CN107147095A - 一种抑制直流和杂散谐波电流进入变压器中性点的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制交流变压器中性点直流和杂散谐波电流的装置，包括杂散谐波电流抑制装置、隔直电容器、非线性电阻、旁路保护装置和第一电流互感器；隔直电容器的一端连接至交流变压器中性点，另一端连接至杂散谐波电流抑制装置的输出端正极；非线性电阻的一端连接隔直电容器的一端，另一端连接至抑制装置的输出端负极；旁路保护装置与非线性电阻并联连接；第一电流互感器连接在抑制装置的输出端负极。由于目前中性点电流成含有直流分量和交流分量，本发明通过隔直电容器隔离中性点电流中的直流分量进入变压器，通过杂散谐波电流抑制装置隔离中性点电流中的交流谐波分量进入变压器，进而减小流入变压器中性点的中性点电流，从而抑制变压器直流偏磁。

Description

一种抑制直流和杂散谐波电流进入变压器中性点的装置
技术领域
本发明属于电力系统领域，更具体地，涉及一种抑制直流和杂散谐波电流进入变压器中性点的装置。
背景技术
变压器直流偏磁问题最早起源于地磁风暴，当磁暴发生时，在变化的地球磁场作用下，在土壤电阻率较高的地区可以引发每公里几伏到十几伏，持续时间在几分钟到几小时的地面电势，在电力系统中产生感应电流，进而导致变压器出现直流偏磁现象。随后随着我国西电东送、全国联网战略逐步实施，超特高压直流输电线路输送能力不断增强，当直流输电因为各种原因采用不对称运行方式和单极运行方式是，会产生巨大的入地电流(几百安甚至上千安)从输电线路接地一侧流入地下，以大地为回路，再从另一侧流入电网系统，导致变压器出现直流偏磁。同时近些年来中国许多大型城市都开始进行城市轨道交通建设，随着轨道交通的兴起相关大量的研究表明轨道交通的轨道与大地之间难以做到完全绝缘，导致有一部分的电流在钢轨和大地绝缘较差的地方泄露流入大地，形成中性点电流。该部分中性点电流除了含有直流分量外还含有交流分量，该部分杂散电通过变压器中性点流入交流电网导致变压器直流偏磁的问题日益复杂。
目前抑制交流变压器直流偏磁方案大致分为三类。第一类是反向注入电流法；第二类是中性点串联电阻法；第三类是中性点串电容法。目前第三类方法中性点串电容法由于控制相对简单，成本相对较低在变压器中性点直流偏磁问题上得到了较为广泛的应用，但传统意义上的中性点串电容法基于目前中性点电流来源和成分复杂已经无法取得良好的抑制中性点电流进入变压器中性点的效果，其主要原因是目前中性点电流中的杂散谐波分量无法通过电容器得到有效的抑制。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种抑制直流和杂散谐波电流进入变压器中性点的装置，旨在解决现有技术的中性点电流中的杂散谐波分量无法通过电容器得到有效抑制的问题。
本发明提供了一种抑制直流和杂散谐波电流进入变压器中性点的装置，包括：杂散谐波电流抑制装置、隔直电容器、非线性电阻、旁路保护装置和第一电流互感器；隔直电容器的一端连接至交流变压器中性点，隔直电容器的另一端连接至所述杂散谐波电流抑制装置的输出端正极；杂散谐波电流抑制装置的输入端用于连接三相交流系统的输出端；非线性电阻的一端连接至隔直电容器的一端，非线性电阻的另一端连接至杂散谐波电流抑制装置的输出端负极；旁路保护装置与非线性电阻并联连接；第一电流互感器连接在杂散谐波电流抑制装置的输出端负极。
更进一步地，杂散谐波电流抑制装置包括：包括：联动开关K2、第二非线性电阻R2、隔离变压器、DC/AC变换器、滤波电容器和AC/DC变换器；所述隔离变压器一次侧一端用于连接所述隔直电容器，所述隔离变压器一次侧另一端接地；所述第二非线性电阻R2并联连接至所述隔离变压器二次侧的两端，所述隔离变压器二次侧还连接至所述DC/AC变换器的交流侧，所述DC/AC变压器的直流侧连接至所述AC/DC变换器的直流侧，所述滤波电容器并联连接在所述DC/AC变压器的直流侧，所述AC/DC变换器的交流侧通过所述联动开关K2连接至三相交流系统。
