CN108614949B - 一种变压器集成调控滤波***谐波电流分布计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器集成调控滤波***谐波电流分布计算方法，根据基本电路的电流电压关系式，建立了变压器集成调控滤波***的电磁解耦数学模型，获得了计及集成滤波电抗器与集成滤波电抗型感应滤波变压器供电绕组之间互感的网侧电流定量计算式。该定量计算式有助于判断该滤波***是否满足实施感应滤波方法的双重零阻抗前提，并利于分析集成滤波电抗器的弱耦合对滤波***滤波性能的影响程度。

Description

一种变压器集成调控滤波***谐波电流分布计算方法

技术领域

本发明涉及感应滤波技术领域，具体涉及一种变压器集成调控滤波***谐波电流分布计算方法。

背景技术

目前，由二极管、晶闸管以及其他可关断器件作为整流装置的电力电子功率变换***大规模应用于直流输电、化工冶金、新能源并网以及航空电源、船舶推进等工程技术领域。然而，电力电子器件固有的非线性特性给上述电力***带来了一系列的电能质量问题，例如，谐波电流对整流变压器造成严重的损耗、振动和噪音问题。

感应滤波技术最初用于处理直流供电***中整流变压器内部的电能质量问题，其通过在变压器制造中新增额外的零等效阻抗设计滤波绕组，实现对谐波的二次侧隔离。谐波电流在流经二次负载绕组形成的谐波磁通穿过特殊设计的滤波绕组，后者随即感应出反向磁通并与之相抵消，从而使得谐波电流无法传递至变压器网侧绕组。

滤波电抗集成技术挖掘变压器电磁潜能，通过特殊的绕组排布方式实现了特定两个镜像对称绕组的功率解耦，仅利用变压器漏磁场形成电感。因此，集成电抗器具有体积小、线性度好等特点。

变压器集成调控滤波***结合上述两种技术，实现了在谐波源处就近抑制谐波，并降低了装置的占地空间。针对该基于集成电抗型感应滤波变压器的变压器集成调控滤波***，尚未有一种有效、简单且计算精准的计算方法分析其内部的谐波电流分布情况。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种有效、简单且计算精准的变压器集成调控滤波***及其谐波电流分布计算方法。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种变压器集成调控滤波***谐波电流分布计算方法，所述变压器集成调控滤波***包括一台集成滤波电抗型感应滤波变压器和一条由调谐滤波器和有源滤波器构成的滤波支路；

所述集成滤波电抗型感应滤波变压器采用四绕组式排布，并分别编号一至四；一号绕组为网侧绕组，采用星形接法；二号绕组为负载绕组，采用星形接法；三号绕组为滤波绕组，采用角形接法，其等效阻抗为零；四号绕组为集成滤波电抗器，其由匝数相等的两段子线圈反向串联而成以实现其与一至三号绕组之间的功率解耦；

所述滤波支路包括一组全调谐设计的单调谐滤波器和一台采用虚拟阻抗控制策略的电压源型逆变器；

所述谐波电流分布计算方法包括如下步骤：

根据基本电路的电流电压关系式，建立了变压器集成调控滤波***的电磁解耦数学模型，获得了集成滤波电抗器与集成滤波电抗型感应滤波变压器供电绕组之间互感的网侧电流定量计算关系式，具体如下：

滤波支路的交流端出口电压V_cmn满足如下关系式：

V_cmn＝K_n·I_SMn (1)

其中，K_n是量纲为欧姆的虚拟阻抗，也可等效为一个纯电阻，I_SMn为网侧谐波电流，“M”或“m”代表“A、B、C”或“a、b、c”三相，下标“n”代表谐波次数；

根据磁势平衡原理，可得变压器绕组之间的电流关系：

N₁I_SMn+N₂I_LMn+N₃I_3mn＝0 (2)

