CN112713583B - 有源电流电能质量补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电流电能质量补偿装置及方法，在变压器二次侧绕组中按比例引出抽头，在引出抽头及其中间的一个负荷抽头中接入有源电流补偿设备，通过一系列变压器二次侧磁势平衡方程与KCL方程约束，推导出为消除网侧无功、负序、谐波电流，有源变流设备应向变压器二次抽头中注入的补偿电流量，由此形成一体化电流电能质量补偿的YNd型变压器。该方法充分发挥了变压器电磁潜能，便于变压器集成，有源变流设备的电压电流适应能力能进一步增强，变流设备的容量潜能也能进一步得以充分利用，有源补偿设备能保护变压器免受负荷无功、负序、谐波电流的影响。

Description

有源电流电能质量补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及电能质量补偿装置，特别是一种有源电流电能质量补偿装置及方法。

背景技术

电能作为一种经济实用、清洁方便的能源，己成为经济发展及人民生活的重要基础，但电网中各种单相、不对称、感性、非线性负荷越来越多，例如：农村普遍存在的各种单相用电负荷、电力机车、大型工业用电机、大功率整流及变频等电力电子设备等。这些问题给电网带来的不利影响日趋严重，造成了诸如功率因数偏低、负序与谐波电流含量大等电能质量问题。功率因数偏低会加大输电线路损耗，降低输电效率；大量的负序电流注入电网会引起发电机过热甚至烧毁。谐波使得电能利用效率降低，引发电气设备过热易振、绝缘老化，继电故障，干扰电子设备，并有可能发生局部谐振，甚至烧毁电气设备。近年来，“绿色电力电子电能变换”呼声越来越大，因此，如何有效地运用电力电子电能变换技术提高电网电能质量是供电部门和电力设备制造商需要共同关注的问题。

为此，各种电流式电能质量补偿装置被安装在系统电源用户侧的公共连接点处，主要是针对特定用户的电能质量问题进行治理。

传统基于YNd型变压器电流磁势平衡的有源电流电能质量补偿拓扑在变压器二次抽头中集成变流设备(传统基于YNd型变压器电流磁势平衡的有源电流电能质量补偿拓扑变压器二次侧设有三个抽头)，根据一系列变压器二次侧磁势平衡方程与KCL方程约束，通过变流设备向变压器二次抽头中注入一定的补偿电流分量，从而达到消除网侧无功、负序、谐波电流的效果，该方法能便于与变压器集成，由此形成一体化无功、负序、谐波电流治理变压器，变压器电磁潜能得到充分发挥，使变压器在传统变压、隔离等作用下兼具无功、负序治理功能。另外该方法通过调节变压器二次抽头匝比，可以对变流设备的工作电压电流进行优化，从而更好的发挥变流设备的容量潜能；也省去了升压变压器成本，降低了直流侧稳压电容的耐压值；可以复用一部分变压器绕组充当变流设备输出滤波电感，为低压大电流开关器件提供很好的应用场合。但该方法在调节YNd型变压器二次侧抽头位置时，有源电流补偿装置的电压适应能力只能在0.5pu-1.0pu之间可调，限制了有源电流补偿装置的容量潜能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种有源电流电能质量补偿装置及方法，使有源电流补偿装置的电压适应能力在0pu-1.0pu之间可调。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种有源电流电能质量补偿装置，包括变压器；所述变压器二次侧三相绕组采用三角形接法；二次侧三相绕组的三个连接点接负荷；所述变压器二次侧至少两相绕组各引出有至少一个中间抽头，相互连接的两相绕组的两个中间抽头、该两相绕组的连接点分别接有源三相变流补偿设备的三相输入端。

本发明在变压器二次侧引出中间抽头接有源三相变流补偿设备，能使得有源电流补偿装置的电压适应能力在0pu-1.0pu之间可调，提高了有源电流补偿装置的电压电流适应力，从而有源电流补偿装置的容量潜能能得到进一步发挥。

所述变压器二次侧其中两相绕组各设有一个中间抽头，两个所述中间抽头以及该两相绕组的连接点接所述有源三相变流补偿设备的三相输入端。该拓扑结构只需在变压器二次侧引出两个抽头，相比传统传统基于YNd型变压器电流磁势平衡的有源电流电能质量补偿拓扑少了一个变压器抽头，减少了变压器二次侧抽头制作量。

所述有源三相变流补偿设备的控制输出电流i_C1、i_C2的计算公式为：

其中，

为变压器二次侧绕组和一次侧绕组匝数比；x为变压器二次侧各相绕组中间抽头两侧绕组的匝数比；i_L1H代表负荷电流i_L1中需补偿的无功、负序、谐波分量的和，i_L2H代表负荷电流i_L2中需补偿的无功、负序、谐波分量的和。

