一种变压器无功及负序电流补偿系统、方法及存储介质与流程

本申请涉及变压器保护技术领域，尤其涉及一种变压器无功及负序电流补偿系统、方法及存储介质。

背景技术

电能作为一种经济实用、清洁方便的能源，己成为经济发展及人民生活的重要基础。但电网中各种单相、不对称与感性负载越来越多，特别是在农村，电力机车、大型工业用电机等单相用电负载被广泛使用，给电网带来的影响日趋严重，造成了诸如功率因数偏低、负序电流含量大等电能质量问题。功率因数偏低会加大输电线路损耗，降低输电效率；大量的负序电流注入电网会引起发电机过热甚至烧毁。

现有的一种无功及负序电流治理方法是，在变压器的一次侧绕组抽头上连接变流装置，由变流装置提供补偿电流，在变压器的一次侧实现补偿电流与负载的无功及负序电流分量的安匝平衡，从而可以阻止负载的无功及负序电流继续向网侧传播。

然而，现有的技术方案中由于负载的无功及负序分量仍然流经了变压器，使得变压器出现发热、效率降低等一系列负面情况。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种变压器无功及负序电流补偿系统、方法及存储介质，解决了现有的技术方案中由于负载的无功及负序分量仍然流经了变压器，使得变压器出现发热、效率降低等一系列负面情况的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种变压器无功及负序电流补偿系统，该系统包括：变压器与有源变流装置；

所述变压器的一次侧绕组与电网连接，二次侧绕组与负载连接；

所述二次侧绕组上设置有中间抽头，所述有源变流装置通过所述中间抽头与变压器的二次侧绕组连接；

还包括：控制装置；

所述控制装置与所述有源变流装置连接，用于控制所述有源变流装置输出二次侧补偿电流，以补偿负载电流的无功及负序电流分量。

优选地，还包括：滤波电感；

所述有源变流装置通过所述滤波电感与所述中间抽头连接。

优选地，所述滤波电感具体为所述二次侧绕组的复用部分。

优选地，所述有源变流装置具体为有源无功补偿装置；

或所述有源变流装置具体为三电平拓扑结构或三相桥臂拓扑结构或模块化多电平拓扑结构的逆变装置。

本申请第二方面提供了一种变压器无功及负序电流补偿方法，应用于上述第一方面提供的任一种系统，该方法包括：

从负载电流中提取出无功及负序电流；

获取到包括网侧电流的预设磁动势平衡方程中的负载电流的第一特征系数及二次侧补偿电流的第二特征系数；

将所述第一特征系数作为所述无功及负序电流的第三特征系数；

根据所述无功及负序电流、所述第二特征系数与所述第三特征系数，计算出所述二次侧补偿电流，以使变流装置输出所述二次侧补偿电流对所述无功及负序电流进行补偿。

优选地，所述根据所述无功及负序电流、所述第二特征系数与所述第三特征系数，计算出所述二次侧补偿电流具体包括：

根据预设公式ic＝-n^-1m·ilh，计算出所述二次侧补偿电流；其中，ic为所述二次侧补偿电流、ilh为所述无功及负序电流、n为所述第二特征系数，m为所述第三特征系数。

优选地，所述获取到包括网侧电流的预设磁动势平衡方程中的负载电流的第一特征系数及二次侧补偿电流的第二特征系数之前还包括：

根据变压器的一次侧绕组匝数、二次侧绕组匝数以及中间抽头两侧绕组的匝数比，建立所述变压器的磁动势平衡方程，并将所述磁动势平衡方程转换为包括网侧电流、负载电流及补偿电流的预设磁动势平衡方程。

优选地，所述将所述磁动势平衡方程转换为包括网侧电流、负载电流及补偿电流的预设磁动势平衡方程具体包括：

将所述磁动势平衡方程中的一次侧绕组电流转换为网侧电流，将所述磁动势平衡方程中的二次侧绕组电流转换为负载电流和二次侧补偿电流，得到预设磁动势平衡方程。

优选地，所述将所述磁动势平衡方程中的一次侧绕组电流转换为网侧电流，将所述磁动势平衡方程中的二次侧绕组电流转换为负载电流和二次侧补偿电流具体包括：

根据变压器的联接方式建立对应侧的kcl方程，根据所述kcl方程将所述磁动势平衡方程中的一次侧绕组电流转换为网侧电流，将所述磁动势平衡方程中的二次侧绕组电流转换为负载电流和二次侧补偿电流。

本申请第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行上述第二方面提供的变压器无功及负序电流补偿方法。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例中，提供了一种变压器无功及负序电流补偿系统，在变压器的二次侧绕组上设置了中间抽头，使有源变流装置通过中间抽头可以连接到变压器的二次侧绕组。如此，在系统运行时，可以通过控制装置对有源变流装置输出的补偿电流进行调控，使得在变压器的二次侧输入的二次侧补偿电流与负载的无功及负序电流的安匝平衡，在变压器的二次侧便阻止了负载的无功及负序电流的去路，使其无法流经变压器，从而使得变压器不再出现发热、效率降低等一系列负面情况。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种变压器无功及负序电流补偿系统的结构示意图；

图2为本申请提供的一种变压器无功及负序电流补偿方法的第一个实施例的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的δ/y变压器无功及负序电流补偿系统的电气接线图；

图4为本申请实施例提供的y/δ变压器无功及负序电流补偿系统的电气接线图；

图5(a)为图4所示的y/δ变压器的二次侧绕组电路的第一叠加电路的电路图；

图5(b)为图4所示的y/δ变压器的二次侧绕组电路的第二叠加电路的电路图；

图6为本申请实施例提供的有源变流装置的调控原理图；

图7为本申请提供的一种变压器无功及负序电流补偿方法的第二个实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为了便于理解，可以参见图1，图1为本申请实施例提供的一种变压器101无功及负序电流补偿系统的结构示意图，该系统包括：变压器101与有源变流装置105。