更进一步地，旁路保护装置包括n个旁路保护单元，依次并联在所述非线性电阻的两端。
更进一步地，旁路保护单元包括：第一晶闸管SCR11，第二晶闸管SCR12和限流电抗；限流电抗的一端连接至交流变压器中性点，限流电抗的另一端连接至第一晶闸管SCR11的阳极和第二晶闸管SCR12的阴极；第一晶闸管SCR11的阴极和第二晶闸管SCR12的阳极均接地；第一晶闸管SCR11的控制极和第二晶闸管SCR12的控制极均连接至外部控制电路的控制信号输出端。
旁路保护单元可以为保护隔直电容器不会被暂态高压击穿和避免交流变压器中性点电位升高后威胁其安全运行的任何含有电力电子开关或机械开关的拓扑结构。
更进一步地，旁路保护单元包括：第一晶体管IGBT11、第二晶体管IGBT12、限流电抗和放电电阻；限流电抗的一端连接至所述交流变压器中性点，所述限流电抗的另一端连接至所述第一晶体管IGBT11的漏极，所述第一晶体管IGBT11的源极连接至所述第二晶体管IGBT12的源极，所述第二晶体管IGBT12的漏极接地，所述第一晶体管IGBT11的栅极和所述第二晶体管IGBT12的栅极均连接外部的控制信号；放电电阻的一端连接至所述第一晶体管IGBT11的漏极，放电电阻的另一端连接至所述第二晶体管IGBT12的漏极。
更进一步地，杂散谐波电流抑制装置还包括：AC/DC变换器控制单元和DC/AC变换器控制单元；所述AC/DC变换器控制单元为所述AC/DC变换器提供用于控制其导通或关断的控制信号；所述DC/AC变换器控制单元为所述DC/AC变换器提供用于控制其导通或关断的控制信号。
非线性电阻用于保护旁路保护单元中电子电子器件，防止电力电子器件在关断瞬间产生的高电压损坏电力电子器件。
更进一步地，DC/AC变换器控制单元包括：依次连接的电流采样分析单元、谐波分析单元和控制信号输出单元，所述电流采样分析单元用于采样中性点电流并判断采样信号是否正确，如果采样正确则将运算结果输送到谐波分析单元，如果采样错误则请求人工服务；所述谐波分析单元用于将采样的中性点电流进行分析得出所需要抑制的谐波电流大小；所述控制信号输出单元用于将所需抑制谐波电流转换为DC/AC变换器电力电子器件的开通与关断信号并输出该信号。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于加入了杂散谐波电流抑制装置，通过杂散谐波抑制装置输出方向相反、大小相等的中性点电流中交流分量，使中性点电流的交流分量被杂散谐波抑制装置抵消，从而能够取得抑制中性点电流中交流成分的有益效果。
附图说明
图1是本发明抑制交流变压器中性点直流和杂散谐波电流装置的结构示意图；
图2是本发明抑制交流变压器中性点直流和杂散谐波电流装置中杂散谐波电流抑制装置的结构示意图；
图3是本发明抑制交流变压器中性点直流和杂散谐波电流装置中杂散谐波电流抑制装置的一种典型实例；
图4是本发明抑制交流变压器中性点直流和杂散谐波电流装置中DC/AC变换器控制单元的具体功能模块单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明具体是涉及到一种抑制交流变压器中性点直流和杂散谐波电流流入的装置；可以改善由直流和杂散谐波电流通过变压器中性点流入交流变压器导致变压器噪声变大、机械振动加剧、发热和谐波损耗增加等状况。
本发明针对于轨道交通发达的城市区域设计出一种抑制直流和杂散谐波电流进入变压器中性点的装置。目前由轨道交通产生的中性点电流成分复杂，该装置通过分别抑制直流分量和谐波分量达到减小中性点电流对变压器影响的效果。
