CN103177864B - 变流装置的电抗器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变流装置的电抗器的设计方法，包括依据变流装置的电网侧交流各相中电抗器通过交流电流的最大超调量，以及变流装置的电网侧交流各相中交流电流各阶谐波电流的最大允许值，分别计算得到与每一个交流相对应的两个电抗值，并选取其中的较小的电抗值作为与该交流相对应的电抗器的最小电抗值；依据变流装置的电网侧各相交流电中交流电流响应速度的最小值，以及变流装置的电网侧各相交流电的功率因数的最小值，分别计算得到与每一个交流相对应的两个电抗值，并选取其中的较大的电抗值作为与该交流相对应的电抗器的最大电抗值；在上述步骤中计算得到的电抗器的最小电抗值和最大电抗值范围中选取电抗器的电抗值。通过本发明的变流装置的电抗器的设计方法，实现了电抗器设计的标准化，同时还使得输入至电网电能的谐波含量及无功功率符合要求。

Description

变流装置的电抗器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种电抗器的设计方法，尤其设计一种能量回馈式变流装置的电网侧电抗器的设计方法。

背景技术

新型能源发电(例如风力发电和光伏发电)注入电网而引起的电能质量问题和电力系统稳定性问题被广泛关注。新型能源发电往往会向电网注入了大量谐波及无功功率，造成电网污染。图1用于说明一种新型能源发电变流装置的拓扑结构示意图。如图所示，变流装置10的输入端连接新型能源发电机20，变流装置10的输出端连接变流装置的电网侧30。变流装置10为双向背靠背型，且其设有一个直流侧12。三相交流电网侧30包括U_a、U_b和U_c三相，通常情况下，需要在变流装置的电网侧30安装滤波网络40以降低输入电网的谐波数量，如图所示，滤波网络40包括滤波单元F_a、F_b和F_c，其中滤波单元F_a连接U_a相，滤波单元F_b连接U_b相，滤波单元F_c连接U_c相。电网侧30的电抗参数与变流装置10的开关频率之间相互制约，并与变流装置10输入电网侧30的总谐波失真(以下简称THD)和变流装置10的开关损耗密切相关。

现有电网侧电抗器的设计方法中，缺乏理论模型和标准设计方法，通常情况下滤波单元中电抗器的相关参数需要根据工程师的经验反复试验决定。如果使用不合适的电抗器，无法达到减少输入至电网的谐波和无功功率的预期效果，同时还会导致变流装置的功因数降低，工作效率变差。

发明内容

本发明的目的是提供一种变流装置的电抗器的设计方法，实现电抗器设计的标准化，同时满足输入至电网电能的谐波含量及无功功率的要求。

本发明提供了一种变流装置的电抗器的设计方法，包括：

a、依据变流装置的电网侧交流各相中电抗器通过交流电流的最大超调量，以及变流装置的电网侧交流各相中交流电流各阶谐波电流的最大允许值，分别计算得到与每一个交流相对应的两个电抗值，并选取其中的较小的电抗值作为与该交流相对应的电抗器的最小电抗值；

b、依据变流装置的电网侧各相交流电中交流电流响应速度的最小值，以及变流装置的电网侧各相交流电的功率因数的最小值，分别计算得到与每一个交流相对应的两个电抗值，并选取其中的较大的电抗值作为与该交流相对应的电抗器的最大电抗值；和

c、在步骤a和步骤b计算得到的电抗器的最小电抗值和最大电抗值范围中选取电抗器的电抗值。变流装置的电抗器的设计方法，实现了电抗器设计的标准化，同时还使得输入至电网电能的谐波含量及无功功率符合要求。

在变流装置的电抗器的设计方法的再一种示意性的实施方式中，步骤c中选取具有不同电抗值的至少三个电抗器，依据各不同电抗器在变流装置的电网侧使用时的功率因数和总谐波失真确定电抗器的电抗值。

