CN103269077A - 一种磁控电抗器谐波抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁控电抗器谐波抑制装置，包括：采用三角形接法结构的第一磁控电抗器组、采用三角形接法结构的第二磁控电抗器组，以及分别与第一磁控电抗器组、第二磁控电抗器组相连接的移相电抗器。第一磁控电抗器组和第二磁控电抗器组可以对磁控电抗器产生的谐波进行第一次滤波获得第一次滤波后电流，然后移相电抗器对获得的第一次滤波后电流进行再次滤波，获得第二次滤波后电流。本发明提供的磁控电抗器谐波抑制装置对磁控电抗器产生的谐波采用两种不同的方法进行了两次滤波，相对于现有技术通过无源滤波器仅对谐波进行一次滤波而言，滤波效果得到了很大的提高。

Description

一种磁控电抗器谐波抑制装置

技术领域

本发明涉及谐波抑制技术领域，更具体地说，涉及一种磁控电抗器谐波抑制装置。

背景技术

随着电力系统发展规模越来越大，高压传输技术越来越发达，使得线路末端电压容升效应也越来越明显，这严重影响了电网和用电设备的安全运行。目前主要通过在线路末端设置无功补偿装置，对线路末端进行无功补偿来抑制线路末端电压的容升效应。

比较常见的是利用晶闸管控制电抗器（thyristor control reactor，TCR）对线路末端进行无功补偿，但是该类设备在过载能力以及承受电压能力方面都受到很大限制。对于补偿效果优异的静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）以及静止无功补偿器（Static Var Compensater，SVC），因其设备价格过高，使得无功补偿得不偿失。磁控电抗器（magnetically controlled reactors，MCR）以其较低的价格、优异的过载能力以及承受过电压的水平，被广泛应用。

但是由于磁控电抗器的铁芯磁化特性曲线具有非线性的特征，使得磁控电抗器在工作电流中产生较多的谐波分量，给电网带来很大危害，因此需要对其进行滤波。现有的方法主要采用外接无源滤波器对磁控电抗器进行滤波，因无源滤波器只能对谐波进行一次滤波，故滤波效果差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种磁控电抗器谐波抑制装置，以对磁控电抗器进行有效滤波。

一种磁控电抗器谐波抑制装置，其特征在于，包括：

三角形接法结构的第一磁控电抗器组；

三角形接法结构的第二磁控电抗器组；

和，分别与所述第一磁控电抗器组、所述第二磁控电抗器组相连接，对通过所述第一磁控电抗器组、所述第二磁控电抗器组的谐波进行再次滤波的移相电抗器。

优选的，所述第一磁控电抗器组包括三个双级铁芯结构的磁控电抗器。

优选的，所述第二磁控电抗器组包括三个双级铁芯结构的磁控电抗器。

优选的，还包括：

与所述移相电抗器相连接的晶闸管投切滤波器。

优选的，所述晶闸管投切滤波器至少包括一个滤波分支：

所述滤波分支包括：无功补偿电容器、反并联晶闸管和滤波电感，所述无功补偿电容器、所述反并联晶闸管和所述滤波电感依次串联在所述移相电抗器和接地端之间。

优选的，所述磁控电抗器谐波抑制装置通过变压器与电网相连接。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种磁控电抗器谐波抑制装置，包括：采用三角形接法结构的第一磁控电抗器组、采用三角形接法结构的第二磁控电抗器组，以及分别与第一磁控电抗器组、第二磁控电抗器组相连接的移相电抗器。第一磁控电抗器组和第二磁控电抗器组可以对磁控电抗器产生的谐波进行第一次滤波获得第一次滤波后电流，然后移相电抗器对获得的第一次滤波后电流进行再次滤波，获得第二次滤波后电流。本发明提供的磁控电抗器谐波抑制装置对磁控电抗器产生的谐波采用两种不同的方法进行了两次滤波，相对于现有技术通过无源滤波器仅对谐波进行一次滤波而言，滤波效果得到了很大的提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明实施例公开的一种磁控电抗器谐波抑制装置的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种移相电抗器绕组接线示意图；

图3为本发明实施例公开的一种移相电抗器带负载的接线示意图；

图4为本发明实施例公开的一种移相电抗器电流相量图；

图5为本发明实施例公开的一种双级铁芯磁控电抗器铁芯结构原理图；

图6为本发明实施例公开的一种双级铁芯磁控电抗器铁芯磁特性曲线图；

图7为本发明实施例公开的另一种磁控电抗器谐波抑制装置的结构示意图；

图8为本发明实施例公开的另一种磁控电抗器谐波抑制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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作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。