式中，I_LMn是三相负载绕组上的电流；I_3mn是滤波绕组电流；N₁、N₂、N₃分别为变压器一至三号绕组的匝数；

根据基尔霍夫电流电压定律，可得公式2-4：

V_1Mn＝V_SMn-Z_SnI_SMn (2)

按照多绕组变压器电压平衡方程式可得公式5：

上式2-5中，j是虚数单位，ω是角速度；V_1Mn、V_2Mn、V_3mn和V_4mn分别是变压器一到四号绕组上的电压；I_SMn、I_LMn、I_3mn和I_fmn分别是网侧电流、负载电流、流经滤波绕组电流和滤波支路电流；V_SMn和Z_Sn是电网电压和***阻抗；V_mon是滤波支路相电压；L₁-L₄，R₁-R₄分别为各绕组的漏自感和内阻，M_xy(x或y＝1,2,3,4)为x号绕组和y号绕组间的互感，E_xMn为x号绕组中的感应电动势；C_f是滤波电容器容值；

结合上述关系式1-5，考虑负载谐波电流时，变压器集成调控滤波***网侧谐波电流与负载谐波源之间的分布可作如下表达：

式中，Z_A1、Z_A2、Z_P均为***特性阻抗，该特性阻抗由***各部分的阻抗参数所决定，其具体表达式为：

式中，Z_1n、Z_3n为变压器一号和三号绕组的等值阻抗；Z_fn为单调谐滤波器的等值阻抗；Z_1n、Z_3n和Z_fn可作如下表述：

为实施感应滤波方法，需满足在特定谐波频率下的零阻抗设计，即Z_3n＝0，Z_fn＝0。

进一步地，利用推导得到的谐波分布矩阵计算关系式可对变压器集成调控滤波***滤波性能做如下分析：

首先，由有限元电磁仿真软件获取集成滤波电抗型感应滤波变压器的基本电感矩阵，该矩阵由变压器所有线圈的自感和互感组成；

然后，将基本电感矩阵的元素代入Z_3n和Z_fn的表达式，可判断该滤波***是否满足实施感应滤波方法的基本前提；

最后，将Z_1n、Z_3n、Z_fn及基本电感矩阵元素代入***特性阻抗表达式和变压器网侧电流表达式，可获知经滤波***之后网侧谐波电流的残余量，并依此判断该滤波***的滤波性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明中所提及的变压器集成调控滤波***的滤波支路采用了调谐滤波器与有源滤波器串联的结构，有源部分能增强感应滤波性能，并减轻集成滤波电抗器弱耦合对滤波性能的影响。在三相电路下进行数学建模，列出网侧谐波电流受到负载谐波电流作用的定量计算关系式，有助于判断该滤波***是否满足实施感应滤波方法的双重零阻抗前提，并利于分析集成滤波电抗器的弱耦合对滤波***滤波性能的影响程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的变压器集成调控滤波***的拓扑图；

图2为本发明所述的变压器集成调控滤波***等效电磁解耦模型；

图3为本发明所述的变压器集成调控滤波***滤波性能分析流程。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，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。

本发明提供一种变压器集成调控滤波***谐波电流分布计算方法，所述变压器集成调控滤波***(请参见图1)包括了一台集成滤波电抗型感应滤波变压器和一条由调谐滤波器和有源滤波器构成的滤波支路。所述集成滤波电抗型感应滤波变压器采用四绕组式排布，并分别编号一至四。一号绕组为网侧绕组，采用星形接法；二号绕组为负载绕组，采用星形接法；三号绕组为滤波绕组，采用角形接法，其等效阻抗为零；四号绕组为集成滤波电抗器，其由匝数相等的两段子线圈反向串联而成以实现其与一至三号绕组之间的功率解耦。

所述滤波支路包括一组全调谐设计的单调谐滤波器和一台采用虚拟阻抗控制策略的电压源型逆变器。

所述电流分布计算方法包括如下步骤：

根据基本电路的电流电压关系式，建立了变压器集成调控滤波***的电磁解耦数学模型，获得了集成滤波电抗器与集成滤波电抗型感应滤波变压器供电绕组之间互感的网侧电流定量计算关系式。

