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CN117277319A - 一种基于正交型可控电抗器的可调滤波方法及装置 - Google Patents

一种基于正交型可控电抗器的可调滤波方法及装置 Download PDF

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CN117277319A
CN117277319A CN202311228120.2A CN202311228120A CN117277319A CN 117277319 A CN117277319 A CN 117277319A CN 202311228120 A CN202311228120 A CN 202311228120A CN 117277319 A CN117277319 A CN 117277319A
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CN
China
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orthogonal
controllable reactor
control system
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analysis
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Application number
CN202311228120.2A
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郝炜
柯焰明
张亚伟
柯广
何雄峰
殷洪顺
王子龙
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China City Environment Protection Engineering Ltd
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China City Environment Protection Engineering Ltd
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)

Abstract

本发明提出一种基于正交型可控电抗器的可调滤波方法及装置，该方法及装置将正交型可控电抗器与电容器组合接入电网系统的电路中，使得其在所需要的频率段内能在任何频率点均可调谐以实现频率可调进行谐波滤除，同时通过调节可控电抗器的电感值对电网系统进行容性或感性的无功补偿，使得电网系统所需无功Qs＝Q负载+QL‑QC为恒定值，降低系统的电压波动，提高功率因数，提高设备利用效率。

Description

一种基于正交型可控电抗器的可调滤波方法及装置
技术领域
本发明涉及电力设备技术领域，特别涉及一种基于正交型可控电抗器的可调滤波方法及装置。
背景技术
电网中谐波含有率的多少、电压的偏差等直接反映了该电力系统电能的质量情况，谐波及无功功率对电力系统的危害极大，使电网功率因数降低，产生高次谐波，电压波形畸变，电压波动，闪变和三相不平衡，造成电能质量下降，网络损耗增加等不良影响。为了保障电网中各系统、电力设备的稳定运行，在谐波含量超标的电网中往往需要对其进行电能质量的治理，其中就包括谐波滤除以及无功补偿。
目前工程中常用的谐波滤除的方式主要为采用单调谐滤波器、二阶或三阶滤波器、高通或低通滤波器、带通滤波器，现有的滤波器滤除的谐波频次主要对某特定频率(工频的整数倍)的滤波进行滤除，一台滤波设备难以对不同频率的谐波以及频率连续变化的谐波(间谐波)实现滤除。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于正交型可控电抗器的可调滤波方法及装置，该方法及装置能跟随电网中的谐波频次自行调整该滤波支路的谐振频率，从而实现可调滤波的功能，同时还可以作为可调无功补偿装置对系统进行无功补偿。具体技术方案如下：
