CN110058084B - 一种换流变压器的谐波阻抗测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换流变压器的谐波阻抗测量系统及方法，包括信号发生器、功率放大器、测量电阻、换流变压器、数据采集单元和计算机处理单元；其中，所述信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端电连接；所述测量电阻的一端与所述功率放大器的输出端电连接，另一端与所述换流变压器的输入端电连接；所述数据采集单元的第一输入端与所述功率放大器的输出端电连接，所述数据采集单元的第二输入端与所述换流变压器的输入端电连接；所述数据采集单元的输出端与所述计算机处理单元的输入端电连接，能够实时测量出换流变压器的谐波阻抗，能有效提高谐波阻抗测量结果的准确度，降低误差。

Description

一种换流变压器的谐波阻抗测量系统及方法

技术领域

本发明涉及变压器测量技术领域，尤其涉及一种换流变压器的谐波阻抗测量系统及方法。

背景技术

随着时代的进步，电力电子装置在电能变换和并网过程中的作用越来越重要，应用范围也越来越广。但与此同时，这些非线性器件的使用给电网带来了更为严重的谐波畸变等电能质量问题。另外，高压直流输电的迅猛发展，导致电力系统中谐波问题较为突出。特别是上述系统中的换流变压器承受的谐波分量比较严重，由换流器产生的各种特征谐波电流与非特征谐波电流均通过换流变压器的阀侧绕组和网侧绕组而馈入至交流电网侧，这意味着谐波电流在换流变压器中流通而得不到有效抑制。由于谐波电流入换流变压器产生的铁芯磁滞现象会引起噪声增大。此外，还会由高次谐波电流、电压而引起的附加铁耗和铜耗，使换流变压器损耗增大，容量利用率减小。换流变压器运行环境恶劣，其运行电压和电流频谱复杂，且频繁受到暂态扰动和直流偏磁的影响。

现有技术的测量换流变压器阻抗的电路图是由功率发大器放大信号后直接连接到换流变压器端子上，然后换流变压器通过测量电阻接地，在低频段下杂散电容的影响很小，电流不会流经杂散电容接地，这样通过测试电阻算出的电流即为流过变压器的电流，这个时候测量的阻抗是正确的。但是在高频范围内需要考虑杂散电容的影响，此时流过电阻的电流变小，电流会流经杂散电容接地，不能准确地得到流过变压器的电流，所以说在高频范围内这种测量方法是不准确的，且误差很大。

发明内容

本发明实施例提供一种换流变压器的谐波阻抗测量系统及方法，能够实时测量出换流变压器的谐波阻抗，能有效提高谐波阻抗测量结果的准确度，降低误差。

本发明一实施例提供一种换流变压器的谐波阻抗测量系统，包括信号发生器、功率放大器、测量电阻、换流变压器、数据采集单元和计算机处理单元；其中，

所述信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端电连接；

所述测量电阻的一端与所述功率放大器的输出端电连接，另一端与所述换流变压器的输入端电连接；

所述数据采集单元的第一输入端与所述功率放大器的输出端电连接，所述数据采集单元的第二输入端与所述换流变压器的输入端电连接；

所述数据采集单元的输出端与所述计算机处理单元的输入端电连接。

本发明另一实施例对应提供了一种换流变压器的谐波阻抗测量方法，适用于如上述实施例所述的换流变压器的谐波阻抗测量系统，包括如下步骤：

接收来自所述数据采集单元的第一端子电压和第二端子电压；其中，所述第一端子电压为所述功率放大器的输出端的端子电压，所述第二端子电压为所述换流变压器的输入端的端子电压；

构建所述换流变压器的谐波阻抗计算模型；

根据所述第一端子电压和所述第二端子电压，采用所述谐波阻抗计算模型，计算所述换流变压器的谐波阻抗参数；

对所述换流变压器的谐波阻抗参数进行误差处理，得到所述换流变压器的谐波阻抗测量结果。

作为上述方案的改进，所述构建所述换流变压器的谐波阻抗计算模型，具体包括：

根据所述换流变压器的谐波阻抗测量系统的电路关系，构建所述第一端子电压和所述第二端子电压的向量关系模型；

根据所述向量关系模型，构建所述换流变压器的谐波阻抗计算模型。

作为上述方案的改进，所述根据所述第一端子电压和所述第二端子电压，采用所述谐波阻抗计算模型，计算所述换流变压器的谐波阻抗参数，具体包括：

所述换流变压器的谐波阻抗参数包括所述换流变压器的谐波阻抗幅值和所述换流变压器的谐波阻抗相角；

根据以下公式计算所述换流变压器的谐波阻抗幅值：

其中，Z_h为h次谐波下所述换流变压器的谐波阻抗幅值，I_h为输入所述换流变压器的h次谐波电流，R为所述测量电阻的阻值，U_1h为所述电阻端子的h次谐波电压幅值，U_2h为所述换流变压器端子的h次谐波电压幅值，θ_1h为h次谐波下所述电阻端子电压与电流I_h之间的相角，θ′_h为所述电阻端子和所述换流变压器端子的h次谐波电压相位差。

