一種抑制直流和雜散諧波電流進入變壓器中性點的裝置的製作方法

2023-12-09 17:41:36 1

本發明屬於電力系統領域，更具體地，涉及一種抑制直流和雜散諧波電流進入變壓器中性點的裝置。

背景技術：

變壓器直流偏磁問題最早起源於地磁風暴，當磁暴發生時，在變化的地球磁場作用下，在土壤電阻率較高的地區可以引發每公裡幾伏到十幾伏，持續時間在幾分鐘到幾小時的地面電勢，在電力系統中產生感應電流，進而導致變壓器出現直流偏磁現象。隨後隨著我國西電東送、全國聯網戰略逐步實施，超特高壓直流輸電線路輸送能力不斷增強，當直流輸電因為各種原因採用不對稱運行方式和單極運行方式是，會產生巨大的入地電流(幾百安甚至上千安)從輸電線路接地一側流入地下，以大地為迴路，再從另一側流入電網系統，導致變壓器出現直流偏磁。同時近些年來中國許多大型城市都開始進行城市軌道交通建設，隨著軌道交通的興起相關大量的研究表明軌道交通的軌道與大地之間難以做到完全絕緣，導致有一部分的電流在鋼軌和大地絕緣較差的地方洩露流入大地，形成中性點電流。該部分中性點電流除了含有直流分量外還含有交流分量，該部分雜散電通過變壓器中性點流入交流電網導致變壓器直流偏磁的問題日益複雜。

目前抑制交流變壓器直流偏磁方案大致分為三類。第一類是反向注入電流法；第二類是中性點串聯電阻法；第三類是中性點串電容法。目前第三類方法中性點串電容法由於控制相對簡單，成本相對較低在變壓器中性點直流偏磁問題上得到了較為廣泛的應用，但傳統意義上的中性點串電容法基於目前中性點電流來源和成分複雜已經無法取得良好的抑制中性點電流進入變壓器中性點的效果，其主要原因是目前中性點電流中的雜散諧波分量無法通過電容器得到有效的抑制。

技術實現要素：

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種抑制直流和雜散諧波電流進入變壓器中性點的裝置，旨在解決現有技術的中性點電流中的雜散諧波分量無法通過電容器得到有效抑制的問題。

本發明提供了一種抑制直流和雜散諧波電流進入變壓器中性點的裝置，包括：雜散諧波電流抑制裝置、隔直電容器、非線性電阻、旁路保護裝置和第一電流互感器；隔直電容器的一端連接至交流變壓器中性點，隔直電容器的另一端連接至所述雜散諧波電流抑制裝置的輸出端正極；雜散諧波電流抑制裝置的輸入端用於連接三相交流系統的輸出端；非線性電阻的一端連接至隔直電容器的一端，非線性電阻的另一端連接至雜散諧波電流抑制裝置的輸出端負極；旁路保護裝置與非線性電阻並聯連接；第一電流互感器連接在雜散諧波電流抑制裝置的輸出端負極。

更進一步地，雜散諧波電流抑制裝置包括：包括：聯動開關k2、第二非線性電阻r2、隔離變壓器、dc/ac變換器、濾波電容器和ac/dc變換器；所述隔離變壓器一次側一端用於連接所述隔直電容器，所述隔離變壓器一次側另一端接地；所述第二非線性電阻r2並聯連接至所述隔離變壓器二次側的兩端，所述隔離變壓器二次側還連接至所述dc/ac變換器的交流側，所述dc/ac變壓器的直流側連接至所述ac/dc變換器的直流側，所述濾波電容器並聯連接在所述dc/ac變壓器的直流側，所述ac/dc變換器的交流側通過所述聯動開關k2連接至三相交流系統。

更進一步地，旁路保護裝置包括n個旁路保護單元，依次並聯在所述非線性電阻的兩端。

更進一步地，旁路保護單元包括：第一晶閘管scr11，第二晶閘管scr12和限流電抗；限流電抗的一端連接至交流變壓器中性點，限流電抗的另一端連接至第一晶閘管scr11的陽極和第二晶閘管scr12的陰極；第一晶閘管scr11的陰極和第二晶閘管scr12的陽極均接地；第一晶閘管scr11的控制極和第二晶閘管scr12的控制極均連接至外部控制電路的控制信號輸出端。

