CN107732916A - 并联型谐波电能提取装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了并联型谐波电能提取装置，每相上的谐波提取装置均包括耦合变压器T、由无功补偿电容器Ci形成的第一支路、由无功补偿电容器Cmi和谐振电感器Lmi串联形成的第二支路；耦合变压器T的一次绕组包括第一线圈、第二线圈和铁芯，第一线圈和第二线圈均绕制在铁芯上，第一线圈的绕制方向和第二线圈的绕制方向相同；第一支路和第二支路各自形成的串联回路在基波电压下等值电容容量相等，第一线圈的绕组匝数与第二线圈的绕组匝数相同。本发明将谐波电能提取出来，避免了输电线路阻尼电阻有功损耗，解决了滤除谐波电压源损耗大、不经济等问题。
Description
技术领域
本发明涉及谐波处理设备，具体涉及并联型谐波电能提取装置。
背景技术
谐波治理过程中很少将谐波提取出来进行再利用，主要依靠滤除，滤波装置主要有无源电力滤波器与有源电力滤波器。无源电力滤波器结构简单，易于设计，价格低廉，但其补偿特性易受环境影响。电力有源滤波器理论上是将谐波能量转换为基波回馈了电网，但实际上由于有源滤波器大功率开关器件的功率损耗，其基波有功损耗十分惊人，实际工作效率不超过98％，远低于传统LC无源滤波设备，而且有源滤波器价格昂贵。实际上，谐波也是一种能源，如果将其从输电线路提取出，经过整流逆变或者直接应用于特定的用电设备将节约大量能源，变废为宝。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术只能将谐波滤出，造成较大的能量损失，目的在于提供并联型谐波电能提取装置，将谐波提取出来再将谐波转换成可供用电设备使用的电能，降低能量的损失。
本发明通过下述技术方案实现：
并联型谐波电能提取装置，每相上的谐波提取装置均包括耦合变压器T、由无功补偿电容器Ci形成的第一支路、由无功补偿电容器Cmi和谐振电感器Lmi串联形成的第二支路；所述耦合变压器T的一次绕组包括第一线圈、第二线圈和铁芯，第一线圈和第二线圈均绕制在铁芯上，第一线圈的绕制方向和第二线圈的绕制方向相同；第一线圈的输入端与第二线圈的输入端分别处在铁芯的两端，第一线圈的输出端和第二线圈的输出端处于铁芯的中部，第一线圈的输入端与第二线圈的输入端分别连接第一支路和第二支路，所述第一线圈的输出端和第二线圈的输出端共同连接在零线上，所述第一支路和第二支路连接耦合变压器T端的另一端与系统电压线路连接；所述耦合变压器T的二次绕组连接变换电路；第一支路和第二支路各自形成的串联回路在基波电压下等值电容容量相等，第一线圈的绕组匝数与第二线圈的绕组匝数相同。
本发明是一种基于无源LC滤波技术的衍生方案，交流电网的系统电压分别通过无功补偿电容器Ci、Cmi、Lmi以及耦合变压器T的一次绕组流回系统，Ci以及Cmi、Lmi组成的串联回路在基波电压下等值电容容量相同，第一线圈的输入端和第二线圈的输入端作为耦合变压器T的一次绕组同名端分别与两个电容支路相连，两个电容支路即第一支路和第二支路，两个绕组匝数相同，两条支路的不同之处在于Cmi支路中还串联有谐振电感器Lmi，Lmi与Cmi在特定次数谐波频率串联谐振，这样，流过耦合变压器T一次绕组的电流分为两组，一组是含有谐波的无功电流的第一支路，另一组是不含有谐波的无功电流的第二支路，由于两条支路中的基波无功电流相同，两个一次绕组匝数也相同，因此所产生的基波磁通相同抵消，而谐波磁通无法抵消，被感应到耦合变压器T的二次侧，通过二次侧接的变换电路整流为平滑稳定的直流电压，供负荷使用，完成了谐波电能的提取转换。
进一步地，谐振电感器Lmi为非线性器件。当流过的谐波电流大于设定值后电感饱和，电抗值降低使滤频率偏离谐振频率，从而自动降低谐波电流，避免装置过载损坏，即解决谐波电压源造成滤波器过载问题。这个电路结构在巧妙提取谐波电能的同时也尽可能地避免了基波无功分量的损耗，本发明全部为非耗能的电感与电容元件构成，不使用电阻元件，显然其有功损耗可降低至非常小的范围。
进一步地，满足第二支路的参数设置如下：
