2为圆柱铁芯，3为二次绕组，如图2a所示圆柱铁芯为闭口样式。如图3a和图3b所示的开口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图，如图3a所示圆柱铁芯为开口样式。如图4a和图4b所示的适用于母排的闭口特制互感器的一次侧、二次侧示意图，其中，4为母排，5为长方体铁芯，如图4a所示，长方体铁芯为闭口样式。以及如图5a和图5b所示的适用于母排的开口特制互感器的一次侧、二次侧示意图，如图5a所示长方体铁芯为开口样式。。其中开口式互感器，是以电流钳样式接入电网，开口式互感器结构图如图3a、图3b、图5a以及图5b所示。闭口式互感器，是以***方式接入电网，闭口式互感器结构图如图2a、图2b、图4a以及图4b所示。由于特制互感器的一次侧仅有***线路一匝，电感L＝N2μA/l，如果用普通铁芯，电网侧等效电感太小，所以将图示特制互感器的铁芯做成细长圆柱状或细长长方体状以减小磁路，增大截面积，从而增大电感L。若电感值仍不满足要求，可采用多模块串联方式。本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种即插即用的可调阻抗装置，其特征在于，适用于包括电源和负载的电路，包括：互感器、逆变器、调制信号生成模块；
所述互感器的一次侧的绕组为穿过其铁芯内部的电源和负载之间的输电线，所述一次侧绕组的绕制匝数为一匝，所述互感器铁芯的形状为细长圆柱状或适用于母排的细长长方体状，流过所述互感器一次侧绕组的电流包括基波电流；
所述调制信号生成模块用于生成所述逆变器的调制信号，所述调制信号由第一参考信号和第二参考信号叠加生成，第一参考信号通过对基波信号进行第一倍数放大得到，第二参考信号通过对90°相移后的基波信号进行第二倍数放大得到；
所述逆变器用于将直流信号转变成与所述调制信号同频率的交流电压信号并加载至所述互感器二次侧绕组两端，以通过所述第一倍数和第二倍数来调节所述互感器一次侧基波等效阻抗的幅值和相位。
2.如权利要求1所述的可调阻抗装置，其特征在于，所述互感器的铁芯为开口形状，以电流钳样式接入***电源和谐波负载之间。
3.如权利要求1所述的可调阻抗装置，其特征在于，所述互感器的铁芯为闭口形状，以***方式接入***电源和谐波负载之间。
4.如权利要求1至3任一项所述的可调阻抗装置，其特征在于，所述调制信号生成模块包括：基波电流检测单元、第一参考信号生成单元、第二参考信号生成单元以及叠加单元；
所述基波电流检测单元，用于从流过所述互感器一次侧绕组的电流中检测所述基波电流；
第一参考信号生成单元，用于对基波信号进行第一倍数放大；
第二参考信号生成单元，用于对基波信号90°相移后再进行第二倍数放大；
所述叠加单元，用于将第一参考信号和第二参考信号叠加生成调制信号。
5.如权利要求4所述的可调阻抗装置，其特征在于，调制信号Iref为：
Iref＝hk1Imcos(ωt+θ)+hk2Imcos(ωt+θ-π/2)；
其中，互感器一次侧基波电流Im为互感器一次侧电流基波分量的幅值，h为确定流过所述互感器一次侧绕组的电流所用的电流互感器的增益，k1为第一倍数，k2为第二倍数，ω为角频率，t为时间，θ为所述互感器一次侧基波电流的初始相位，hk1Imcos(ωt+θ)为第一参考信号，hk2Imcos(ωt+θ-π/2)为第二参考信号。
6.如权利要求5所述的可调阻抗装置，其特征在于，所述逆变器输出的交流电压信号加载至所述互感器二次侧绕组两端成为所述互感器二次侧绕组两端的电压；
互感器二次侧绕组两端的电压U2为：
U2＝KPWMiref＝KPWM(hk1Imcos(ωt+θ)+hk2Imcos(ωt+θ-π/2))，
KPWM为所述逆变器的增益；互感器二次侧绕组两端的电压等效到互感器一次侧绕组两端的电压U′2为：
U′2＝kTU2＝kTKPWM(hk1Imcos(ωt+θ)+hk2Imcos(ωt+θ-π/2))；
kT为所述互感器的耦合变比，令kTKPWMhk1＝α，kTKPWMhk2＝β，则U′2对应的基波分量为如下相量形式：
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1
其中，α和β为阻抗调节控制参数。
7.如权利要求6所述的可调阻抗装置，其特征在于，所述互感器一次侧基波等效阻抗通过以下方式确定：
互感器的基波电压方程相量为：
U1 (1)＝Z1I1 (1)+Zm(I1 (1)+I2′(1))
<mrow>
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为互感器一次侧绕组两端的基波电压；I2 ′(1)为互感器二次侧绕组电流等效到互感器一次侧的电流中的基波分量，Z1为互感器的一次侧漏抗，Zm为互感器的励磁阻抗；Z′2为互感器二次侧漏抗等效到一次侧的漏抗；
根据互感器的基波电压方程相量求得互感器一次侧基波等效阻抗为：
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8.如权利要求7所述的可调阻抗装置，其特征在于，所述互感器一次侧基波等效阻抗为所述可调阻抗装置的阻抗；
根据的表达式可知，根据阻抗调节控制参数α和β的变化而变化，而阻抗调节控制参数α和β分别随第一倍数k1和第二倍数k2的变化而变化，因此，所述调制信号生成模块通过调节k1和k2，来连续无级调节所述可调阻抗装置基波等效阻抗的幅值和相位。
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