CN101741089A - 谐振减轻系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及谐振减轻系统和方法。提出了一种用于降低来自高压电力系统中谐波失真的谐振的系统。该系统包括电压阻尼器，其在电缆和接地线之间耦合到高压电力系统。该电压阻尼器被配置为箝位电压峰值。该系统包括移频器，其耦合在该电压阻尼器两端并且被配置为移动该高压电力系统的谐振频率。

Description

谐振减轻系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及高压电力系统中的谐振，并且尤其涉及用于减轻来自谐波失真的谐振的系统和方法。

背景技术

交流(AC)功率转换为直流(DC)功率及直流(DC)功率转换为交流(AC)功率可以包括这样的电路，例如带有产生AC电流波形的显著谐波失真的无源输入和输出滤波器的整流器网络。谐波失真通常引起不希望有的功耗并且生成无用的电磁干扰，该电磁干扰耦合进其他线路和设备中。失真AC电流波形还可能在其中实现电磁耦合的变压器、旋转机械设备中激发不希望有的振动。另外，输入功率因子常常被不利地影响，从而导致工作效率的降低。

其他AC-DC功率转换方法可能涉及利用各种脉宽调制(PWM)开关方式技术的有源电路。这样的PWM技术在调制频率处产生分立电路电流脉冲，其需要充分地滤波以限制谐波失真和电磁干扰。一个这样的充分滤波包括有源滤波。将抵消技术应用于PWM转换器控制系统以便最小化谐波失真。然而，这样的技术对于更高的频率不太有效。

将理解，对于闭环控制，有源滤波器利用电力系统线路电平参考(在该电力系统的负载或源处感测的电流或电压)。感测电力系统的负载或源处的电流或电压的缺点包括用于感测的、暴露于该电力系统的满线路电压或电流的装置，因此需要昂贵的、高额定功率的感测装置。

并且，利用有源滤波器，就有源滤波器的控制装置和所需感测装置的位置或二者之间的物理距离而言，可能会出现物流问题(logistical problem)。此外，在电力系统线路上利用闭环控制将很可能在对电力系统本身做出修改的时候导致控制不稳定。上述方法的另一个缺点是调节多个有源滤波器之间的电流的问题，每个有源滤波器感测相同的电力系统线路。在这样的配置中，每个有源滤波器将试图对另一个滤波器做出补偿。此外，有源滤波器具有额外的空间要求和增加的成本的缺点。

因此，需要更好的包括谐振减轻的谐波减轻技术。

发明内容

简言之，提出了一种用于降低来自高压电力系统中谐波失真的谐振的系统。该系统包括电压阻尼器，其在电缆护套和接地线之间耦合到高压电力系统。该电压阻尼器被配置为箝位电压峰值。该系统还包括移频器，其耦合在该电压阻尼器两端并且被配置为移动该高压电力系统的谐振频率。

在一个实施例中，提出了一种用于减轻谐振的装置。该装置包括被配置为箝位谐振电压峰值的可调式稳压器。该装置还包括频率调谐器，其耦合到该可调式稳压器并且被配置为将系统频率偏离谐振频率。

在一个实施例中，提出了一种谐波谐振减轻装置。该装置包括被配置为限制由谐波失真产生的电压峰值的可变电阻器。该装置还包括可变电感器，其耦合到该可变电阻器并且被配置为偏移系统谐振频率。该装置进一步包括变阻器，其耦合到该可变电感器并且被配置为阻止异常电压尖峰。

在一个实施例中，提出了一种用于监视并且减轻来自高压电力系统中谐波失真的谐振的系统。该系统包括电压阻尼器，其在接地线和电缆的非电压承载部分之间耦合到高压电力系统，该电压阻尼器被配置为箝位电压峰值。该系统包括移频器，其耦合在该电压阻尼器两端并且被配置为移动该高压电力系统的谐振频率。该系统进一步包括变阻器，其耦合在该电压阻尼器两端并且被配置为箝位异常电压尖峰。该系统进一步包括监视装置，其耦合到该电压阻尼器并且被配置为记录多个网络参数。自动可调电路耦合到该监视装置并且被配置为基于所述网络参数调整所阻止的电压和移频器。

