CN111130114B - 一种c型滤波器及其开关控制方法 - Google Patents

一种c型滤波器及其开关控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力系统领域，特别涉及一种C型滤波器及其开关控制方法。本发明公开的一种C型滤波器，包括：用于无功补偿的主电容，由电感和电容串联组成的谐振支路，开关和电阻串联组成的阻尼支路；所述谐振支路与所述阻尼支路并联后与所述主电容串联；基于谐波标准提出增设开关的断开时刻确定方法；基于滤波器与电网等效电路关系，与电网参考阻抗范围，提出增设开关的闭合时刻确定方法。与传统C型滤波器相比，可以降低有功损耗，减少发热，延长设备寿命。

Description

一种C型滤波器及其开关控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统领域，特别是一种C型滤波器及其开关控制方法。
背景技术
并联电容器是无功功率补偿的有效措施之一，且已得到广泛应用。但是并联电容可能与系统阻抗发生谐波谐振而产生严重的谐波问题，引起电网产生较大的过电压和过电流，造成电气设备故障或干扰通信系统等危害。解决这个问题的基本思路之一是装设滤波装置。其中，单调谐滤波器因其造价较低、结构简单而被广泛应用，但其设计方案是基于认为系统阻抗呈感性的前提，而实际工程特别是中高压系统中，系统阻抗变动较大且有可能呈容性，即仍有可能发生谐波谐振造成严重后果。
进一步的，又有学者提出C型滤波器，并提出无谐振设计方法，即无论系统处于什么状态，当频率大于调谐频率时皆满足谐波放大系数小于限定值。但现有的C型滤波器可以保证滤波器并联处无谐振，但是与单调谐滤波器相比，增设R支路使得滤波器的有功损耗大幅度增加，使得设备发热进而影响设备的寿命，也提高了变电站的运行成本，所以，需要根据系统条件对C型滤波器进行优化。
发明内容
本发明的目的在于：对于现有技术的C型滤波器有功损耗大的问题，本发明提供一种C型滤波器及其开关控制方法，能够有效降低C型滤波器有功损耗，减少发热提高设备寿命，实现变电站经济运行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种C型滤波器，包括：用于无功补偿的主电容，由电感和电容串联组成的谐振支路，开关和电阻串联组成的阻尼支路；所述谐振支路与所述阻尼支路并联后与所述主电容串联。本发明通过对开关闭合和断开的控制，能够有效降低滤波器有功损耗，同时由于避免了电阻的长期运行，减少了电阻的发热时间，可以提高电阻寿命，进而提高设备的寿命，实现变电站经济运行。
作为本发明的优选方案，开关断开时，所述滤波器为单调谐滤波器，能够吸收单一次数谐波。
作为本发明的优选方案，开关闭合时，所述滤波器为C型滤波器。
一种开关控制方法，所述开关控制方法应用于本发明所述的一种C型滤波器，包括以下步骤：
S1.通过对所述滤波器接入电路的接入点进行监测，得到所述接入点的谐波电压以及谐波电流；
S2.根据所述谐波电压以及所述谐波电流控制所述滤波器的开关，切换所述滤波器的工作状态。本发明通过对谐波电压以及谐波电流的实时监测，来对滤波器中的切换开关进行准确的控制，从而在保证滤波器工作效率的情况下最大效率的降低滤波器有功损耗，同时由于避免了电阻的长期运行，减少了电阻的发热时间，可以提高电阻寿命，进而提高设备的寿命，实现变电站经济运行。
作为本发明的优选方案，所述滤波器的主电容、电感、第二电容以及电阻的参数由无谐振设计方法决定。其中，所述无谐振设计方法引用自WilsunXu，Resonance-Free ShuntCapacitors—Configurations，DesignMethods and ComparativeAnalysis，IEEETRANSACTIONS ON POWER DELIVERY(2287)。
作为本发明的优选方案，所述步骤S2中，当开关处于断开状态时：
根据检测得到的谐波电压以及谐波电流数据，计算所述接入点的谐波畸变率；若所述接入点各次计算得到的谐波畸变率均超过第一设定值或总谐波畸变率超过第二设定值，且持续时间达第三设定值，则令开关闭合。其中，所述第一设定值为1.5％，第二设定值为2.5％，第三设定值为10min。
