CN115602430B - 一种基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置和方法，所述装置包括铁芯、原边绕组和副边绕组，还包括控制绕组、短接绕组和控制电源；所述控制绕组以反串联的方式与所述控制电源相连接；所述短接绕组以反串联的方式短接相连，构成闭合回路；所述方法包括获取变压器的主励磁磁场；基于所述主励磁磁场，确定补偿磁场的补偿参量；基于所述补偿参量，确定控制电源的控制参数；所述控制参数包括直流分量的参考值和交流分量的参考值；所述控制电源基于所述控制参数为控制绕组供电；以从源头上解决变压器产生谐波的问题。

Description

一种基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置和方法

技术领域

本发明涉及变压器谐波抑制技术领域，具体而言，涉及一种基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置和方法。

背景技术

现有的电力变压器绝大多数是以铁磁材料（或称软磁材料）铁芯及绕组为基本组件。导致这类变压器产生谐波的本质因素是铁芯材料的非线性磁化特性，即磁化曲线（B-H曲线）具有滞回及饱和等特性。其结果是变压器绕组电压和励磁电流不能同时为纯工频正弦波形，因而会在电压、电流中产生谐波。如果在谐波水平迅速增高到不可接受范围时，谐波会在电力系统运行中造成多种问题和危害。成熟的电网谐波抑制技术主要包括无源滤波和有源补偿两大类。然而，无论是无源滤波器还是有源谐波补偿装置，都是在谐波已经产生之后进行的抑制措施。从这点上考虑，两种技术都属于被动应变类型的方案，并不能从源头上解决变压器产生谐波的问题。

有鉴于此，本说明书提出了一种基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置和方法，以从源头上解决变压器产生谐波的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置，包括铁芯、原边绕组和副边绕组，还包括控制绕组、短接绕组和控制电源；所述控制绕组以反串联的方式与所述控制电源相连接；所述短接绕组以反串联的方式短接相连，构成闭合回路。

进一步的，所述铁芯为三臂结构铁芯，所述原边绕组和所述副边绕组缠绕于所述铁芯的中间臂上，所述控制绕组和所述短接绕组缠绕于所述铁芯的两侧臂上。

进一步的，所述铁芯为多臂铁芯，所述多臂铁芯的臂大于3；所述原边绕组、所述副边绕组和所述短接绕组缠绕于所述铁芯的多个中间臂上，所述控制绕组缠绕于所述铁芯的两侧臂上。

进一步的，所述铁芯为多臂铁芯，所述多臂铁芯的臂大于3；所述原边绕组、所述副边绕组、所述控制绕组和所述短接绕组分别绕于所述铁芯的每一个臂上。

进一步的，所述铁芯为多臂铁芯，所述多臂铁芯的臂大于3；所述控制绕组间隔绕于所述铁芯的臂上，所述原边绕组、所述副边绕组和所述短接绕组绕于所述铁芯的剩余臂上。

本发明的目的在于提供一种应用于上述任一项所述的装置的谐波抑制方法，包括获取变压器的主励磁磁场；基于所述主励磁磁场，确定补偿磁场的补偿参量；基于所述补偿参量，确定控制电源的控制参数；所述控制参数包括直流分量的参考值和交流分量的参考值；所述控制电源基于所述控制参数为控制绕组供电。

进一步的，通过谐波抑制算法，确定所述补偿参量。

进一步的，所述确定控制电源的控制参数，包括：对所述变压器输出端电压的实时波形进行测量分析，确定其基波的有效值；将所述有效值和电压设定值进行比较，确定所述控制电源输出电流中直流分量的参考值。

进一步的，所述确定所述控制电源输出电流中的直流分量的表达式为：

其中，表示所述直流分量的参考值；表示所述有效值；表示直流分量的参考值与有效值之间的对应关系。

进一步的，所述确定控制电源的控制参数，还包括：对所述变压器的输出电压波形进行谐波分析，确定谐波分量的幅值；基于所述幅值，确定所述控制电源输出电流中交流分量的参考值。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本说明书中一些实施例提供的谐波抑制装置和方法能够有效的降低铁芯磁化的非线性水平，从而达到抑制变压器谐波的目的。由于只需对变压器励磁磁场中的非线性分量进行补偿，所需的补偿磁场很小，因此补偿用的控制电源只需要较小的功率，补偿效率高，并且有效降低了控制设备的成本。而且，补偿磁场的施加不通过变压器主电路（原、副边绕组等），与主励磁磁场只通过铁芯进行耦合，控制侧电路与主电路电气隔离，具有良好的安全性。

本说明书中一些实施例提供的谐波抑制方法能够从根源上抑制变压器谐波的产生，并且抑制效果不局限于某个频段，控制更为灵活。且所需硬件结构简单，只需控制绕组、短接绕组和相应的小功率电力电子系统搭建的控制电源，实现成本大大低于现有的有源补偿式的谐波抑制设备。