旁路保護單元可以為保護隔直電容器不會被暫態高壓擊穿和避免交流變壓器中性點電位升高後威脅其安全運行的任何含有電力電子開關或機械開關的拓撲結構。

更進一步地，旁路保護單元包括：第一電晶體igbt11、第二電晶體igbt12、限流電抗和放電電阻；限流電抗的一端連接至所述交流變壓器中性點，所述限流電抗的另一端連接至所述第一電晶體igbt11的漏極，所述第一電晶體igbt11的源極連接至所述第二電晶體igbt12的源極，所述第二電晶體igbt12的漏極接地，所述第一電晶體igbt11的柵極和所述第二電晶體igbt12的柵極均連接外部的控制信號；放電電阻的一端連接至所述第一電晶體igbt11的漏極，放電電阻的另一端連接至所述第二電晶體igbt12的漏極。

更進一步地，雜散諧波電流抑制裝置還包括：ac/dc變換器控制單元和dc/ac變換器控制單元；所述ac/dc變換器控制單元為所述ac/dc變換器提供用於控制其導通或關斷的控制信號；所述dc/ac變換器控制單元為所述dc/ac變換器提供用於控制其導通或關斷的控制信號。

非線性電阻用於保護旁路保護單元中電子電子器件，防止電力電子器件在關斷瞬間產生的高電壓損壞電力電子器件。

更進一步地，dc/ac變換器控制單元包括：依次連接的電流採樣分析單元、諧波分析單元和控制信號輸出單元，所述電流採樣分析單元用於採樣中性點電流並判斷採樣信號是否正確，如果採樣正確則將運算結果輸送到諧波分析單元，如果採樣錯誤則請求人工服務；所述諧波分析單元用於將採樣的中性點電流進行分析得出所需要抑制的諧波電流大小；所述控制信號輸出單元用於將所需抑制諧波電流轉換為dc/ac變換器電力電子器件的開通與關斷信號並輸出該信號。

通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，由於加入了雜散諧波電流抑制裝置，通過雜散諧波抑制裝置輸出方向相反、大小相等的中性點電流中交流分量，使中性點電流的交流分量被雜散諧波抑制裝置抵消，從而能夠取得抑制中性點電流中交流成分的有益效果。

附圖說明

圖1是本發明抑制交流變壓器中性點直流和雜散諧波電流裝置的結構示意圖；

圖2是本發明抑制交流變壓器中性點直流和雜散諧波電流裝置中雜散諧波電流抑制裝置的結構示意圖；

圖3是本發明抑制交流變壓器中性點直流和雜散諧波電流裝置中雜散諧波電流抑制裝置的一種典型實例；

圖4是本發明抑制交流變壓器中性點直流和雜散諧波電流裝置中dc/ac變換器控制單元的具體功能模塊單元。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

本發明具體是涉及到一種抑制交流變壓器中性點直流和雜散諧波電流流入的裝置；可以改善由直流和雜散諧波電流通過變壓器中性點流入交流變壓器導致變壓器噪聲變大、機械振動加劇、發熱和諧波損耗增加等狀況。

本發明針對於軌道交通發達的城市區域設計出一種抑制直流和雜散諧波電流進入變壓器中性點的裝置。目前由軌道交通產生的中性點電流成分複雜，該裝置通過分別抑制直流分量和諧波分量達到減小中性點電流對變壓器影響的效果。

本發明採用變壓器中性點串聯隔直電容器和雜散諧波電流抑制裝置，外加旁路保護裝置和非線性電阻的方案抑制交流變壓器中性點直流偏磁。旁路保護裝置可以採用機械開關或電力電子開關，用於保護隔直電容器不會被暫態高壓擊穿和避免交流變壓器中性點電位升高後威脅其安全運行。非線性電阻用於保護旁路保護裝置中的電力電子器件，防止電力電子器件在關斷瞬間產生的高電壓損壞電力電子器件。

