CN110208602A - 一种利于变压器超高次谐波传递特性计算电路及其计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利于变压器超高次谐波传递特性计算电路及其计算方法，步骤S1：提供变压器超高次谐波传递特性计算电路的参数；步骤S2：根据基尔霍夫电路定理和频域法分析所述变压器超高次谐波传递特性计算电路得到G(s)的函数；步骤S3：令s＝jω将G(s)的函数转化为G(jω)函数，G(jω)＝α+βj；步骤S4：求|G(jω)|模值的函数，

Description

一种利于变压器超高次谐波传递特性计算电路及其计算方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，特别是一种利于变压器超高次谐波传递特性计算电路及其计算方法。

背景技术

随着电力电子开关器件制造材料的迅猛发展，配电网中的电力电子设备工作频率越来越高，导致配电网中的谐波频率越来越高。在超高次的情况下，配电网变压器的分布电容参数会对超高次谐波的传播造成影响，从而影响配电网供电的电能质量。准确计算超高次谐波在配电网变压器的传播特性，有助于为配电网的超高次谐波治理提供依据。

传统变压器的谐波传递模型没有考虑到高频时分布电容参数的影响。当变压器绕组电压发生变化时,分布电容中的能量发生变化,就会在变压器内部和主电路回路中产生高频的振荡环流,使变压器和功率器件的损耗增加,并且产生超高次电磁辐射。目前没有针对超高次谐波的变压器传递特性研究，只有针对于普通谐波的变压器传递特性的研究。传统的计算变压器谐波传递特性的公式，只是简单的反映变压器前后谐波幅值大小的变化，不能直观地反映变压器的阻抗特性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种利于变压器超高次谐波传递特性计算电路及其计算方法，能够找到容易通过变压器的特定频率的超高次谐波，对其进行防治，提高配电网的电能质量。

本发明采用以下方案实现：一种利于变压器超高次谐波传递特性计算电路，包括激磁电阻R_m、激磁电感L_m、一次侧绕组的电阻R₁、一次侧绕组的电感L₁、二次侧绕组的电阻R₂、二次侧绕组的电感L₂、一次侧的层间分布电容C₁₁、二次侧的层间分布电容C₂₂、不同绕组间的分布电容C₁₂；

所述一次侧绕组的电阻R₁的一端与所述一次侧绕组的电感L₁的一端连接；所述激磁电阻R_m的一端和所述激磁电感L_m的一端连接，并均连接至所述一次侧绕组的电感L₁的另一端；所述一次侧绕组的电感L₁的另一端与所述不同绕组间的分布电容C₁₂的一端均与所述一次侧的层间分布电容C₁₁的一端连接；所述二次侧绕组的电阻R₂的一端与所述二次侧绕组的电感L₂的一端连接；所述二次侧绕组的电阻R₂的另一端与所述二次侧的层间分布电容C₂₂的一端均与所述不同绕组间的分布电容C₁₂的另一端连接；所述一次侧绕组的电阻R₁的另一端外接变压器原边谐波电压U₁的一端，所述激磁电阻R_m的另一端和所述激磁电感L_m的另一端连接，并与所述一次侧的层间分布电容C₁₁的另一端均连接至变压器原边谐波电压U₁的另一端；所述二次侧绕组的电感L₂的另一端外接变压器副边的谐波电压U₂的一端；所述二次侧的层间分布电容C₂₂的另一端与变压器副边的谐波电压U₂的另一端连接；所述二次侧的层间分布电容C₂₂的另一端还与所述一次侧的层间分布电容C₁₁的另一端连接。

本发明还提供一种利于变压器超高次谐波传递特性计算电路的计算方法，包括以下步骤：

步骤S1：提供变压器超高次谐波传递特性计算电路的参数；所述模型的参数包括：激磁电阻R_m、激磁电感L_m、一次侧绕组的电阻R₁、一次侧绕组的电感L₁、二次侧绕组的电阻R₂、二次侧绕组的电感L₂、一次侧的层间分布电容C₁₁、二次侧的层间分布电容C₂₂、不同绕组间的分布电容C₁₂；

步骤S2：根据基尔霍夫电路定理和频域法分析所述变压器超高次谐波传递特性计算电路得到G(s)的函数；

步骤S3：令s＝jω将G(s)的函数转化为G(jω)函数，G(jω)＝α+βj；G(jω)函数代表的是变压器电路网络的阻抗值，式中α为电阻量，β为电抗量；

步骤S4：求|G(jω)|模值的函数，以频率w为x轴，|G(jω)|为y轴作变压器传递特性图，用以表示变压器超高次谐波传递特性；若在某个频率下得到的阻抗幅值|G(jω)|在1以上，则表示超高次谐波经过变压器后被削减，若在某个频率下得到的阻抗幅值|G(jω)|在0-1之间，则表示在这个频率下超高次谐波经过变压器后被增强；从而找到通过变压器被增强的特定频率的超高次谐波。