作为上述方案的改进，所述根据所述第一端子电压和所述第二端子电压，采用所述谐波阻抗计算模型，计算所述换流变压器的谐波阻抗参数，具体还包括：

根据以下公式计算所述换流变压器的谐波阻抗相角：

θ_h＝θ_1h+θ′_h

其中，θ_h为h次谐波下所述换流变压器的谐波阻抗相角。

作为上述方案的改进，所述对所述换流变压器的谐波阻抗参数进行误差处理，得到所述换流变压器的谐波阻抗测量结果，具体包括：

对所述换流变压器的谐波阻抗参数进行误差处理；

对误差处理后的换流变压器的谐波阻抗参数进行参数辨识；

对辨识后的换流变压器的谐波阻抗参数进行曲线拟合，得到换流变压器的谐波阻抗测量结果。

与现有技术相比，本发明实施例公开的换流变压器的谐波阻抗测量系统及方法，通过所述换流变压器的谐波阻抗测量系统包括信号发生器、功率放大器、测量电阻、换流变压器、数据采集单元和计算机处理单元；其中，所述信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端电连接；所述测量电阻的一端与所述功率放大器的输出端电连接，另一端与所述换流变压器的输入端电连接；所述数据采集单元的第一输入端与所述功率放大器的输出端电连接，数据采集单元的第二输入端与所述换流变压器的输入端电连接；所述数据采集单元的输出端与所述计算机处理单元的输入端电连接。本发明通过在功率放大器和换流变压器之间接入测量电阻，根据采集到的实时测量第一端子电压参数和第二端子电压参数，获得各次谐波下换流变压器的等效谐波阻抗幅值和相角，能够实时准确地测量出换流变压器的谐波阻抗，能有效提供谐波阻抗测量结果的准确性，降低误差，为换流变压器的谐波滤波器设计、确定谐波限值以及预测系统谐波谐振提供了有力依据；同时，通过分析不同运行工况下的谐波阻抗，可以为降低换流变压器谐波电流、换流变压器损耗和电磁振动，避免发生系统谐振等提供解决方案。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种换流变压器的谐波阻抗测量系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的一种换流变压器的谐波阻抗测量方法的流程示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明一实施例提供的一种换流变压器的谐波阻抗测量系统的结构示意图，包括信号发生器101、功率放大器102、测量电阻103、换流变压器104、数据采集单元105和计算机处理单元106；其中，

所述信号发生器101的输出端与所述功率放大器102的输入端电连接；

所述测量电阻103的一端与所述功率放大器102的输出端电连接，另一端与所述换流变压器104的输入端电连接；

所述数据采集单元105的第一输入端与所述功率放大器102的输出端电连接，所述数据采集单元105的第二输入端与所述换流变压器104的输入端电连接；

所述数据采集单元105的输出端与所述计算机处理单元106的输入端电连接。

其中，所述信号发生器101用于发出不同频率的正弦信号，频率段为10Hz-1MHz；所述功率放大器102用于放大所述正弦信号幅值；所述测量电阻103用于测量计算电路中的电流；所述数据采集单元105用于采集第一端子电压参数幅值和第二端子电压参数幅值，并记录电压参数相位值；所述计算机处理单元106用于执行所述计算机处理单元106内存储的可执行代码，即实时分析计算谐波阻抗值。优选地，为了实现所述数据采集单元105采集电压数据的功能，本实施例中的所述数据采集单元105可以为数据采集器、采集器、处理器等具有数据采集功能的设备或芯片。为了实现所述计算机处理单元106处理数据等功能，本实施例中的所述计算机处理单元106可以为处理器、控制器等具有数据处理功能的设备或芯片，所述可执行代码可以理解为换流变压器阻抗计算程序。可以理解，所述第一端子电压为所述功率放大器102放大后的输出端端子电压或所述测量电阻103的电流输入端端子电压，所述第二端子电压为所述换流变压器104的输入端端子电压或所述测量电阻103的电流输出端端子电压。进一步的，本系统通过将测量电阻103连接到功率放大器102和换流变压器104之间，进而在功率放大器102的输出端和换流变压器104的输入端设置的数据采集单元105采集第一端子电压和第二端子电压的电压信号，所述计算机处理单元106处理接收到的电压信号，从而得到谐波阻抗测量结果。