本發明提供了一種抑制交流變壓器中性點直流和雜散諧波電流的裝置，包括：雜散諧波電流抑制裝置、隔直電容器c1、第一非線性電阻r1、旁路保護裝置和第一電流互感器；隔直電容器c1的一端連接至交流變壓器中性點，隔直電容器c1的另一端連接雜散諧波電流抑制裝置；雜散諧波電流抑制裝置接地；第一非線性電阻r1並聯於旁路保護裝置兩端；第一電流互感器串聯於雜散諧波電流抑制裝置負極與開關k3之間；旁路保護裝置由電力電子開關或機械開關及相關器件構成。

在本發明實施例中，雜散諧波電流抑制裝置包括：開關k2、第二非線性電阻r2、隔離變壓器、dc/ac變換器、濾波電容器和ac/dc變換器。隔離變壓器一次側一端連接至隔直電容器，另一端接地，第二非線性電阻r2並聯於隔離變壓器二次側兩端，二次側連接dc/ac變換器的交流側，dc/ac變壓器直流側連接ac/dc變換器的直流側，同時並聯濾波電容器。ac/dc變換器的交流側連接三相400v交流電。

在本發明實施例中，dc/ac變換器和ac/dc變換器可以採用包括半橋、全橋等所有可以實現交直流變換的電力電子器件和結構。

在本發明實施例中，旁路保護裝置包括n個旁路保護單元，依次並聯在非線性電阻r1的兩端。

作為本發明的一個實施例，旁路保護單元包括：第一晶閘管scr11，第二晶閘管scr12和限流電抗；限流電抗的一端連接至交流變壓器中性點，限流電抗的另一端連接至第一晶閘管scr11的陽極和第二晶閘管scr12的陰極；第一晶閘管scr11的陰極和第二晶閘管scr12的陽極均接地；第一晶閘管scr11的控制極和第二晶閘管scr12的控制極均連接至外部控制電路的控制信號輸出端。

作為本發明的另一個實施例，旁路保護單元包括：第一電晶體igbt11、第二電晶體igbt12、限流電抗和放電電阻；限流電抗的一端連接至所述交流變壓器中性點，所述限流電抗的另一端連接至所述第一電晶體igbt11的漏極，所述第一電晶體igbt11的源極連接至所述第二電晶體igbt12的源極，所述第二電晶體igbt12的漏極接地，所述第一電晶體igbt11的柵極和所述第二電晶體igbt12的柵極均連接外部的控制信號；放電電阻的一端連接至所述第一電晶體igbt11的漏極，所述放電電阻的另一端連接至所述第二電晶體igbt12的漏極。

該裝置可以解決目前由軌道交通、直流輸電和地磁風暴等引起的變壓器中性點直流偏磁問題。目前變壓器中性點電流包含直流分量和交流分量，該裝置通過隔直電容器隔離直流電流特性抑制中性點電流直流分量流入變壓器，通過雜散諧波電流抑制裝置注入與中性點電流交流分量大小相同、正負相反的交流電流抑制中性點交流分量流入變壓器。從而抑制中性點電流進入變壓器中性點，進而對電力系統產生不良影響。

本發明提出了一種新的交流變壓器中性點隔離直流和雜散諧波電流方案，既能適應hvdc單極大地運行情況，也可以適應有地鐵等大量軌道交通的城市地區(中性點電流中含有諧波)的一套可行性較高的新型隔離裝置，從而減少交流變壓器中性點因直流偏磁而造成的危害。該裝置由雜散諧波電流抑制裝置、隔直電容器、旁路保護裝置、非線性電阻和電流互感器構成。

本發明主要針對的是城市中存在地鐵等大量軌道交通的地區設計提出的一種新型交流變壓器中性點電流抑制裝置，特別適合於由於中性點電流值較大且構成複雜的地區。該裝置同樣可適用於交流變壓器中性點隔離由於高壓直流輸電以及地磁等引起的直流電流問題。

