CN113036765B - 一种直流偏磁抑制装置、方法及控制系统 - Google Patents

一种直流偏磁抑制装置、方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种直流偏磁抑制装置、方法及控制系统，装置包括电源、受控的交直交系统和用于设置于配电网中的可调电抗器；所述交直交系统的交流输入端与电源相连，所述交直交系统的交流输出端与可调电抗器的控制端相连。方法包括如下步骤，首先检测偏磁电流；再根据偏磁电流计算出配电网中的谐波电流分量；最后控制所述可控逆变器通过控制绕组在三相绕组上产生一个与谐波电流分量大小相等，方向相反的感应电流。本发明实现了直流偏磁的抑制和无功功率的补偿，提高了电力网及变压器安全运行的可靠性。

Description

一种直流偏磁抑制装置、方法及控制系统
技术领域
本发明涉及一种直流偏磁抑制装置、方法及控制系统，属于电力电子技术领域。
背景技术
随着我国“西电东送，南北互供，全国联网”的电力发展总方针，由于高压直流输电输送距离远、输电功率大、输送损耗小等优势，直流输电技术将会成为全国电网互联主要解决途径，因此直流输电系统稳定运行对于整个电网的安全稳定具有重要的作用。高压直流输电正常情况下采用双极运行方式，当传输功率不均时也会出现直流偏磁，在系统调试、检修或发生故障的情况下，会工作于单极大地回路运行方式。单极大地运行时会有较大直流电流注入大地，在地下形成直流电场，从而在各变电站间产生电位差，因站间回路直流电阻较小，会产生较大的直流电流，从而造成变压器偏磁，威胁变压器的正常运行。
此外，除了高压直流输电工程可以引起直流偏磁现象外，地磁磁暴同样也可以引起变压器的直流偏磁。在地磁风暴的影响下，大地表面将会在磁场的作用下感应出不同的电位，电位差在由电力系统的输电线路、大地和中性点接地的电力变压器构成的电路中产生地磁感应电流GIC。其频率在0.001-1Hz之间，与50Hz的交流系统相比可近似看作直流。太阳“磁暴”对于电力系统的影响直到1940年才见诸报道，由于地磁风暴的入侵电力接地网，北美部分电网在运行中出现了极端的状况。磁暴引发的直流偏磁现象使电力变压器处于铁心严重饱和状态，电压降低，系统产生高次谐波分量导致电力系统的传输功率降低，变压器噪声分贝加强，导致电力系统的继电保护误动作，使得系统元件过热损坏。
综上所述，多种因素会导致直流偏磁，同时直流偏磁会对电网运行带来危害。
早在1971年，H.Sasaki等就完整地描述了APF―的基本原理[8]，1976年，L.Gyugyi等人提出了用大功率晶体管PWM逆变器构成的APF，并正式确立了有源滤波的概念，提出了有源滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法，有源滤波器作为改善电能质量的一项重要技术，已经在美国、日本等发达工业国家广泛用于各个生产部门，谐波补偿的次数和容量并逐步提高，应用领域逐步从补偿用户自身的谐波，向着改善整个电力系统供电质量的方向发展。有源滤波器一度成为我国电力行业研究的热点，成果也格外突出，由原来的试运行已经发展到工业应用的阶段。
发明内容
本发明的目的是提供一种直流偏磁抑制装置、方法及控制系统，用以提供一种装置、方法和控制系统来抑制直流偏磁所带来的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
本发明的一种直流偏磁抑制装置，包括电源、受控的交直交系统和用于设置于配电网中的可调电抗器；
所述交直交系统的交流输入端与电源相连，所述交直交系统的交流输出端与可调电抗器的控制端相连。
进一步的，所述可调电抗器包括三相绕组和控制绕组，所述三相绕组用于设置于配电网中；所述控制绕组构成可调电抗器的控制端，与交直交系统的交流输出端相连；所述三相绕组的铁芯通过导磁材料与控制绕组的铁芯闭合相连。
进一步的，所述电源为三相电源；所述交直交系统包括直流端相连的可控逆变器和三相整流器，所述三相整流器交流输入端构成交直交系统的交流输入端，所述可控逆变器的交流输出端构成交直交系统的交流输出端。
进一步的，所述可控逆变器的直流端与三相整流器的直流端之间还串设有软启动电路，所述软启动电路包括软启动电阻和并联在软启动电阻上的旁路开关。
进一步的，所述可控逆变器的直流端上还并联有电容。
进一步的，所述三相整流器为全桥三相整流器。
进一步的，所述可控逆变器为全桥可控逆变器，且全桥可控逆变器中的可控开关器件为IGBT。
进一步的，所述IGBT上反向并联有续流二极管。
本发明的一种用于如上所述的直流偏磁抑制装置的直流偏磁抑制方法，包括如下步骤：
1)检测偏磁电流；
2)根据偏磁电流计算出配电网中的谐波电流分量；
3)控制所述可控逆变器通过控制绕组在三相绕组上产生一个与谐波电流分量大小相等，方向相反的感应电流。
本发明的一种直流偏磁抑制装置控制系统，包括存储器和处理器，所述处理器采集连接偏磁电流检测模块，还控制连接可控逆变器；所述处理器用于执行储存在存储器中的指令以实现如上所述的直流偏磁抑制方法。
本发明提供了一种有源补偿装置、相关方法及控制系统，可以实现励磁电流谐波的抑制，还实现了电网无功的补偿，同时解决了直流偏磁带来的谐波和无功损耗的问题。同时本发明将抑制装置嵌入到无功功率有源滤波补偿器中，达到了一个装置两种功效。
附图说明
图1是本发明的直流偏磁抑制装置电路原理图；
图2是本发明的直流偏磁抑制装置控制系统原理示意图。