本发明实施例提供的一种换流变压器的谐波阻抗测量系统，通过在功率放大器和换流变压器之间接入测量电阻，根据采集到的实时测量功率放大器的输出端端子电压参数和换流变压器的输入端端子电压参数，获得各次谐波下换流变压器的等效谐波阻抗幅值和相角，能够实时准确地测量出换流变压器的谐波阻抗，能有效提供谐波阻抗测量结果的准确性，进而能有效降低误差，为换流变压器的谐波滤波器设计、确定谐波限值以及预测系统谐波谐振提供了有力依据；同时，通过分析不同运行工况下的谐波阻抗，可以为降低换流变压器谐波电流、换流变压器损耗和电磁振动，避免发生系统谐振等提供解决方案。

参见图2，是本发明一实施例提供的一种换流变压器的谐波阻抗测量方法的流程示意图，适用于上述所述的换流变压器的谐波阻抗测量系统，包括如下步骤：

S201、接收来自所述数据采集单元的第一端子电压和第二端子电压；其中，所述第一端子电压为所述功率放大器的输出端的端子电压，所述第二端子电压为所述换流变压器的输入端的端子电压。

其中，调节信号发生器101发出不同频率(频率段为10Hz-1MHz)的正弦信号，经功率放大器102处理放大后施加在测量电阻103和换流变压器104上，数据采集单元105实时测量所述功率放大器的输出端的端子电压(即第一端子电压)参数幅值和相角、所述换流变压器的输入端的端子电压(即第二端子电压)参数幅值和相角，并将所述电压数据传输至计算机处理单元106，从而计算机处理单元106获取第一端子电压和第二端子电压。

S202、构建所述换流变压器的谐波阻抗计算模型。

具体的，根据所述换流变压器的谐波阻抗测量系统的电路关系，构建所述第一端子电压和所述第二端子电压的向量关系模型；

根据所述向量关系模型，构建所述换流变压器的谐波阻抗计算模型。

可以理解，计算机处理单元106根据获取的第一端子电压和第二端子电压，执行计算机处理单元106内存储的可执行代码，即换流变压器阻抗计算程序。其中，根据所述换流变压器的谐波阻抗测量系统的电路原理关系，得到所述第一端子电压和所述第二端子电压的向量关系模型如下：

I_hR＝U_1hcosθ_1h-U_2hcos(θ_1h+θ′_h)，

U_1h sinθ_1h＝U_2h sin(θ_1h+θ′_h)＝U_2h sinθ′_hcosθ_1h+U_2h cosθ′_hsinθ_1h，

其中，Z_h为h次谐波下所述换流变压器的谐波阻抗幅值，I_h为输入所述换流变压器的h次谐波电流，R为所述测量电阻的阻值，U_1h为所述电阻端子的h次谐波电压幅值，U_2h为所述换流变压器端子的h次谐波电压幅值，θ_1h为h次谐波下所述电阻端子电压与电流I_h之间的相角，θ′_h为所述电阻端子和所述换流变压器端子的h次谐波电压相位差。

S203、根据所述第一端子电压和所述第二端子电压，采用所述谐波阻抗计算模型，计算所述换流变压器的谐波阻抗参数。

其中，所述换流变压器的谐波阻抗参数包括所述换流变压器的谐波阻抗幅值和所述换流变压器的谐波阻抗相角。

具体的，根据所述向量关系模型可得到所述换流变压器的谐波阻抗计算模型。其中，根据以下公式计算所述换流变压器的谐波阻抗幅值：

进一步的，根据以下公式计算所述换流变压器的谐波阻抗相角：

θ_h＝θ_1h+θ′_h

其中，θ_h为h次谐波下所述换流变压器的谐波阻抗相角。

S204、对所述换流变压器的谐波阻抗参数进行误差处理，得到所述换流变压器的谐波阻抗测量结果。

具体的，对所述换流变压器的谐波阻抗参数进行误差处理；

对误差处理后的换流变压器的谐波阻抗参数进行参数辨识；

对辨识后的换流变压器的谐波阻抗参数进行曲线拟合，得到换流变压器的谐波阻抗测量结果。

由此，可以获得10Hz-1MHz频段内各谐波下换流变压器的等效谐波阻抗幅值和相角。

本发明实施例提供的一种换流变压器的谐波阻抗测量方法，通过接收来自所述数据采集单元的第一端子电压和第二端子电压；其中，所述第一端子电压为所述功率放大器的输出端的端子电压，所述第二端子电压为所述换流变压器的输入端的端子电压；构建所述换流变压器的谐波阻抗计算模型；根据所述第一端子电压和所述第二端子电压，采用所述谐波阻抗计算模型，计算所述换流变压器的谐波阻抗参数；对所述换流变压器的谐波阻抗参数进行误差处理，得到所述换流变压器的谐波阻抗测量结果，能够实时准确地测量出换流变压器的谐波阻抗，能有效提供谐波阻抗测量结果的准确性，能有效降低误差，同时，所述测量方法具有精度高、稳定性好、受工况影响程度低等特点。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种换流变压器的谐波阻抗测量系统，其特征在于，包括信号发生器、功率放大器、测量电阻、换流变压器、数据采集单元和计算机处理单元；其中，