一种基于正交型可控电抗器的可调滤波方法，该方法的具体步骤如下：
S1、通过设置在电网系统中的电气数据采集设备实时采集监测点的各电气量参数并上传至主控制系统；
S2、主控制系统的分析运算模块对所采集的电气量参数进行分析，根据分析结果选择需要执行的运行模式，运行模式包括谐波滤除模式和无功补偿模式，当选择运行谐波滤除模式时，继续执行步骤S3，当选择运行无功补偿模式时，则执行步骤S4；
S3、根据分析运算模块对电流、电压谐波的分析计算结果，给出对应工况下谐波滤除支路所需调整的电抗值及调整的方式，同时输出至直流控制系统，直流控制系统调整直流输出作用于正交型可控电抗器，通过闭环的检测和调整完成电感值的调整；
S4、根据分析运算模块对有功功率、无功功率、功率因数的分析计算结果，给出对应工况下无功补偿支路所需调整的电抗值及调整的方式，同时输出至直流控制系统，直流控制系统调整直流输出作用于正交型可控电抗器，通过闭环的检测和调整完成电感值的调整。
进一步的，步骤S1中的电气量参数包括电流I、电压U、有功功率P、无功功率Q、功率因素cosφ中至少之一。
进一步的，步骤S2中对所采集的电气量参数进行分析包括进行有功无功平衡分析、电压电流的畸变率分析、功率因素检测中至少之一。
进一步的，步骤S2中根据分析结果选择需要执行的运行模式是当电网中的谐波含量超标、功率因数没有问题时，选择运行谐波滤除的模式，当电网中的谐波含量正常，功率因数偏低，就选择运行无功补偿的模式，当同时出现谐波含量超标、功率因数偏低时，根据实际需求设置运行模式的主从关系，亦可手动控制运行模式可手动控制运行模式，设置好主从关系。
同时，本发明还提供了一种基于正交型可控电抗器的可调滤波装置，用于实现上述基于正交型可控电抗器的可调滤波方法，该装置包括设置在电网中正母线和负母线上的电气数据采集终端，以及与其输出端连接的主控制系统、与主控制系统的输出端连接的直流控制系统、与直流控制系统的输出端连接并设置在负母线上的正交型可控电抗器、与正交型可控电抗器串联并接地的电容器，其中正交型可控电抗器也与所述主控制系统连接。
进一步的，电气数据采集终端用于采集电网中各监测点的各电气量参数。
进一步的，主控制系统用于对所采集的电气量参数进行分析计算，同时还用于监测所述正交型可控电抗器的电抗值及运行模式。
进一步的，直流控制系统用于根据所述主控制系统的电气量参数分析计算结果调整直流电流的输出大小，从而使得所述正交型可控电抗器的电感值可调。
进一步的，正交型可控电抗器与所述电容器组合接入电路中，在所需要的频率段内能在任何频率点均可调谐，以实现频率可调进行谐波滤除，同时通过调节电感值对电网进行容性或者感性的无功补偿。
进一步的，正交型可控电抗器的结构为十字型或丰字型。
本发明所采用的上述技术方案，通过将电感值可调的正交型可控电抗器与电容器组合接入电网电路中，能跟随电网系统中谐波频次自行调整滤波支路的谐振频率，从而实现可调滤波，同时可对电网系统进行无功补偿，降低系统的电压波动，提高功率因数，提高设备利用效率，节省投资。
附图说明
图1为本发明基于正交型可控电抗器的可调滤波方法的流程图；
图2为本发明基于正交型可控电抗器的可调滤波装置的结构图；
图3为本发明实施例中的十字型正交可控电抗器的结构示意图；
图4为本发明实施例中的十字型正交可控电抗器的正交区域磁场示意图；
图5为本发明方法中三相不平衡负载的无功补偿示意图；
图6为本发明方法中Y-△不同接法对应的无功补偿关系示意图。
图7为本发明基于正交型可控电抗器的可调滤波装置中正交型可控电抗器的丰字型结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：本实施例提供一种基于正交型可控电抗器的可调滤波方法，其流程如图1所示，具体步骤如下：