其中，Zm为第二支路中Cmi和Lmi的总阻抗，ω＝2πf为基波f＝50Hz下的角频率。只有满足式(1)在N次谐波时，Lmi与Cmi才能发生频率串联谐振，致使流过变压器T一次绕组的电流分为两组，含有谐波的无功电流和不含有谐波的无功电流，谐波磁通无法抵消，被感应到变压器T的二次侧，这样就可以把所需要的谐波能量提取出来。
进一步地，满足基波磁通在耦合变压器T抵消的参数条件如下：
其中，RTi为耦合变压器绕组等值电阻，ωLTi为耦合变压器漏抗。只有在满足式(2)时，才能使流过变压器T一次绕组的两个基波无功相同，两个一次绕组匝数也相同，产生的基波磁通在变压器处抵消，因而不会被变压器T感应到二次侧。
进一步地，每相上的谐波提取装置中的第一支路条数至少为一条，第二支路的条数至少为一条，并且，所有第一支路形成的串联回路在基波电压下等值电容容量与所有第二支路形成的串联回路在基波电压下等值电容容量相等。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明将谐波电能提取出来，避免了输电线路阻尼电阻有功损耗，解决了滤除谐波电压源损耗大、不经济等问题；
2、本发明将提取出的谐波能量经过整流和逆变得到可供用电设备使用的电能，在提取谐波的同时还为输电线路提供了无功功率；
3、本发明全部为非耗能的电感与电容元件构成，不使用电阻元件，显然其有功损耗可降低至非常小的范围。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例1结构示意图；
图2为本发明实施例2结构示意图；
图3为本发明实施例3结构示意图；
图4为本发明系统仿真模型图；
图5-1为本发明不加谐波源的输电线路电压波形；
图5-2为本发明加入谐波源的输电线路电压波形图；
图5-3为本发明谐波提取后输电线路电压波形图；
图5-4为本发明提取出的3次谐波电压波形图；
图6为本发明谐波电能整流逆变电路图；
图7为本发明谐波整流后的电压波形图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-变换电路，2-谐波源，3-零线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，并联型谐波电能提取装置，每相上的谐波提取装置均包括耦合变压器T、由无功补偿电容器Ci形成的第一支路、由无功补偿电容器Cmi和谐振电感器Lmi串联形成的第二支路；所述耦合变压器T的一次绕组包括第一线圈、第二线圈和铁芯，第一线圈和第二线圈均绕制在铁芯上，第一线圈的绕制方向和第二线圈的绕制方向相同；第一线圈的输入端与第二线圈的输入端分别处在铁芯的两端，第一线圈的输出端和第二线圈的输出端处于铁芯的中部，第一线圈的输入端与第二线圈的输入端分别连接第一支路和第二支路，所述第一线圈的输出端和第二线圈的输出端共同连接在零线3上，所述第一支路和第二支路连接耦合变压器T端的另一端与系统电压线路连接；所述耦合变压器T的二次绕组连接变换电路1；第一支路和第二支路各自形成的串联回路在基波电压下等值电容容量相等，第一线圈的绕组匝数与第二线圈的绕组匝数相同。
谐振电感器Lm1为非线性器件。
满足第二支路的参数设置如下：
其中，Zm为第二支路中Cm1和Lm1的总阻抗，ω＝2πf为基波f＝50Hz下的角频率。
满足基波磁通在耦合变压器T抵消的参数条件如下：
其中，RT1为耦合变压器绕组等值电阻，ωLT1为耦合变压器漏抗。
每相上的谐波提取装置中的第一支路条数为一条，第二支路的条数至少为一条，并且，所有第一支路形成的串联回路在基波电压下等值电容容量与所有第二支路形成的串联回路在基波电压下等值电容容量相等。