如图1所示，本发明实施例公开了一种磁控电抗器谐波抑制装置的结构示意图，包括：

第一磁控电抗器组1、第二磁控电抗器组2和分别与第一磁控电抗器组1、第二磁控电抗器组2相连接的移相电抗器3；

其中，第一磁控电抗器组1和第二磁控电抗器组2均与移相电抗器3的输出端连接，第一磁控电抗器组1和第二磁控电抗器组2为相同且对称的三相负载。第一磁控电抗器组1采用三角形接法结构，第二磁控电抗器组2也采用三角形接法结构。

本领域技术人员可以理解的是，磁控电抗器组采用三角形接法结构，可以对磁控电抗器产生的谐波中的三的倍数次谐波（如三次谐波、六次谐波等）进行滤波，从而限制三的倍数次谐波流入电网中。

移相电抗器3可以对通过第一磁控电抗器组1、第二磁控电抗器组2的谐波进行再次滤波，从而使磁控电抗器产生的谐波得到很好的抑制。

移相电抗器3的工作原理具体如下：

如图2所示，本发明实施例公开了一种移相电抗器绕组接线示意图，包括A相绕组、B相绕组和C相绕组，记A相绕组电源电流为i_A，B相绕组电源电流为i_B，C相绕组电源电流为i_C，A相绕组的一次侧绕组与B相绕组的二次侧绕组Y₁Y₂连接于M点，记：流向输出端Y₁的电流为i_a1，流向输出端Y₂的电流为i_a2，其中，i_A=i_a1+i_a2。同理，B相绕组的一次侧绕组与C相绕组的二次侧绕组Z₁Z₂连接于N点，记流向输出端Z₁的电流为i_b1，流向输出端Z₂的电流为i_b2，其中，i_B=i_b1+i_b2。C相绕组的一次侧绕组与A相绕组的二次侧绕组X₁X₂连接于L点，记流向输出端X₁的电流为i_c1，流向输出端X₂的电流为i_c2，其中，i_C=i_c1+i_c2。A相绕组的铁芯记为铁芯1，磁通量为φ_a，B相绕组的铁芯记为铁芯2，磁通量为φ_b，C相绕组的铁芯记为铁芯3，磁通量为φ_c。

如图3所示，本发明实施例公开了一种移相电抗器带负载的接线示意图，移相电抗器3的输出端X₁Y₁Z₁与第一三相负载连接，第一三相负载的电阻为Z；移相电抗器3的输出端X₂Y₂Z₂与第二三相负载连接，第二三相负载的电阻也为Z，其中第一三相负载和第二三相负载结构相同且对称。移相电抗器3的A相、B相和C相的相电压分别为：U_A、U_B、U_C，A相、B相和C相的电源电流分别为：i_A、i_B和i_C，由电流定律可知，A相的电流满足i_A=i_a1+i_a2，类似的，B相电流满足i_B=i_b1+i_b2，C相电流满足i_C=i_c1+i_c2。

需要说明的一点是，第一三相负载可以为第一磁控电抗器组1，第二三相负载可以为第二磁控电抗器组2，即移相电抗器3的输出端X₁Y₁Z₁可以与第一磁控电抗器组1相连接，移相电抗器3的输出端X₂Y₂Z₂可以与第二磁控电抗器组2相连接。

结合图2和图3，如图4所示，本发明实施例公开了一种移相电抗器电流相量图，假设图3中带负载后的移相电抗器3实现了电流的相移，其三相电流相量图如图4中所示，三相电流的相量值和

两两之间的角度为120°，且满足条件：相量

和相量

有相同的模值，且相对的相位差为θ（θ即为移相电抗器3的移相角度），相量和相量

有相同的模值，且相对的相位差为θ，相量和相量

有相同的模值，且相对

的相位差为θ。

本发明以电流i_a1，i_a2为例，对移相电抗器3的移相滤波原理进行叙述。由图2可知，电流i_B、i_a1、i_a2共同对铁芯2产生激磁作用，因此，当流通电流i_B的绕组的匝数为N₁，当流通电流i_al的绕组的匝数为N₂，当流通电流i_a2的绕组的匝数为N₃时，电流i_B、i_a1、i_a2在铁芯2中产生的磁动势相量分别为

如果三个磁动势相量

可以构成图4所示的闭合三角形，即满足方程式：

$N_1{\stackrel{.}{I}}_B+(-N_2{\stackrel{.}{I}}_{a1})+N_3{\stackrel{.}{I}}_{a2}=0---\left(1\right)$

即可说明电流i_B、i_a1、i_a2在铁芯2中产生的磁通可以相互抵消，移相电抗器3对满足图4所示大小和相位关系的电流的阻抗作用也就接近于零，这也是电流通过移相电抗器3时，最终具有图4所示电流的大小和相位关系的原因。

