專利名稱：基于諧波倒相原理的具有諧波抑制功能的電力變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有諧波抑制功能的電力變壓器(簡稱諧波抑制變壓器)，尤其涉及一種基于倒相原理的具有諧波抑制功能的電力變壓器。
背景技術(shù)：
在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都會產(chǎn)生一些頻率為基波頻率(在我國取工業(yè)用電頻率50Hz為基波頻率)整數(shù)倍的正弦波分量，又稱為高次諧波。諧波的產(chǎn)生主要是來自下列具有非線性特性的電氣設(shè)備(1)具有鐵磁飽和特性的沒備，如變壓器、電抗器等；(2)以具有強(qiáng)烈非線性特性的電弧為工作介質(zhì)的設(shè)備，如氣體放電燈、交流弧焊機(jī)、煉鋼電弧爐等；(3)以電力電子元件為基礎(chǔ)的開關(guān)電源設(shè)備，如各種電力變流設(shè)備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調(diào)速和調(diào)壓裝置，大容量的電力晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等，它們大量用于化工、電氣鐵道、冶金、礦山等工礦企業(yè)以及各式各樣的家用電器中。
供電系統(tǒng)中的諧波危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
1.增加了發(fā)電、輸電、供電和用電設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備過熱，降低設(shè)備的效率和利用率。對供電系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器、輸電線路和電力電容器等設(shè)備造成損害，影響其正常運(yùn)行。
2.影響繼電保護(hù)和自動裝置的工作和可靠性3.使測量和計(jì)量儀器的指示和計(jì)量不準(zhǔn)確4.干擾通信系統(tǒng)的工作5.對用電設(shè)備的影響正因?yàn)楣╇娤到y(tǒng)中的諧波有這么多的危害，所以諧波的抑制問題已引起各界的廣泛關(guān)注，為保證供電系統(tǒng)中所有的電氣，電子設(shè)備能在電磁兼容意義的基礎(chǔ)上進(jìn)行正常、和諧的工作，必須采取有力的措施，抑制并防止電網(wǎng)中因諧波危害所造成的嚴(yán)重后果。
現(xiàn)有技術(shù)通常采用的方法1.增加換流裝置的相數(shù)2.加裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置3.加裝濾波裝置(包括無源濾波和有源濾波裝置)增加換流裝置的相數(shù)無疑增加了設(shè)備的復(fù)雜性和設(shè)備的成本，降低了設(shè)備的可靠性。
加裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置或有源濾波裝置的方法是利用電力電子裝置實(shí)現(xiàn)的，由于電力電子器件的容量小、成本高、可靠性低，且不同諧波源需要采用不同補(bǔ)償對策，再者還可能引發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定問題，因此各國對此技術(shù)還保持著一定的謹(jǐn)慎態(tài)度。所以目前的諧波抑制方法還是以加裝無源濾波裝置的靜態(tài)抑制方法為主。
無源濾波裝置是利用電感電容對諧波的諧振來消除諧波，諧振時(shí)諧振回路阻抗很小，電流很大，損耗增加，而且會引起電抗器的振動與噪聲。