附图说明

图1为本发明一些实施例提供的基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置的示例性示意图；

图2为本发明一些实施例提供的另一基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置的示例性示意图；

图3为本发明一些实施例提供的一种基于铁芯磁化补偿的谐波抑制方法的示例性流程图；

图4为本发明一些实施例提供的一种基于铁芯磁化补偿的谐波抑制方法的示例性示意图；

图标：1-三臂结构铁芯；2-原边绕组；3-副边绕组；4-第一控制绕组；5-第二控制绕组；6-第一短接绕组；7-第二短接绕组；8-控制电源；9-五臂铁芯；10-第一原边绕组；11-第一副边绕组；12第二原边绕组；13-第二副边绕组；14-第三原边绕组；15-第三副边绕组；16-第三短接绕组；17-第四短接绕组；18-第五短接绕组。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

本发明一些实施例提供的一种基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置包括铁芯、原边绕组、副边绕组、控制绕组、短接绕组和控制电源。铁芯、原边绕组和副边绕组构成变压器。

控制绕组以反串联的方式与控制电源相连接。即，两个控制绕组的同名端直接相连，另一端与控制电源相连接。短接绕组以反串联的方式短接相连，构成闭合回路。其中，控制电源是由电力电子设备搭建的电流源，可以根据需要输出直流或交流电流。

本说明书中的一些实施例通过设置控制绕组和短接绕组，可以产生补偿磁场以补偿变压器主励磁磁场，以使变压器主励磁磁场接近线性磁化的区段，降低变压器自身的谐波水平，达到抑制谐波的效果。另外，设置短接绕组可以抑制偶次谐波，进一步提高谐波抑制的效果。

图1为本发明一些实施例提供的基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置的示例性示意图。如图1所示，铁芯为三臂结构铁芯1，控制绕组包括第一控制绕组4和第二控制绕组5，短接绕组包括第一短接绕组6和第二短接绕组7。

原边绕组2和副边绕组3缠绕于铁芯的中间臂上，控制绕组和短接绕组缠绕于铁芯的两侧臂上。第一控制绕组4和第二控制绕组5的一个同名端直接连接，第一控制绕组4和第二控制绕组5的另一端与控制电源8的两输出端口分别连接。第一短接绕组6和第二短接绕组7分别绕于三臂结构铁芯1的两外侧臂上，以反串联的方式短接相连，构成闭合回路。

控制电源根据由谐波抑制算法确定的控制参量产生输出电流，并通过第一控制绕组和第二控制绕组在变压器铁芯内感应出相应的补偿磁场。由于第一控制绕组和第二控制绕组的反串联连接方式，该磁场将主要形成在铁芯的外环内的环流磁通。第一短接绕组和第二短接绕组中感应产生的偶次谐波电流也会形成类似环流磁通，两个环流磁通叠加，使得总环流磁通可以同时含有直流和交流分量，其效果是对变压器原、副边绕组产生的交流磁通进行补偿，减小铁芯外环部分磁化的非线性成分，从而减小铁芯整体的非线性磁化水平。由于补偿磁场所作用的铁芯外环占据铁芯的很大一部分结构，因此这种补偿能够明显的降低铁芯磁化的非线性成分，有效改善变压器谐波水平。控制回路（即第一控制绕组、第二控制绕组和控制电源组成的回路）和短接绕组的配合使用可以在不增大控制难度和成本的条件下，最大程度上对铁芯的非线性磁化进行补偿，以达到理想的谐波抑制效果。

本说明书中的一些实施例通过将第一控制绕组和第二控制绕组以反串联的方式连接，使得第一控制绕组和第二控制绕组对铁芯施加的磁场方向可以始终保持一致，并在铁芯中形成环流式控制磁通。另外，由于反串联的连接方式，第一控制绕组和第二控制绕组中由变压器原副边绕组引起的感应电压方向相反，可以相互抵消，使得可以在最大程度上降低控制电源两端的感应电压，进而减低交流侧感应电压对控制电源的影响，从而降低了控制电源的设计要求及其建造成本。

本说明书中的一些实施例通过反串联的方式将第一短接绕组和第二短接绕组相连，由于对称性，回路中只存在感应的偶次谐波电流分量，奇次谐波分量均被抵消；且短接绕组中的偶次谐波感应电流产生的磁通与铁芯交流励磁磁通中的偶次谐波分量方向相反，对后者起到了削弱作用，从而在一定程度上抑制相应的偶次谐波产生，且由于短接绕组的反串联，可以进一步降低对控制电源的设计要求。