本发明采用变压器中性点串联隔直电容器和杂散谐波电流抑制装置，外加旁路保护装置和非线性电阻的方案抑制交流变压器中性点直流偏磁。旁路保护装置可以采用机械开关或电力电子开关，用于保护隔直电容器不会被暂态高压击穿和避免交流变压器中性点电位升高后威胁其安全运行。非线性电阻用于保护旁路保护装置中的电力电子器件，防止电力电子器件在关断瞬间产生的高电压损坏电力电子器件。
本发明提供了一种抑制交流变压器中性点直流和杂散谐波电流的装置，包括：杂散谐波电流抑制装置、隔直电容器C1、第一非线性电阻R1、旁路保护装置和第一电流互感器；隔直电容器C1的一端连接至交流变压器中性点，隔直电容器C1的另一端连接杂散谐波电流抑制装置；杂散谐波电流抑制装置接地；第一非线性电阻R1并联于旁路保护装置两端；第一电流互感器串联于杂散谐波电流抑制装置负极与开关K3之间；旁路保护装置由电力电子开关或机械开关及相关器件构成。
在本发明实施例中，杂散谐波电流抑制装置包括：开关K2、第二非线性电阻R2、隔离变压器、DC/AC变换器、滤波电容器和AC/DC变换器。隔离变压器一次侧一端连接至隔直电容器，另一端接地，第二非线性电阻R2并联于隔离变压器二次侧两端，二次侧连接DC/AC变换器的交流侧，DC/AC变压器直流侧连接AC/DC变换器的直流侧，同时并联滤波电容器。AC/DC变换器的交流侧连接三相400V交流电。
在本发明实施例中，DC/AC变换器和AC/DC变换器可以采用包括半桥、全桥等所有可以实现交直流变换的电力电子器件和结构。
在本发明实施例中，旁路保护装置包括n个旁路保护单元，依次并联在非线性电阻R1的两端。
作为本发明的一个实施例，旁路保护单元包括：第一晶闸管SCR11，第二晶闸管SCR12和限流电抗；限流电抗的一端连接至交流变压器中性点，限流电抗的另一端连接至第一晶闸管SCR11的阳极和第二晶闸管SCR12的阴极；第一晶闸管SCR11的阴极和第二晶闸管SCR12的阳极均接地；第一晶闸管SCR11的控制极和第二晶闸管SCR12的控制极均连接至外部控制电路的控制信号输出端。
作为本发明的另一个实施例，旁路保护单元包括：第一晶体管IGBT11、第二晶体管IGBT12、限流电抗和放电电阻；限流电抗的一端连接至所述交流变压器中性点，所述限流电抗的另一端连接至所述第一晶体管IGBT11的漏极，所述第一晶体管IGBT11的源极连接至所述第二晶体管IGBT12的源极，所述第二晶体管IGBT12的漏极接地，所述第一晶体管IGBT11的栅极和所述第二晶体管IGBT12的栅极均连接外部的控制信号；放电电阻的一端连接至所述第一晶体管IGBT11的漏极，所述放电电阻的另一端连接至所述第二晶体管IGBT12的漏极。
该装置可以解决目前由轨道交通、直流输电和地磁风暴等引起的变压器中性点直流偏磁问题。目前变压器中性点电流包含直流分量和交流分量，该装置通过隔直电容器隔离直流电流特性抑制中性点电流直流分量流入变压器，通过杂散谐波电流抑制装置注入与中性点电流交流分量大小相同、正负相反的交流电流抑制中性点交流分量流入变压器。从而抑制中性点电流进入变压器中性点，进而对电力系统产生不良影响。
本发明提出了一种新的交流变压器中性点隔离直流和杂散谐波电流方案，既能适应HVDC单极大地运行情况，也可以适应有地铁等大量轨道交通的城市地区(中性点电流中含有谐波)的一套可行性较高的新型隔离装置，从而减少交流变压器中性点因直流偏磁而造成的危害。该装置由杂散谐波电流抑制装置、隔直电容器、旁路保护装置、非线性电阻和电流互感器构成。
本发明主要针对的是城市中存在地铁等大量轨道交通的地区设计提出的一种新型交流变压器中性点电流抑制装置，特别适合于由于中性点电流值较大且构成复杂的地区。该装置同样可适用于交流变压器中性点隔离由于高压直流输电以及地磁等引起的直流电流问题。