图中：1-电源变压器，2-负载，3-可调电抗器，4-逆变器，5-电容，6-软启动电路，7-三相整流器，8-三相电源，9、10、11、12-IGBT，13-控制绕组，14-主绕组，15、接地。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
直流偏磁抑制装置实施例：
如图1所示的本发明的一种直流偏磁抑制装置，通过调整设置在配电网中的可调电抗器的电抗值，来抑制直流偏磁引起的励磁电流谐波增加并补偿直流偏磁导致的无功损耗增大等一系列问题。
利用接地15实现中性点接地的电源变压器1通过配电网连接负载2，以向负载2输电，电源变压器1到负载2之间的配电网线路上，设置有可调电抗器3，可调电抗器3包括主绕组14和控制绕组13，主绕组14为三相绕组，分别设置在配电网的三相线路上，即电源变压器1通过可调电抗器3的主绕组14连接负载2。
可调电抗器3为磁通可控型可调电抗器，可调电抗器3的主绕组14和控制绕组13通过铁芯相连，相当于变压器的副边绕组和原边绕组，即控制绕组13上变化的控制电流会在主绕组14的三相绕组上分别产生感应电流。具体主绕组14的三个绕组分别缠绕在同一铁芯上，控制绕组13的铁芯与主绕组14的铁芯通过导磁材料封闭相连；或者具体主绕组14的三个绕组分别缠绕在各自的铁芯上，控制绕组13的铁芯与主绕组14的三个铁芯分别通过导磁材料封闭相连。
控制绕组13两端与交直交系统的交流输出端相连，交直交系统的交流输入端与三相电源8相连。交直交系统包括逆变器4和三相整流器7，逆变器4的交流输出端构成了交直交系统的交流输出端，三相整流器7的交流输入端构成了交直交系统的交流输入端；三相整流器7的直流输出端与逆变器4的直流输入端通过直流线路相连。直流线路上还设置有软启动电路6，软启动电路6包括软启动电阻和并联于软启动电阻两端的旁路开关，软启动电路6用于防止启动电流的冲击，在启动时旁路开关处于断开状态，启动电流在软启动电阻上得到缓冲，启动完成稳定运行后，旁路开关闭合将软启动电阻旁路。直流线路上还设置有电容5，电容5并联于逆变器4直流输入端上。
三相电源8、三相整流器7软启动电路6、电容5、逆变器4构成典型交直交变频控制主电路；其中逆变器4的可控开关器件采用IGBT，逆变器4包括IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12及其上反向并联的续流二极管组成全桥逆变电路；三相整流器7包括三相全桥整流电路。
本发明的直流偏磁抑制装置可以实现主绕组14的电抗值可调，即磁通可控型可调电抗器3的电抗值可调。通过控制单相逆变器4在控制绕组13产生变化的电流值，基于变压器原理，此时主绕组14的三相绕组分别等效于一个可调电抗器，调节电抗值实现抑制配电网的各种谐波，提供无功补偿。
直流偏磁抑制方法实施例：
本发明的方法利用本发明的直流偏磁抑制装置实现直流偏磁的抑制，能够在电网发生直流偏磁时，抑制励磁电流谐波的增加，并补偿无功功率以降低无功损耗。考虑到直流偏磁对电网带来的谐波有三相相同的特点，具体包括如下步骤：
首先通过检测绕组完成对偏磁电流的检测，将检测到的信号送入CPU；CPU根据偏磁电流计算提取出配电网中的谐波电流分量，再根据谐波电流分量计算出抑制该谐波电流所需的电抗值大小，最后根据主绕组14产生该电抗值所需的控制绕组13的电压值；然后控制发出高频脉冲控制逆变器4使控制绕组13产生对应电压值，该电压加在控制绕组13上产生控制电流，进而达到调节可调电抗器3电抗值到抑制谐波所需的电抗值，完成了对电网直流偏磁现象的消除与无功功率的补偿。
具体的，计算出配电网中的谐波电流分量，然后控制逆变器4，通过控制绕组13在主绕组上产生感应电流，感应电流的大小与谐波电流分量大小相等，方向相反。对于控制绕组来讲，控制绕组上产生(也即逆变器4输出)的电流应当与主绕组14上的谐波电流分量大小成比例，方向视两个绕组的绕线方向而定，比例与两个绕组的匝数比相等(总之，目的是为了通过控制绕组在主绕组14上产生与主绕组14中谐波电流大小相等方向相反的感应电流来抵消谐波电流)。
本发明的直流偏磁抑制装置用于电网时，兼具无功调节与直流偏磁抑制的功能，本系统利用了可调电抗器电抗值可调的功能，使电网自身具有抑制直流偏磁和无功补偿的能力。克服了传统的抑制直流偏磁方法所带来的不足，保证了变压器中性点的可靠接地，提高了电力网及变压器安全运行的可靠性，对整个电力系统具有重大的实际意义。
直流偏磁抑制装置控制系统实施例：
本发明的直流偏磁抑制装置控制系统，采集连接配电网偏磁电流的检测装置，同时控制连接逆变器4。本实施例的控制系统如图2所示，包括存储器、处理器和内部总线，处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的通信和数据交互。存储器包括至少一个存储于存储器中的软件功能模块，处理器通过运行存储在存储器中的软件程序以及模块，执行各种功能应用以及数据处理，实现本发明的直流偏磁抑制方法实施例中介绍的本发明的一种直流偏磁抑制方法。
其中，处理器可以为方法实施例中的介绍的CPU，还可为微处理器MCU或DSP等处理装置。
存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，例如RAM、ROM等；也可为利用磁能方式存储信息的各式存储器，例如硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘等；还可为利用光学方式存储信息的各式存储器，例如CD、DVD等；当然，还可为其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等。