作为本发明的优选方案，所述步骤S2中，当开关处于闭合状态时：
根据背景谐波电压、所述谐波电压、所述谐波电流确定范围A1、范围A2、范围A3,判断出系统电阻RS(h)和系统电抗XS(h)位于范围A2中，且所述范围A2完全包含在范围A3中时，断开开关。
其中，所述背景谐波电压为：在安装所述滤波器之前，测量安装所述滤波器的并联处的谐波电压。
作为本发明的优选方案，所述范围A2是根据电网所提供的系统阻抗取值范围与范围A1的交叉范围；所述范围A1是以(-RF(h),-XF(h))为圆心，V0(h)/I(h)为半径的圆边，其中，RF(h)为开关闭合时滤波器的h次谐波电阻，XF(h)为开关闭合时滤波器的h次谐波电抗，V0(h)为滤波器的并联处进行监测得到h次谐波电压，I(h)为滤波器的并联处进行监测得到h次谐波电流。
作为本发明的优选方案，所述范围A3为以(-R'F(h),-X'F(h))为圆心，为半径的圆外部分，其中，R'F(h)为开关断开时滤波器的h次谐波电阻，X'F(h)为开关断开时滤波器的h次谐波电抗，基于开关闭合时的滤波器阻抗ZF(h)，HAR(h)为谐波放大系数。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明通过在电阻支路增设开关，将单调谐滤波器和C型滤波器集成在一起，并通过开关的切换，分别达到吸收单一次数谐波以及完全清除谐振的作用。
2、本发明通过对谐波电压以及谐波电流的实时监测，来对滤波器中的切换开关进行准确的控制，从而在保证滤波器工作效率的情况下最大效率的降低滤波器有功损耗，同时由于避免了电阻的长期运行，减少了电阻的发热时间，可以提高电阻寿命，进而提高设备的寿命，实现变电站经济运行。
附图说明
图1为本发明实施例1中所述的一种C型滤波器的结构图。
图2为本发明实施例2中所述的一种开关控制方法的闭合控制步骤流程图。
图3为本发明实施例2中所述的一种开关控制方法的断开控制步骤流程图。
图4为本发明实施例3中所述的一种开关控制方法的滤波器并联点处的等效电路。
图5为本发明实施例3中所述的一种开关控制方法的系统单线图。
图6为本发明实施例3中所述的一种开关控制方法在正序或负序时四种运行状态下对应的系统阻抗图。
图7为本发明实施例3中所述的一种开关控制方法在零序时四种运行状态下对应的系统阻抗图。
图8为本发明实施例3中所述的一种开关控制方法在四种运行状态且开关K断开下，并联处的谐波电压畸变率和总畸变率图。
图9为本发明实施例3中所述的一种开关控制方法在系统5次谐波阻抗可能范围A1图。
图10为本发明实施例3中所述的一种开关控制方法由电网提供的系统5次谐波阻抗范围图。
图11为本发明实施例3中所述的一种开关控制方法在系统5次谐波阻抗可能范围A2图。
图12为本发明实施例3中所述的一种开关控制方法的断开开关K的系统5次谐波阻抗范围A3图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种C型滤波器，包括：主电容C1、电感L、第二电容C2、开关K以及电阻R。
当开关K断开时，形成第一种连接关系：所述主电容C1、电感L以及第二电容C2串联，构成一个用于吸收单一次数谐波的单调谐滤波器。
当开关K闭合时，形成第二种连接关系：所述电阻R并联在所述第二电容C2与所述电感L形成的串联电路的两端，构成一个C型滤波器。
实施例2
一种开关控制方法，所述开关控制方法应用于实施例1所述的一种C型滤波器，通过对安装所述滤波器的并联处进行监测，得到该点谐波电压以及谐波电流，并以此为基础控制所述滤波器的开关，进而切换所述滤波器的工作状态。所述开关控制方法包含以下内容。
1、根据无谐振设计方法确定元件C1、L、C2和R的参数。所述无谐振设计方法引用自Resonance-Free Shunt Capacitors—Configurations,Design Methods andComparative Analysis，Wilsun Xu，IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY(2287)。