在一个实施例中，提出了一种用于减轻来自高压电力系统中谐波失真的谐振的方法。该方法包括通过箝位来源于谐波失真中的谐振的电压峰值来在接地线中引入复阻抗。该方法还包括偏移该高压电力系统的谐振频率并且阻止该高压电力系统中的异常电压增高。

在另一个实施例中，提出了一种用于降低工业电气系统中的谐振的方法。该方法包括阻尼来自谐波失真的谐振电压峰值、通过引入可调接地连接器来改变系统谐振频率、并且通过在接地电路中引入复阻抗来改变该工业电气系统的谐波分布(profile)。

在一个实施例中，提出了一种用于降低谐波失真中的谐振的系统。该系统包括具有通过电缆互连并且被配置为执行预先确定的功能的多个部件的电力系统。该系统进一步包括可调接地连接器，其耦合到该电力系统中的接地线和电缆的至少一个相应非电压承载部分。该可调接地连接器包括至少一个可变电阻器、耦合在该可变电阻器两端的至少一个可调电感器或可调电容器。该可调接地连接器被配置为降低该电力系统中谐波失真中的谐振。

在一个实施例中，提出了一种用于降低来自高压电力系统中谐波失真的谐振的系统。该系统包括电压阻尼器，其在接地线和电缆的非电压承载部分之间耦合到高压电力系统。该电压阻尼器被配置为箝位电压峰值。该系统进一步包括移频器，其耦合在该电压阻尼器两端并且被配置为移动该高压电力系统的谐振频率。

在一个实施例中，提出了一种用于降低来自高压电力系统中谐波失真的谐振的系统。该系统包括电阻器，其在接地线和电缆的非电压承载部分之间耦合到高压电力系统，该电阻器被配置为箝位电压峰值。

在一个实施例中，提出了一种用于降低来自高压电力系统中谐波失真的谐振的系统。该系统包括电感器，其在接地线和电缆的非电压承载部分之间耦合到高压电力系统，该电感器被配置为偏移谐振峰值。

附图说明

当参考附图阅读下面的详细说明时，本发明的这些及其它特征、方面和优势将变得更易理解，在图中类似的标记表示类似的部件，其中：

图1说明电力系统的框图，其中根据本技术的一方面实现接地连接器；

图2是指示如图1所实现的接地连接器的各部件的框图；

图3是示出图1的接地线的各种配置的框图；

图4示出高压电缆的截面视图；以及

图5是示出图1中的电力系统的电压谱的图。

具体实施方式

理想地，三相交流(AC)电源，如在大多数工业环境中所使用的那样，利用三个电功率导体，其每个提供电流和电压的完全正弦波，所述正弦波具有相等且恒定的幅度及频率，并且每个相位与其他相位分隔开120度相角。

随着对固态电力电子装置(其具有非线性荷载特征，例如具有快速连接以及断开大负载的切换式三端双向可控硅开关元件的电动机控制器)使用的增加，给定设施的三相功率可能变得失真。这样的失真是以将谐波引入AC功率的基频作为表征的。谐波使得电动机中的能量损失并且可能影响灵敏电子设备中的电源的效率和稳定性。谐波还可以使得谐振导致无用电压尖峰。为此，许多国家已经制定了AC电源中的谐波电平的限制。