通过检测负荷电流的无功、负序、谐波分量可以得到有源补偿设备需补偿的电流大小，因此，整个有源补偿设备可等效为一个电流受控电流源，可选用相应的有源电流跟踪控制策略以实现电能质量的补偿。该计算过程简单可靠，容易实现。为扩大有源电流电能质量补偿装置的可补偿容量范围，所述有源三相变流补偿设备的数量为2台；所述变压器二次侧其中一相绕组引出有两个中间抽头，另外两相绕组各引出有一个中间抽头；每台所述有源三相变流补偿设备的三相输入端分别对应与其中两相绕组的两个中间抽头、该两相绕组的连接点连接。

2台所述三相变流补偿设备的控制输出电流的计算公式分别为：

其中，

为变压器二次侧绕组和一次侧绕组匝数比；x为变压器二次侧各相绕组中间抽头两侧绕组的匝数比，

i_L1H代表负荷电流i_L1中需补偿的无功、负序、谐波分量的和，i_L2H代表负荷电流i_L2中需补偿的无功、负序、谐波分量的和。

为进一步扩大有源电流电能质量补偿装置的可补偿容量范围，本发明有源三相变流补偿设备的数量为3台；所述变压器二次侧三相绕组各引出有两个中间抽头，每个所述连接点对应的每相绕组的其中一个抽头、所述连接点分别对应接其中一台所述有源三相变流补偿设备的三相输入端。

3台所述三相变流补偿设备的控制输出电流的计算公式为：

其中，

其中，

为变压器二次侧绕组和一次侧绕组匝数比；x为为变压器二次侧各相绕组中间抽头两侧绕组的匝数比；

i_L1H代表负荷电流i_L1中需补偿的无功、负序、谐波分量的和，i_L2H代表负荷电流i_L2中需补偿的无功、负序、谐波分量的和。

本发明还提供了一种上述有源电流电能质量补偿装置的补偿方法，将所述有源三相变流补偿设备的控制输出电流作为电流跟踪控制方法的输入，得到所述有源三相变流补偿设备的驱动信号，驱动所述有源三相变流补偿设备输出相应补偿电流。当所述有源三相变流补偿设备的数量为1台时，其控制输出电流的计算公式为：

其中，

为变压器二次侧绕组和一次侧绕组匝数比；x为为变压器二次侧各相绕组中间抽头两侧绕组的匝数比；i_L1H代表负荷电流i_L1中需补偿的无功、负序、谐波分量的和，i_L2H代表负荷电流i_L2中需补偿的无功、负序、谐波分量的和。

当所述有源三相变流补偿设备的数量为2台时，2台有源三相变流补偿设备的控制输出电流的计算公式为：

其中，

为变压器二次侧绕组和一次侧绕组匝数比；x为变压器二次侧各相绕组中间抽头两侧绕组的匝数比，

当所述有源三相变流补偿设备的数量为3台时，3台有源三相变流补偿设备的控制输出电流的计算公式为：

其中，

为变压器二次侧绕组和一次侧绕组匝数比；x为变压器二次侧各相绕组中间抽头两侧绕组的匝数比；

i_L1H代表负荷电流i_L1中需补偿的无功、负序、谐波分量的和，i_L2H代表负荷电流i_L2中需补偿的无功、负序、谐波分量的和。

需要注意的是，本发明中，二次侧各相有一个绕组，绕组的端头是负荷抽头，中间抽头位于绕组中间位置，中间抽头位置分别到这两个负荷抽头之间的绕组匝数比便为x:1(x)。因此，上述提及的“x为变压器二次侧各相绕组中间抽头两侧绕组的匝数比”，是指与对应有源电流补偿装置连接的中间抽头两侧绕组的匝数比。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在变压器二次侧绕组中按比例的引出抽头，在引出抽头及其中间的一个负荷抽头中接入源电流补偿设备，通过调节抽头位置，有源电流补偿装置端口电压可在负荷电压的0pu-1.0pu之间可调，从而使得有源电流补偿装置的电压适应能力在0pu-1.0pu之间可调；通过一系列变压器二次侧磁势平衡方程与KCL方程约束，推导出为消除网侧无功、负序、谐波电流，有源变流设备应向变压器二次抽头中注入的补偿电流量，该方法充分发挥了变压器电磁潜能，便于变压器集成，有源变流设备的电压电流适应能力能进一步增强，变流设备的容量潜能也能进一步得以充分利用，有源补偿设备能保护变压器免受负荷无功、负序、谐波电流的影响。