根据式(1)、式(2)得到滤除谐波的电容器和电感器参数值。将图1中的谐波提取装置应用于输电线路如图4所示，输电线路电源电压为u1，电源阻抗为x，谐波源为u2，谐波负载为x2，负载阻抗为x3，I1为系统总电流，I2为流过提取装置电流，I3为谐波源电流，I4为负载侧电流，ZT1为变压器阻抗。将此谐波提取装置接在10kv电网相间如图4所示，每相结构相同，变压器的变比为3000/3000，滤除3次谐波，各绕组的漏抗相同，Ci和Cmi容抗基本相同(取电容为1.117UF，电感为1H)，电网中谐波电压占比为2％(200V)。在确定装置的各个参数之后，得到流过输电线路的电流，即得到提取装置的等值功率。经过计算谐波提取装置对于系统仅仅相当于一个109067Var的无功补偿电容器，对于谐波的阻抗取决于二次侧直流负载的大小，基波损耗基本忽略不计，可见其滤波效果突出、对系统不会带来任何不利影响。
将本实施例中并联型谐波电能提取装置接在10KV电网相间，谐波提取装置在MATLAB/Simulink仿真分5部分进行，具体如下：
1)检测输电线路运行是否符合我国输电线路运行的要求，运行参数是否符合实验要求。
2)检测谐波提取装置对输电线路的影响，具体做法是在正常输电线路中加入谐波提取装置，检测输电线路运行的变化情况。
3)在输电线路加入谐波源，检测系统的变化。
4)在加入谐波源后，检测谐波提取装置是否将基波提取出。
5)在加入谐波源后，检测提取装置是否将3次谐波提取出。
谐波电能提取输电系统具体仿真如图5-1至图5-4所示。需要注意的是在母线处由于用快速傅里叶变换分析测量电压幅值，得到的是相电压的峰值V测，因此需要将测量值乘以得到线电压，再除以得到有效值，即
由图5-1至图5-4输电系统仿真结果可知，输电线路在没有无功补偿的情况下，测得负载测V测＝7714.67V，因此V有效值＝9.448kV；电源母线处V测＝8497V，因此V有效值＝10.406kV。
在系统中加入谐波提取装置，不加谐波源的输电线路可得，测得负载测V测＝8171.62V，因此V有效值＝10.008kV；母线处V测＝8536.11V，因此V有效值＝10.455kV；由此可见，谐波能量提取装置相对于系统是一个无功补偿装置，不会影响输电线路的正常运行。此时不加谐波源的输电线路电压波形为图5-1，由电压波形可得，谐波能量提取装置不仅没有对输电线路产生干扰，反而使系统电压更加稳定。
通过检测的数据，确定输电线路运行良好后，在负载侧B相加入3次谐波源，此时输电线路中含有3次200V的谐波，即输电线路中谐波电压占比为2％，符合家标准GB/T14549—93《电能质量公用电网谐波》中10kV级的电压总谐波畸变率不大于5％的规定。在系统加入谐波源，输电线路电压波形为图5-2，由图可见输电线路电压发生畸变，已经严重影响输电线路的正常运行。
系统加入谐波源后，检测谐波提取装置是否将基波提取出。在提取装置的另一侧检测到基波电压为0.22V，可以忽略不计，可见提取装置的没有将基波提取出来。
系统加入谐波源后，检测谐波提取装置是否将3次谐波提取出。在提取装置另一侧检测到3次谐波电压显示为190.3V，所以提取装置将输电线路中的三次谐波提取出来。谐波提取出来后，输电线路电压波形为图5-3，提取出的3次谐波为图5-4。
在将谐波电能提取出来后，为了不浪费资源需要将谐波源整流逆变得到可供用电设备使用的电能。具体谐波整流逆变电路如图6所示，在将交流谐波源变为直流电源后，为了使其更多的适用于不同的用电设备采用Boost-Buck斩波电路来调节直流电压的大小。
在提取出3次谐波后通过整流将其变为直流供电于照明等用电设备，经过直流供电电路的电压波形如图7所示。
由图7可知，提取出的谐波电能经过整流逆变再次变为直流，此时电能已经符合直流供电要求，可作为直流供电电源供电于用电设备。
实施例2
并联型谐波电能提取装置，每相上的谐波提取装置均包括由无功补偿电容器Ci形成的第一支路、由无功补偿电容器Cmi和谐振电感器Lmi串联形成的第二支路、耦合变压器T，其中耦合变压器T的一次绕组的同名端分别连接第一支路和第二支路，所述耦合变压器T的中部连接零线3，所述第一支路和第二支路连接耦合变压器T端的另一端与系统电压线路连接；所述耦合变压器T的二次绕组连接变换电路1；第一支路和第二支路各自形成的串联回路在基波电压下等值电容容量相等，一次绕组的同名端的两个绕组匝数相同。
谐振电感器Lmi为非线性器件。
满足第二支路的参数设置如下：