本發明採用的抑制交流變壓器中性點直流偏磁的方案為中性點串聯隔直電容器和雜散諧波電流抑制裝置，外加旁路保護裝置和非線性電阻。旁路保護裝置由電力電子開關或機械開關構成，當檢測到隔直電容器過電流或過電壓運行時，旁路保護裝置投入使用；當故障消除後，旁路保護裝置停止保護，從而保護隔直電容器不會被暫態高壓擊穿和避免交流變壓器中性點電位升高後威脅其安全運行。隔直電容器用於阻斷中性點電流中的直流分量進入交流變壓器中性點，雜散諧波電流抑制裝置用於阻斷雜散電流中的交流分量進入交流變壓器中性點。第一電流互感器與第二電流互感器用於實時監測直流和雜散諧波電流，通過第一電流互感器與第二電流互感器的數據對比，確保測量電流數據的準確性，提高設備安全可靠性能。

雜散諧波電流抑制裝置由開關k2、第二非線性電阻r2、隔離變壓器，dc/ac變換器、濾波電容器和ac/dc變換器構成。所述雜散諧波電流抑制裝置中第二非線性電阻r2作用為當電力系統發生短路故障(特別是不對稱短路)且旁路保護裝置拒動或產生動作延時，防止故障大電流經隔離變壓器流入ac/dc變換器和dc/ac變換器，損壞變換器中電力電子器件。

雜散諧波電流抑制裝置的檢測諧波方法：通過對第一電流互感器和第二電流互感器測量值is分析，了解諧波電流特性。目前常用的諧波監測方法包含基波提取法(間接提取法)和諧波直接提取法，具體可以採用同步旋轉坐標變換檢測算法或遞歸離散傅立葉變換算法等計算諧波電流分量等方法。

雜散諧波電流抑制裝置的控制方法的具體思路主要有兩種，第一種是通過諧波檢測計算出各頻率諧波分量，然後通過雜散諧波電流抑制裝置向變壓器中性點分別輸出反向各頻率諧波電壓用於抵消雜散諧波電流分量；第二種是通過諧波檢測計算出基波分量後，將所有雜散諧波電流通過有效控制策略控制電力電子器件開通與關斷使雜散諧波電流抑制裝置向變壓器中性點直接輸出反向諧波電壓使雜散諧波電流趨近於0，用於抵消諧波分量。

雜散諧波電流抑制裝置的控制策略：目前較為常用的有三種控制策略，分別為三角波調製法、滯環比較控制法和無差拍控制法，但控制策略也不僅限於上述的三種控制方法。

下面結合附圖對本發明進一步詳細說明。本發明提出了一種抑制直流和雜散諧波電流進入變壓器中性點的裝置，具體的拓撲結構如圖1。

圖1中開關k1為交流變壓器中性點直接接地刀閘，抑制直流和雜散諧波電流進入變壓器中性點的裝置1包括：開關k3、第一非線性電阻r1、隔直電容器c1、雜散諧波電流抑制裝置和旁路保護裝置；旁路保護裝置可以由任何能夠實現防止隔直電容器出現過電流或過電壓現象的機械開關或電力電子開關及相關器件構成。雜散諧波電流抑制裝置具體拓撲結構如圖2。該雜散諧波電流抑制裝置具體工作原理如下：從400v交流電網取交流電經ac/dc變換器轉換為直流電並由濾波電容器進行濾波，直流電再經dc/ac變換器轉換為幅值和頻率一定的交流電(根據雜散諧波電流的幅值和頻率而定)，經由隔離變壓器輸出交流電至交流變壓器中性點從而抵消雜散諧波電流，抑制雜散諧波電流對變壓器中性點的影響。第二非線性電阻r2用於保護旁路保護裝置中的電力電子器件，防止電力電子器件在關斷瞬間產生的高電壓損壞電力電子器件。