本发明采用的抑制交流变压器中性点直流偏磁的方案为中性点串联隔直电容器和杂散谐波电流抑制装置，外加旁路保护装置和非线性电阻。旁路保护装置由电力电子开关或机械开关构成，当检测到隔直电容器过电流或过电压运行时，旁路保护装置投入使用；当故障消除后，旁路保护装置停止保护，从而保护隔直电容器不会被暂态高压击穿和避免交流变压器中性点电位升高后威胁其安全运行。隔直电容器用于阻断中性点电流中的直流分量进入交流变压器中性点，杂散谐波电流抑制装置用于阻断杂散电流中的交流分量进入交流变压器中性点。第一电流互感器与第二电流互感器用于实时监测直流和杂散谐波电流，通过第一电流互感器与第二电流互感器的数据对比，确保测量电流数据的准确性，提高设备安全可靠性能。
杂散谐波电流抑制装置由开关K2、第二非线性电阻R2、隔离变压器，DC/AC变换器、滤波电容器和AC/DC变换器构成。所述杂散谐波电流抑制装置中第二非线性电阻R2作用为当电力系统发生短路故障(特别是不对称短路)且旁路保护装置拒动或产生动作延时，防止故障大电流经隔离变压器流入AC/DC变换器和DC/AC变换器，损坏变换器中电力电子器件。
杂散谐波电流抑制装置的检测谐波方法：通过对第一电流互感器和第二电流互感器测量值is分析，了解谐波电流特性。目前常用的谐波监测方法包含基波提取法(间接提取法)和谐波直接提取法，具体可以采用同步旋转坐标变换检测算法或递归离散傅里叶变换算法等计算谐波电流分量等方法。
杂散谐波电流抑制装置的控制方法的具体思路主要有两种，第一种是通过谐波检测计算出各频率谐波分量，然后通过杂散谐波电流抑制装置向变压器中性点分别输出反向各频率谐波电压用于抵消杂散谐波电流分量；第二种是通过谐波检测计算出基波分量后，将所有杂散谐波电流通过有效控制策略控制电力电子器件开通与关断使杂散谐波电流抑制装置向变压器中性点直接输出反向谐波电压使杂散谐波电流趋近于0，用于抵消谐波分量。
杂散谐波电流抑制装置的控制策略：目前较为常用的有三种控制策略，分别为三角波调制法、滞环比较控制法和无差拍控制法，但控制策略也不仅限于上述的三种控制方法。
下面结合附图对本发明进一步详细说明。本发明提出了一种抑制直流和杂散谐波电流进入变压器中性点的装置，具体的拓扑结构如图1。
图1中开关K1为交流变压器中性点直接接地刀闸，抑制直流和杂散谐波电流进入变压器中性点的装置1包括：开关K3、第一非线性电阻R1、隔直电容器C1、杂散谐波电流抑制装置和旁路保护装置；旁路保护装置可以由任何能够实现防止隔直电容器出现过电流或过电压现象的机械开关或电力电子开关及相关器件构成。杂散谐波电流抑制装置具体拓扑结构如图2。该杂散谐波电流抑制装置具体工作原理如下：从400V交流电网取交流电经AC/DC变换器转换为直流电并由滤波电容器进行滤波，直流电再经DC/AC变换器转换为幅值和频率一定的交流电(根据杂散谐波电流的幅值和频率而定)，经由隔离变压器输出交流电至交流变压器中性点从而抵消杂散谐波电流，抑制杂散谐波电流对变压器中性点的影响。第二非线性电阻R2用于保护旁路保护装置中的电力电子器件，防止电力电子器件在关断瞬间产生的高电压损坏电力电子器件。
杂散谐波电流抑制装置的一种典型实例如图3，隔离变压器一次侧端口1连接至隔直电容器，端口2接地；第二非线性电阻R2并联与隔离变压器二次侧两端；隔离变压器二次侧连接至DC/AC变换器。该DC/AC变换器工作原理如下：当杂散谐波电流抑制装置工作时，首先通过电流互感器测量出中性点电流is，通过DSP进行中性点电流分析，计算出谐波的幅值与频率等特性，进而设置电力电子器件的开通与关断的频率与时间使DC/AC变换器输出与杂散谐波电压(由中性点电流is中谐波电流产生)幅值呈一定倍数、正负相反的电压，再经隔离变压器输出与杂散谐波电压幅值相同、正负相反的电压，用于抑制中性点电流进入变压器中性点。