所述滤波支路包括一组全调谐设计的单调谐滤波器和一台采用虚拟阻抗控制策略的电压源型逆变器，其交流端出口电压V_cmn满足如下关系式：

V_cmn＝K_n·I_SMn (1)

其中，K_n是量纲为欧姆的虚拟阻抗，也可等效为一个纯电阻，I_SMn为网侧谐波电流，“M”(或“m”)代表“A、B、C”(或“a、b、c”)三相，下标“n”代表谐波次数。

图2是集成滤波电抗型感应滤波变压器谐波等效电磁解耦电路图。根据磁势平衡原理，可得变压器绕组之间的电流关系：

N₁I_SMn+N₂I_LMn+N₃I_3mn＝0 (2)

式中，I_LMn是三相负载绕组上的电流；I_3mn是滤波绕组电流；N₁、N₂、N₃分别为变压器一至三号绕组的匝数。

根据基尔霍夫电流电压定律，可得公式2-4：

V_1Mn＝V_SMn-Z_SnI_SMn (2)

按照多绕组变压器电压平衡方程式可得公式5：

上式2-5中，j是虚数单位，ω是角速度；V_1Mn、V_2Mn、V_3mn和V_4mn分别是变压器一到四号绕组上的电压；I_SMn、I_LMn、I_3mn和I_fmn分别是网侧电流、负载电流、流经滤波绕组电流和滤波支路电流；V_Smn和Z_Sn是电网电压和***阻抗；V_mon是滤波支路相电压；L₁-L₄，R₁-R₄分别为各绕组的漏自感和内阻，M_xy(x或y＝1,2,3,4)为x号绕组和y号绕组间的互感，E_xMn为x号绕组中的感应电动势；C_f是滤波电容器容值。

结合上述关系式1-5，考虑负载谐波电流时，变压器集成调控滤波***网侧谐波电流与负载谐波源之间的分布可作如下表达：

式中，Z_A1、Z_A2、Z_P均为***特性阻抗，该特性阻抗由***各部分的阻抗参数所决定，其具体表达式为：

式中，Z_1n、Z_3n为变压器一号和三号绕组的等值阻抗；Z_fn为单调谐滤波器的等值阻抗。进一步地，Z_1n、Z_3n和Z_fn可作如下表述：

为实施感应滤波方法，需满足在特定谐波频率下的零阻抗设计，即Z_3n＝0，Z_fn＝0。

请参考图3，利用上述推导得到的谐波分布矩阵计算关系式可以对变压器集成调控滤波***滤波性能做如下分析：

首先，由有限元电磁仿真软件获取集成滤波电抗型感应滤波变压器的基本电感矩阵，该矩阵由变压器所有线圈的自感和互感组成；

然后，将基本电感矩阵的元素代入Z_3n和Z_fn的表达式，可判断该滤波***是否满足实施感应滤波方法的基本前提；

最后，将Z_1n、Z_3n、Z_fn及基本电感矩阵元素代入***特性阻抗表达式和变压器网侧电流表达式，可以获知经滤波***之后网侧谐波电流的残余量，并依此判断该滤波***的滤波性能。

本发明中所提及的变压器集成调控滤波***的滤波支路采用了调谐滤波器与有源滤波器串联的结构，有源部分能增强感应滤波性能，并减轻集成滤波电抗器弱耦合对滤波性能的影响。在三相电路下进行数学建模，列出网侧谐波电流受到负载谐波电流作用的定量计算关系式，有助于判断该滤波***是否满足实施感应滤波方法的双重零阻抗前提，并利于分析集成滤波电抗器的弱耦合对滤波***滤波性能的影响程度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种变压器集成调控滤波***谐波电流分布计算方法，所述变压器集成调控滤波***包括一台集成滤波电抗型感应滤波变压器和一条由调谐滤波器和有源滤波器构成的滤波支路；

