CN107528319A - 一种电磁型能量回收式谐波抑制装置 - Google Patents
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Abstract
一种电磁型能量回收式谐波抑制装置，所述的装置是由电流式感应变压器，串联电容器单元，谐波整流变压器，桥式整流器单元，自动并网式逆变器组成，所述的电流式感应变压器的一次侧绕组与串联电容器单元串联后接入三相交流电或者单相的交流配电网主回路中，电流式感应变压器的二次侧绕组输出端连接所述谐波整流变压器的输入端，并通过谐波整流变压器的调压后通过输出端与桥式整流器的交流输入端连接，桥式整流器的输出端在经滤波电抗器和滤波电容器整形后与自动并网逆变器连接，由该逆变器将由电流式感应变压器合成截获的多次谐波能量转换成标准市电后以相同的频率和相同相位的电压再送入交流配电网之中。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种电磁型能量回收式谐波抑制装置，主要用于交流电网中对谐波的治理，属于电网的自动控制技术领域。
背景技术
近年来由于半导体技术突发猛进，许多具有良好可控性且耐高电压、大电流的电力电子组件被开发出来，这些组件目前已被广泛的应用在电力设备中，如马达、驱动器、电弧炉、电车、充电器及照明器具等。由于这些设备的非线性输入特性，使得它们在使用过程中产生大量的谐波电流。谐波电流的存在会导致一些问题，诸如变压器的过热现象、旋转机械的拢动、供应电压的失真、电力组件的破坏及医疗设备的机能故障等。为了有效限制谐波污染问题，一些国际研究机构纷纷制定谐波管制标准，如IEEE519-1992及IEC1000-3-2及IEC1000-3-4等；许多国家都制订了“电力系统谐波管制标准”来管制谐波。
解决谐波问题的传统方法为无源电力滤波器，无源电力滤波器是由无源组件电感器所组成。然而，无源电力滤波器潜藏着谐振的危机，谐振将导致更大的谐波电流与谐波电压，它可能破坏滤波器本身及邻近的电力设备，且滤波特性受系统电抗影响很大，因此很难得到良好的滤波效果。
虽然近年来使用由电力电子组件组成的电能转换器来达成谐波滤除功能的技术称为有源电力滤波器，例如美国专利US6472775及US6320392等。
虽然该有源电力滤波器具有良好的滤波特性，但是该有源电力滤波器的电能转换器容量必须大于负载谐波电流与电源电压的乘积，因此该有源电力滤波器的电能转换器的容量很大，因价格昂贵而限制其实用性，且这些有源电力滤波器由于该滤波组件仅用以滤除切换纹波，而较高的储能直流电容器电压将导致较大的切换纹波，所以滤波组件必须利用具较低截止频率的低通滤波器以滤除该较大的切换纹波，它将导致高频响应变差、体积变大，又产生了较高的电磁干拢问题！
有鉴于此，为了解决无源电力滤波器谐振及邻近谐波电流注入所造成过载问题，及有源电力滤波器的电能转换器容量大所造成的价格昴贵问题，迫切需要新的技术和思路对谐波问题加以抑制。
其中安徽工业大学洪乃刚申请的一项“变压器磁路控制抑制和消除电网谐波的方法”，专利号为ZL200510040290.3，该专利技术也是针对目前在电网网路上连接无源和有源滤波器消除谐波方法的不足，发明了以变压器磁路控制抑制和消除电网谐波的方法，即在变压器上增加谐波控制绕组，通过变压器磁路控制来抑制和消除谐波。
由于这种方法的思路仍然沿用了将谐波加以抵消的传统思想，其结果是将谐波的能量引接至变压器中来消耗，这样会使变压器中又产生了新注入的能量，导致发热而影响变压器运行。同时，由于该专利的接线方法为需要增加等值负载容量的大变压器，其实质上是一台功率型的隔离变压器的功能，其设计容量必须大于负载的额定容量，这样就大大增加了装置的成本和变压器的损耗，在实际工程中，其中的投资额将有可能超过传统的无源或有源的谐波抑制系统，因此，该方案的应用上适用于小功率的场合之中，对于大容量电力用户，在经济上是不划算和及其浪费的一种方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种电磁型能量回收式谐波抑制装置，它通过特制的一种串联电流式感应变压器来获取电网中的各次谐波电流，通过二次变压，桥堆整流后将高频率f的谐波能量整流为直流电源，再将该直流电的能量通过通常使用的光伏逆变器进行自动同步并网，将谐波这种有害的电流源变废为宝，重新送入电网中来加以利用。