DC/AC变换器另一侧连接滤波电容器C2和AC/DC变换器。滤波电容器用于过滤AC/DC变换器输出直流电压中的谐波。AC/DC变换器另一侧连接400V交流系统，从400V交流系统取电转换为所需幅值的直流电压。AC/DC变换器输出的直流电压幅值从杂散谐波电流抑制装置中各电力电子器件的耐受电压等级和经济性考虑，选取合适的直流电压等级即可。控制单元分为旁路保护装置控制单元和杂散谐波电流抑制装置中DC/AC变换器控制单元和AC/DC变换器控制单元。AC/DC变换器控制单元只需要维持输出的直流电压恒定在整定值，其控制策略和方法均已很成熟。下面主要介绍DC/AC变换器控制单元。图4是DC/AC变换器控制单元的具体功能模块单元结构，包含电流采样与分析单元、谐波分析单元和控制信号发生单元。下面采用控制策略为三角波调制法时，控制思路为第二种时，说明其具体工作原理。电流采样与分析单元首先对第一电流互感器和第二电流互感器的数据进行采样并分析采样数据是否正确，如果正确，取第一电流互感器和第二电流互感器同一时间点采样的平均值送入谐波分析单元，如果采样数据错误，具体表现在电流相角或数值明显存在偏差则报错，请求人工处理；谐波分析单元将电流采样与分析单元送入的波形运用同步旋转坐标变换检测算法或递归离散傅里叶变换算法等方法计算基波电流分量，然后将基波电流减去第一与第二互感器采样平均值的数据作为调制波送入控制信号发生单元；控制信号发生单元将调制波与高频三角波对比，采用PWM等技术手段发出电力电子器件的开通与关断信号。
在本发明实施例中，抑制交流变压器中性点直流和杂散谐波电流装置的工作状态总共有4种：(1)电力系统无故障状态且中性点电流超过整定值状态；(2)电力系统无故障但中性点电流超过整定值状态；(3)电力系统故障状态；(4)检修状态。
具体包括：
(1)当电力系统无故障状态且中性点电流超过整定值状态时，开关K1闭合，开关K2、开关K3断开，抑制直流和杂散谐波电流进入变压器中性点装置处于非运行状态，交流变压器中性点直接接地，交流变压器和电力系统正常运行。
(2)当电力系统无故障但中性点电流超过整定值状态时，开关K1关断，开关K2、开关K3闭合，抑制直流和杂散谐波电流进入变压器中性点装置投入运行，交流变压器中性点经隔直电容器和杂散谐波电流抑制装置接地，旁路保护装置处于非运行状态，抑制通过中性点流入交流变压器的中性点电流。
(3)当电力系统处于故障状态时，如电力系统发生单相短路时，有零序大电流流进变压器中性点入地。保护系统检测到过电流或过电压，开关K1、开关K2关断，开关K3闭合，旁路保护装置投入运行，此时隔直电容器和杂散谐波电流抑制装置被短路，故障电流经旁路保护装置流入大地，从而保护隔直电容器和杂散谐波电流抑制装置。待故障电流消失后，旁路保护装置停止保护动作，再根据实时检测结果，将装置运行状态调整为状态(1)或状态(2)。
(4)当抑制装置处于检修状态时，开关K1闭合，开关K2、开关K3断开，交流变压器中性点直接接地。抑制直流和杂散谐波电流进入变压器中性点装置处于非运行状态，待隔直电容器C1和滤波电容器C2放电完成后，对抑制直流和杂散谐波电流进入变压器中性点装置进行检修。
本发明针对于交流变压器中性点直流偏磁问题提出了新的拓扑结构。由于该装置加入杂散谐波电流抑制装置，所以该装置可以同时抑制中性点电流直流分量和交流分量对变压器的影响，从而尽可能的抑制变压器直流偏磁。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抑制直流和杂散谐波电流进入变压器中性点的装置，其特征在于，包括：杂散谐波电流抑制装置、隔直电容器、非线性电阻、旁路保护装置和第一电流互感器；