S1、通过设置在电网中的电气数据采集设备实时采集监测点的各电气量参数，所采集的电气量参数包括电压U、电流I、有功功率P、无功功率Q、功率因数cosφ等，并将采集的电气量数据上传至主控制系统；
S2、主控制系统的分析运算模块对所采集的电气量数据进行有功无功平衡分析、电压电流的畸变率分析、功率因数检测等，根据分析结果可自动或者手动选择需要执行的运行模式，运行模式包括谐波滤除模式及无功补偿模式，当需要运行谐波滤除模式时，继续执行步骤S3，当需要运行无功补偿模式时，则执行步骤S4；
具体的，当电网中的谐波含量超标，功率因数没有问题时，选择运行谐波滤除的模式，反之，当电网中的谐波含量正常，功率因数偏低，就选择运行无功补偿的模式，当同时出现谐波含量超标、功率因数偏低时，根据实际需求设置运行模式的主从关系，亦可手动控制运行模式可手动控制运行模式，设置好主从关系。
S3、根据分析运算模块对电流、电压谐波的分析计算，给出对应工况下谐波滤除支路所需调整的电抗值及调整的方式，同时输出至直流控制系统，直流控制系统调整直流输出作用于正交型可控电抗器，通过闭环的检测和调整完成电感值的调整，之后返回至步骤S1；
参见图3所示，作为正交型可控电抗器的一种可选实施方案，其交流铁芯为闭合铁芯，直流铁芯分别由两个相同的C型铁芯在交流铁芯的中间与之正交构成“十”字型正交可控电抗器，其中，交流绕组为工作绕组，包含Wac1、Wac2两个绕组且分别绕在交流铁芯的两边柱；直流绕组为控制绕组，包含Wdc1、Wdc2两个绕组且分别在两个C型直流铁芯的边柱。在交流绕组及直流绕组分别施加激励时，其产生的交流磁通及直流磁通在铁芯相交的部分形成正交的磁场，通过控制直流电流的大小从而改变正交部分的磁场强度，等效于改变正交部分的磁导率，从而使得电抗器的电感值可调。将该种正交型可控电抗器与电容器组合接入电路中，使得其在所需要的频率段内能在任何频率点均可调谐以实现频率可调进行谐波滤除。
图3所示正交型可控电抗器的正交区域所产生的磁场如图4所示，该电抗器的特性为：
上式(1)中，Ba、Bd分别为交流铁芯非正交部分磁感应强度及直流铁芯非正交部分磁感应强度，上式(2)中Na为交流绕组线圈的总匝数；la1、la2分别为非正交部分磁路长度及单个正交部分磁路长度；μo为正交部分的磁导率，μa1为交流铁心非正交部分的磁导率。
当交流回路电流一定，直流回路所加控制电流为0时，交直流铁芯正交区域的磁导率μo达到最大值，此时该正交可控电抗器电感L有最大值。
当交流回路电流一定，直流回路所加控制电流达到正交电抗器本体所设计最大值时，交直流铁芯正交区域的磁导率μo达到最小值，此时电感L有最小值。
电感值L在最大值与最小值之间连续无极差的变化。
根据滤波的原理可知，对于n次谐波的滤波支路需满足该回路的感抗等于容抗，可表示为
式中，n为谐波频次，为任意大于等于1的正数，当n为整数时，为标准的n次谐波，当n不为整数时，为间谐波；ω为基波角频率。
从式(3)中可知，电容器一定，n增大时，对应所需的电感值需减小△L，此时分为两种情况：
(1)当随着谐波频次n增大，对应频次的谐波电流In也增大时
根据电磁学定律可知，随着In的增大，μa1、μo随之减小，此时电感值减小。当由交流回路引起的变化量△La大于等于所需△L时，此时则需减小直流侧输入以降低Bd，使得μo适当增大，L适当增大以回到新的谐振点。由直流回路引起的电感变化量为△Ld，此时需满足
△L＝△La-△Ld (4)
当由交流回路引起的变化量△La小于所需△L时，此时则需增加直流侧输入以增加Bd，使得μo进一步减小，L进一步减小以达到新的谐振点。此时需满足
△L＝△La+△Ld (5)
(2)当随着谐波频次n增大，对应频次的谐波电流In减小时
根据电磁学定律可知，随着In的减小，μa1、μo随之增大，此时电感值始终增大，与所需求的电感值减小的目标相反，此时则需增加直流侧输入以增加Bd，使得μo减小，L减小以达到新的谐振点。由直流回路引起的电感变化量为△Ld，此时需满足
△L＝△Ld-△La (6)
从式(3)中可知，电容器一定，n减小时，对应所需的电感值需增大△L，此时分为两种情况：