附图说明

图1为本发明实施例1基于YNd型变压器电流磁势平衡的有源电流电能质量补偿装置拓扑结构图；

图2为本发明实施例1补偿电流i_C1、i_C2、i_C3为0时等效电路图；

图3为本发明实施例1补偿电流i_L1、i_L2、i_L3为0时等效电路图；

图4为本发明实施例1有源电流电能质量补偿控制方法原理图；

图5为本发明实施例2拓扑结构图；

图6为本发明实施例2控制方法原理图；

图7为发明实施例3拓扑结构图；

图8为本发明实施例3控制方法原理图。

具体实施方式

本发明实施例1拓扑结构如图1所示，图1中，U_A、U_B、U_C和i_A、i_B、i_C分别代表网侧的三相电压与电流，i_L1、i_L2、i_L3为三相负荷电流，i_C1、i_C2、i_C3为有源电流补偿设备的补偿电流，i_k1、i_k21、i_k22、i_k31、i_k32为YNd型变压器二次侧各绕组中的电流，图1中有源三相变流补偿设备暂用三相两电平简单桥式结构代替以说明补偿原理，变压器二次侧绕组中抽头两边匝数为比为x：1,变压器一次测与二次侧匝数分别为N₁、N₂，有源变流设备通过高频滤波电感与变压器二次侧绕组抽头相连接，有源补偿设备中直流电容为C。

当补偿电流i_C1、i_C2、i_C3为0时，i_k21＝i_k22，i_k31＝i_k32，令流经YNd变压器二次侧各绕组的电流分别为i_k1、i_k2、i_k3，则图1中结构的等效电路图如图2所示。

根据变压器二次测电流KCL可得：

对(1)式进行等价变换可得：

忽略变压器励磁支路所造成的变压器一二次侧电流相位偏差和磁势平衡误差，变压器一次侧与二次侧电流有如下磁势平衡方程：

把二次侧电流KCL式(1)式代入变压器一二次侧磁势平衡式(3)中得到变压器一次侧绕组电流与负载电流的转换关系式(4)：

注意到(4)中由于i_A+i_B+i_C＝0，i_L1+i_L2+i_L3＝0，对该式进行最简化处理如式(5)所示。

当负荷电流i_L1、i_L2、i_L3为0时，图1中结构的等效电路图如图3所示。

参考图3，忽略变压器励磁电流，根据磁势平衡原理可得：

根据变压器二次侧KCL及KVL有：

联立式(6)和式(7)可得到变压器一次侧绕组电流与补偿电流的转换关系式：

注意到(8)中由于i_A+i_B+i_C＝0，i_C1+i_C2+i_C3＝0，对该式进行最简化处理如式(9)所示。

当补偿电流i_C1、i_C2、i_C3与负荷电流i_L1、i_L2、i_L3均不为0时，根据叠加定理有磁势平衡方程：

从式(10)中可以看出YNd变压器其负荷电流与补偿电流转换到变压器一次侧电流的转换方程式具有式(11)形式，其中M与N分别代表式(10)中两个转换系数矩阵。

式(11)中i_L1B、i_L2B与i_L1H、i_L2H分别代表负荷电流中的基波有功电流分量与需补偿的无功、负序、谐波分量。若负荷无功、负序、谐波电流分量与有源补偿设备补偿电流满足式(12)，则可阻断负荷无功、负序、谐波电流流入网侧，从而变压器一次侧电流中只含有基波有功分量。

由此可得到有源补偿设备的控制输出电流为式(13)所示，从式(13)中可以看出，通过检测负荷电流的无功、负序、谐波分量可以得到有源补偿设备需补偿的电流大小，因此，整个有源补偿设备可等效为一个电流受控电流源，可选用相应的有源电流跟踪控制策略以实现电能质量的补偿。

本发明实施例1补偿控制策略如图4所示，首先从负荷电流中提取出负荷电流的无功、负序、谐波电流分量，通过式(13)计算得到有源补偿设备需补偿的总电流分量，该电流分量可通过有源变流设备的相应电流跟踪控制算法(如：电压外环、电流内环的三相前馈解耦控制，参照书籍为：张兴的《PWM整流器及其控制》)以控制变流器输出相应补偿电流。

通过上述控制策略即可有效阻断负荷无功、负序、谐波电流向变压器一次侧绕组感应，从而切断了负荷无功、负序、谐波电流向网侧流通的路径，达到YNd型变压器一体化电能质量补偿的目标。通过改变YNd型变压器二次侧抽头位置能节约降压匹配变压器成本，可增强有源补偿设备的电压、电流适应性，从而更大的发挥有源补偿设备的容量潜能，整个装置便于与变压器集成，动态响应能力强，从根本上保护了变压器免受负荷无功、负序、谐波电流干扰，具有良好的工程应用价值。(如：当变压器二次侧电压为10kV，需补偿容量为2MVar时，设单个三相桥式有源补偿设备耐压为1000V左右，耐流为12000A左右，采用本发明的方法，可将x设为1/9，此时运用一个简单的单个三相桥式有源补偿设备，其耐压耐流能力刚好能满足要求，且充分利用了单个三相桥式有源补偿设备的补偿容量潜能)。为扩大有源电流电能质量补偿装置的可补偿容量范围，本发明实施例2提供的补偿装置包括2台有源电流电能质量补偿装置，如图5所示，变压器二次侧其中一相绕组引出有两个中间抽头，另外两相绕组各引出有一个中间抽头；每台有源三相变流补偿设备的三相输入端分别对应与其中两相绕组的两个中间抽头、该两相绕组的连接点连接。