所述集成滤波电抗型感应滤波变压器采用四绕组式排布，并分别编号一至四；一号绕组为网侧绕组，采用星形接法；二号绕组为负载绕组，采用星形接法；三号绕组为滤波绕组，采用角形接法，其等效阻抗为零；四号绕组为集成滤波电抗器，其由匝数相等的两段子线圈反向串联而成以实现其与一至三号绕组之间的功率解耦；

所述滤波支路包括一组全调谐设计的单调谐滤波器和一台采用虚拟阻抗控制策略的电压源型逆变器；

其特征在于，所述谐波电流分布计算方法包括如下步骤：

根据基本电路的电流电压关系式，建立了变压器集成调控滤波***的电磁解耦数学模型，获得了集成滤波电抗器与集成滤波电抗型感应滤波变压器供电绕组之间互感的网侧电流定量计算关系式，具体如下：

滤波支路的交流端出口电压V_cmn满足如下关系式：

V_cmn＝K_n·I_SMn (1)

其中，K_n是量纲为欧姆的虚拟阻抗，也可等效为一个纯电阻，I_SMn为网侧谐波电流，“M”代表“A、B、C”三相，“m”代表“a、b、c”三相，下标“n”代表谐波次数；

根据磁势平衡原理，可得变压器绕组之间的电流关系：

N₁I_SMn+N₂I_LMn+N₃I_3mn＝0 (2)

式中，I_LMn是负载绕组电流；I_3mn是滤波绕组电流；N₁、N₂、N₃分别为变压器一至三号绕组的匝数；

根据基尔霍夫电流电压定律，可得公式2-4：

V_1Mn＝V_SMn-Z_SnI_SMn (2)

按照多绕组变压器电压平衡方程式可得公式5：

上式2-5中，j是虚数单位，ω是角速度；V_1Mn、V_2Mn、V_3mn和V_4mn分别是变压器一到四号绕组上的电压；I_SMn、I_LMn、I_3mn和I_fmn分别是网侧谐波电流、负载绕组电流、流经滤波绕组电流和滤波支路电流；V_SMn和Z_Sn是电网电压和***阻抗；V_mon是滤波支路相电压；L₁-L₄，R₁-R₄分别为各绕组的漏自感和内阻，M_xy为x号绕组和y号绕组间的互感，x或y＝1,2,3,4，E_xMn为x号绕组中的感应电动势；C_f是滤波电容器容值；

结合上述关系式1-5，考虑负载谐波电流时，变压器集成调控滤波***网侧谐波电流与负载谐波源之间的分布可作如下表达：

式中，Z_A1、Z_A2、Z_P均为***特性阻抗，该特性阻抗由***各部分的阻抗参数所决定，其具体表达式为：

式中，Z_1n、Z_3n为变压器一号和三号绕组的等值阻抗；Z_fn为单调谐滤波器的等值阻抗；Z_1n、Z_3n和Z_fn可作如下表述：

为实施感应滤波方法，需满足在特定谐波频率下的零阻抗设计，即Z_3n＝0，Z_fn＝0。

2.根据权利要求1所述的变压器集成调控滤波***谐波电流分布计算方法，其特征在于，利用推导得到的谐波分布矩阵计算关系式可对变压器集成调控滤波***滤波性能做如下分析：

首先，由有限元电磁仿真软件获取集成滤波电抗型感应滤波变压器的基本电感矩阵，该矩阵由变压器所有线圈的自感和互感组成；

然后，将基本电感矩阵的元素代入Z_3n和Z_fn的表达式，可判断该滤波***是否满足实施感应滤波方法的基本前提；

最后，将Z_1n、Z_3n、Z_fn及基本电感矩阵元素代入***特性阻抗表达式和变压器网侧电流表达式，可获知经滤波***之后网侧谐波电流的残余量，并依此判断该滤波***的滤波性能。

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