雜散諧波電流抑制裝置的一種典型實例如圖3，隔離變壓器一次側埠1連接至隔直電容器，埠2接地；第二非線性電阻r2並聯與隔離變壓器二次側兩端；隔離變壓器二次側連接至dc/ac變換器。該dc/ac變換器工作原理如下：當雜散諧波電流抑制裝置工作時，首先通過電流互感器測量出中性點電流is，通過dsp進行中性點電流分析，計算出諧波的幅值與頻率等特性，進而設置電力電子器件的開通與關斷的頻率與時間使dc/ac變換器輸出與雜散諧波電壓(由中性點電流is中諧波電流產生)幅值呈一定倍數、正負相反的電壓，再經隔離變壓器輸出與雜散諧波電壓幅值相同、正負相反的電壓，用於抑制中性點電流進入變壓器中性點。dc/ac變換器另一側連接濾波電容器c2和ac/dc變換器。濾波電容器用於過濾ac/dc變換器輸出直流電壓中的諧波。ac/dc變換器另一側連接400v交流系統，從400v交流系統取電轉換為所需幅值的直流電壓。ac/dc變換器輸出的直流電壓幅值從雜散諧波電流抑制裝置中各電力電子器件的耐受電壓等級和經濟性考慮，選取合適的直流電壓等級即可。控制單元分為旁路保護裝置控制單元和雜散諧波電流抑制裝置中dc/ac變換器控制單元和ac/dc變換器控制單元。ac/dc變換器控制單元只需要維持輸出的直流電壓恆定在整定值，其控制策略和方法均已很成熟。下面主要介紹dc/ac變換器控制單元。圖4是dc/ac變換器控制單元的具體功能模塊單元結構，包含電流採樣與分析單元、諧波分析單元和控制信號發生單元。下面採用控制策略為三角波調製法時，控制思路為第二種時，說明其具體工作原理。電流採樣與分析單元首先對第一電流互感器和第二電流互感器的數據進行採樣並分析採樣數據是否正確，如果正確，取第一電流互感器和第二電流互感器同一時間點採樣的平均值送入諧波分析單元，如果採樣數據錯誤，具體表現在電流相角或數值明顯存在偏差則報錯，請求人工處理；諧波分析單元將電流採樣與分析單元送入的波形運用同步旋轉坐標變換檢測算法或遞歸離散傅立葉變換算法等方法計算基波電流分量，然後將基波電流減去第一與第二互感器採樣平均值的數據作為調製波送入控制信號發生單元；控制信號發生單元將調製波與高頻三角波對比，採用pwm等技術手段發出電力電子器件的開通與關斷信號。

在本發明實施例中，抑制交流變壓器中性點直流和雜散諧波電流裝置的工作狀態總共有4種：(1)電力系統無故障狀態且中性點電流超過整定值狀態；(2)電力系統無故障但中性點電流超過整定值狀態；(3)電力系統故障狀態；(4)檢修狀態。

具體包括：

(1)當電力系統無故障狀態且中性點電流超過整定值狀態時，開關k1閉合，開關k2、開關k3斷開，抑制直流和雜散諧波電流進入變壓器中性點裝置處於非運行狀態，交流變壓器中性點直接接地，交流變壓器和電力系統正常運行。

(2)當電力系統無故障但中性點電流超過整定值狀態時，開關k1關斷，開關k2、開關k3閉合，抑制直流和雜散諧波電流進入變壓器中性點裝置投入運行，交流變壓器中性點經隔直電容器和雜散諧波電流抑制裝置接地，旁路保護裝置處於非運行狀態，抑制通過中性點流入交流變壓器的中性點電流。

(3)當電力系統處於故障狀態時，如電力系統發生單相短路時，有零序大電流流進變壓器中性點入地。保護系統檢測到過電流或過電壓，開關k1、開關k2關斷，開關k3閉合，旁路保護裝置投入運行，此時隔直電容器和雜散諧波電流抑制裝置被短路，故障電流經旁路保護裝置流入大地，從而保護隔直電容器和雜散諧波電流抑制裝置。待故障電流消失後，旁路保護裝置停止保護動作，再根據實時檢測結果，將裝置運行狀態調整為狀態(1)或狀態(2)。

(4)當抑制裝置處於檢修狀態時，開關k1閉合，開關k2、開關k3斷開，交流變壓器中性點直接接地。抑制直流和雜散諧波電流進入變壓器中性點裝置處於非運行狀態，待隔直電容器c1和濾波電容器c2放電完成後，對抑制直流和雜散諧波電流進入變壓器中性點裝置進行檢修。

本發明針對於交流變壓器中性點直流偏磁問題提出了新的拓撲結構。由於該裝置加入雜散諧波電流抑制裝置，所以該裝置可以同時抑制中性點電流直流分量和交流分量對變壓器的影響，從而儘可能的抑制變壓器直流偏磁。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。