实施例2的控制方法原理图如图6所示，2台三相变流补偿设备的控制输出电流的计算公式分别为：

其中，

为变压器二次侧绕组和一次侧绕组匝数比；x为变压器二次侧各相绕组中间抽头两侧绕组的匝数比，

i_L1H代表负荷电流i_L1中需补偿的无功、负序、谐波分量的和，i_L2H代表负荷电流i_L2中需补偿的无功、负序、谐波分量的和。

需要注意的是，本发明提及的连接点，即负荷抽头(接头)。

同时，为进一步扩大有源电流电能质量补偿装置的可补偿容量范围，上述拓扑可进一步改进为实施例3的方案。

图7中，i_C11、i_C12、i_C13；i_C21、i_C22、i_C23及i_C31、i_C32、i_C33分别为三个有源电流补偿设备各自的补偿电流，同理，根据叠加原理和上述推导有：

此时，其负荷电流与补偿电流转换到变压器一次侧电流的转换方程式具有式(15)形式。

若有：

则可阻断负荷无功、负序、谐波电流流入网侧，从而变压器一次侧电流中只含有基波有功分量。而各有源电流补偿设备可各自补偿负荷无功、负序、谐波电流的三分之一，即：

则各有源变流设备的控制策略框图如图8所示，图8中，n＝11,22,33。

Claims (5)

1.一种有源电流电能质量补偿装置，包括变压器；所述变压器二次侧三相绕组采用三角形接法；二次侧三相绕组的三个连接点接负荷；其特征在于，所述变压器二次侧至少两相绕组各引出有至少一个中间抽头，相互连接的两相绕组的两个中间抽头、该两相绕组的连接点分别接同一台有源三相变流补偿设备的三相输入端；

其中，所述变压器为YNd型变压器。

2.根据权利要求1所述的有源电流电能质量补偿装置，其特征在于，

所述变压器二次侧其中两相绕组各设有一个中间抽头，两个所述中间抽头以及该两相绕组的连接点接所述有源三相变流补偿设备的三相输入端；

所述有源三相变流补偿设备的控制输出电流i_C1、i_C2的计算公式为：

其中，

为变压器二次侧绕组和一次侧绕组匝数比；x为任一相绕组中间抽头两侧绕组的匝数比；i_L1H代表负荷电流i_L1中需补偿的无功、负序、谐波分量的和，i_L2H代表负荷电流i_L2中需补偿的无功、负序、谐波分量的和。

3.根据权利要求1所述的有源电流电能质量补偿装置，其特征在于，

所述有源三相变流补偿设备的数量为2台；所述变压器二次侧其中一相绕组引出有两个中间抽头，另外两相绕组各引出有一个中间抽头；每台所述有源三相变流补偿设备的三相输入端分别对应与其中两相绕组的两个中间抽头、该两相绕组的连接点连接；

2台所述三相变流补偿设备的控制输出电流的计算公式分别为：

其中，

为变压器二次侧绕组和一次侧绕组匝数比；x为变压器二次侧各相绕组中间抽头两侧绕组的匝数比，

i_L1H代表负荷电流i_L1中需补偿的无功、负序、谐波分量的和，i_L2H代表负荷电流i_L2中需补偿的无功、负序、谐波分量的和。

4.根据权利要求1所述的有源电流电能质量补偿装置，其特征在于，

所述有源三相变流补偿设备的数量为3台；所述变压器二次侧三相绕组各引出有两个中间抽头，每个所述连接点对应的每相绕组的其中一个抽头、所述连接点分别对应接其中一台所述有源三相变流补偿设备的三相输入端；

3台所述三相变流补偿设备的控制输出电流的计算公式为：

其中，

其中，

为变压器二次侧绕组和一次侧绕组匝数比；x为变压器二次侧各相绕组中间抽头两侧绕组的匝数比；

i_L1H代表负荷电流i_L1中需补偿的无功、负序、谐波分量的和，i_L2H代表负荷电流i_L2中需补偿的无功、负序、谐波分量的和。

5.一种权利要求1～4之一所述有源电流电能质量补偿装置的补偿方法，其特征在于，将所述有源三相变流补偿设备的控制输出电流作为电流跟踪控制方法的输入，得到所述有源三相变流补偿设备的驱动信号，驱动所述有源三相变流补偿设备输出相应补偿电流。

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