在变流装置的电抗器的设计方法的另一种示意性的实施方式中，步骤a中，依据电抗器的交流电流的最大超调量得到电抗值的计算公式为：

$L\≥\frac{\sqrt{2}{U}_k+2V_{dc}/3}{{\mathrm{\ΔI}}_{k\max }\×f}$

其中：L为电抗值；

U_k为变流装置的电网侧各相交流电压的有效值；

V_dc为变流装置的直流侧的直流电压；

ΔI_kmax为变流装置的电网侧的各相交流电流的超调量的最大值；

f为变流装置的功率开关的开关频率。

在变流装置的电抗器的设计方法的又一种示意性的实施方式中，ΔI_kmax的计算公式为：

ΔI_kmax＝10％×I_k

其中I_k为变流装置的电网侧其中一个交流相的交流电流的幅值。

在变流装置的电抗器的设计方法的又一种示意性的实施方式中，步骤a中，依据变流装置的电网侧的交流电流的各阶谐波电流的最大允许值得到电抗器的计算公式为：

$L\≥\max L\left(n\right)=max\frac{V_i\left(n\right)}{n\mathrm{\ω}\×I_g\left(n\right)}$

其中：L为电抗值；

n为变流装置的电网侧的交流电流中谐波电流的阶数，n取大于1的整数；

V_i(n)为变流装置的电网侧的交流电压的第n阶谐波电压的幅值；

I_g(n)为变流装置输出各相交流电流的第n阶谐波电流的标准值；

ω为变流装置的电网侧交流电流的角频率。

在变流装置的电抗器的设计方法的又一种示意性的实施方式中，步骤b中，依据变流装置的电网侧的交流电流响应速度的最小值得到电抗值的计算公式为：

其中：L为电抗值；

V_dc变流装置的直流侧的直流电压；

U_sm为变流装置的交流侧其中一个交流相交流电压的峰值；

为变流装置其中一个交流相输出功率的功率因数角；

ω为变流装置的电网侧交流电流的角频率；

P_L为变流装置其中一个交流相的额定输出功率。

在变流装置的电抗器的设计方法的又一种示意性的实施方式中，步骤b中，依据变流装置的电网侧其中一个交流相的功率因数的最小值得到电抗值的计算公式为：

$L\≤\frac{3V_{dc}^2\×{\mathrm{\λ}}_{\min }\×(1-U_k^2/V_{dc}^2)\×\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_{\min }^2}}{2\×\mathrm{\ω}\×P_L}$

其中：L为电抗值；

V_dc为变流装置的直流侧的直流电压；

λ_min为变流装置的交流侧功率因数的最小值；

U_k为所述变流装置的电网侧各相交流电压的有效值；

ω为变流装置的电网侧交流电流的角频率；

P_L为变流装置其中一个交流相的额定输出功率。

在变流装置的电抗器的设计方法的又一种示意性的实施方式中，λ_min的取值为0.9。

下文将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施例，对变流装置的电抗器的设计方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

附图说明

图1用于说明风力发电变流装置的拓扑结构示意图。

图2用于说明变流装置的电抗器的设计方法的流程图。

图3为交流相U_a中交流电压和交流电流的波形图。

标号说明

10变流装置

12直流侧

20新型能源发电机

30变流装置的电网侧

40滤波网络

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的符号表示相同参数。

为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

变流装置的电抗器的设计方法，以三相三线系统为例，且假设变流装置的电网侧三相电流矢量之和为零，变流装置的电网侧三相网侧电压平衡。

图2用于说明变流装置的电抗器的设计方法的流程图。参见图2，在步骤S10中，依据变流装置的电网侧各相交流电U_a、U_b和U_c中电抗器通过交流电流的最大超调量，计算得到各相交流电中电抗器的电抗值L_a1、L_b1和L_c1；以及依据变流装置的电网侧各相交流电U_a、U_b和U_c中交流电流各阶谐波的最大值，计算得到各相交流电中电抗器的电抗值L_a2、L_b2和L_c2。

将L_a1与L_a2做比较，得到交流相U_a中电抗值的最小值；将L_b1与L_b2做比较，得到交流相U_b中电抗值的最小值；将L_c1与L_c2做比较，得到交流相U_c中电抗值的最小值。