AC输电干线中的谐波失真可以通过使用结合了在谐波频率处具有串联谐振或并联谐振的电感器和电容器的无源滤波器而减少。通过充当修改谐振频率的阻尼电路或借助箝位谐振峰值的阻尼电路，滤波器还可以被配置为处理因为谐波而出现的谐振。这些无源滤波器跨越输电干线而放置以分流破坏性谐波。这样的无源滤波器具有简单的结构，但是有多个缺点。无源滤波器一般既笨重又昂贵；不适应由基本AC频率的偏移所引起的谐波频率的变化；并且没有考虑输电干线的串联阻抗的变化。这些缺点可通过使用有源滤波器而克服，在有源滤波器中功率放大器(例如脉宽调制(PWM)电源)直接连接到输电干线以提供抵消谐波电流用于消除该失真。这样的有源滤波器可以与无源滤波器以混合布置的形式一起使用，其中PWM电源通过串联谐振电路连接到输电干线以阻止AC基频并且从而减小PWM电源上的负荷。然而，有源滤波器和混合滤波器具有如下缺点，例如要求对给定系统的统一设计、随着电力系统参数的变化而变得效率更低。此外，伴随如有源滤波器之类的有源滤波而发生的功率损失总是与电力系统联系在一起，无论滤波发生与否。

现在转到图1，示出高压三相电力系统10。该电力系统10包括接收站14，其接收来自高压电网12的、通常经由长距离输电线路(未示出)发送的功率。以高压形式经由输电线路接收的功率通过经由高压电缆16和20耦合到接收站和开关站22的电力变压器18逐步降为较低的电压。开关站22进一步使得通过变压器24分配功率。断路器26耦合到变压器24以控制下游功率的流动。例如电动机28的设施经由断路器耦合到变压器24。例如，此处示出电动机28。然而，任何需要功率的设施可以耦合在电力系统中。接地连接器32耦合在高压电缆护套(经由30)和地36(还称为接地线)之间。下面详细描述接地连接器32的工作细节和部件。

现在转到图2，示出了指示接地连接器32的各种部件的框图。根据一个实施例，接地连接器32可以包括并联耦合的可调电阻器42、变阻器44和可调电感器46。可以注意到，此处所引用的术语″可调″是与术语″可变的″同义使用的。进一步，在该实施例中可调或可变元件可以在适当的系统设计后被固定到特定值。如本领域技术人员所理解的，在此处所描述的实施例中的可调元件可以被固定元件(例如电阻器、电感器或电容器)替代。此外，接地连接器32包括连接48与连接50，连接48可以耦合到接地电路中的一个点上，连接50耦合到如电力系统的图1中所引用的地36。在一个实施例中，可调接地连接器32可以包括可调/可变电阻器42(指定为被配置成阻尼谐振峰值的阻尼器)、可调电感器46(指定为被配置成偏移谐振频率的移频器)和变阻器44(指定为电压制动器(voltage arrester)/电涌放电器以限制接地连接器两端的任何异常电压尖峰)的并联连接。在一个实施例中，电阻器42可以被配置为可调式稳压器，其被配置为提供多个电阻点以阻尼由谐振产生的电压峰值。在另一个实施例中，可调电感器46可以被配置为解调和/或偏移并联谐振频率。在示例性实施例中，可变电容器(频率调谐器)可以耦合到接地连接器32，其被配置为改变谐波谐振频率。变阻器44或电涌放电器例如可以包括金属氧化物变阻器。

在本发明的一个实施例中，接地连接器可以包括耦合在电缆的非电压承载部分(例如电缆护套或电缆屏蔽)和接地或地之间的电阻器。该电阻器被配置为箝位来源于谐波的电压峰值。可以注意到按照高压系统设计所需来调谐电阻的可变电阻器可代替该电阻器。在本发明的另一个实施例中，接地连接器可以包括耦合在电缆的非电压承载部分(例如电缆护套或电缆屏蔽)和接地或地之间的电感器。电感器被配置为偏移来源于谐波的谐振峰值。可以注意到按照高压系统设计所需调谐电感的可变电感器可以代替该电感器。这样的可变电感器也可以偏移高压系统的谐振频率。

