CN104868473A - 一种配电变压器二次侧谐波提取和利用方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电变压器二次侧谐波提取和利用方法及其装置，属于电力技术领域。该方法包括谐波监测与分析、谐波分离、提取、谐波回收利用等步骤；在监测和分析步骤中，对配电网中谐波的含量进行分析和处理，以便技术人员调整相关参数；谐波分离、提取步骤包含分离和提取两个步骤，前者利用了无源电力滤波器的谐振滤波原理，将特征次谐波从电力线路中分离；后者利用了互感线圈的耦合原理，将谐波电流引入到后续电路达到提取的目的；谐波回收利用步骤则将谐波电流转换成直流电能储存起来，达到对谐波电能的回收利用的效果。本发明将谐波电能进行分离、提取和储存，能减小谐波对电网造成的影响，改善电能质量，并实现电能的充分利用，对节能降损的研究具有重要意义。

Description

一种配电变压器二次侧谐波提取和利用方法及其装置

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及一种谐波提取和利用技术，特别是涉及一种配电变压器二次侧谐波提取和利用方法及其装置。

背景技术

伴随着我国及世界各国经济的良好发展，目前对电力的需求较大，电力建设的空间也还很大。各区域电网也在加快规划设计步伐。东北电网、华北电网、华中电网、华东电网、西北电网规划依据各自区域城市及产业能源等不同而规划不同，但都注重强调要加大科学技术的投入力度，提高电网科技含量及电能质量。积极推广先进的技术，努力实现技术升级。比如在远距离输电方案中采用串联补偿技术，保证无功功率和线路尾端的正常电压水平；在用电企业密度大的末端电网使用大容量的降压变压器；安装SVC、SVG等类型的无功补偿装置保证系统无功功率的补偿能力和电压稳定水平；安装PPF、APF等类型的谐波滤波装置以控制滤除电网谐波，提高电能质量。虽然我国各地区电网(除西北电网以外)的主网架已经陆续升级到500kV电网，对于区域电力供应有良好保障。但从目前情况来看，国内电力系统承担的建设压力还很大。例如宁夏银川以北地区的主网的网架虽然早已升级为220KV及以上等级，但是近年来各地区经济发展迅速，所带负荷强度也很大程度上增加，一些耗能的厂也从沿海发达地区转到内陆，各种电弧炉、大功率整流装置以及电气化铁路都向电网注入大量谐波。电网中的非线性负荷所占的比例越来越大，势必将电能质量问题摆到一个不可忽视的位置，否则将很大程度上影响整个电网系统的安全运行与节能。电能质量的治理与节能降损问题已经迫在眉睫。

电力公司总是努力为用户提供可靠而清洁的基波频率正弦电能。然而在配电变压器的二次负载侧(用户侧)，越来越多传统非线性设备和现代电力电子非线性设备的使用导致电网中的谐波含量大幅度上升，造成了很多严重的后果。对电网本身而言，谐波含量的上升增加了电力线路和变压器中的损耗，降低了电网的功率因数，使供配电的效率降低而造成电力公司的巨大经济损失；对用户而言，各种用电器在含有较多谐波的供电情况下更容易发生故障，电气设备的使用寿命会不同程度地缩短。在其他方面，例如通信系统可能会受到谐波感应电磁场的干扰，导致临近地区的通信效果变差。总之，谐波的存在对电能质量存在巨大的影响，因而被人们认为是一种对电网的“污染”。无论从电网运行角度还是经济角度，都必须对这种污染进行处理。

现阶段针对谐波的研究主要集中在谐波治理的方法与装置研究上，例如从谐波源本身着手，降低其产生谐波的含量；使用无源或者有源滤波器将谐波直接滤除以降低谐波含量；改善供电环境，提高设备抵抗谐波干扰能力；等等。然而，虽然配电变压器用户侧产生的谐波对电网造成了一定的影响，但是其本身也是一种电能。如果能将最常用的谐波治理手段——滤波进行改进，将谐波电能提取出来并加以利用，则既能降低谐波在电网中造成的损耗、改善电能质量，又能使能源利用率达到最大。这对节能降损的研究具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种配电变压器二次侧谐波提取和利用方法及其装置，该方法和装置将谐波电能进行分离、提取并储存，能够减小谐波对电网造成的影响，改善电能质量，并实现电能的充分利用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种配电变压器二次侧谐波提取和利用方法，包括以下步骤：步骤一：对谐波进行监测和分析：对配电网中存在的各次谐波的含量进行分析和处理，以便调整相关参数；步骤二：对谐波进行分离：利用无源电力滤波器的谐振滤波原理，将特征次谐波从电力线路中分离；步骤三：对谐波进行提取：利用互感线圈的耦合原理，将谐波电流引入到后续电路，从而进行提取；步骤四：对谐波进行回收利用：将谐波电流转换成直流电能进行储存，实现对谐波电能的回收利用。

