CN106972487A - 一种电抗器及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种电抗器及其实现方法，响应快速且不会造成谐波污染。本发明实施例的一种电抗器包括：基波电流检测单元、第一放大器、第二放大器、移相控制单元、电流调节器、电压源逆变器控制系统单元、带气隙的耦合变压器单元；所述基波电流检测单元分别与所述第一放大器和所述第二放大器连接；所述第二放大器和所述移相控制单元连接；所述移相控制单元和所述第一放大器分别与所述电流调节器连接；所述电流调节器与所述电压源逆变器控制系统单元连接；所述电压源逆变器控制系统单元与所述带气隙的耦合变压器单元连接。

Description

一种电抗器及其实现方法
技术领域
本发明涉及可调电抗器技术领域，尤其涉及一种电抗器及其实现方法。
背景技术
可调电抗器是一种柔性交流输电系统装置，在改善系统潮流分布、调节电网无功平衡、稳定电压及增加系统运行稳定性等方面已经有广泛的应用。
近十年已研制出多种基于不同原理的可调电抗器。商业应用主要有两种类型的可控电抗器：电感器，也称作饱和电抗器(SR)；晶闸管控制电抗器(TCR)。但前者产生无法忍受的噪声，后者产生大量谐波。
发明内容
本发明实施例提供了一种电抗器及其实现方法，响应快速且不会造成谐波污染。
本发明实施例提供的一种电抗器的实现方法，包括：
S1：通过基波电流检测单元获得预定的输电系统的基波信号；
S2：将所述基波信号分别输入第一放大器和第二放大器，通过所述第一放大器获得第一信号，通过所述第二放大器获得第二信号，将所述第二信号输入移相控制单元获得第三信号；
S3：将所述第一信号和所述第三信号叠加输入电流调节器，并将载波输入所述电流调节器获得正弦脉宽调制信号；
S4：将所述正弦脉宽调制信号输入电压源逆变器控制系统单元获得可控电压；
S5：将所述可控电压输入带气隙的耦合变压器单元的二次侧绕组两端，通过所述带气隙的耦合变压器单元将所述可控电压输入到预定的输电系统中；
S6：通过改变所述第一放大器和所述第二放大器的增益，使得所述带气隙的耦合变压器单元的一次侧绕组对于预定的输电系统的基波呈现为可四象限连续无级调节的阻抗。
本发明实施例中提供的一种电抗器包括：基波电流检测单元、第一放大器、第二放大器、移相控制单元、电流调节器、电压源逆变器控制系统单元、带气隙的耦合变压器单元；
所述基波电流检测单元分别与所述第一放大器和所述第二放大器连接；
所述第二放大器和所述移相控制单元连接；
所述移相控制单元和所述第一放大器分别与所述电流调节器连接；
所述电流调节器与所述电压源逆变器控制系统单元连接；
所述电压源逆变器控制系统单元与所述带气隙的耦合变压器单元连接。
优选地，所述电抗器串联在系统电源和负载之间。
优选地，所述电抗器为单相结构。
优选地，所述基波电流检测单元，用于获得预定的输电系统的基波信号。
所述第一放大器，用于所述基波信号输入所述第一放大器时获得第一信号；
所述第二放大器，用于所述基波信号输入所述第二放大器时获得第二信号。
所述移相控制单元，用于将所述第二信号输入所述移相控制单元时获得第三信号。
所述电流调节器，用于将所述第一信号和所述第三信号叠加输入所述电流调节器，并将载波输入所述电流调节器时获得正弦脉宽调制信号。
所述电压源逆变器控制系统单元，用于将所述正弦脉宽调制信号输入所述电压源逆变器控制系统单元时获得可控电压。
所述带气隙的耦合变压器单元，用于将所述可控电压输入所述带气隙的耦合变压器单元的二次侧绕组两端时，将所述可控电压输入到预定的输电系统中。
优选地，所述带气隙的耦合变压器单元的一次侧绕组串接在系统电源和负载间。