由上面的分析可知，合理选取移相电抗器3的绕组匝数，使其与电流满足方程(1)，则接通电源后，移相电抗器3的电流经过短暂的动态过程将最终达到图4所示的状态，满足给定条件：

有相同的模值，且相对于

的相位差均为θ。此外，通过方程(1)还可确定要产生满足给定条件的电流各绕组匝数N₁，N₂，N₃应满足的具体关系。将磁动势相量

分别沿水平方向和竖直方向分解，则方程式(1)可以转化成下面的方程组：

同时由给定条件和三相电流的对称关系还可知：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_A=2I_{a1}\cos \mathrm{\θ}\\ I_{a1}=I_{a2}\\ I_B=I_A\end{array}\right.---\left(3\right)$

由方程（1）和方程（2）得到绕组匝数N₁，N₂，N₃应满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_1+N_2=N_3\\ \frac{N_1}{N_2}=\frac{2\tan \mathrm{\θ}}{\sqrt{3}-\tan \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

综上可知，通过设置移相电抗器3的绕组，可以改变移相电抗器3的移相角度，从而使谐波电流自我抵消，达到抑制谐波电流的目的。

需要说明的一点是，图4中给出的是移相电抗器3的移相角度为θ时的相量图，此时电流

和电流

之间的角度为2倍θ角，而电流

和电流

在未经过移相电抗器3前，它们之间的夹角为零，本领域技术人员可以理解的是，电流

和电流

有夹角获得的矢量和远小于电流

和电流

无夹角获得的矢量和，即电流通过移相电抗器3后，谐波的幅值大大减小，因此，移相电抗器3起到了很好的滤波作用。

具体的，均采用三角形接法的第一磁控电抗器组1和第二磁控电抗器组2对磁控电抗器谐波中的三的倍数次谐波进行了滤波，而移相电抗器3主要用来滤除谐波中的（6k±1）次谐波分量（k为奇数），主要是5、7次谐波。

由电流的傅里叶分解式：

可知，当基波电流在其相量图中的移相角为θ时，第n次谐波在其频域相量图中对应的移相角为nθ。所以，当移相电抗器3的移相角度为15°时，5次和7次谐波分别移相了75°和105°，结合图4可知，谐波中的5次和7次谐波均得到了很好的抑制。

综上可以看出，本发明中磁控电抗器产生的谐波，先由第一磁控电抗器组1和第二磁控电抗器组2对三的倍数次谐波进行滤除，主要滤除3次谐波，然后再由移相电抗器3对5次谐波和7次谐波进行滤除，本发明通过采用两种不同的滤波方式进行两次滤波，相对于现有技术通过无源滤波器仅对谐波进行一次滤波而言，滤波效果得到了很大的提高。

优选的，第一磁控电抗器组1中的三个磁控电抗器采用双级铁芯结构，故第一磁控电抗器组1采用三角形接法结构指的是：三个采用双级铁芯结构的磁控电抗器采用采用三角形接法连接；第二磁控电抗器组2中的三个磁控电抗器也采用双级铁芯结构，故第二磁控电抗器组2采用三角形接法结构指的是：三个采用双级铁芯结构的磁控电抗器采用采用三角形接法连接。

如图5所示，为本发明实施例公开的一种双级铁芯磁控电抗器铁芯结构原理图，铁芯由三段不同面积的铁芯串联组成，图中A_b为铁芯柱截面积，A_s1为小截面段面积，长度为l₁，磁场强度为H₁，A_s2为中截面段面积，长度为l₂，磁场强度为H₂，其中，A_b＞A_s2＞A_s1，He为等效磁场强度，根据安培环路定律，其计算公式如下：

H_e(l₁+l₂)=H₁l₁+H₂l₂

图6所示，为本发明实施例公开的一种双级铁芯磁控电抗器铁芯磁特性曲线图，本领域技术人员可以理解的是，小截面段铁芯先进入饱和状态，对应图6中的B_t1（-B_t1），然后中截面段铁芯进入饱和状态，对应图6中的B_t2（-B_t2）。因为小截面段铁芯和中截面段铁芯饱和程度不一样，所以产生相同次谐波的相角就相应的不同，因此，相同次谐波经过小截面段铁芯和中截面段铁芯会有部分抵消，故采用双级铁芯结构的磁控电抗器可以对本体发出的谐波进行初次滤波。