进一步，在步骤二中，采用单调谐无源滤波器，将特征次谐波从电力线路中分离；

单调谐无源滤波器对n次谐波的阻抗计算式为：

$Z_n=R+j(n{\mathrm{\ω}}_{1}L-\frac{1}{n{\mathrm{\ω}}_{1}C})$

式中，ω₁为基波角频率，R、L、C分别为滤波器的总电阻、电感和电容；利用单调谐无源滤波LC电路的谐振特性，对含量较高的特征次谐波进行分离；在谐振点处，Z_n＝R，因R往往较小，对特征次谐波构成了低阻抗通道，故该次谐波将大部分流入滤波器，而对于其他次数的谐波，滤波器分流则较少，从而实现对特征次谐波的分离。

进一步，在步骤三中，利用带磁芯耦合电感的能量耦合特性，对普通的单调谐滤波器进行改进，即电感部分L_n由固定电感L_f和匝数比可调耦合线圈的初级侧电感L_m串联而成，且有L_f+L_m＝L_n；固定电感L_f的数值较为精确，可在一定程度上保证电路的准确性；匝数比可调耦合线圈的初级侧电感L_m的工程实用计算公式为：

$L_m=\frac{{\mathrm{k\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_s{N}^{2}S}{l}$

式中，k为计算系数，取决于线圈的半径R和长度l的比值，μ₀为真空磁导率，μ_s为线圈磁芯的相对磁导率，N为匝数，S为线圈截面积；

特征次谐波电流经过谐振电路时，耦合电感的能量耦合作用使其从线圈初级侧转移到次级侧，并流入到后续电路中。

进一步，在步骤四中，耦合电感线圈次级侧流入的谐波电流经过电容滤波的不可控整流电路之后变为直流电能，并存储在储能装置中。

进一步，所述带磁芯耦合电感的芯采用硅钢片。

本发明还提供了一种配电变压器二次侧谐波提取和利用装置，包括电流互感器、高速数据采集器、谐波分析仪、电源管理电路、特征次谐波分离提取电路、整流滤波电路和储能装置；

电流互感器和高速数据采集器分别将线路电流进行采集和处理，采集到的数据信号经谐波分析仪后得到线路中的谐波含量；根据分析结果，调整特征次谐波分离提取电路的元件参数，对若干次特征次谐波进行分离和提取；整流滤波电路将提取得到的特征次谐波进行整流滤波处理，并最终将获取的直流电能储存在储能装置中。

进一步，所述储能装置采用蓄电池。

进一步，特征次谐波分离提取电路包括一个互感线圈和三个由可调电容器与可调电阻组成的串联支路；三个串联支路的一端分别与配电变压器二次侧的三相线路连接，另一端与互感线圈的初级绕组连接；多个特征次谐波分离提取电路根据实际谐波含量可并联使用，以提取和利用若干次特征次谐波。

本发明的有益效果在于：本发明提出的技术方案在对配电变压器二次侧线路中存在的谐波进行含量分析的基础上，将谐波电能进行分离、提取和储存，从而能够减小谐波对电网造成的影响，改善电能质量，并实现电能的充分利用。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为配电变压器二次侧谐波提取和利用方法的结构框图；

图2为单调谐无源滤波器电路及其阻抗频率特性；

图3为特征次谐波分离提取电路的具体构成图；

图4为针对某一特征次谐波电能进行分离、提取和利用的结构示意图，图中：1—电流互感器；2—钳形电流表；3—示波器；4—特征次谐波分离提取电路；5—整流滤波电路；7—储能装置；

图5为使用配电变压器二次侧谐波提取和利用装置的操作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明所述方法的基本思路是通过对配电网中谐波含量的监测和分析，将含量较高的特征次谐波进行分离和提取，并最终将谐波电能储存起来。核心是对特征次谐波进行分离和提取：基于无源电力滤波器的原理，使用主要特征次谐波的谐振RLC电路对谐波进行分离。其中，无源滤波电路中使用的部分电感由耦合电感代替。耦合电感具有能量耦合特性，可实现对谐波电能的提取(谐波分离、提取阶段)。提取之后，通过整流稳压电路将谐波电能储存在储能装置中，达到谐波电能的回收目的(谐波利用阶段)。

如图1所示，谐波提取和利用装置包括电流互感器、高速数据采集器、谐波分析仪、电源管理电路、特征次谐波分离提取电路、整流滤波电路和储能装置。

具体地，针对某一特定的特征次谐波，特征次谐波分离提取电路包括一个匝数可调的耦合电感线圈和一个由可调电容器、可调电阻和固定电感组成的串联支路。串联支路的一端与配电变压器二次侧的单相线路连接，另一端与耦合电感线圈的初级绕组连接。耦合电感线圈的次级绕组与后续电路连接。对于其他特征次谐波，特征次谐波分离提取电路的构成完全类似，仅在电路参数的选取上有所不同。

