CN110148942A - 一种适应整流负载的变压器磁性补偿装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适应整流负载的变压器磁性补偿装置及方法，变压器磁性补偿装置，包含带有补偿绕组的变压器，以及连接在补偿绕组上的电力电子补偿电路及其控制***；变压器原边绕组接入电网，变压器副边绕组为整流负载供电。本发明利用变压器补偿绕组调节变压器铁芯磁通，对副边进行磁性补偿，避免和减少整流负载引起的谐波进入变压器原边侧，同时补偿变压器副边绕组和变压器漏抗引起的无功损耗，实现整流负载的谐波治理和无功补偿。

Description

一种适应整流负载的变压器磁性补偿装置及方法
技术领域
本发明涉及整流负载电能质量治理领域，尤其涉及一种适应整流负载的变压器磁性补偿装置及方法。
背景技术
整流负载的工业应用广泛，比如轨道交通领域、电解装置等。整流负载将引起配电网的谐波和功率因数问题，甚至会影响信息数据传输精准度、工业生产安全，必须需要进行谐波治理和无功补偿。
常用的方法有两类，一是无源补偿，如静止无功补偿装置(SVC)、无源滤波器等；二是有源补偿，如静止无功发生器(SVG)、有源滤波器(APF)等。无源滤波器利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波；有源滤波器APF的基本原理是由可控的功率半导体器件向电网侧注入与负载谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而网侧电流只含有基波分量。无源补偿的主要优势是成本低廉，但通常针对特定次谐波，且动态响应不灵活；有源补偿理论上可以补偿任意次谐波电流和无功功率，具有良好的动态性能，应用较为广泛。
实际工程中整流负载运行时，由于换相工况存在，会使电源侧电压发生畸变，通常接入的补偿装置交流端电压也会随之受影响，电源测、负载侧和补偿侧三者之间电气结合紧密，正常和异常工况都相互耦合，难以达到理想的补偿效果。
如图1所示常规的用于整流负载集中有源补偿的方案，配电变压器原边电压等级一般为35kV或10kV，负载接入副边侧，电压等级根据工业应用决定，补偿装置接入配电变压器的原边侧。原边侧的电压属于10kV以上中压范畴，由于常用的IGBT器件耐压水平有限，为了并联接入10kV、35kV等电压等级，需要应用复杂的级联拓扑或者定制变压器，导致投资成本升高，或者用到降压变压器将配电变压器原边电压等级将为适于补偿装置接入的低压等级，则变压器增大了***损耗，方案经济性有限。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种适应整流负载的变压器磁性补偿装置及方法，增加变压器补偿绕组，通过变压器磁性隔离和磁性补偿，有效提升补偿效果，且经济实用。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是一种适应整流负载的变压器磁性补偿装置，包含带有补偿绕组的变压器，连接在补偿绕组上的电力电子补偿电路及控制***；变压器原边绕组接入电网，变压器副边绕组为整流负载供电；控制***根据采集的变压器原边输入三相电流，变压器副边三相电流及补偿绕组侧三相电流，计算输出电力电子补偿电路的驱动控制信号。
进一步地，所述电力电子补偿电路为全控型器件构成的电压源型逆变器，或包含无源补偿电路的混合补偿电路。
进一步地，所述变压器副边绕组为单个绕组为整流负载供电，或多重绕组组成的多脉波整流电路为整流负载供电。
一种适应整流负载的变压器磁性补偿方法，包括步骤：
(1)实时采集变压器原边输入三相电流，变压器副边三相电流及补偿绕组侧三相电流输送给控制***；
(2)控制***将实时采集的变压器原边输入三相电流，经原边/补偿绕组变比折算，折算至补偿绕组侧，经基波无功分量提取器分离得到基波无功电流Iq_0；