S001：根据无功补偿要求确定C1，其中QF为无功补偿需求量，V为额定电压，w1为基波角频率。
S002：令其中调谐频率次数/>一般设置为3次或5次，wH为调谐频率。
S003：令 计算达到最大角频率wmax，
其中
进一步计算最大谐波放大系数HARmax
若最大谐波放大系数小于限值，则可得到四个元件参数，反之则进入步骤S004。
S004：使用二分法得到C2值，返回步骤S003。
2、如图2所示，确定开关K的闭合时刻的步骤如下：
S110：对安装所述滤波器的并联处进行监测，得到该点的谐波电压以及谐波电流；
S120：根据检测得到的谐波电压以及谐波电流数据，计算该点的谐波畸变率；
S130：若该点各次计算得到的谐波畸变率均超过1.5％或总谐波畸变率2.5％，且持续时间达10min，则令开关K闭合。
3、如图3所示，确定开关K的断开时刻的步骤如下：
S210：在滤波器安装之前，测量得到并联处谐波电压，即背景谐波电压V0；
S220：对滤波器进行监测得到谐波电压V以及谐波电流I；
S230：基于开关K闭合时的滤波器阻抗ZF，谐波电流I及背景谐波电压V0，确定系统阻抗ZS可能范围A1；
开关K闭合时滤波器的h次谐波阻抗ZF为
式中，w1为单位角频率，h为谐波次数。ZF(h)相应的电阻部分RF(h)和电抗部分XF(h)为
式中，
图4所示为滤波器并联点处的等效电路，可以得出：
根据系统阻抗ZS(h)＝RS(h)+jXS(h)，得出：
因此，可以确定RS(h)和XS(h)在以(-RF(h),-XF(h))为圆心，V0(h)/I(h)为半径的圆边上,即系统阻抗ZS可能范围A1为一个圆边。
S240：根据电网所提供的系统阻抗范围，通常为多边形，结合步骤S230确定的范围，进一步缩小系统阻抗可能范围A2。
S250：计算可以断开开关K的系统阻抗范围A3，若步骤S240所确定的阻抗范围A2全在A3范围内,则开关K可以断开。
开关K断开时滤波器的h次谐波阻抗为：
谐波放大系数HAR(h)为：
即：
由于要求HAR应低于某一规定限值HARlimit，一般取1.2，所以得到：
所以当RS(h)和XS(h)在以(-R'F(h),-X'F(h))为圆心，为半径的圆外部分时，可以断开开关K，即系统阻抗ZS的范围A3是以(-R'F(h),-X'F(h))为圆心，/>为半径的圆外部分。
因此，若步骤S240确定的可能范围A2全包含在A3内，则开关K可以断开。
本发明在传统C型滤波器的基础上，在电阻支路增设开关K，并提出开关K切换时刻确定方法，可以有效降低滤波器的有功功率损耗，减少发热提高电阻寿命，并为其它类型滤波器增设切换开关设计提供参考。
实施例3
在138kV节点SX的C型滤波器中增设开关K，即设置为本专利设计的可切换C型滤波器，其中无功需求为30MVar，工频频率为60Hz,调谐频率设置为180Hz。滤波器安装前的谐波电压畸变率即背景谐波电压畸变率如表1所示。
表1背景谐波电压
谐波次数 3 5 7 9 11 13 15
背景谐波电压畸变率(％) 0.5 1.3 1.1 0.4 0.9 0.8 0.3
谐波次数 17 19 21 23 25 27 29
背景谐波电压畸变率(％) 0.6 0.4 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
该系统阻抗变动主要由C11和C12的闭合决定，因此，考虑四种运行状态，其对应的系统阻抗如图6和图7所示。
(1)Scenario 1：C11工作，C12断开；
(2)Scenario 2：C11断开，C12断开；
(3)Scenario 3：C11工作，C12工作；
(4)Scenario 4：C11断开，C12工作；
第一步，计算元件C1、L、C2和R的参数，结果如表2所示。
表2元件参数
C1(uF) C2(uF) L(mH) R(Ω)
4.179 27.752 253.536 423.200
第二步，确定开关K的闭合时刻。对滤波器进行监测得到谐波电压、谐波电流；当该点各次谐波畸变率超过1.5％或总谐波畸变率2.5％，持续时间达10min后，则令开关K闭合。在该实例中，滤波器在四种运行状态下，当开关K断开时，并联处的谐波电压畸变率和总畸变率如图8所示。