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种电磁型能量回收式谐波抑制装置，所述的装置是由电流式感应变压器，串联电容器单元，谐波整流变压器，桥式整流器单元，自动并网式逆变器组成，所述的电流式感应变压器的一次侧绕组与串联电容器单元串联后接入三相交流电或者单相的交流配电网主回路中，电流式感应变压器的二次侧绕组输出端连接所述谐波整流变压器的输入端，并通过谐波整流变压器的调压后通过输出端与桥式整流器的交流输入端连接，桥式整流器的输出端在经滤波电抗器和滤波电容器整形后与自动并网逆变器连接，由该逆变器将由电流式感应变压器合成截获的多次谐波能量转换成标准市电后以相同的频率和电压再送入交流配电网之中。
作为优选：所述的电流式感应变压器由硅钢软磁铁芯体连接一次电路的一次绕组、一次绕组绝缘支架、二次侧绕组以及二次侧绕组绝缘支架组成；
所述的串联电容器单元由串联补偿电容器组和起保护及控制作用的IGBT晶闸管系统及防止过电压保护的氧化锌避雷器并接组成；
所述谐波整流变压器中的初级绕组与电流式感应变压器的二次侧绕组连接，谐波整流变压器的次级绕组与桥式整流器的交流输入端连接。
作为优选：所述的桥式整流器由大功率桥堆、滤波电抗器和滤波电容器组成；在所述大功率桥堆的输入端和输出端两侧分别连接有一为过电压保护单元的氧化锌避雷器，且所述氧化锌避雷器选用相应电压动作值匹配的ZnO避雷器单元；
所述的滤波电容器之后连接有自动并网用的逆变器，该逆变器的功率与桥式整流器的直流电源功率相匹配；所述的逆变器为实现与交流市电自动同步并网功能宽电压逆变器装置。
所述的电流式感应变压器也可称之为变流变压器。
本发明通过电流式感应变压器获取电网中的交流A、B、C三相或者是中性线电流的高次谐波分量值，其原理为：根据变压器的电磁感应关系，安置于铁芯中一次绕组N1线圈的感应电压值为：
U＝4.44f·B·W·Az×10-7
其中，B为磁感应强度(单位：特斯拉T)，它与电流I成正比，f为频率Hz，W为绕组匝数，Az为铁芯截面积cm2。
本发明将处于额定电流、但是无谐波源干扰时的值即最大负载电流下，正统波基波f＝50Hz时的感应电压值UMN值定量设计为U1，而在此电压值在电感线圈N1上所感应的值，初次拟定为15％～25％的水平，而在这个电压下所设计的逆变器将不产生逆变器的启动电压值，即输出不工作。这样的设计依据为，当产生的谐波次数为3、5、7、9次时，在铁芯线圈上的感应平均值为基波的2～4倍左右，而此时，在二次绕组的感应电压将会达到约3×25＝75％Ue的电压水平，这样就有可以触发逆变器工作，将高次谐波能量通过逆变器，可能提取到在电网中的50％～70％左右的谐波功率值的电压分量，从而达到吸收谐波能量的目的。
附图说明
图1是本发明所述电磁型能量回收式谐波抑制装置的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：假设电网的额定电压为380V，负荷电流200A，将电流式感应变压器1和串联补偿电容器单元2串联接线后接入需要进行谐波治理的交流电网的A、B、C三相之中。
图1所示，本发明所述的一种电磁型能量回收式谐波抑制装置，所述的装置是由电流式感应变压器1，串联电容器单元2，谐波整流变压器3，桥式整流器单元4，自动并网式逆变器6组成，所述的电流式感应变压器1的一次侧绕组N1与串联电容器单元2串联后接入三相交流电或者单相的交流配电网主回路中，电流式感应变压器1的二次侧绕组N2输出端连接所述谐波整流变压器3的输入端，并通过谐波整流变压器3的调压后通过输出端与桥式整流器4的交流输入端连接，桥式整流器4的输出端在经滤波电抗器42和滤波电容器43整形后与自动并网逆变器6连接，由该逆变器6将由电流式感应变压器1合成截获的多次谐波能量转换成标准市电后以相同的频率和电压再送入交流配电网之中。