很多獨(dú)立電力系統(tǒng)都有多個(gè)不同電壓等級的電網(wǎng)，各種電壓等級的電網(wǎng)為不同的負(fù)載供電，各具特點(diǎn)。由于電力電子裝置的廣泛使用，往往會導(dǎo)致某一電壓等級的電網(wǎng)中電能質(zhì)量的下降，特別是諧波含量大。為了使某一電壓等級的電網(wǎng)中的諧波不對其他電壓等級的電網(wǎng)造成影響，需要對諧波進(jìn)行抑制或者隔離。本發(fā)明利用不同電壓等級的電網(wǎng)之間本來就存在的變壓器，加入諧波倒相電路，使得諧波得到抑制，避免某一電網(wǎng)的諧波對其他電壓等級電網(wǎng)的負(fù)載造成的影響，實(shí)現(xiàn)相互隔離。本發(fā)明利用電網(wǎng)本身具有的電力變壓器，僅僅加入電感電容諧波倒相支路，避免不同電壓等級的電網(wǎng)之間諧波的影響，具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備少、成本低、可靠性高、不存在大的諧振電流等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于諧波倒相原理的具有諧波抑制功能的電力變壓器，利用所述變壓器削弱變壓器一次側(cè)電網(wǎng)中的諧波電壓對二次側(cè)負(fù)載的影響，它包括a、由電感、電容串聯(lián)組成的諧波倒相電路；b、兩臺容量、變比等完全相同的獨(dú)立電力變壓器，兩臺變壓器的容量分別為總?cè)萘康囊话耄谝蛔儔浩鱝直接與電源相聯(lián)，第二變壓器b經(jīng)過諧波倒相支路與電源相聯(lián)，兩臺變壓器的二次側(cè)串聯(lián)給負(fù)載供電；其特征在于所述諧波倒相電路由電感L、電容C串聯(lián)組成，它直接與電源相聯(lián)，電感L和電容C的參數(shù)必須使電容C上分壓得到的n次諧波電壓相位與電源的n次諧波電壓相位相差180度，其中n是需要抑制的諧波次數(shù)，同時(shí)電容C上分壓得到的基波電壓相位與電源的基波電壓相位基本相同；第一變壓器a直接與電源相聯(lián)，第二變壓器b取諧波倒相支路的電容C上的電壓作為電源，兩臺變壓器的二次側(cè)串聯(lián)給負(fù)載供電，因此對于基波而言，兩臺變壓器一次側(cè)電壓相位相同，二次側(cè)串聯(lián)則基波電壓相加，所以兩臺變壓器的變比與用一臺變壓器進(jìn)行變壓時(shí)一臺變壓器的變比小一倍，對于所需抑制的n次諧波而言，由于諧波倒相支路的作用，第二變壓器b的一次側(cè)的n次諧波電壓與第一變壓器a的一次側(cè)的n次諧波電壓互差180度，即反相，所以二次側(cè)串聯(lián)使得二次側(cè)的n次諧波電壓互相抵消，從而達(dá)到抑制諧波的功能，同時(shí)其余次數(shù)的諧波分量也將具有一定的削弱作用；理論分析和實(shí)驗(yàn)表明諧波抑制變壓器能濾去三相交流電網(wǎng)中70％以上的諧波，能極大地改善獨(dú)立電力系統(tǒng)變壓器負(fù)載端的電能質(zhì)量。
根據(jù)電源相數(shù)的不同，本發(fā)明涉及的諧波抑制變壓器可以是單相、三相或多相變壓器。


圖1是諧波抑制變壓器的原理圖。
圖2a是諧波倒相原理的基波電路，圖2b為基波相量圖。
圖3a是諧波倒相原理的5次諧波電路，圖3b為5次諧波相量圖。
圖4是低壓側(cè)空載情況下，諧波抑制變壓器的基波電路圖。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例以基于諧波倒相原理的具有諧波抑制功能的單相變壓器為例，結(jié)合

具體的實(shí)施方式。
圖1是諧波抑制變壓器的原理圖。諧波抑制變壓器設(shè)置一條由電感L和電容C組成的諧波倒相支路，利用該LC支路使得電容兩端的n次諧波電壓與電源的n次諧波電壓相位相差180°，其中n為需要消除的諧波電壓的諧波次數(shù)，將電源電壓中n次諧波的相位倒相，然后將原電壓和經(jīng)過倒相后的電壓分別加在兩臺變壓器的一次側(cè)。再將這兩臺變壓器的二次側(cè)串聯(lián)起來，這樣兩臺變壓器的二次側(cè)電壓中的n次諧波將相互抵消，得到的輸出電壓中將不再含有該次諧波，這樣就達(dá)到了消除某次特定次數(shù)諧波的目的。同時(shí)該倒相支路對其余次數(shù)的諧波分量也將具有一定的削弱作用。
圖1所示的諧波抑制變壓器的諧波倒相支路由L、C組成。對基波而言，其電路及其相量圖，如圖2a和2b所示。i為基波輸入電壓， 為基波輸入電流，L為電感上的基波電壓，C為電容上的基波電壓。xL和xC為倒相支路上電感和電容的電抗值。
對5次諧波而言，其電路及其相量圖如圖3a和3b所示。i5為5次諧波輸入電壓， 為5次諧波輸入電流，L5為電感上的5次諧波電壓，C5為電容上的5次諧波電壓。那么，I·i5=U·i5jxC/5+j5xL]]>U·L5=I·i5·j5xL=U·i5jxC/5+j5xL·j5xL=U·i5xC/5+5xL·5xL]]>U·C5=I·i5·jxC/5=U·i5jxC/5+j5xL·jxC/5=U·i5xC/5+5xL·xC/5]]>如果要將輸入電壓中的5次諧波電壓的相位移相180°，即C5＝-i5，則xC/5xC/5+5xL=-1.]]>對于n次諧波，則xC/nxC/n+nxL=-1.]]>