(1)当随着谐波频次n减小，对应频次的谐波电流In增大时
根据电磁学定律可知，随着In的增大，μa1、μo随之减小，此时电感值始终减小，与所需求的电感值增大的目标相反，此时则需减小直流侧输入以减小Bd，使得μo增大，L增大以达到新的谐振点。由直流回路引起的电感变化量为△Ld，此时需满足
△L＝△Ld-△La (7)
(2)当随着谐波频次n减小，对应频次的谐波电流In减小时
根据电磁学定律可知，随着In的减小，μa1、μo随之增大，此时电感值增大，当由交流回路引起的变化量△La大于等于所需△L时，此时则需增大直流侧输入以增加Bd，使得μo适当减小，L适当减小以回到新的谐振点。由直流回路引起的电感变化量为△Ld，此时需满足
△L＝△La-△Ld (8)
当由交流回路引起的变化量△La小于所需△L时，此时则需减小直流侧输入以减小Bd，使得μo增大，L进一步增大以达到新的谐振点。
此时需满足
△L＝△La+△Ld (9)
上述内容中，当△Ld大于△La的最大值时，即可实现对该滤波支路调谐频率的连续变化。谐波的频次n的范围决定了△L的大小，谐波电流最大值决定了△La，频次n的最大值、最小值以及最大的谐波电流值共同决定了该滤波支路可调谐的频率范围。
S4、根据分析运算模块对有功功率、无功功率、功率因数的分析计算，给出对应工况下无功补偿支路所需调整的电抗值及调整的方式，同时输出至直流控制系统，直流控制系统调整直流输出作用于正交型可控电抗器，通过闭环的检测和调整完成电感值的调整，之后返回至步骤S1。
具体的，根据斯坦梅兹理论可以得到，△型连接的三相不平衡负载及其无功补偿的方式如图5(a)所示，其ab相之间有功无功分别为Pab、Qab，bc相之间有功无功分别为Pbc、Qbc，ca相之间有功无功分别为Pca、Qca，则其对应的导纳图可表示为图5(b)所示。以ca相之间为例，利用斯坦梅兹原理进行补偿的方式为：在ca相之间将原有电纳值Bca进行本相补偿后，在对其电导Gca利用对称分量法在ab相之间、bc相之间分别补偿的等值电纳以实现ca相之间的平衡。同理，对于ab相之间、bc相之间均做相同处理即可实现三相全部平衡，其补偿的值为
当上式(10)左右两侧同时乘以U2，则上式可用有功无功表示为
在电网中，三相的连接方式为Y型连接方式，对△型无功补偿方式进行Y-△变换可得如图6所示过程，则根据图6内容可得
式(12)中，U为线电压，XrA、XrB、XrC分别为Y型接法各相等效补偿电抗值；QrA、QrB、QRc分别为Y型接法各相等效补偿的无功功率。Xrab、Xrbc、Xrca分别为△型接法时对应的补偿电抗。根据Y-△型变换阻抗之间的关系
代入上式(12)可得
结合图6及式(13)可得△型接线与Y型接线时无功补偿量的对应关系，通过实时采集三相的有功功率及无功功率，结合式(10)及式(13)计算后可知所需的无功补偿量△Q。通过控制正交型可控电抗器的电感值，使得系统所需无功Qs满足式(14)以实现对系统的无功补偿及三相平衡。
Qs＝Q负载+△Q＝Q负载+QL-QC (15)
调整完成后，返回至S1。
实施例2：本实施例提供一种基于正交型可控电抗器的可调滤波装置，如图2所示，该装置包括设置在正母线和负母线上的电气数据采集终端，以及与其输出端连接的主控制系统、与主控制系统的输出端连接的直流控制系统、与直流控制系统的输出端连接并设置在负母线上的正交可控电抗器、连接在正交型可控电抗器和地之间的电容器，同时正交型可控电抗器也与主控制系统连接。
其中，电气数据采集终端用于采集电网中的电气量参数电压U、电流I、有功功率P、无功功率Q、功率因数cosφ等，主控制系统对采集的电气量参数进行有功无功平衡分析、电压电流的畸变率分析、功率因数检测等，同时监测正交型可控电抗器的电抗值和运行模式，直流控制系统根据主控制系统的分析计算结果控制直流电流的输入大小，从而改变正交型可控电抗器正交部分的磁场强度，等效于改变正交部分的磁导率，从而使得正交型可控电感器的电感值可调。正交型可控电感器与电容器组合接入电路中，在所需要的频率段内能在任何频率点均可调谐以实现频率可调进行谐波滤除，同时通过调节可控电抗器的电感值对系统进行容性或感性的无功补偿，使得系统所需无功Qs＝Q负载+QL-QC为恒定值，降低系统的电压波动，提高功率因数。