在变流装置的电抗器的设计方法一种示意性实施方式中，以交流相U_a电抗器的设计为例，依据变流装置的电网侧交流相U_a中电抗器通过电流的最大超调量，推导得到计算电抗值L_a1的公式为：

$L_{a1}\≥\frac{\sqrt{2}{U}_a+2V_{dc}/3}{{\mathrm{\ΔI}}_{a\max }\×f}$ ………………(公式1)

其中：L为电抗器的电抗值；

Ua为变流装置的电网侧的交流相U_a的交流电压的有效值；

V_dc为变流装置的直流侧的直流电压；

ΔI_amax为变流装置的电网侧交流相U_a的交流电流的超调量的最大值；

f为变流装置的功率开关频率。

在变流装置的电抗器的设计方法一种示意性实施方式中，公式1的推导过程如下。定义一个用于变流装置的功率开关的开关函数，且假设功率开关元件为理想开关，开关函数的表达式为：

其中k代表变流装置的电网侧的交流相U_a、U_b和U_c。

在一个变流装置的功率开关的开关周期内，变流装置的电网侧交流相U_a中电抗器通过交流电流超调量ΔI_a的表达式为：

${\mathrm{\ΔI}}_a=\frac{T}{L}(U_{am}\sin \mathrm{\ω}t-M_a{V}_{dc})$ ………………(公式3)

其中：T为变流装置的功率开关的开关周期；

L为变流装置的电网侧交流相U_a中电抗器的电抗值；

U_am为变流装置的电网侧交流相U_a中交流电压的最大值，且

ω为交流相U_a中交流电流的角频率；

V_dc为变流装置的直流侧的直流电压；

Ma的表达式为：

$M_a=(S_a-\frac{S_a+S_b+S_c}{3})$ ………………(公式4)

其中：S_a、S_b和S_c为公式2定义的开关函数。

由公式3可知，在ωt＝-π/2，S_a＝1、S_b＝0且S_c＝0时，ΔI_a有负最大值，且其最大值的表达式为：

$\left|{\mathrm{\ΔI}}_{a\max }\right|=\frac{T}{L}(U_{am}+\frac{2}{3}{V}_{dc})$ ………………(公式5)

在变流装置的电抗器的设计方法一种示意性实施方式中，ΔI_amax取变流装置的电网侧交流相U_a中电抗器通过电流最大值的10％，即ΔI_amax＝10％×I_am，式中I_am为变流装置的电网侧交流相U_a中电抗器通过交流电流的最大值。由公式5可反推得到公式1。

在变流装置的电抗器的设计方法一种示意性实施方式中，以交流相U_a为例，依据变流装置的电网侧交流相U_a中的交流电流各阶谐波的最大允许值，得到计算对应各阶电流谐波的电抗值L_a2的公式为：

$L_{a2}\≥\max L\left(n\right)=max\frac{V_i\left(n\right)}{n\mathrm{\ω}\×I_g\left(n\right)}$ ………………(公式12)

其中：n为交流相U_a中的交流电流谐波的阶数，n取大于1的整数；

V_i(n)为交流相U_a中交流电压的第n阶谐波电压的幅值；

I_g(n)为交流相U_a中交流电流的第n阶谐波电流的标准值，即标准所允许的各阶谐波的最大值。

公式12表示：对应于第n阶谐波电压的幅值V_i(n)，有电抗nω×I_g(n)能够将第n阶谐波电流限制为I_g(n)，以满足标准IEEE-519的要求；而电抗L的最终取值应不小于满足条件的所有电抗值的最大值，即由公式12可以计算得到n个电抗值，选取其中最大的一个作为L_a2。

在步骤S20中，依据变流装置的电网侧各相交流电U_a、U_b和U_c中电抗器流过的交流电流响应速度的最小值，计算得到各相交流电中电抗器的电抗值L_a3、L_b3和L_c3；以及依据变流装置的电网侧各相交流电U_a、U_b和U_c中功率因数的最小值，计算得到各相交流电中电抗器的电抗值L_a4、L_b4和L_c4。