图2为本发明一些实施例提供的另一基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置的示例性示意图。如图2所示，铁芯为多臂铁芯，多臂铁芯的臂大于3。原边绕组、副边绕组和短接绕组缠绕于铁芯的多个中间臂上，控制绕组缠绕于铁芯的两侧臂上。

以五臂铁芯9为例，控制绕组包括第一控制绕组4和第二控制绕组5。原边绕组包括第一原边绕组10、第二原边绕组12和第三原边绕组14。副边绕组包括第一副边绕组11、第二副边绕组13和第三副边绕组15。短接绕组包括第三短接绕组16、第四短接绕组17和第五短接绕组18。第一原边绕组10、第一副边绕组11和第三短接绕组16缠绕于五臂铁芯9的第二臂上；第二原边绕组12、第二副边绕组13和第四短接绕组17缠绕于五臂铁芯9的第三臂上；第三原边绕组14、第三副边绕组15和第五短接绕组18缠绕于五臂铁芯9的第四臂上；第一控制绕组4缠绕于五臂铁芯的第一臂上；第二控制绕组5缠绕于五臂铁芯的第五臂上；第一控制绕组和第二控制绕组以反串联方式与控制电源相连。

在一些实施例中，对于多臂铁芯，原边绕组、副边绕组、控制绕组和短接绕组可以分别绕于铁芯的每一个臂上。

在一些实施例中，对于多臂铁芯，控制绕组可以间隔绕于铁芯的臂上，原边绕组、副边绕组和短接绕组绕于铁芯的剩余臂上。例如，可以使用三个控制绕组，分别绕于五臂铁芯的第一、三、五臂上，然后将原边绕组、副边绕组和短接绕组绕于五臂铁芯的第二、四臂上。

由于三相变压器铁芯中的磁通分布更为复杂，有更多的通路供磁通通过，因此控制绕组也可以按常规串联方式连接。控制绕组不论以何种方式连接，都可以在铁芯的特定部分中感应出补偿磁场，对铁芯相应部分的磁化提供补偿，以此起到谐波抑制作用。控制电源的数量也可以不局限于一个。可以使用三个协同的控制电源以提供三相的补偿磁场。

在一些实施例中，短接绕组可以采用首尾串联的方式连接，形成闭合回路。例如，图2中的第一短接绕组、第二短接绕组和第三短接绕组以首尾串联的方式进行连接。由于该短接绕组回路中只存在直流（零序）感应电流分量，因此，其作用是抵消部分励磁磁通中的直流分量。

本说明书中的装置可以整合在新变压器的设计和制造中，方法的实施不影响变压器的正常工作，变压器系统整体的可靠性不会受到影响，优于基于大功率电力电子设备的有源补偿类技术方案的可靠性。

图3为本发明一些实施例提供的一种基于铁芯磁化补偿的谐波抑制方法的示例性流程图。如图3所示，基于铁芯磁化补偿的谐波抑制方法包括以下内容：

步骤310，获取变压器的主励磁磁场。主励磁磁场可以是指变压器的原边绕组和副边绕组产生的磁场。可以通过各种可行的方式获取变压器的主励磁磁场。

步骤320，基于主励磁磁场，确定补偿磁场的补偿参量。

补偿磁场可以是指补偿主励磁磁场的磁场。补偿磁场方向与主励磁磁场中的非线性成分方向相反，可以相互抵消，以对铁芯磁化进行适当补偿，使其接近线性磁化的区段，有效降低变压器自身的谐波水平，达到抑制谐波的效果。补偿参量可以包括补偿磁场的磁场强度、磁场方向等参数。在一些实施例中，可以通过谐波抑制算法，确定补偿参量。在一些实施例中，谐波抑制算法可以通过变压器的励磁及谐波产生的数学模型推导而得。通常，导致谐波产生的变压器励磁磁场中主要含有直流和较低次谐波分量（如二、三、五次等谐波）。因此，为了补偿主励磁磁场的磁场，补偿磁场也可能含有直流和较低次谐波分量。

步骤330，基于补偿参量，确定控制电源的控制参数；控制参数包括直流分量的参考值和交流分量的参考值。

控制电源可以是指用于为控制绕组供电的电源。通过调整控制电源的参数可以实现对控制绕组的控制，以调整补偿磁场。控制参数可以包括控制电源输出电流的各组成成分的幅值和相角（相对于变压器原副边绕组的电压/电流相位）等。在一些实施例中，可以通过各种可行的方式将补偿参量映射到控制电源的控制参数上。例如，通过变压器的励磁及谐波产生的数学模型推导而得。