可选地，正交型可抗电抗器为十字型或丰字型。
本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神和范围。应理解本发明不应限制为此实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (10)

1.一种基于正交型可控电抗器的可调滤波方法，该方法的具体步骤如下：
S1、通过设置在电网中的电气数据采集设备实时采集监测点的各电气量参数并上传至主控制系统；
S2、主控制系统的分析运算模块对所采集的电气量参数进行分析，根据分析结果选择需要执行的运行模式，运行模式包括谐波滤除模式和无功补偿模式，当选择运行谐波滤除模式时，继续执行步骤S3，当选择运行无功补偿模式时，则执行步骤S4；
S3、根据分析运算模块对电流、电压谐波的分析计算结果，给出对应工况下谐波滤除支路所需调整的电抗值及调整的方式，同时输出至直流控制系统，直流控制系统调整直流输出作用于正交型可控电抗器，通过闭环的检测和调整完成电感值的调整；
S4、根据分析运算模块对有功功率、无功功率、功率因数的分析计算结果，给出对应工况下无功补偿支路所需调整的电抗值及调整的方式，同时输出至直流控制系统，直流控制系统调整直流输出作用于正交型可控电抗器，通过闭环的检测和调整完成电感值的调整。
2.根据权利要求1所述的基于正交型可控电抗器的可调滤波方法，其特征在于：步骤S1中所述的电气量参数包括电流I、电压U、有功功率P、无功功率Q、功率因素cosφ中至少之一。
3.根据权利要求1所述的基于正交型可控电抗器的可调滤波方法，其特征在于：步骤S2中所述对所采集的电气量参数进行分析包括进行有功无功平衡分析、电压电流的畸变率分析、功率因素检测中至少之一。
4.根据权利要求1所述的基于正交型可控电抗器的可调滤波方法，其特征在于：步骤S2中所述根据分析结果选择需要执行的运行模式是当电网中的谐波含量超标、功率因数没有问题时，选择运行谐波滤除的模式，当电网中的谐波含量正常，功率因数偏低，就选择运行无功补偿的模式，当同时出现谐波含量超标、功率因数偏低时，根据实际需求设置运行模式的主从关系，亦可手动控制运行模式。
5.一种基于正交型可控电抗器的可调滤波装置，用于实现权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于：该装置包括设置在电网中正母线和负母线上的电气数据采集终端，以及与其输出端连接的主控制系统、与主控制系统的输出端连接的直流控制系统、与直流控制系统的输出端连接并设置在负母线上的正交型可控电抗器、与正交型可控电抗器串联并接地的电容器，所述正交型可控电抗器也与所述主控制系统连接。
6.根据权利要求5所述的基于正交型可控电抗器的可调滤波装置，其特征在于：所述电气数据采集终端用于采集电网中各监测点的各电气量参数。
7.根据权利要求5所述的基于正交型可控电抗器的可调滤波装置，其特征在于：所述主控制系统用于对所采集的电气量参数进行分析计算，同时还用于监测所述正交型可控电抗器的电抗值及运行模式。
8.根据权利要求5所述的基于正交型可控电抗器的可调滤波装置，其特征在于：所述直流控制系统用于根据所述主控制系统的电气量参数分析计算结果调整直流电流的输出大小，从而使得所述正交型可控电抗器的电感值可调。
9.根据权利要求5所述的基于正交型可控电抗器的可调滤波装置，其特征在于：所述正交型可控电抗器与所述电容器组合接入电路中，在所需要的频率段内能在任何频率点均可调谐，以实现频率可调进行谐波滤除，同时通过调节电感值对电网进行容性或者感性的无功补偿。
10.根据权利要求5或9所述的基于正交型可控电抗器的可调滤波装置，其特征在于：所述正交型可控电抗器的结构为十字型或丰字型。
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