将L_a3与L_a4做比较，得到U_a中电抗值的最大值；将L_b3与L_b4做比较，得到U_b中电抗值的最大值；将L_c3与L_c4做比较，得到U_c中电抗值的最大值。

在变流装置的电抗器的设计方法一种示意性实施方式中，以交流相U_a为例，依据变流装置的电网侧交流相U_a中电抗器流过的交流电流响应速度的最小值，推导得到计算电抗值L_a3的公式为：

其中：L为电抗器的电抗值；

U_sm为交流相U_a的电压峰值；

为交流相U_a中变流装置输出功率的功率因数角；

P_L为变流装置的额定输出功率。

在变流装置对交流相U_a中交流电流跟踪期间，变流装置的电网侧交流电流的动态响应速度需要符合电流变化率的具体指标，考虑到在处于过零点附近时交流相U_a中交流电流变化最快，变流装置的电网侧交流电流的响应速度需要不小于变流装置的电网侧交流电流变化率的最大值，由公式3和公式4可得出：

$\frac{{\mathrm{\ΔI}}_a}{T_a}=\frac{2V_{dc}}{3L_{a3}}\≥\frac{I_{am}\×sin\left({\mathrm{\ωT}}_s\right)}{T_s}$ ………………(公式8)

由公式8推导可得：

$L_{a3}\≤\frac{\frac{2}{3}\×V_{dc}\×T_s}{I_{am}\×\sin (\mathrm{\ω}\×T_s)}$ ………………(公式9)

当变流装置的功率开关的开关周期很短时，sin(ωT_s)≈ωT_s，由此公式9可变为：

$L_{a3}\≤\frac{2\×V_{dc}}{3\×I_{am}\×\mathrm{\ω}}$ ………………(公式10)

假定变流装置的功率因数为1，根据能量守恒定理应得出：

将公式11带入公式10，得到公式7。

在变流装置的电抗器的设计方法一种示意性实施方式中，各相交流电中电抗器的选取对功率因数λ有直接影响，且按照标准，功率因数λ的最小值为0.9，由公式7得到：

$L_{a4}\≤\frac{3V_{dc}^2\×{\mathrm{\λ}}_{\min }\×(1-U_a^2/V_{dc}^2)\×\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_{\min }^2}}{2\×\mathrm{\ω}\×P_L}$ ………………(公式13)

在步骤S30中，对于交流相U_a，将公式1计算得到的L_a1与公式12计算得到的L_a2对比，将两者中的较小者用于交流相U_a的电抗器的电抗值的下限L_amin。将公式7计算得到的L_a3和公式13计算得到的L_a4对比，将两者中的较大者用于交流相U_a的电抗器的电抗值的上限L_amax。在[L_amin,L_amax]的范围内选取电抗器的电抗值。

在变流装置的电抗器的设计方法的示意性实施方式中，可以选取L_amin、L_amax和L_amin及L_amax的中间值作为三个电抗器的电抗值，将它们分别安装在变流装置的网侧的交流相Ua中，实际测量每一个电抗器使用时，变流装置输入到电网的电能的THD，以及电能的功率因数，将功率因数最高且THD最低所对应的电抗器作为最终交流相U_a的电抗器。或者，还可以在[L_amin,L_amax]的范围内选取一系列电抗器，并将这些电抗器安装在变流装置的网侧，实际测试变流装置的网侧的THD和功率因数，将功率因数最高且THD最低所对应的电抗器作为最终交流相U_a的电抗器。图3为交流相U_a中交流电压和交流电流的波形图，如图所示，将变流装置的电抗器的设计方法得到的电抗器安装入交流相U_a回路后，交流电压波形与交流电流波形之间的相位角很小，说明此时交流相U_a具有很高的功率因数值。同时通过THD测量装置测得交流相U_a中交流电流的THD值为3.4％，完全满足标准GB/T14549-93的要求。