所述信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端电连接；

所述测量电阻的一端与所述功率放大器的输出端电连接，另一端与所述换流变压器的输入端电连接；

所述数据采集单元的第一输入端与所述功率放大器的输出端电连接，所述数据采集单元的第二输入端与所述换流变压器的输入端电连接；

所述数据采集单元的输出端与所述计算机处理单元的输入端电连接；

其中，所述计算机处理单元，用于：

接收来自所述数据采集单元的第一端子电压和第二端子电压；其中，所述第一端子电压为所述功率放大器的输出端的端子电压，所述第二端子电压为所述换流变压器的输入端的端子电压；

构建所述换流变压器的谐波阻抗计算模型；

根据所述第一端子电压和所述第二端子电压，采用所述谐波阻抗计算模型，计算所述换流变压器的谐波阻抗参数；

对所述换流变压器的谐波阻抗参数进行误差处理，得到所述换流变压器的谐波阻抗测量结果；

所述根据所述第一端子电压和所述第二端子电压，采用所述谐波阻抗计算模型，计算所述换流变压器的谐波阻抗参数，具体包括：

所述换流变压器的谐波阻抗参数包括所述换流变压器的谐波阻抗幅值和所述换流变压器的谐波阻抗相角；

根据公式(1)计算所述换流变压器的谐波阻抗幅值：

其中，Z_h为h次谐波下所述换流变压器的谐波阻抗幅值，R为所述测量电阻的阻值，U_1h为所述电阻端子的h次谐波电压幅值，U_2h为所述换流变压器端子的h次谐波电压幅值，θ_1h为h次谐波下所述电阻端子电压与电流I_h之间的相角，θ′_h为所述电阻端子和所述换流变压器端子的h次谐波电压相位差，I_h为输入所述换流变压器的h次谐波电流；

根据公式(2)计算所述换流变压器的谐波阻抗相角：

θ_h＝θ_1h+θ′_h (2)

其中，θ_h为h次谐波下所述换流变压器的谐波阻抗相角。

2.一种换流变压器的谐波阻抗测量方法，其特征在于，适用于如权利要求1所述的换流变压器的谐波阻抗测量系统，包括如下步骤：

接收来自所述数据采集单元的第一端子电压和第二端子电压；其中，所述第一端子电压为所述功率放大器的输出端的端子电压，所述第二端子电压为所述换流变压器的输入端的端子电压；

构建所述换流变压器的谐波阻抗计算模型；

根据所述第一端子电压和所述第二端子电压，采用所述谐波阻抗计算模型，计算所述换流变压器的谐波阻抗参数；

对所述换流变压器的谐波阻抗参数进行误差处理，得到所述换流变压器的谐波阻抗测量结果；

所述根据所述第一端子电压和所述第二端子电压，采用所述谐波阻抗计算模型，计算所述换流变压器的谐波阻抗参数，具体包括：

所述换流变压器的谐波阻抗参数包括所述换流变压器的谐波阻抗幅值和所述换流变压器的谐波阻抗相角；

根据公式(1)计算所述换流变压器的谐波阻抗幅值：

其中，Z_h为h次谐波下所述换流变压器的谐波阻抗幅值，R为所述测量电阻的阻值，U_1h为所述电阻端子的h次谐波电压幅值，U_2h为所述换流变压器端子的h次谐波电压幅值，θ_1h为h次谐波下所述电阻端子电压与电流I_h之间的相角，θ′_h为所述电阻端子和所述换流变压器端子的h次谐波电压相位差，I_h为输入所述换流变压器的h次谐波电流；

根据公式(2)计算所述换流变压器的谐波阻抗相角：

θ_h＝θ_1h+θ′_h (2)

其中，θ_h为h次谐波下所述换流变压器的谐波阻抗相角。

3.如权利要求2所述的换流变压器的谐波阻抗测量方法，其特征在于，所述构建所述换流变压器的谐波阻抗计算模型，具体包括：

根据所述换流变压器的谐波阻抗测量系统的电路关系，构建所述第一端子电压和所述第二端子电压的向量关系模型；

根据所述向量关系模型，构建所述换流变压器的谐波阻抗计算模型。

4.如权利要求2所述的换流变压器的谐波阻抗测量方法，其特征在于，所述对所述换流变压器的谐波阻抗参数进行误差处理，得到所述换流变压器的谐波阻抗测量结果，具体包括：

对所述换流变压器的谐波阻抗参数进行误差处理；

对误差处理后的换流变压器的谐波阻抗参数进行参数辨识；

对辨识后的换流变压器的谐波阻抗参数进行曲线拟合，得到换流变压器的谐波阻抗测量结果。

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