具体来说，本方法包括谐波监测和分析阶段，谐波分离、提取阶段和谐波回收利用阶段。

1)谐波监测和分析阶段：其目的在于对配电网中存在的各次谐波的含量进行分析和处理，以便技术人员调整相关参数。通常而言，配电变压器二次侧线路中的各次谐波含量相对稳定，在正常运行的情况下可根据实际经验数据确定相关参数。

2)谐波分离、提取阶段：包含分离和提取两个步骤，分离步骤利用了无源电力滤波器的谐振滤波原理。本方法采用的是单调谐无源滤波器，因其具有结构简单、设备投资少、运行可靠性高、运行费用较低等优点。电路和阻抗频率特性如图2所示。单调谐无源滤波器对n次谐波的阻抗计算式为

$Z_n=R+j(n{\mathrm{\ω}}_{1}L-\frac{1}{n{\mathrm{\ω}}_{1}C})$

式中，ω₁为基波角频率，R、L、C分别为滤波器的总电阻、电感和电容。利用单调谐无源滤波LC电路的谐振特性，则可对含量较高的特征次谐波进行分离。在谐振点处，Z_n＝R，因R往往较小，对特征次谐波构成了低阻抗通道，故该次谐波将大部分流入滤波器，而对于其他次数的谐波，滤波器分流则较少，从而起到分离特征次谐波的目的。在实际情况中，电容的成本往往更高，因此先将电容的值确定下来。本方法根据最小电容器安装容量来确定电容的值，当特征次谐波次数为n时，其计算式为

$C_n=\frac{I_{f\left(n\right)}}{U_{\left(1\right)}{\mathrm{\ω}}_1}\·\frac{n^2-1}{\sqrt{n}{n}^2}$

式中，U₍₁₎表示交流线路母线电压基波分量，I_f(n)表示n次谐波电流值。然而考虑到实际谐波含量的变化，电容仍使用可调电容器。相应的电感值和电阻值的计算式分别为

$L_n=\frac{1}{n^2{\mathrm{\ω}}_1{C}_n}$

$R_n=\frac{{\mathrm{n\ω}}_1{L}_n}{Q_{\mathrm{opt}}}$

式中，Q_opt表示滤波电路的品质因数，通常取值为30—60。提取步骤则利用了带磁芯耦合电感的能量耦合特性。本方法将普通的单调谐滤波器进行了改进，即电感部分由固定电感L_f和匝数比可调耦合线圈的初级侧电感L_m串联而成，且有L_f+L_m＝L_n。固定电感L_f的数值较为精确，可在一定程度上保证电路的准确性。匝数比可调耦合线圈的初级侧电感L_m的工程实用计算公式为

$L_m=\frac{{\mathrm{k\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_s{N}^{2}S}{l}$

式中，k为计算系数，取决于线圈的半径R和长度l的比值，μ₀为真空磁导率，μ_s为线圈磁芯的相对磁导率，N为匝数，S为线圈截面积。特征次谐波电流经过谐振电路时，耦合电感的能量耦合作用使其从线圈初级侧转移到次级侧，并流入到后续电路中。通常情况下互感线圈初级和次级侧匝数比为1:1。为使谐波电能提取具有良好的效果，磁芯的磁导率要较高、饱和磁感应强度要较大等；而考虑到经济和非工频损耗问题，使用硅钢片可以较好地满足上述要求。互感线圈可调电感L_m和固定电感L_f的数值相互配合，特征次谐波电流就能较大程度地流入后续电路。同时，为了排除其他电磁干扰，L_f、L_m及其连接线都需要采取一定的屏蔽措施。图3为特征次谐波分离提取电路的具体构成图，图4为针对某一特征次谐波电能进行分离、提取和利用的结构示意图。

3)谐波回收利用阶段：耦合电感线圈次级侧流入的谐波电流经过电容滤波的不可控整流电路之后变为直流电能，可方便地存储在储能装置(蓄电池)中，达到了对谐波电能的回收利用的效果。

图5为使用配电变压器二次侧谐波提取和利用装置的操作流程图，如图所示，谐波提取和利用装置的具体操作流程如下：首先，接在配电变压器二次侧线路上的电流互感器将大电流转换成便于测量和处理的小电流(小电流中包含的基波电流和谐波电流的含量与二次侧线路基本相同)，用钳形电流表对小电流进行测量，并显示于示波器中。示波器中的傅里叶分析模块可对线路电流畸变率和各特征次谐波的含量进行分析；其次，根据分析结果，调整特征次谐波分离电路的元件参数，将某一含量较高需要分离和提取的特征次谐波进行分离和提取(通常情况下，二次侧线路中5、7、11次谐波含量较高，确定电路参数时可以以这三次谐波为参考，但不限于此)；然后，整流滤波电路对提取出来的线路中包含的某一特征次谐波进行整流滤波处理，形成直流电能；最后，储能装置(蓄电池)将直流电能储存起来以便再利用，抑或使用该直流电能给负载供电。