变流装置的电网侧U_b和U_c交流相中电抗器的电抗值的计算方法与交流相U_a相同，在此不再赘述。

在变流装置的电网侧的滤波单元中，可以是仅由电抗器组成的滤波单元，也可以是由电容、电抗器和电阻组成的滤波单元。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.变流装置的电抗器的设计方法，包括：

a、依据所述变流装置的电网侧交流各相中所述电抗器通过交流电流的最大超调量，以及所述变流装置的电网侧交流各相中交流电流各阶谐波电流的最大允许值，分别计算得到与每一个交流相对应的两个电抗值，并选取其中的较小的电抗值作为与该交流相对应的所述电抗器的最小电抗值；

b、依据所述变流装置的电网侧各相交流电中交流电流响应速度的最小值，以及所述变流装置的电网侧各相交流电的功率因数的最小值，分别计算得到与每一个交流相对应的两个电抗值，并选取其中的较大的电抗值作为与该交流相对应的所述电抗器的最大电抗值；和

c、在步骤a和步骤b计算得到的所述电抗器的所述最小电抗值和所述最大电抗值范围中选取所述电抗器的电抗值，

其中步骤a中，依据所述电抗器的交流电流的最大超调量得到电抗值的计算公式为：

$L\≥\frac{\sqrt{2}{U}_k+2V_{dc}/3}{{\mathrm{\ΔI}}_{k\max }\×f}$

其中：L为电抗值；

U_k为所述变流装置的电网侧各相交流电压的有效值；

V_dc为所述变流装置的直流侧的直流电压；

ΔI_kmax为所述变流装置的电网侧的各相交流电流的超调量的最大值；

f为所述变流装置的功率开关的开关频率，

其中步骤b中，依据所述变流装置的电网侧的交流电流响应速度的最小值得到电抗值的计算公式为：

其中：L为电抗值；

V_dc所述变流装置的直流侧的直流电压；

U_sm为所述变流装置的交流侧其中一个交流相交流电压的峰值；

所述变流装置其中一个交流相输出功率的功率因数角；

ω为所述变流装置的电网侧交流电流的角频率；

P_L为所述变流装置其中一个交流相的额定输出功率；

且其中步骤a中，依据所述变流装置的电网侧的交流电流的各阶谐波电流的最大允许值得到所述电抗器的计算公式为：

$L\≥\max L\left(n\right)=max\frac{V_i\left(n\right)}{n\mathrm{\ω}\×I_g\left(n\right)}$

其中：L为电抗值；

n为所述变流装置的电网侧的交流电流中谐波电流的阶数，n取大于1的整数；

V_i(n)为所述变流装置的电网侧的交流电压的第n阶谐波电压的幅值；

I_g(n)为所述变流装置输出各相交流电流的第n阶谐波电流的标准值；

ω为所述变流装置的电网侧交流电流的角频率；

并且，其中步骤b中，依据所述变流装置的电网侧其中一个交流相的功率因数的最小值得到电抗值的计算公式为：

$L\≤\frac{3V_{dc}^2\×{\mathrm{\λ}}_{\min }\×(1-U_k^2/V_{dc}^2)\×\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_{\min }^2}}{2\×\mathrm{\ω}\×P_L}$

其中：L为电抗值；

V_dc为所述变流装置的直流侧的直流电压；

λ_min为所述变流装置的交流侧功率因数的最小值；

U_k为所述变流装置的电网侧各相交流电压的有效值；

ω为所述变流装置的电网侧交流电流的角频率；

P_L为所述变流装置其中一个交流相的额定输出功率。

2.如权利要求1所述的变流装置的电抗器的设计方法，其中，在步骤c中选取具有不同电抗值的至少三个所述电抗器，依据各不同所述电抗器在所述变流装置的电网侧使用时的功率因数和总谐波失真确定所述电抗器的电抗值。

3.如权利要求1所述的变流装置的电抗器的设计方法，其中ΔI_kmax的计算公式为：

ΔI_kmax＝10％×I_k

其中I_k为所述变流装置的电网侧其中一个交流相的交流电流的幅值。

4.如权利要求1所述的变流装置的电抗器的设计方法，其中λ_min的取值为0.9。