由此可求得倒相電感和倒相電容的比值為xC＝-12.5xL可見當(dāng)?shù)瓜嘀返碾姼泻碗娙轁M足xC＝-12.5xL時(shí)，該支路正好能將5次諧波電壓的相位移相180°，此時(shí)該支路對基波和各次諧波的影響如下。
對基波I·i=U·ijxC+jxL=U·i-j12.5xL+jxL=-0.087U·ijxL]]>U·L=I·i·jxL=-0.087U·ijxL·jxL=-0.087U·i]]>U·C=I·i·jxC=-0.087U·ijxL·(-j12.5xL)=1.087U·i]]>此時(shí)，電容電壓UC＝1.087Ui，而且兩者相位相同。
對5次諧波I·i5=U·i5jxC/5+j5xL=U·i5-j2.5xL+j5xL=0.4U·i5jxL]]>U·L5=I·i5·j5xL=0.4U·i5jxL·j5xL=2U·i5]]>U·C5=I·i5·jxC/5=0.4U·i5jxL·(-j2.5xL)=-U·i5]]>此時(shí)，電容電壓UC5＝Ui5，但兩者相位相反。
依此類推，對v次諧波I·iv=U·ivjxC/v+jvxL=U·iv-j12.5xL/v+jvxL=1v-12.5/v·U·ivjxL]]>U·Lv=I·iv·jvxL=1v-12.5/v·U·ivjxL·jvxL=vv-12.5/v·U·iv]]>U·Cv=I·iv·jxC/v=1v-12.5/v·U·ivjxL·(-j12.5xL/v)=-12.5v2-12.5·U·iv]]>此時(shí)，電容電壓UCv=12.5v2-12.5·Uiv,]]>而且對所有高于5次的諧波，兩者相位仍然相反。
由此可見，如果針對5次諧波設(shè)置一個(gè)倒相支路，令倒相電容和電感的取值為xC＝-12.5xL，可以在倒相電容上得到一個(gè)與原電壓反相的5次諧波電壓，這樣將原電壓和經(jīng)倒相后的電壓分別加在兩臺二次側(cè)串聯(lián)的變壓器一次側(cè)上，在這兩臺變壓器二次側(cè)電壓中的5次諧波電壓將相互抵消，二次側(cè)電壓中將不再含有5次諧波電壓，而且該倒相支路對7、11、13……等更高次數(shù)的諧波同樣也有一定的諧波削弱作用。
圖1所示的諧波抑制變壓器由兩臺參數(shù)完全相同的變壓器a、b組成，其中a變壓器一次側(cè)直接接在電網(wǎng)上，由電感L和電容C組成的倒相支路與a變壓器并聯(lián)接在電網(wǎng)上，b變壓器一次側(cè)接在倒相支路電容C的兩端；a、b兩臺變壓器的二次側(cè)串聯(lián)，對負(fù)載供電。其中倒相支路上的電感L和電容C，是一組針對特定次數(shù)諧波而設(shè)計(jì)的倒相電感和倒相電容。
設(shè)電網(wǎng)側(cè)(高壓側(cè))和負(fù)載側(cè)(低壓側(cè))電壓之比為U1N/U2N，設(shè)置a、b兩臺變壓器的變比均為U1N/0.5U2N。針對5次諧波設(shè)置倒相支路，即令xC＝-12.5xL。以高壓側(cè)電網(wǎng)輸入方波電壓時(shí)為例，設(shè)高壓側(cè)基波電壓的標(biāo)么值為U1，則v次諧波電壓的標(biāo)么值U1v＝U1/v，低壓側(cè)基波電壓的標(biāo)么值為U2，v次諧波電壓的標(biāo)么值為U2v，圖4是低壓側(cè)空載情況下，諧波抑制變壓器的基波電路圖。a1和a2為a變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓，b1和b2為b變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓，L和C為倒相支路電感和電容上的電壓。根據(jù)疊加原理，可求得低壓側(cè)空載的情況下，低壓側(cè)基波電壓和諧波電壓的值。
基波Ua1＝U1， Ub1＝1.087U1則Ua2＝0.5U1，Ub2＝0.5×1.087U1＝0.5435U1其中Ua2和Ub2相位相同，因此U2＝Ua2+Ub2＝0.5U1+0.5435U1＝1.0435U15次諧波Ua15＝U15，Ub15＝U15則Ua25＝0.5U15，Ub25＝0.5U15其中Ua25和Ub25相位相反，因此U25＝Ua25-Ub25＝0.5U15-0.5U15＝0v次諧波Ua1v=U1v,Ub1v=12.5v2-12.5·U1v]]>