图中所示，所述的电流式感应变压器1由硅钢软磁铁芯体11，连接一次电路的一次绕组N1、一次绕组绝缘支架12、二次侧绕组N2以及二次侧绕组绝缘支架13组成；
所述的串联电容器单元2由串联补偿电容器组21和起保护及控制作用的IGBT晶闸管系统22及防止过电压保护的氧化锌避雷器23并接组成；
所述谐波整流变压器3中的初级绕组W1与电流式感应变压器1的二次侧绕组N2连接，谐波整流变压器3的次级绕组W2与桥式整流器4的交流输入端连接。
本发明所述的桥式整流器4由大功率桥堆41、滤波电抗器42和滤波电容器43组成；在所述大功率桥堆41的输入端和输出端两侧分别连接有一为过电压保护单元的氧化锌避雷器5，且所述氧化锌避雷器5选用相应电压动作值匹配的ZnO避雷器单元；
所述的滤波电容器43之后连接有自动并网用的逆变器6，该逆变器6的功率与桥式整流器4的直流电源功率相匹配；所述的逆变器6为实现与交流市电自动同步并网功能宽电压逆变器装置。
本装置各元件组件的工作过程如下：
1)假设当A相电流流过电流式感应变压器1的一次侧绕组N1时，其所感应的电压为U1时，会在变压器1的二次侧绕组感应电动势U2，根据变压器原理，即电压值与绕组匝数成正比，由于获取一定的功率，需要求电流式感应变压器1中产生一定量值的电抗XL，
当XL过大时，将会影响电网的电压合格率，因此，本电路中又设计了以串联补偿电容器单元2，来补偿由电流式感应变压器1由于感性元件所造成的电压损失，因为在交流电路中电流式感应变压器1实质上相当于一个带铁芯的电抗器，电容器的容抗值XC通常设计为“电抗器”电流式感应变压器1量值的的数值，即补偿度为50％～70％的水平。
2)设计中，取电流式感应变压器1在纯阻性负载时上所产生的电压降为U1R20～25％时的水平时，则当馈线中的谐波分量如3、5、7、9、11次的谐波较强时，会在电流式感应变压器1的一次侧绕组N1中则会感应出2.5～3.5倍的U1R的电压值，同时，设置逆变器6的启动电压值在U1R在额定负载时且在无谐波干扰源时不启动工作，而在U＝2.5U1R时启动，这样就通过整流装置和逆变器后，将多次谐波的能量通过谐波整流变压器3、桥式整流器单元4及滤波电路后向逆变器6提供直流电源，由自动并网的逆变器又回馈到电网中重复使用了，达到谐波回收利用电能的目的，这是一个变废为宝的技术方案。
实施例：
1)电流式感应变压器1的选型：
当负荷电流较大时，由可以以本单元多个并联的方式进行，方案中暂以一台串联电流感应式变压器为例作计算。本装置系统在实施中，关键的技术在于电流式感应变压器1容量的确定，由变压器设计原理公式，选择变压器铁芯截面的直径其中S为变压器的额定容量kVA，K为系数，取50～55，本方案中和估算谐波的功率值为整个负荷即视在功率S的25％的水平，因此，取600÷3＝200A，当分流后的负荷为200A时，截取负荷中电压的20％为依据，⊿U1＝0.2×380V＝76V，由此变流变压器BL-(1)的功率容量值选择为：
S1＝⊿U1·I＝76V×200A＝15200W＝15.2kW，考虑可靠系数取2，由此确定变压器功率容量值为S＝15.2kW×2≈30kW。再计算该变压器的铁芯横截面积的直径 铁芯的半径R＝64mm，铁芯截面积Sc＝128cm2，计算变压器的每匝电压e＝0.356Sc＝0.0356×128＝4.57V，确定一次侧绕组N1的匝数n，匝，因此确定电流式感应变压器1一次侧线圈绕组N1的匝数为17匝，二次侧设计为34匝，由此，当负荷电流为纯电阻性时，电压降为一次侧76V，二次侧为152V的水平，变压器铁芯的直径选择128mm，每相上安装一台，共3台。
2)串联电容器单元2的选型计算：先计算电流式感应变压器在正常运行的等效电抗值XL，
U＝cos45°·U1＝0.707×76V＝53V
电流式感应变压器的等效电抗为：