在示例性实施例中，用于监视和减轻来自高压电力系统中谐波失真的谐振的系统可以连同如图2描述的可调接地连接器一起实现。该监视和减轻系统可以包括可变电阻器42(电压制动器)，其被配置为箝位可以作为来自谐波失真的谐振的结果出现的电压峰值。此外，可调电感器和/或可变电容器46(移频器)可以耦合在可变电阻器42两端并且被配置为移动如图1中所引用的高压电力系统10的谐振频率。例如变阻器44之类的保护装置可以耦合在可变电阻器42两端并且被配置为箝位异常电压尖峰。可以实现这样的监视装置(未示出)，其耦合到该可变电阻器并且被配置为记录网络参数。网络参数例如可以包括流过该可调电感器的电感器电流。自动可调电路可以耦合到该监视装置并且被配置为基于该电感器电流调谐该可变电阻器和该可调电感器。例如，当电感改变时，可以存在特定值，其中流动在该电感器中的电流可以是最小值，表明调谐的效果使得偏离了谐振频率。

图3示出可以被实施成将接地连接器耦合在高压电缆护套和接地/地之间的接地线的各种配置。在一个实施例中，可以如参考标记52所示的实现二重点(double point)结合配置。三相高压电缆包括分别由电缆护套/屏蔽60、62和64围绕的多个芯54、56和58。在该二重点结合配置中，66和68处的屏蔽经由接地导体70耦合在一起。接地导体70进一步经由接地连接器32耦合到地36。在示例性实施例中，接地连接器32可以耦合在接地导体70和屏蔽66之间以消除共模谐波。在另一个实施例中，可以如参考标记72所示实现例如没有接地导体的二重点结合的接地线配置。电缆屏蔽60、62、和64在66和68处耦合并且分别经由接地连接器32和74连接到地36。在另一个示例性实施例中，可以实现由参考标记76所示的单个点结合以将接地连接器连接在电力系统中。电缆屏蔽60、62、和64经由接地连接器32耦合到地36。在示例性实施例中，三个接地连接器可以单独耦合在每个相位屏蔽和地之间，例如在60和36之间。虽然在图3中仅仅描述了三个示例性配置，但是在本发明内预期到许多这样的配置。具有不同配置的电力系统可以实现一个或多个这样的接地线配置以减轻谐波谐振。

图4示出如在图1的电力系统中所引用的高压电缆20的截面视图。如由参考标记82所示的高压电缆的部件包括铜导体84、86、88，其被绞合并压紧，常称为芯。通常由挤压的半导体化合物制成的导体屏蔽90包围每个芯。绝缘层92包围该导体屏蔽。半导体绝缘屏蔽94围绕绝缘层92布置。围绕芯86和88设置导体屏蔽90、绝缘层92、和半导体绝缘屏蔽94的类似布置。在一个实施例中，该三个芯84、86、和88连同导体屏蔽90、绝缘层92、绝缘遮蔽94以及接地导体96一起由捆扎带(binder tape)99束缚。在一个实施例中，该捆扎带99和芯之间的空间可以包括填料98，例如聚丙烯线体(polypropylene string)。通常由镀锌圆钢丝制成的护具100围绕该填料98设置。电缆外皮(serving)带102连同沥青混合物和/或聚丙烯线体一起被提供作为该电缆的最外面的保护。在本预期的实施例中，接地连接器可以耦合到接地导体96和如图1所引用的护具/护套100和地36。可以注意到接地连接器连接到该高压电缆20的非电压承载部分。虽然讨论的是护具/护套，但本发明可以预期其他这样的非电压承载部分。

图5是示出代表性的高压电力系统的电压谱的图。图110表示33kV电网中的电压谱，其中在Y轴112上为电压振幅，在X轴114上为频率(0-10kHz)。可以注意到存在几个电压尖峰116，其表明在大约2kHz到大约3kHz的频带中的谐振。图120表示在具有如上讨论的图1中所实现的可调接地连接器32的33kV电网中的电压谱。图120表明在Y轴122上的电压振幅和在X轴124上的频率(0-10kHz)。可以注意到，与图110上的电压振幅标度相比，在图120上的电压振幅标度较小。此外，电压尖峰126在大约2kHz到大约3kHz的频带内基本上较小(在幅度上低至少约6倍)，这表明可调接地连接器有助于减轻谐振。