Claims (7)

1.一种直流偏磁抑制方法，其特征在于，利用直流偏磁抑制装置实现直流偏磁的抑制，所述直流偏磁抑制装置包括电源、受控的交直交系统和用于设置于配电网中的可调电抗器；
所述交直交系统的交流输入端与电源相连，所述交直交系统的交流输出端与可调电抗器的控制端相连；
所述可调电抗器包括三相绕组和控制绕组，所述三相绕组分别串联设置在电源变压器与负载之间的配电网三相线路上；所述控制绕组构成可调电抗器的控制端，与交直交系统的交流输出端相连；所述三相绕组的铁芯通过导磁材料与控制绕组的铁芯闭合相连；
所述电源为三相电源；所述交直交系统包括直流端相连的可控逆变器和三相整流器，所述三相整流器交流输入端构成交直交系统的交流输入端，所述可控逆变器的交流输出端构成交直交系统的交流输出端；
所述直流偏磁抑制方法包括如下步骤：
1)通过检测绕组检测偏磁电流；
2)根据偏磁电流计算出配电网中的谐波电流分量；
3)控制所述可控逆变器通过控制绕组在三相绕组上产生一个与谐波电流分量大小相等，方向相反的感应电流，控制过程为：根据谐波电流分量计算出抑制谐波电流所需的电抗值，根据主绕组产生所述电抗值所需的控制绕组的电压值，控制逆变器使控制绕组产生所述电压值，将所述电压值的电压加在控制绕组上产生控制电流。
2.根据权利要求1所述的直流偏磁抑制方法，其特征在于，所述可控逆变器的直流端与三相整流器的直流端之间还串设有软启动电路，所述软启动电路包括软启动电阻和并联在软启动电阻上的旁路开关。
3.根据权利要求2所述的直流偏磁抑制方法，其特征在于，所述可控逆变器的直流端上还并联有电容。
4.根据权利要求3所述的直流偏磁抑制方法，其特征在于，所述三相整流器为全桥三相整流器。
5.根据权利要求4所述的直流偏磁抑制方法，其特征在于，所述可控逆变器为全桥可控逆变器，且全桥可控逆变器中的可控开关器件为IGBT。
6.根据权利要求5所述的直流偏磁抑制方法，其特征在于，所述IGBT上反向并联有续流二极管。
7.一种直流偏磁抑制装置控制系统，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器采集连接偏磁电流检测模块，还控制连接可控逆变器；所述处理器用于执行储存在存储器中的指令以实现如权利要求1-6任一项所述的直流偏磁抑制方法。
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