进一步地，所述步骤S2的具体内容为：利用基尔霍夫电路定理和频域法分析所述变压器超高次谐波传递特性计算电路得到：

(R₁+sL₁+Z)*I₁-Z*I₂＝U₁

其中，I₁表示回路1的电流；I₂表示表示回路2的电流；I₃表示表示回路3的电流；U₁表示变压器一次侧电压；U₂表示变压器二次侧电压；s表示频域计算方法的符号，即在频域计算中电感以sL表示，电容都以1/sC表示；

C₁₁与C₂₂上的电压为变压器原副边的电压，由变压器变比条件U_1’/U_2’＝n得到：

其中n为变压器的变比，U_1’为外部负载等效的电压；Z为R_m,L_m,C₁₁并联的等效阻抗：

利用频域法描述变压器超高次谐波传递特性式：

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明同时考虑电阻量和电抗量对于超高次谐波的传递的影响，并绘制传递特性曲线图，从而找到容易通过变压器的特定频率的超高次谐波，对其进行防治，提高配电网的电能质量。

附图说明

图1为本发明实施例传统变压器谐波传递等效电路。

图2为本发明实施例的变压器超高次谐波传递模型。

图3为本发明实施例的变压器超高次谐波传递等效电路模型。

图4为本发明实施例的流程图。

图5为本发明实施例的变压器超高次谐波传递特性函数图线.

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，图中U_h为变压器原边所加的第h次谐波电压；I_h为变压器副边的第h次谐波电流；R_h1和jX_h1为第h次谐波作用下一次侧绕组的电阻和电抗值；R_h2和jX_h2为二次侧绕组的电阻和电抗值；R_hm和jX_hm为激磁电阻和激磁电抗；变压器的激磁电阻是表征铁芯损耗的一个等效参数，激磁电抗是对应于主磁通的电抗，与主磁路的磁导成正比，因而它是表征铁芯磁化性能的一个参数。在未计及变压器的铁芯磁饱和特性时，励磁支路的参数远远大于一、二次侧绕组的电阻和漏抗值，因此在分析计算时可以忽略励磁支路以简化计算。传统的变压器传递模型适用于谐波频率较低的情况下。然而在频率较高的情况下，这种变压器模型并不适用。

传统的谐波传递特性计算方法考虑到3方面的因素，分别是高压负荷的阻抗与线路和变压器的阻抗比a；线路和变压器的阻抗角负荷阻抗角通过经过变压器前后的电压之比来描述谐波传递的特性。其中又分为两种情况：高电压等级传递到低电压等级，低电压等级传递到高电压等级。

高电压等级传递到低电压等级情况时，考虑了三方面的影响因素后得到的谐波传递系数T_h高低的公式，如下：

低电压等级传递到高电压等级情况时，考虑了三方面的影响因素后得到的谐波传递系数的T_h低高公式，如下

其中U_h上下及U_h上下’分别为高电压等级一侧h次谐波电压传递到相邻低电压等级一侧的h次谐波电压；U_h下上及U_h下上'分别为低电压等级一侧h次谐波电压传递到相邻高电压等级一侧的h次谐波电压；以变压器前后的谐波电压的比值可以直观得到谐波经过变压器的放大或者削弱情况，然而这种计算方法没有体现出变压器在超高次谐波传递过程中的阻抗特性。

对于变压器来说，它是铁心(磁心)、绕组、屏蔽层(接地)等多个导体构成的导体系统，由于各导体间存在着电势差，因此各导体间就存在着分布电容。在变压器中，同一绕组的各个线匝之间，同一绕组不同层之间，原、副边不同绕组之间，绕组和原、副边绕组屏蔽层间，它们之间都存在电势差，因此就对应存在着分布电容。

同一绕组的各个线匝之间的寄生电容称之为匝间电容；同一绕组不同层间的寄生电容称之为层间电容；匝间电容和层间电容都是一个绕组内的电容，因此可以统称为组内电容。不同绕组间的寄生电容则称之为组间电容。这些寄生电容都会储存电荷，不管是匝间电容还是层间电容，组内电容都可以统一等效成一个并联在绕组端口上的电容。通常在匝数较多的情况下，由于同一绕组相邻两匝之间的电势差比较小，因此匝间电容储存电荷较少。从绕组端口看去，所有的匝间电容是串联的，等效后的电容很小，因此在分析变压器分布电容时可以忽略匝间电容。同一绕组各层间的电容是并联关系，等效的容值大,因此不可忽略。