设计以电容器的容抗值XC来抵消电抗值的60％的电抗值，XC＝0.6×0.268＝0.1611Ω
取每只电容器6800μF/450V，选取交流电容器型号CBB-6800μF/450V，厂家安徽赛福电子有限公司，则需要3只并联的容量，通过串联电容器，可以使变压器的电抗下降60％。
3)谐波整流变压器3的选择：
为使谐波电流在电流式感应变压器1的二次侧形成回路，设计谐流整流变压器3，其容量按S2＝I·U，S2＝2×100A×76V＝15.2kW，目的是为了控制电流式感应变压器1侧的一、二次电流值，谐波整流变压器3一次侧匝数值与电流式感应变压器1的二次侧匝数34匝一致，谐波整流变压器3二次侧的匝数拟与逆变器电源电压匹配。谐波整流变压器3可以选择自行绕制。其中，变压器铁芯截面积Sc和线圈绕组W1、W2的计算，可参考上段1)中的计算公式进行计算。
4)桥式整流器单元4的选择：
根据输出电压值和功率值，选用相匹配的大功率整流桥堆，当电流为纯电阻负荷200A时逆变器是不启动的，设计原则当纯电阻负荷时，输出小于170V时，又当带有谐波干扰的负荷时，桥堆输出电压设计为大于200V，使逆变器工作。可以选用桥堆的型号为单相或是对于高频的可选用肖特基型号的二极管三相，型号为KBPC3501/1000V，厂家为深圳鸿基隆科技公司。
5)过电压保护的避雷器：
选用FS-0.38kV的避雷器作为过电压保护器件，或者是FS-0.66kV
6)同步自动并网的逆变器选择：
由总功率为380V×200A＝76kW的功率时，取15％功率变抗值，逆变功率选为10kW，逆变器启动直流工作电压200V，将直流整流后的电源转换交流，重新并网加以利用。选用可自动并网的逆变器，型号：YXSG-XKSL-10kW，厂家为南京研旭新能源科技有限公司。
Claims (3)
1.一种电磁型能量回收式谐波抑制装置，所述的装置是由电流式感应变压器（1），串联电容器单元（2），谐波整流变压器（3），桥式整流器单元（4），自动并网式逆变器（6）组成，其特征在于所述的电流式感应变压器（1）的一次侧绕组Ｎ1与串联电容器单元（2）串联后接入三相交流电或者单相的交流配电网主回路中，电流式感应变压器（1）的二次侧绕组（N2）输出端连接所述谐波整流变压器（3）的输入端，并通过谐波整流变压器（3）的调压后通过输出端与桥式整流器（4）的交流输入端连接，桥式整流器（4）的输出端在经滤波电抗器（42）和滤波电容器（43）整形后与自动并网逆变器（6）连接，由该逆变器（6）将由电流式感应变压器（1）合成截获的多次谐波能量转换成标准市电后以相同的频率和电压值及相位角再送入交流配电网之中。
2.根据权利要求1所述的电磁型能量回收式谐波抑制装置，其特征在于所述的电流式感应变压器（1）由硅钢软磁铁芯体（11）连接一次电路的一次绕组（N1）、并且留有多个抽头作为档位调节用，一次绕组绝缘支架（12）、二次侧绕组（N2）以及二次侧绕组绝缘支架（13）组成；
所述的串联电容器单元（2）由串联补偿电容器组（21）和起保护及控制作用的IGBT晶闸管系统（22）及防止过电压保护的氧化锌避雷器（23）并接组成；
所述谐波整流变压器（3）中的初级绕组（W1）与电流式感应变压器（1）的二次侧绕组Ｎ2连接，谐波整流变压器（3）的次级绕组（W2）与桥式整流器（4）的交流输入端连接。
3.根据权利要求2所述的电磁型能量回收式谐波抑制装置，其特征在于所述的桥式整流器（4）由大功率桥堆（41）、滤波电抗器（42）和滤波电容器（43）组成；在所述大功率桥堆（41）的输入端和输出端两侧分别连接有一为过电压保护单元的氧化锌避雷器（5），且所述氧化锌避雷器（5）选用相应电压动作值匹配的ＺnO避雷器单元；
所述的滤波电容器（43）之后连接有自动并网用的逆变器（6），该逆变器（6）的功率与桥式整流器（4）的直流电源功率相匹配；所述的逆变器（6）为实现与交流市电自动同步并网功能宽电压逆变器装置。
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