在图1所示实施例的基础上，如图7所示，本发明实施例公开了另一种磁控电抗器谐波抑制装置的结构示意图，还可以包括：

与移相电抗器3相连接的晶闸管投切滤波器4。

本发明采用晶闸管投切滤波器4（Thyristor Switched Filter，TSF）作为无源滤波部分，可以吸收抑制前三级（第一级：磁控电抗器采用双级铁芯结构；第二级：磁控电抗器组采用三角形接法结构；第三级：采用移相电抗器3）未完全抑制的谐波成分。

TSF至少包括一个滤波分支，该滤波分支包括：无功补偿电容器、反并联晶闸管和滤波电感，无功补偿电容器、反并联晶闸管和滤波电感依次串联在移相电抗器3和接地端之间。

当系统对磁控电抗器谐波注入要求极其严格时，那么构成TSF的电容与电感参数极为重要。

关于电容和电感参数设计：以TSF需要滤除11次谐波为例，无功补偿电容器与滤波电感成串联谐振回路，设工频角频率为w，则谐振频率为11w，补偿电容器与滤波电感构成串联谐振回路，设工频角频率为w，则谐振频率为11w，那么公式(5)关系成立，其中L为滤波电感值，C为无功补偿电容值，U_L为滤波电感分压值，U_C为补偿电容分压值。

$\left\{\begin{array}{c}11\mathrm{jwL}=-\frac{1}{11\mathrm{jwC}}\\ \mathrm{jwL}<<-\frac{1}{\mathrm{jwC}}\\ U_L<<U_C\end{array}\right.---\left(5\right)$

由上述公式可以看出，TSF的无功补偿电容值远大于滤波电感的感抗值，所以TSF对基波的无功补偿容量设计值由无功补偿电容值决定。无功补偿电容值的公式如下：

$C=\frac{Q_c}{2\mathrm{\&pi;}{{\mathrm{fU}}_N}^2}---\left(6\right)$

需要说明的一点是，TSF还有一个功能，即其可以对系统的无功进行补偿，因此，上述公式中，Q_c为系统需要的无功补偿量；f为系统频率50H_Z，U_N为额定系统电压110kV。

当Q_c=150Mvar，f=50H_Z，U_N=110kV时，带入公式（6）得：

C=39.4799uF；

由公式（5）可知，如果滤除11次谐波，则：

其中ω=2πf

得到 $L_{11}=\frac{1}{{11}^2{(2*\mathrm{\&pi;}*50\text{Hz})}^{2}39.4799*{10}^{-6}F}=2.12\mathrm{mH}$

相应的，当需要滤除13次谐波时，计算过程同上述，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解的是，TSF可以包括多个滤波分支，但是，每个滤波分支只能滤除指定次数的谐波，所以，TSF的滤波分支越多，其可以滤除的谐波的次数就越多。

综上可以看出，本发明采用四种不同的方法，对磁控电抗器产生的谐波进行四次滤波，相对于现有技术通过无源滤波器仅对谐波进行一次滤波而言，滤波效果得到了很大的提高。

在图7所示实施例的基础上，如图8所示，本发明实施例公开了另一种磁控电抗器谐波抑制装置的结构示意图，磁控电抗器谐波抑制装置通过变压器5与电网相连接。

可以理解的是，当磁控电抗器谐波抑制装置需要接入与其电压等级不同的电网时，通过变压器5对其电压进行升压或是降压，可以满足磁控电抗器谐波抑制装置接入电网的电压需求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种磁控电抗器谐波抑制装置，其特征在于，包括：

三角形接法结构的第一磁控电抗器组；

三角形接法结构的第二磁控电抗器组；

和，分别与所述第一磁控电抗器组、所述第二磁控电抗器组相连接，对通过所述第一磁控电抗器组、所述第二磁控电抗器组的谐波进行再次滤波的移相电抗器。

2.根据权利要求1所述的磁控电抗器谐波抑制装置，其特征在于，所述第一磁控电抗器组包括三个双级铁芯结构的磁控电抗器。

3.根据权利要求1所述的磁控电抗器谐波抑制装置，其特征在于，所述第二磁控电抗器组包括三个双级铁芯结构的磁控电抗器。

4.根据权利要求1所述的磁控电抗器谐波抑制装置，其特征在于，还包括：

与所述移相电抗器相连接的晶闸管投切滤波器。

5.根据权利要求4所述的磁控电抗器谐波抑制装置，其特征在于，所述晶闸管投切滤波器至少包括一个滤波分支：

所述滤波分支包括：无功补偿电容器、反并联晶闸管和滤波电感，所述无功补偿电容器、所述反并联晶闸管和所述滤波电感依次串联在所述移相电抗器和接地端之间。

6.根据权利要求1所述的磁控电抗器谐波抑制装置，其特征在于，所述磁控电抗器谐波抑制装置通过变压器与电网相连接。

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