图2和图3中R_m和L_m为变压器的激磁电阻和激磁电抗，R₁和L₁为变压器一次侧绕组的电阻和电抗值，R₂和L₂为变压器二次侧绕组的电阻和电抗值。本实施例的变压器超高次谐波的传递模型在传统的变压器谐波传递模型的基础上增加了同一绕组的层间电容，如图2和图3中所示的C₁₁与C₂₂，和不同绕组间的分布电容，如图2和图3中所示的C₁₂。

较佳的，如图3所示，本实施例提供了一种利于变压器超高次谐波传递特性计算电路，包括激磁电阻R_m、激磁电感L_m、一次侧绕组的电阻R₁、一次侧绕组的电感L₁、二次侧绕组的电阻R₂、二次侧绕组的电感L₂、一次侧的层间分布电容C₁₁、二次侧的层间分布电容C₂₂、不同绕组间的分布电容C₁₂；

所述一次侧绕组的电阻R₁的一端与所述一次侧绕组的电感L₁的一端连接；所述激磁电阻R_m的一端和所述激磁电感L_m的一端连接，并均连接至所述一次侧绕组的电感L₁的另一端；所述一次侧绕组的电感L₁的另一端与所述不同绕组间的分布电容C₁₂的一端均与所述一次侧的层间分布电容C₁₁的一端连接；所述二次侧绕组的电阻R₂的一端与所述二次侧绕组的电感L₂的一端连接；所述二次侧绕组的电阻R₂的另一端与所述二次侧的层间分布电容C₂₂的一端均与所述不同绕组间的分布电容C₁₂的另一端连接；所述一次侧绕组的电阻R₁的另一端外接变压器原边谐波电压U₁的一端，所述激磁电阻R_m的另一端和所述激磁电感L_m的另一端连接，并与所述一次侧的层间分布电容C₁₁的另一端均连接至变压器原边谐波电压U₁的另一端；所述二次侧绕组的电感L₂的另一端外接变压器副边的谐波电压U₂的一端；所述二次侧的层间分布电容C₂₂的另一端与变压器副边的谐波电压U₂的另一端连接；所述二次侧的层间分布电容C₂₂的另一端还与所述一次侧的层间分布电容C₁₁的另一端连接。

如图4所示，本实施例还提供一种利于变压器超高次谐波传递特性计算电路的计算方法，包括以下步骤：

步骤S1：提供变压器超高次谐波传递特性计算电路的参数；此参数是通过询问变压器厂家获得；所述模型的参数包括：激磁电阻R_m、激磁电感L_m、一次侧绕组的电阻R₁、一次侧绕组的电感L₁、二次侧绕组的电阻R₂、二次侧绕组的电感L₂、一次侧的层间分布电容C₁₁、二次侧的层间分布电容C₂₂、不同绕组间的分布电容C₁₂；

步骤S2：根据基尔霍夫电路定理和频域法分析所述变压器超高次谐波传递特性计算电路得到G(s)的函数；

步骤S3：令s＝jω将G(s)的函数转化为G(jω)函数，G(jω)＝α+βj；G(jω)函数代表的是变压器电路网络的阻抗值，式中α为电阻量，β为电抗量；

步骤S4：求|G(jω)|模值的函数，如图5所示，以频率w为x轴，|G(jω)|为y轴作变压器传递特性图，用以表示变压器超高次谐波传递特性。若在某个频率下得到的阻抗幅值|G(jω)|在1以上，则表示超高次谐波经过变压器后被削减，若在某个频率下得到的阻抗幅值|G(jω)|在0-1之间，则表示在这个频率下超高次谐波经过变压器后被增强；从而找到通过变压器被增强的特定频率的超高次谐波，对其进行防治。

在本实施例中，所述步骤S2的具体内容为：利用基尔霍夫电路定理和频域法分析所述变压器超高次谐波传递特性计算电路得到：

(R₁+sL₁+Z)*I₁-Z*I₂＝U₁

其中，I₁表示回路1的电流；I₂表示表示回路2的电流；I₃表示表示回路3的电流；U₁表示变压器一次侧电压；U₂表示变压器二次侧电压；s表示频域计算方法的符号，即在频域计算中电感以sL表示，电容都以1/sC表示

C₁₁与C₂₂上的电压为变压器原副边的电压，由变压器变比条件U_1’/U_2’＝n得到：

其中n为变压器的变比，U_1’为外部负载等效的电压(对变压器阻抗特性无影响)；

Z为R_m，L_m，C₁₁并联的等效阻抗：

利用频域法描述变压器超高次谐波传递特性式：

G(jω)＝α+βj (9)