所述隔直电容器的一端连接至交流变压器中性点，所述隔直电容器的另一端连接至所述杂散谐波电流抑制装置的输出端正极；所述杂散谐波电流抑制装置的输入端用于连接三相交流系统的输出端；
所述非线性电阻的一端连接至所述隔直电容器的一端，所述非线性电阻的另一端连接至所述杂散谐波电流抑制装置的输出端负极；
所述旁路保护装置与所述非线性电阻并联连接；
所述第一电流互感器连接在所述杂散谐波电流抑制装置的输出端负极。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述杂散谐波电流抑制装置包括：包括：联动开关K2、第二非线性电阻R2、隔离变压器、DC/AC变换器、滤波电容器和AC/DC变换器；
所述隔离变压器一次侧一端用于连接所述隔直电容器，所述隔离变压器一次侧另一端接地；所述第二非线性电阻R2并联连接至所述隔离变压器二次侧的两端，所述隔离变压器二次侧还连接至所述DC/AC变换器的交流侧，所述DC/AC变压器的直流侧连接至所述AC/DC变换器的直流侧，所述滤波电容器并联连接在所述DC/AC变压器的直流侧，所述AC/DC变换器的交流侧通过所述联动开关K2连接至三相交流系统。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，旁路保护装置包括n个旁路保护单元，依次并联在所述非线性电阻的两端。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述旁路保护单元包括：第一晶闸管SCR11，第二晶闸管SCR12和限流电抗；限流电抗的一端连接至交流变压器中性点，限流电抗的另一端连接至第一晶闸管SCR11的阳极和第二晶闸管SCR12的阴极；第一晶闸管SCR11的阴极和第二晶闸管SCR12的阳极均接地；第一晶闸管SCR11的控制极和第二晶闸管SCR12的控制极均连接至外部控制电路的控制信号输出端。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述旁路保护单元包括：第一晶体管IGBT11、第二晶体管IGBT12、限流电抗和放电电阻；限流电抗的一端连接至所述交流变压器中性点，所述限流电抗的另一端连接至所述第一晶体管IGBT11的漏极，所述第一晶体管IGBT11的源极连接至所述第二晶体管IGBT12的源极，所述第二晶体管IGBT12的漏极接地，所述第一晶体管IGBT11的栅极和所述第二晶体管IGBT12的栅极均连接外部的控制信号；放电电阻的一端连接至所述第一晶体管IGBT11的漏极，所述放电电阻的另一端连接至所述第二晶体管IGBT12的漏极。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述杂散谐波电流抑制装置还包括：AC/DC变换器控制单元和DC/AC变换器控制单元；所述AC/DC变换器控制单元为所述AC/DC变换器提供用于控制其导通或关断的控制信号；所述DC/AC变换器控制单元为所述DC/AC变换器提供用于控制其导通或关断的控制信号。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述DC/AC变换器控制单元包括：依次连接的电流采样分析单元、谐波分析单元和控制信号输出单元，所述电流采样分析单元用于采样中性点电流并判断采样信号是否正确，如果采样正确则将运算结果输送到谐波分析单元，如果采样错误则请求人工服务；所述谐波分析单元用于将采样的中性点电流进行分析得出所需要抑制的谐波电流大小；所述控制信号输出单元用于将所需抑制谐波电流转换为DC/AC变换器电力电子器件的开通与关断信号并输出该信号。
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