直流分量的参考值可以是指为得到补偿磁场所需的控制电源的直流分量的参考值。交流分量的参考值可以是指为得到补偿磁场所需的控制电源的交流分量的参考值。

在一些实施例中，可以对变压器输出端电压的实时波形进行测量分析，确定其基波的有效值；将有效值和电压设定值进行比较，确定控制电源输出电流中直流分量的参考值。

在一些实施例中，确定控制电源输出电流中的直流分量的表达式为：

其中，表示直流分量的参考值；表示有效值；表示直流分量的参考值与有效值之间的对应关系。其中，为非线性的对应关系，在一些实施例中，对应关系可以基于控制线圈匝数、铁芯的电磁特性和几何参数等因素得到。

在一些实施例中，对变压器的输出电压波形进行谐波分析，确定谐波分量的幅值；基于幅值，确定控制电源输出电流中交流分量的参考值。

步骤340，控制电源基于控制参数为控制绕组供电。

在一些实施例中，控制参数可以由直流分量的参考值和交流分量的参考值确定。例如，控制参数可以为直流分量的参考值和交流分量的参考值的和与实时测量的值的差量。在一些实施例中，控制电源可以基于PWM控制策略的电力电子系统搭建，也可采用其他适合的电力电子拓扑结构和控制策略。

本说明书中的一些实施例通过将控制电源输出电流的直流和交流分量的参考值解耦计算，通过各自独立的算法进行确定，使得可以简化计算的过程，加快计算速度，便于在实际系统中应用。

图4为本发明一些实施例提供的一种基于铁芯磁化补偿的谐波抑制方法的示例性示意图。

如图4所示，可以对副边电压进行RMS计算（即，有效值计算）；通过对RMS计算得到的参数与副边电压参考值的差量进行直流分量算法，可以得到控制电源输出电流的直流分量的参考值。另外，通过对副边电压进行谐波分析和交流分量算法可以得到控制电源输出电流的交流分量的参考值；通过将直流分量的参考值与交流分量的参考值相加，可以得到控制电源输出电流的参考值；通过对控制电源输出电流的参考值和控制电源输出电流的差量进行PWM算法，可以得到控制电源的PWM控制信号。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置，包括铁芯、原边绕组和副边绕组，其特征在于，还包括控制绕组、短接绕组和控制电源；

所述控制绕组以反串联的方式与所述控制电源相连接；

所述短接绕组以反串联的方式短接相连，构成闭合回路；

其中，所述谐波抑制装置的应用方法包括：

获取变压器的主励磁磁场；

基于所述主励磁磁场，确定补偿磁场的补偿参量；

基于所述补偿参量，确定控制电源的控制参数；所述控制参数包括直流分量的参考值和交流分量的参考值；

所述控制电源基于所述控制参数为控制绕组供电。

2.根据权利要求1所述的基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置，其特征在于，所述铁芯为三臂结构铁芯，所述原边绕组和所述副边绕组缠绕于所述铁芯的中间臂上，所述控制绕组和所述短接绕组缠绕于所述铁芯的两侧臂上。

3.根据权利要求1所述的基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置，其特征在于，所述铁芯为多臂铁芯，所述多臂铁芯的臂大于3；

所述原边绕组、所述副边绕组和所述短接绕组缠绕于所述铁芯的多个中间臂上，所述控制绕组缠绕于所述铁芯的两侧臂上。

4.根据权利要求1所述的基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置，其特征在于，所述铁芯为多臂铁芯，所述多臂铁芯的臂大于3；

所述原边绕组、所述副边绕组、所述控制绕组和所述短接绕组分别绕于所述铁芯的每一个臂上。

5.根据权利要求1所述的基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置，其特征在于，所述铁芯为多臂铁芯，所述多臂铁芯的臂大于3；

所述控制绕组间隔绕于所述铁芯的臂上，所述原边绕组、所述副边绕组和所述短接绕组绕于所述铁芯的剩余臂上。

6.一种应用于所述权利要求1-5任一项所述的基于铁芯磁化补偿的谐波抑制装置的谐波抑制方法，其特征在于，通过谐波抑制算法，确定所述补偿参量。

7.根据权利要求6所述的谐波抑制方法，其特征在于，所述确定控制电源的控制参数，包括：

对所述变压器输出端电压的实时波形进行测量分析，确定其基波的有效值；

将所述有效值和电压设定值进行比较，确定所述控制电源输出电流中直流分量的参考值。

8.根据权利要求7所述的谐波抑制方法，其特征在于，所述将所述有效值和电压设定值进行比较，确定所述控制电源输出电流中直流分量的参考值的表达式为：

其中，表示所述直流分量的参考值；表示所述有效值；表示直流分量的参考值与有效值之间的对应关系。

9.根据权利要求6所述的谐波抑制方法，其特征在于，所述确定控制电源的控制参数，还包括：

对所述变压器的输出电压波形进行谐波分析，确定谐波分量的幅值；

基于所述幅值，确定所述控制电源输出电流中交流分量的参考值。

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