最后通过将jω代替s，即可得到形如式(9)的幅频特性函数G(jω)，由此可通过式(10)计算得到G(jω)的模|G(jω)|。

G(jω)函数代表的是变压器电路网络的阻抗值，式中有电阻量α和电抗量β，电阻与电抗对于超高次谐波的传递都是有影响的，单单利用其中一个都不足以来表示变压器超高次谐波的传递特性。本实施例同时考虑以上两种因素求G(jω)的模值函数|G(jω)|来表示传递特性。如图5所示，以频率ω为X轴，|G(jω)|为Y轴作传递特性曲线图，可以直观的表现出超高次谐波在变压器传递过程中的阻抗特性，以此来描述超高次谐波在变压器的传递特性。在某个频率下得到的阻抗幅值|G(jω)|很大，则说明超高次谐波很难通过变压器传递，反之，则说明在这个频率下超高次谐波很容易通过变压器传递。根据传递特性图可找到容易通过变压器的特定频率的超高次谐波，对其进行防治，提高配电网的电能质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种利于变压器超高次谐波传递特性计算电路，其特征在于：包括激磁电阻R_m、激磁电感L_m、一次侧绕组的电阻R₁、一次侧绕组的电感L₁、二次侧绕组的电阻R₂、二次侧绕组的电感L₂、一次侧的层间分布电容C₁₁、二次侧的层间分布电容C₂₂、不同绕组间的分布电容C₁₂；

所述一次侧绕组的电阻R₁的一端与所述一次侧绕组的电感L₁的一端连接；所述激磁电阻R_m的一端和所述激磁电感L_m的一端连接，并均连接至所述一次侧绕组的电感L₁的另一端；所述一次侧绕组的电感L₁的另一端与所述不同绕组间的分布电容C₁₂的一端均与所述一次侧的层间分布电容C₁₁的一端连接；所述二次侧绕组的电阻R₂的一端与所述二次侧绕组的电感L₂的一端连接；所述二次侧绕组的电阻R₂的另一端与所述二次侧的层间分布电容C₂₂的一端均与所述不同绕组间的分布电容C₁₂的另一端连接；所述一次侧绕组的电阻R₁的另一端外接变压器原边谐波电压U₁的正极，所述激磁电阻R_m的另一端和所述激磁电感L_m的另一端连接，并与所述一次侧的层间分布电容C₁₁的另一端均连接至变压器原边谐波电压U₁的负极；所述二次侧绕组的电感L₂的另一端外接变压器副边的谐波电压U₂的正极；所述二次侧的层间分布电容C₂₂的另一端与变压器副边的谐波电压U₂的负极连接；所述二次侧的层间分布电容C₂₂的另一端还与所述一次侧的层间分布电容C₁₁的另一端连接。

2.基于权利要求1所述的一种利于变压器超高次谐波传递特性计算电路的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：提供变压器超高次谐波传递特性计算电路的参数；所述模型的参数包括：激磁电阻R_m、激磁电感L_m、一次侧绕组的电阻R₁、一次侧绕组的电感L₁、二次侧绕组的电阻R₂、二次侧绕组的电感L₂、一次侧的层间分布电容C₁₁、二次侧的层间分布电容C₂₂、不同绕组间的分布电容C₁₂；

步骤S2：根据基尔霍夫电路定理和频域法分析所述变压器超高次谐波传递特性计算电路得到G(s)的函数；

步骤S3：令s＝jω将G(s)的函数转化为G(jω)函数，G(jω)＝α+βj；G(jω)函数代表的是变压器电路网络的阻抗值，式中α为电阻量，β为电抗量；

步骤S4：求|G(jω)|模值的函数，以频率w为x轴，|G(jω)|为y轴作变压器传递特性图，用以表示变压器超高次谐波传递特性；若在某个频率下得到的阻抗幅值|G(jω)|在1以上，则表示超高次谐波经过变压器后被削减，若在某个频率下得到的阻抗幅值|G(jω)|在0-1之间，则表示在这个频率下超高次谐波经过变压器后被增强；从而找到通过变压器被增强的特定频率的超高次谐波。

3.根据权利要求2所述的一种利于变压器超高次谐波传递特性计算电路的计算方法，其特征在于：所述步骤S2的具体内容为：利用基尔霍夫电路定理和频域法分析所述变压器超高次谐波传递特性计U₂’算电路得到：

(R₁+sL₁+Z)*I₁-Z*I₂＝U₁

其中，I₁表示回路1的电流；I₂表示表示回路2的电流；I₃表示表示回路3的电流；U₁表示变压器一次侧电压；U₂表示变压器二次侧电压；s表示频域计算方法的符号，即在频域计算中电感以sL表示，电容都以1/sC表示；

C₁₁与C₂₂上的电压为变压器原副边的电压，由变压器变比条件U_1’/U_2’＝n得到：

其中n为变压器的变比，U_1’为外部负载等效的电压；Z为R_m,L_m,C₁₁并联的等效阻抗：

利用频域法描述变压器超高次谐波传递特性式：