优选地，三个所述电抗器组合成三相系统。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例中提供的一种电抗器及其实现方法，其中，一种电抗器包括：基波电流检测单元、第一放大器、第二放大器、移相控制单元、电流调节器、电压源逆变器控制系统单元、带气隙的耦合变压器单元；所述基波电流检测单元分别与所述第一放大器和所述第二放大器连接；所述第二放大器和所述移相控制单元连接；所述移相控制单元和所述第一放大器分别与所述电流调节器连接；所述电流调节器与所述电压源逆变器控制系统单元连接；所述电压源逆变器控制系统单元与所述带气隙的耦合变压器单元连接。本实施例中，通过第一放大器和第二放大器构建两个正交参考信号，将其叠加作为调制信号，对电压源逆变器进行控制，变压器一次侧绕组等效阻抗四象限可调，即该可变阻抗可以在正、负电阻，感、容性电抗之间切换，两个独立的控制变量均为放大器增益，通过改变增益即可轻松调节该可变阻抗的幅值和相角，具有连续无级可调的特点，响应快速且不会造成谐波污染。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1本发明实施例中提供的一种电抗器实现方法的一个实施例的流程示意图；
图2本发明实施例中提供的一种电抗器的一个实施例的结构示意图；
图3本发明实施例中提供的一种移相电路图；
图4本发明实施例中提供的一种变压器T型等效电路；
图5本发明实施例中提供的一种耦合变压器控制框图；
图6本发明实施例中提供的一种电抗器系统控制框图；
图7本发明实施例中提供的一种接入三相系统结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种电抗器及其实现方法，响应快速且不会造成谐波污染。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中提供的一种电抗器的实现方法的一个实施例包括：
101、通过基波电流检测单元获得预定的输电系统的基波信号；
基波电流检测单元包括电流互感器和基波电流检测环节，电流互感器串接在给负载供电的系统母线上，感应线路电流送入基波电流检测环节，该环节将从畸变的系统母线电流中检测出基波电流信号。
102、将所述基波信号分别输入第一放大器和第二放大器，通过所述第一放大器获得第一信号，通过所述第二放大器获得第二信号，将所述第二信号输入移相控制单元获得第三信号；
该基波信号直接通过一定增益的放大电路后作为第一路参考信号，该基波信号经过一定增益的放大电路并经移相控制单元延迟90°作为第二路参考信号。假定电流传感器增益为h，带气隙变压器的变比为kT，原边漏抗为Z1，副边漏抗等效到原边为Z2′，励磁漏抗为Zm。变压器一次侧电流基波分量为i1＝Imcos(ωt+θ)。
检测该基波分量并经放大器(增益为k1)放大后作为第一路参考信号iref1，则iref1＝hk1i1＝hk1Imcos(ωt+θ)；检测该基波分量经放大器(增益为k2)放大后，再通过移相电路移相90°，作为第二路参考信号iref2，则iref2＝hk2Imcos(ωt+θ-π/2)。
103、将所述第一信号和所述第三信号叠加输入电流调节器，并将载波输入所述电流调节器获得正弦脉宽调制信号；
正交的两路参考信号叠加输出作为电压源逆变器控制系统单元的调制信号。以三角波为载波，将载波和上述调制信号经过一个电流调节器转换成SPWM信号。将两路正交的参考信号叠加作为逆变器的调制信号iref，即iref＝iref1+iref2。
104、将所述正弦脉宽调制信号输入电压源逆变器控制系统单元获得可控电压；
将所述正弦脉宽调制信号输入电压源逆变器控制系统单元，控制逆变器输出一基波频率的可控电压。逆变器环节的增益为KPWM，忽略其延时，则逆变器输出电压为：
u2＝KPWMiref＝KPWM(hk1Imcos(ωt+θ)+hk2Imcos(ωt+θ-π/2)) (1)
105、将所述可控电压输入带气隙的耦合变压器单元的二次侧绕组两端，通过所述带气隙的耦合变压器单元将所述可控电压输入到预定的输电系统中；
如图4、图5，该可控电压经过一LC滤波器后加在带气隙变压器的二次侧绕组两端，通过耦合变压器单元接入系统。
106、通过改变所述第一放大器和所述第二放大器的增益，使得所述带气隙的耦合变压器单元的一次侧绕组对于预定的输电系统的基波呈现为可四象限连续无级调节的阻抗。
如图1-图6，电压与变压器一次侧基波电流同频率，根据图3将该电压等效到变压器一次侧绕组两端为：
u2′＝kTu2＝kTKPWM(hk1Imcos(ωt+θ)+hk2Imcos(ωt+θ-π/2)) (2)