由图8可知，当系统运行状态处于第三种情况并持续10min后，应该闭合开关K。
第三步，确定开关K的断开时刻，以系统运行状态处于第一种情况为例判断是否应该断开开关K。
(1)基于表2所示滤波器参数，可以计算开关K闭合时的滤波器阻抗ZF，以5次谐波为例，计算结果为ZF(5)＝224.63+j148.96Ω。
(2)根据系统运行状态处于第二种情况时的谐波电流I和背景谐波电压V0的值，可以确定RS(h)和XS(h)在以(-RF(h),-XF(h))为圆心，V0(h)/I(h)为半径的圆边上。以5次谐波为例，在系统5次谐波阻抗可能范围A1如图9所示。
(3)根据电网所提供的系统阻抗范围，通常为多边形，本实施案例所提供的系统5次谐波阻抗范围如图10所示。结合上一步骤确定的范围A1，进一步缩小系统阻抗可能范围A2，如图11所示。
(4)设置HARlimit＝1.2，计算可以断开开关K的系统阻抗范围A3，若上一所确定的阻抗范围A2全在A3范围内,则开关K可以断开，如图12所示，阴影部分为A3，可以看出A2全在A3范围内，因此可以判断当系统处于第一种运行情况时可以断开开关K。
进一步可以计算当系统处于第一种运行情况时，所设计的可切换C型滤波器与传统C型滤波器各个元件上的电压、电流和功率，如表3所示。
表3各元件上的电压电流和功率
从表3可以看出，所提出的可切换C型滤波器，当系统处于第一种运行情况时，可以降低59.04kW有功损耗。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种C型滤波器，其特征在于，包括：用于无功补偿的主电容，由电感和第二电容串联组成的谐振支路，开关和电阻串联组成的阻尼支路；所述谐振支路与所述阻尼支路并联后与所述主电容串联；所述滤波器的主电容、电感、第二电容以及电阻的参数由无谐振设计方法决定；
所述滤波器采用以下开关控制方法，包括以下步骤：
S1.通过对所述滤波器接入电路的接入点进行监测，得到所述接入点的谐波电压以及谐波电流；
S2.根据所述谐波电压以及所述谐波电流控制所述滤波器的开关，切换所述滤波器的工作状态；
所述步骤S2中，当开关处于闭合状态时：
根据背景谐波电压、所述谐波电压、所述谐波电流确定范围A1、范围A2、范围A3，判断出系统电阻RS(h)和系统电抗XS(h)位于范围A2中，且所述范围A2完全包含在范围A3中时，断开开关；
其中，所述背景谐波电压为：在安装所述滤波器之前，测量安装所述滤波器的并联处的谐波电压。
2.根据权利要求1所述的一种C型滤波器，其特征在于：开关断开时，所述滤波器为单调谐滤波器。
3.根据权利要求1所述的一种C型滤波器，其特征在于：开关闭合时，所述滤波器为C型滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种C型滤波器，其特征在于，所述步骤S2中，当开关处于断开状态时：
根据检测得到的谐波电压以及谐波电流数据，计算所述接入点的谐波畸变率；若所述接入点各次计算得到的谐波畸变率均超过第一设定值或总谐波畸变率超过第二设定值，且持续时间达第三设定值，则令开关闭合。
5.根据权利要求1所述的一种C型滤波器，其特征在于：所述范围A2是根据电网所提供的系统阻抗取值范围与范围A1的交叉范围；所述范围A1是以(-RF(h),-XF(h))为圆心，V0(h)/I(h)为半径的圆边，其中，RF(h)为开关闭合时滤波器的h次谐波电阻，XF(h)为开关闭合时滤波器的h次谐波电抗，V0(h)为滤波器的并联处进行监测得到h次谐波电压，I(h)为滤波器的并联处进行监测得到h次谐波电流。
6.根据权利要求5所述的一种C型滤波器，其特征在于：所述范围A3为以(-R'F(h),-X'F(h))为圆心，为半径的圆外部分，其中，R'F(h)为开关断开时滤波器的h次谐波电阻，X'F(h)为开关断开时滤波器的h次谐波电抗，ZF'(h)为开关闭合时的滤波器阻抗，HAR(h)为谐波放大系数。
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