其中，Zm为第二支路中Cmi和Lmi的总阻抗，ω＝2πf为基波f＝50Hz下的角频率。
满足基波磁通在耦合变压器T抵消的参数条件如下：
其中，RTi为耦合变压器绕组等值电阻，ωLTi为耦合变压器漏抗。
为第二支路为单一的电容器Cmi和电感器Lmi串联，针对于第二支路为两条电容器Cmi和电感器Lmi串联回路的并联，故其在50Hz下的阻抗平衡公式发生了变化。
如图2所示，每相上的谐波提取装置中的第一支路条数为一条，第二支路的条数为两条，并且，所有第一支路形成的串联回路在基波电压下等值电容容量与所有第二支路形成的串联回路在基波电压下等值电容容量相等。
实施例3
并联型谐波电能提取装置，每相上的谐波提取装置均包括由无功补偿电容器Ci形成的第一支路、由无功补偿电容器Cmi和谐振电感器Lmi串联形成的第二支路、耦合变压器T，其中耦合变压器T的一次绕组的同名端分别连接第一支路和第二支路，所述耦合变压器T的中部连接零线3，所述第一支路和第二支路连接耦合变压器T端的另一端与系统电压线路连接；所述耦合变压器T的二次绕组连接变换电路1；第一支路和第二支路各自形成的串联回路在基波电压下等值电容容量相等，一次绕组的同名端的两个绕组匝数相同。
谐振电感器Lmi为非线性器件。
满足第二支路的参数设置如下：
其中，Zm为第二支路中Cmi和Lmi的总阻抗，ω＝2πf为基波f＝50Hz下的角频率。
满足基波磁通在耦合变压器T抵消的参数条件如下：
其中，RTi为耦合变压器绕组等值电阻，ωLTi为耦合变压器漏抗。
针对第二回路为3条电容器Cmi和电感器Lmi串联回路的并联，故其在50Hz下的阻抗平衡公式发生了变化。
如图3所示，每相上的谐波提取装置中的第一支路条数为一条，第二支路的条数为三条，并且，所有第一支路形成的串联回路在基波电压下等值电容容量与所有第二支路形成的串联回路在基波电压下等值电容容量相等。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.并联型谐波电能提取装置，其特征在于，每相上的谐波提取装置均包括耦合变压器T、由无功补偿电容器Ci形成的第一支路、由无功补偿电容器Cmi和谐振电感器Lmi串联形成的第二支路；所述耦合变压器T的一次绕组包括第一线圈、第二线圈和铁芯，第一线圈和第二线圈均绕制在铁芯上，第一线圈的绕制方向和第二线圈的绕制方向相同；第一线圈的输入端与第二线圈的输入端分别处在铁芯的两端，第一线圈的输出端和第二线圈的输出端处于铁芯的中部，第一线圈的输入端与第二线圈的输入端分别连接第一支路和第二支路，所述第一线圈的输出端和第二线圈的输出端共同连接在零线(3)上，所述第一支路和第二支路连接耦合变压器T端的另一端与系统电压线路连接；所述耦合变压器T的二次绕组连接变换电路(1)；第一支路和第二支路各自形成的串联回路在基波电压下等值电容容量相等，第一线圈的绕组匝数与第二线圈的绕组匝数相同。
2.根据权利要求1所述的并联型谐波电能提取装置，其特征在于，谐振电感器Lmi为非线性器件。
3.根据权利要求1所述的并联型谐波电能提取装置，其特征在于，满足第二支路的参数设置如下：
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其中，Zm为第二支路中Cmi和Lmi的总阻抗，ω＝2πf为基波f＝50Hz下的角频率。
4.根据权利要求1所述的并联型谐波电能提取装置，其特征在于，满足基波磁通在耦合变压器T抵消的参数条件如下：
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其中，RTi为耦合变压器绕组等效电阻，ωLTi为耦合变压器漏抗。
5.根据权利要求1所述的并联型谐波电能提取装置，其特征在于，每相上的谐波提取装置中的第一支路条数至少为一条，第二支路的条数至少为一条，并且，所有第一支路形成的串联回路在基波电压下等值电容容量与所有第二支路形成的串联回路在基波电压下等值电容容量相等。
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