考虑到图110和120的电压频谱，可调接地连接器可以通过将谐振点调谐(改变可调电感器)到没有谐振发生的位置而被实现为针对电谐振的改型解决方案。在一个实施例中，调谐可以手动地实现，或通过测量电感器电流并且相应地改变该电感器值直到该测量的电流达到最小值为止的简单的控制系统而实现。在变化的电压/谐波频谱(例如在VSD电动机电缆)中，在可变的切换频率处，可以在如图1中所引用的接地连接器32中实现并联电阻器以引入阻尼。本领域技术人员可以理解，图5中所示出的电压频谱是示例性实施例的一部分。然而，任何显示出电谐振的电力系统均可以将接地连接器实施为减轻解决方案。

为了减轻有源滤波器和混合滤波器的缺点，本发明的各实施例被巧妙地结合以便在该减轻系统中最小化功率损失并且实现可调部件以增添灵活性从而将电力系统参数的变化结合进来。有利地，这样的接地连接器设计能够应用于各种各样的应用，包括其中连接有变速电动机的应用。这样的变速电动机具有可变的电频率，其中一直到较低频率范围的几个谐振点可以被减轻。当应用在转换器控制系统中的抵消技术在较高频率处变得不那么有效时，该可调接地连接器是最适合于作为针对电谐振的对策。该可调接地连接器提供低电压(低成本)装置，其可以用作针对由大驱动应用引起的电谐振的改型解决方案(例如，代替在电力系统中应用有源/混合滤波器电路)。

虽然此处仅仅说明并且描述了本发明的一些特征，但是本领域技术人员将想起许多修改和改变。因此，应当理解所附的权利要求意图覆盖落入本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。

Claims (10)

1.一种用于降低来自高压电力系统(10)中谐波失真的谐振的系统，所述系统包括：

电压阻尼器(42)，其在电缆护套(60、62、64)和接地线(74)之间耦合到所述高压电力系统，所述电压阻尼器被配置为箝位电压峰值；以及

移频器(46)，其耦合在所述电压阻尼器两端并且被配置为移动所述高压电力系统的谐振频率。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括变阻器(44)，其耦合在所述电压阻尼器两端并且被配置为箝位异常电压尖峰。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述变阻器(44)包括金属氧化物变阻器或非线性电阻器中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述电压阻尼器进一步被配置为阻尼来自谐波失真的谐振峰值。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述移频器包括被配置为偏移并联谐振频率的解调器。

6.根据权利要求1所述的系统，进一步被配置为移动所述高压电力系统的谐振频率。

7.一种谐波谐振减轻装置，包括：

可变电阻器(42)，其被配置为限制由谐波失真产生的电压峰值；

可变电感器(46)，其耦合到所述可变电阻器并且被配置为偏移系统谐振频率；以及

变阻器(44)，其耦合到所述可变电感器并且被配置为阻止异常电压尖峰。

8.一种用于监视并且减轻来自高压电力系统中谐波失真的谐振的系统，所述系统包括：

电压阻尼器(42)，其在电缆和接地线之间耦合到所述高压电力系统，所述电压阻尼器被配置为箝位电压峰值；

移频器(46)，其耦合在所述电压阻尼器两端并且被配置为移动所述高压电力系统的谐振频率；

变阻器(44)，其耦合在所述电压阻尼器两端并且被配置为箝位异常电压尖峰；

监视装置，其耦合到所述电压阻尼器并且被配置为记录多个网络参数；

自动可调电路，其耦合到所述监视装置并且被配置为基于所述网络参数调谐所阻止的电压以及移频器。

9.一种用于减轻来自高压电力系统中谐波失真的谐振的方法，所述方法包括：

通过箝位源于谐波失真中的谐振的电压峰值、偏移所述高压电力系统的谐振频率、以及阻止所述高压电力系统中的异常电压增高，在接地线中引入复阻抗。

10.一种用于降低来自高压电力系统中谐波失真的谐振的系统，所述系统包括：

电压阻尼器(42)，其在接地线和电缆的非电压承载部分之间耦合到所述高压电力系统，所述电压阻尼器被配置为箝位电压峰值；以及

移频器(46)，其耦合到所述电压阻尼器两端并且被配置为移动所述高压电力系统的谐振频率。

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