(3)控制***将实时采集的变压器副边三相电流，经副边/补偿绕组变比折算，折算至补偿绕组侧，经谐波分量提取器分离得到谐波分量I_h；
(4)控制***根据变压器无功功率设定值或功率因数设定值或相应的增减调节指令，将谐波分量I_h与基波无功电流Iq_0输入补偿绕组侧电流指令计算器，得到补偿电流指令Iabc'_ref；
(5)控制***将补偿电流指令Iabc'_ref与补偿绕组侧三相电流Iabc'经过电流控制器的比较和跟踪控制，输出电力电子补偿电路的驱动控制信号。
进一步地，原边/补偿绕组变比折算考虑变压器的原边和补偿绕组的实际变比和接线方式引起的相位变化，将原边电流折算至补偿绕组侧等效电流。
进一步地，副边/补偿绕组变比折算考虑变压器的副边和补偿绕组的实际变比和接线方式引起的相位变化，将副边电流折算至补偿绕组侧等效电流。
进一步地，补偿绕组侧电流指令计算器的原理是，谐波补偿电流按生成与实际谐波电流大小相等、方向相反的原则进行计算，无功补偿电流按提高原边侧功率因数的原则进行补偿。
有益效果：本发明利用变压器补偿绕组对副边绕组进行磁性补偿，避免整流负载引起的谐波进入原边侧，同时补偿了变压器漏抗引起的无功损耗，实现了整流负载的谐波治理和无功补偿。与常规原边(中高压)侧进行集中补偿需采用降压变的方式相比，本发明节约了降压变的原边绕组，降低了硬件成本和原边绕组损耗，提升了方案经济性，工程实用性强。
附图说明
图1是常规的用于整流负载谐波集中有源补偿方案示意图；
图2是本发明所述的适应整流负载的变压器磁性补偿装置结构图；
图3是本发明所述的适应整流负载的变压器磁性补偿方法控制框图；
图4是本发明所述装置及方法用于补偿二极管整流带阻性负载的补偿效果示意图；
图5是本发明所述装置及方法用于补偿二极管整流带阻感型负载的补偿效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图2所示，本发明所述的适应整流负载的变压器磁性补偿装置，将配电变压器设计为具有补偿绕组的形式，通过补偿绕组连接补偿控制用的电力电子补偿电路及其控制***。
变压器磁性补偿装置，包含带有补偿绕组的变压器，以及连接在补偿绕组上的电力电子补偿电路及其控制***；变压器原边绕组接入电网，变压器副边绕组为整流负载供电。控制***根据采集的变压器原边输入三相电流，变压器副边三相电流及补偿绕组侧三相电流，计算输出电力电子补偿电路的驱动控制信号，控制电力电子补偿电路进行补偿。
变压器副边绕组可以是单个绕组为整流负载供电，也可以是多重绕组组成的多脉波整流电路为整流负载供电，整流电路可以是采用二极管的不控整流电路，也可以是采用晶闸管的可控整流电路。
连接在补偿绕组上的电力电子补偿电路及其控制***，可以补偿无功功率，可以治理谐波，也可以同时补偿无功功率和治理谐波。电力电子补偿电路采用全控型器件如IGBT、MOSFET等构成的电压源型逆变器，也可以采用无源补偿电路配合组成的混合补偿电路。
如图3所示，本发明所述的适应整流负载的变压器磁性补偿方法包括：
(1)实时采集变压器原边输入三相电流，变压器副边三相电流及补偿绕组侧三相电流输送给控制***；
(2)控制***将实时采集的变压器原边输入三相电流Iabc1，经过原边/补偿绕组的变比折算，折算至补偿绕组侧，经基波无功分量提取器分离得到基波无功电流Iq_0；
原边/补偿绕组的变比折算需考虑变压器的原边和补偿绕组的实际变比和接线方式引起的相位变化，将原边电流折算至补偿绕组侧等效电流。
(3)控制***将实时采集的变压器副边三相电流Iabc2、Iabc3……，经过副边/补偿绕组的变比折算，折算至补偿绕组侧，经谐波分量提取器分离得到谐波分量I_h；
副边/补偿绕组的变比折算需考虑变压器的副边和补偿绕组的实际变比和接线方式引起的相位变化，将副边电流折算至补偿绕组侧等效电流。
(4)控制***根据变压器无功功率设定值或功率因数设定值，或相应的增减调节指令，将谐波分量I_h与基波无功电流Iq_0输入补偿绕组侧电流指令计算器，得到总的补偿电流指令Iabc'_ref；