kTKPWMhk1＝αand kTKPWMhk2＝β，则上式可以写成如下相量形式：
U2′＝αI1-jβI1 (3)
其中α和β为控制参数。
由图3，可得变压器等效二端口网络电压表达式：
联立(3)(4)得变压器一次侧绕组等效阻抗
由于带气隙的特制变压器的励磁阻抗远大于漏抗，因此上述一次侧绕组等效阻抗可以近似为ZAX≈α-jβ。
改变第一路参考信号中放大器的增益，可实现等效电阻在正、负电阻值之间连续无级调节；改变第二路参考信号中放大器的增益，可实现等效电抗在感、容性电抗值之间连续无级调节；协同调节两路信号中放大器的增益，在满足系统稳态条件下，可精准高效地实现等效阻抗的幅值、相位在四象限内连续无级调节。
三相系统下可以参考单相系统，在每一相上单独使用四象限连续无级调节可变阻抗。
三相线路上各放大器单独控制，发生故障时互不影响。
逆变器控制系统单元直流侧电压有三种来源方式：1)直流侧接一个电容器，通过控制逆变器使得直流侧电压稳定；2)直流侧接一个蓄电池，通过控制逆变器得到稳定的直流侧电压；3)通过电力系统感应取电，经过整流得到稳定的直流侧电压。耦合变压器单元用于将逆变器系统单元输出的基频可控电压耦合到系统中。变压器双边励磁，其一次侧绕组对于基波呈现为四象限调节的可变阻抗，即该可变阻抗可以在正、负电阻，感、容性电抗之间切换。两个独立的控制变量均为放大器增益，通过改变增益即可轻松调节该可变阻抗的幅值和相角，具有连续无级可调的特点，响应快速且不会造成谐波污染。
本实施例中的电抗器具有如下特点：1)双变量正交控制，检测系统电流基波分量，构建两路相互正交的参考信号，控制维度增加，自由度更高；2)四象限调节，常规可调电抗器阻抗类型固定(电阻型、电抗型或混合型)，其中电抗型可调电抗器中的感抗型或容抗型难以改变，因此其调节系统无功和稳定电压的能力受限。本方案中可变阻抗可以四象限调节，即在正、负电阻，感、容性电抗之间切换，提高无功补偿的灵活性；3)连续无级可调，通过连续调节放大器增益，即可轻松实现可变阻抗的幅值、相角连续无级调节，控制精准高效、成本更低；4)响应迅速且无谐波污染，电压源逆变桥由IGBT器件构成，采用SPWM控制策略，系统响应迅速；可变阻抗中耦合变压器一次侧绕组串接于系统电源与负载间，对电网的作用相当于串联一可变阻抗，不会造成谐波污染。
请参阅图2，本发明实施例中提供的一种电抗器的一个实施例包括：
基波电流检测单元、第一放大器、第二放大器、移相控制单元、电流调节器、电压源逆变器控制系统单元、带气隙的耦合变压器单元；
所述基波电流检测单元分别与所述第一放大器和所述第二放大器连接；
所述第二放大器和所述移相控制单元连接；
所述移相控制单元和所述第一放大器分别与所述电流调节器连接；
所述电流调节器与所述电压源逆变器控制系统单元连接；
所述电压源逆变器控制系统单元与所述带气隙的耦合变压器单元连接。
进一步地，所述电抗器串联在系统电源和负载之间。
进一步地，所述电抗器为单相结构。
进一步地，所述基波电流检测单元，用于获得预定的输电系统的基波信号；
所述第一放大器，用于所述基波信号输入所述第一放大器时获得第一信号；
所述第二放大器，用于所述基波信号输入所述第二放大器时获得第二信号。
所述移相控制单元，用于将所述第二信号输入所述移相控制单元时获得第三信号；
所述电流调节器，用于将所述第一信号和所述第三信号叠加输入所述电流调节器，并将载波输入所述电流调节器时获得正弦脉宽调制信号；
所述电压源逆变器控制系统单元，用于将所述正弦脉宽调制信号输入所述电压源逆变器控制系统单元时获得可控电压；
所述带气隙的耦合变压器单元，用于将所述可控电压输入所述带气隙的耦合变压器单元的二次侧绕组两端时，将所述可控电压输入到预定的输电系统中。
进一步地，所述带气隙的耦合变压器单元的一次侧绕组串接在系统电源和负载间。
进一步地，如图7，三个所述电抗器组合成三相系统。
本发明实施例中提供的一种电抗器的另一个实施例包括：该可变阻抗为单相结构，串联在系统电源和负载之间，包括基波电流检测单元、移相控制单元、电压源逆变器控制系统单元、带气隙的耦合变压器单元；