特征次谐波分离提取单元串联支路中的可调电容器可用于调整二次侧线路的功率因数，可调电阻则可用于调节特征次谐波分离电路的品质因数，以达到更好的分离效果。实际应用中，若有多次特征次谐波需要进行分离提取，则可根据需要并联若干个特征次谐波分离提取电路。这时，各电路的参数应分别与各自需要分离提取的特征次谐波相匹配。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种配电变压器二次侧谐波提取和利用方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：对谐波进行监测和分析：对配电网中存在的各次谐波的含量进行分析和处理，以便调整相关参数；

步骤二：对谐波进行分离：利用无源电力滤波器的谐振滤波原理，将特征次谐波从电力线路中分离；

步骤三：对谐波进行提取：利用互感线圈的耦合原理，将谐波电流引入到后续电路，从而进行提取；

步骤四：对谐波进行回收利用：将谐波电流转换成直流电能进行储存，实现对谐波电能的回收利用。

2.根据权利要求1所述的一种配电变压器二次侧谐波提取和利用方法，其特征在于：在步骤二中，采用单调谐无源滤波器，将特征次谐波从电力线路中分离；

单调谐无源滤波器对n次谐波的阻抗计算式为：

$Z_n=R+j(n{\mathrm{\ω}}_{1}L-\frac{1}{n{\mathrm{\ω}}_{1}C})$

式中，ω₁为基波角频率，R、L、C分别为滤波器的总电阻、电感和电容；利用单调谐无源滤波LC电路的谐振特性，对含量较高的特征次谐波进行分离；在谐振点处，Z_n＝R，因R往往较小，对特征次谐波构成了低阻抗通道，故该次谐波将大部分流入滤波器，而对于其他次数的谐波，滤波器分流则较少，从而实现对特征次谐波的分离。

3.根据权利要求1所述的一种配电变压器二次侧谐波提取和利用方法，其特征在于：在步骤三中，利用带磁芯耦合电感的能量耦合特性，对普通的单调谐滤波器进行改进，即电感部分L_n由固定电感L_f和匝数比可调耦合线圈的初级侧电感L_m串联而成，且有L_f+L_m＝L_n；固定电感L_f的数值较为精确，可在一定程度上保证电路的准确性；匝数比可调耦合线圈的初级侧电感L_m的工程实用计算公式为：

$L_m=\frac{k{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_s{N}^{2}S}{l}$

式中，k为计算系数，取决于线圈的半径R和长度l的比值，μ₀为真空磁导率，μ_s为线圈磁芯的相对磁导率，N为匝数，S为线圈截面积；

特征次谐波电流经过谐振电路时，耦合电感的能量耦合作用使其从线圈初级侧转移到次级侧，并流入到后续电路中。

4.根据权利要求1所述的一种配电变压器二次侧谐波提取和利用方法，其特征在于：在步骤四中，耦合电感线圈次级侧流入的谐波电流经过电容滤波的不可控整流电路之后变为直流电能，并存储在储能装置中。

5.根据权利要求3所述的一种配电变压器二次侧谐波提取和利用方法，其特征在于：所述带磁芯耦合电感的芯采用硅钢片。

6.一种配电变压器二次侧谐波提取和利用装置，其特征在于：包括电流互感器、高速数据采集器、谐波分析仪、电源管理电路、特征次谐波分离提取电路、整流滤波电路和储能装置；

电流互感器和高速数据采集器分别将线路电流进行采集和处理，采集到的数据信号经谐波分析仪后得到线路中的谐波含量；根据分析结果，调整特征次谐波分离提取电路的元件参数，对若干次特征次谐波进行分离和提取；整流滤波电路将提取得到的特征次谐波进行整流滤波处理，并最终将获取的直流电能储存在储能装置中。

7.根据权利要求6所述的一种配电变压器二次侧谐波提取和利用装置，其特征在于：所述储能装置采用蓄电池。

8.根据权利要求6所述的一种配电变压器二次侧谐波提取和利用装置，其特征在于：特征次谐波分离提取电路包括一个互感线圈和三个由可调电容器与可调电阻组成的串联支路；三个串联支路的一端分别与配电变压器二次侧的三相线路连接，另一端与互感线圈的初级绕组连接；多个特征次谐波分离提取电路根据实际谐波含量可并联使用，以提取和利用若干次特征次谐波。