补偿绕组侧电流指令计算器的原理是，谐波补偿电流按生成与实际谐波电流大小相等、方向相反的原则进行计算，无功补偿电流按提高原边侧功率因数的原则进行补偿。通过变压器补偿绕组侧对副边负载侧进行补偿，避免谐波进入原边侧，同时补偿变压器原副边的绕组漏抗引起的无功损耗。
(5)控制***将补偿电流指令Iabc'_ref与补偿绕组侧三相电流Iabc'经过电流控制器的比较和跟踪控制，输出电力电子补偿电路的驱动控制信号，控制电力电子补偿电路进行补偿。
基于Matlab/Simulink搭建仿真模型进行验证，如图4所示，是应用于二极管整流带阻性负载时的效果，可见负载侧电流Iabc2是马鞍波形，非正弦波，补偿绕组侧进行补偿，输出Iabc'波形，使得变压器原边侧得到标准正弦电流Iabc1波形，同时起到了对电压的修正作用，原边侧电压Uabc1波形正弦度明显优于负载侧电压Uabc2。
如图5所示，是应用于二极管整流带阻感性负载时的效果，可见负载侧电流Iabc2呈被削顶的马鞍波形，畸变明显，补偿绕组侧进行补偿输出Iabc'波形，使得变压器原边侧得到标准正弦电流Iabc1波形，同时起到了对电压的修正作用，原边侧电压Uabc1波形正弦度明显优于负载侧电压Uabc2。仿真结果表明所提装置和方法起到了对整流负载的电能质量治理作用。

Claims (7)

1.一种适应整流负载的变压器磁性补偿装置，其特征在于，包含带有补偿绕组的变压器，连接在补偿绕组上的电力电子补偿电路及控制***；变压器原边绕组接入电网，变压器副边绕组为整流负载供电；控制***根据采集的变压器原边输入三相电流，变压器副边三相电流及补偿绕组侧三相电流，计算输出电力电子补偿电路的驱动控制信号。
2.根据权利要求1所述的适应整流负载的变压器磁性补偿装置，其特征在于，所述电力电子补偿电路为全控型器件构成的电压源型逆变器，或包含无源补偿电路的混合补偿电路。
3.根据权利要求1所述的适应整流负载的变压器磁性补偿装置，其特征在于，所述变压器副边绕组为单个绕组为整流负载供电，或多重绕组组成的多脉波整流电路为整流负载供电。
4.一种适应整流负载的变压器磁性补偿方法，其特征在于，包括步骤：
(1)实时采集变压器原边输入三相电流，变压器副边三相电流及补偿绕组侧三相电流输送给控制***；
(2)控制***将实时采集的变压器原边输入三相电流，经原边/补偿绕组变比折算，折算至补偿绕组侧，经基波无功分量提取器分离得到基波无功电流Iq_0；
(3)控制***将实时采集的变压器副边三相电流，经副边/补偿绕组变比折算，折算至补偿绕组侧，经谐波分量提取器分离得到谐波分量I_h；
(4)控制***根据变压器无功功率设定值或功率因数设定值或相应的增减调节指令，将谐波分量I_h与基波无功电流Iq_0输入补偿绕组侧电流指令计算器，得到补偿电流指令Iabc'_ref；
(5)控制***将补偿电流指令Iabc'_ref与补偿绕组侧三相电流Iabc'经过电流控制器的比较和跟踪控制，输出电力电子补偿电路的驱动控制信号。
5.根据权利要求4所述的适应整流负载的变压器磁性补偿方法，其特征在于，原边/补偿绕组变比折算考虑变压器的原边和补偿绕组的实际变比和接线方式引起的相位变化，将原边电流折算至补偿绕组侧等效电流。
6.根据权利要求4所述的适应整流负载的变压器磁性补偿方法，其特征在于，副边/补偿绕组变比折算考虑变压器的副边和补偿绕组的实际变比和接线方式引起的相位变化，将副边电流折算至补偿绕组侧等效电流。
7.根据权利要求4所述的适应整流负载的变压器磁性补偿方法，其特征在于，补偿绕组侧电流指令计算器的原理是，谐波补偿电流按生成与实际谐波电流大小相等、方向相反的原则进行计算，无功补偿电流按提高原边侧功率因数的原则进行补偿。
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