則Ua2v=0.5U1v,Ub2v=0.5·12.5v2-12.5·U1v]]>其中Ua2v和Ub2v相位相反，因此U2v=Ua2v-Ub2v=0.5U1v-0.5·12.5v2-12.5·U1v=0.5v2-12.5v2-12.5·U1v]]>可求得低壓側(cè)其余高次諧波電壓的含量U27＝0.3288U17，U211＝0.4424U111，U213＝0.4601U113，……U2v=0.5v2-12.5v2-12.5·U1v]]>可見隨著諧波次數(shù)v的增大，低壓側(cè)v次諧波電壓趨近于0.5。證明該裝置能將三相電網(wǎng)中所有次數(shù)的諧波至少削弱一半以上。負(fù)載情況下的結(jié)果用類似方法可以得到。
綜上所述，該裝置能完全消除5次諧波電壓，并能極大地削弱其余次數(shù)的諧波電壓，同時(shí)其對基波電壓的影響不大。
求得低壓側(cè)的基波電壓U2和v次諧波電壓U2v后，可以考察濾波的效果。濾波效果的主要參數(shù)指標(biāo)為諧波殘余系數(shù)α。
諧波殘余系數(shù)α的定義為經(jīng)過移相削弱的低壓側(cè)各次諧波電壓均方根值與未經(jīng)移相削弱的低壓側(cè)各次諧波電壓均方根值之比，當(dāng)高壓側(cè)電壓為方波時(shí)，其計(jì)算公式如下α=(U25)2+(U27)2+(U211)2+(U213)2+......+(U2(6n-1))2+(U2(6n+1))2(1/5)2+(1/7)2+(1/11)2+(1/13)2+......+(1/(6n-1))2+(1/(6n+1))2]]>其中，U25為經(jīng)過移相削弱后的低壓側(cè)電壓中5次諧波分量的標(biāo)么值，其它分量的定義與之類似。因?yàn)樵谌嘟涣麟娋W(wǎng)中，2和3的整數(shù)倍高次諧波均可忽略，所以在這里我們考慮的主要諧波分量是5、7、11、13……等v＝6k±1，k＝1，2，3...等次數(shù)的諧波。
權(quán)利要求
1.基于諧波倒相原理的抑制諧波用的電網(wǎng)電力變壓器，其特征在于，它含有兩臺容量、變比完全相同的獨(dú)立電力變壓器，所述兩臺變壓器的容量分別為原來的電網(wǎng)的變壓器的容量的一半，第一變壓器的原邊直接與電源相連，第二變壓器的原邊經(jīng)過下述諧波倒相支路與電源相連，所述兩臺變壓器的二次側(cè)正向串聯(lián)后接負(fù)載；由電感電容串聯(lián)組成的諧波倒相電路，它并聯(lián)于電網(wǎng)兩端，其中，電容上的電壓是所述第二變壓器的電源，電感和電容的參數(shù)必須使電容上分壓得到的n次諧波電壓與所述電源的n次諧波電壓在相位上相差180度，n是需要抑制的諧波次數(shù)，即xC/nxC/n+nxL=-1.]]>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制諧波用的電網(wǎng)電力變壓器，其特征在于所述的電網(wǎng)電力變壓器是單相、三相或多相電網(wǎng)電力變壓器中的任何一種。
全文摘要
基于諧波倒相原理的具有諧波抑制功能的電力變壓器屬電力變壓器技術(shù)領(lǐng)域，用于抑制和削弱變壓器一次側(cè)電網(wǎng)中的諧波對二次側(cè)負(fù)載的影響，它包括由電感、電容串聯(lián)組成的諧波倒相電路，電感和電容的參數(shù)必須使電容上分壓得到的n次諧波電壓相位與電源的n次諧波電壓相位相差180度，其中n是需要抑制的諧波次數(shù)，同時(shí)電容上分壓得到的基波電壓相位與電源的基波電壓相位基本相同；兩臺容量、變比等完全相同的獨(dú)立電力變壓器，兩臺變壓器的容量分別為總?cè)萘康囊话?，第一變壓器直接與電源相聯(lián)，第二變壓器經(jīng)過諧波倒相支路與電源相聯(lián)，兩臺變壓器的二次側(cè)串聯(lián)給負(fù)載供電。
文檔編號H02J3/01GK1601844SQ20041000962
公開日2005年3月30日 申請日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者王善銘, 王祥珩, 李隆年, 楊青, 謝鵬 申請人:清華大學(xué)