基波电流检测单元包括电流互感器和基波电流检测环节，电流互感器感应系统电流并输入基波电流检测环节，基波电流检测环节从畸变的系统电流中检测出基波信号。该基波信号直接通过一定增益的放大电路后作为第一路参考信号，该基波信号经过一定增益的放大电路并经移相控制单元延迟90°作为第二路参考信号，正交的两路参考信号叠加输出作为电压源逆变器控制系统单元的调制信号。
以三角波为载波，采用SPWM控制策略，控制电压源逆变器产生一个与调制信号同频率的可控电压，将该可控电压加在耦合变压器的二次侧绕组两端，由于该耦合变压器原、付方绕组的双边励磁作用，该变压器串联于系统电源与负载间的一次侧绕组将等效为一个可变阻抗。由于两路参考信号相互正交，所以理论上电压源逆变器的调制信号矢量集为整个相平面。在实际系统中，该可变阻抗能在一定范围内实现四象限连续无级可调。
该装置串接在系统电源和负载之间，工作时通过检测系统电流基波分量，通过放大电路和移相电路生成两路相互正交的参考信号，将两路正交信号叠加作为电压源逆变器的参考信号，并采用SPWM控制策略，使得逆变器输出一基波频率的可控电压，并将该可控电压加在带气隙变压器的二次侧绕组两端，变压器双边励磁，其一次侧绕组对于基波呈现为四象限连续无级调节的可变阻抗。
进一步地，如图7，该可变阻抗由三套单相结构构成三相系统，用于三相电力系统。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种电抗器的实现方法，其特征在于，包括：
S1：通过基波电流检测单元获得预定的输电系统的基波信号；
S2：将所述基波信号分别输入第一放大器和第二放大器，通过所述第一放大器获得第一信号，通过所述第二放大器获得第二信号，将所述第二信号输入移相控制单元获得第三信号；
S3：将所述第一信号和所述第三信号叠加输入电流调节器，并将载波输入所述电流调节器获得正弦脉宽调制信号；
S4：将所述正弦脉宽调制信号输入电压源逆变器控制系统单元获得可控电压；
S5：将所述可控电压输入带气隙的耦合变压器单元的二次侧绕组两端，通过所述带气隙的耦合变压器单元将所述可控电压输入到预定的输电系统中；
S6：通过改变所述第一放大器和所述第二放大器的增益，使得所述带气隙的耦合变压器单元的一次侧绕组对于预定的输电系统的基波呈现为可四象限连续无级调节的阻抗。
2.一种电抗器，其特征在于，包括：基波电流检测单元、第一放大器、第二放大器、移相控制单元、电流调节器、电压源逆变器控制系统单元、带气隙的耦合变压器单元；
所述基波电流检测单元分别与所述第一放大器和所述第二放大器连接；
所述第二放大器和所述移相控制单元连接；
所述移相控制单元和所述第一放大器分别与所述电流调节器连接；
所述电流调节器与所述电压源逆变器控制系统单元连接；
所述电压源逆变器控制系统单元与所述带气隙的耦合变压器单元连接。
3.根据权利要求2所述的电抗器，其特征在于，所述电抗器串联在系统电源和负载之间。
4.根据权利要求3所述的电抗器，其特征在于，所述电抗器为单相结构。
5.根据权利要求4所述的电抗器，其特征在于，所述基波电流检测单元，用于获得预定的输电系统的基波信号；
所述第一放大器，用于所述基波信号输入所述第一放大器时获得第一信号；
所述第二放大器，用于所述基波信号输入所述第二放大器时获得第二信号；
所述移相控制单元，用于将所述第二信号输入所述移相控制单元时获得第三信号；
所述电流调节器，用于将所述第一信号和所述第三信号叠加输入所述电流调节器，并将载波输入所述电流调节器时获得正弦脉宽调制信号；
所述电压源逆变器控制系统单元，用于将所述正弦脉宽调制信号输入所述电压源逆变器控制系统单元时获得可控电压；
所述带气隙的耦合变压器单元，用于将所述可控电压输入所述带气隙的耦合变压器单元的二次侧绕组两端时，将所述可控电压输入到预定的输电系统中。
6.根据权利要求5所述的电抗器，其特征在于，所述带气隙的耦合变压器单元的一次侧绕组串接在系统电源和负载间。
7.根据权利要求6所述的电抗器，其特征在于，三个所述电抗器组合成三相系统。
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