其中，变压器101应当是接入电网106的变压器101，其一次侧绕组102可以与电网106连接，其二次侧绕组103可以与用电负载107连接。

可以在变压器101的二次侧绕组103上设置中间抽头104，以便于有源变流装置105通过中间抽头104与变压器101的二次侧绕组103形成连接。需要进一步说明的是，中间抽头104的设置可以实现对中间抽头104两侧绕组的匝数比的调节，当匝数比设置合理时，可以使得有源变流设备的电压与电流达到最优，从而充分发挥了变压器101的电磁潜能和有源变流设备的容量潜能。

为了消除有源变流装置105输出的二次侧补偿电流的高次谐波分量，可以在有源变流装置105与二次侧绕组103上的中间抽头104之间串联滤波电感。优选地，滤波电感可以为高频滤波电感，从而有更好的滤波效果。

滤波电感可以是外置的独立电感器件，但还有一种实现方式是可以通过复用一部分变压器101的二次侧绕组103来充当有源变流设备的输出滤波电感，从而可以为低压大电流开关器件提供很好的应用场合。

有源变流装置105可以是各种有源无功补偿装置，有源无功补偿装置有很多，比如静止无功补偿器(svc)、静止无功发生器(svg)、静止同步补偿器(statcom)等装置，又比如有源电力滤波器(apf)、串联补偿与并联补偿相结合的统一电能质量管理器(upqc)等，上述的有源无功补偿装置均可以应用于本申请提供的技术方案中。

此外，有源变流装置105还可以是三电平拓扑结构或三相桥臂拓扑结构或模块化多电平(mmc)拓扑结构的逆变装置，可以理解的是，上述的各种逆变装置都应当配备直流稳压电容作为逆变装置的电源。

进一步，还包括控制装置。控制装置与有源变流装置连接，用于控制有源变流装置输出二次侧补偿电流，以补偿负载电流的无功及负序电流分量。控制装置具体的可以为上位机或计算机等有处理能力的控制设备。

以上为本申请实施例提供的一种变压器101无功及负序电流补偿系统的详细说明。在该系统中，可以在变压器101的二次侧绕组103上设置中间抽头104，使有源变流装置105通过中间抽头104可以连接到变压器101的二次侧绕组103。如此，通过使有源变流装置105输出合适的补偿电流，便能够在变压器101的二次侧实现补偿电流与负载的无功及负序电流的安匝平衡，在变压器101的二次侧便阻止了负载的无功及负序电流的去路，使其无法流经变压器101，从而使得变压器101不再出现发热、效率降低等一系列负面情况。

下面请参见图2，图2为本申请提供的一种变压器无功及负序电流补偿方法的第一个实施例的流程示意图，该方法包括：

步骤201、从负载电流中提取出无功及负序电流。

可以直接从二次侧的负载电流中提取出无功及负序电流。

步骤202、获取到包括网侧电流的预设磁动势平衡方程中的负载电流的第一特征系数及二次侧补偿电流的第二特征系数。

可以理解的是，为了消除负载的无功及负序电流的影响，应当使二次侧补偿电流与负载电流中的无功及负序电流分量在变压器一次侧绕组处的感应互相抵消，从而实现变压器两侧的磁动势平衡。具体实现的原理，为方便理解，下面以三相两电平桥式结构作为有源变流装置进行说明，当然，其他的有源变流装置也适用于本申请实施例提供的技术方案，此处并非对有源变流装置的限定。

请参见图3，图3为本申请实施例提供的δ/y变压器无功及负序电流补偿系统的电气接线图。

其中，ua、ub、uc和ia、ib、ic分别代表网侧的三相电压与电流，i1、i2、i3为一次侧绕组上的电流，il1、il2、il3为三相负载电流，ic1、ic2、ic3为三相变流设备补偿电流，变压器二次侧绕组的中间抽头两侧绕组的匝数比为x:1,变压器一次侧线圈与二次侧线圈的匝数分别为n1、n2。

根据变压器一次测电流kcl可得：

忽略变压器励磁支路所造成的变压器一二次侧电流相位偏差和磁势平衡误差，变压器一次侧与二次侧电流有如下磁势平衡方程：

将(2)式进行整理变换可得：

将变压器磁势平衡方程式(3)代入变压器一次侧电流kcl式(1)中有：

注意到式(4)中由于ia+ib+ic＝0，负载电流与补偿电流的系数矩阵向量线性相关，所以这两个系数矩阵并不可逆，从式(4)可以看出由前两个方程可推出第三个方程，因此对式(4)进行最简化处理，得到负载电流与补偿电流转换到变压器一次侧电流的转换方程式(5)：

式(5)中

所以转换方程式(5)中两个转换系数矩阵的向量均线性无关，两个转换系数矩阵也均可逆。

请参见图4，图4为本申请实施例提供的y/δ变压器无功及负序电流补偿系统的电气接线图。

其中，ik11，ik21，ik31与ik12，ik22，ik32为变压器二次侧绕组的中间抽头两侧绕组中的电流，其余标记与图3中的标记含义相同。

在变压器二次侧对负载的无功及负序等效电流源与有源变流设备的补偿等效电流源运用叠加原理进行电路简化分析，即把图4中的y/δ变压器的二次侧绕组电路等效为图5(a)与图5(b)中的两个电路的叠加。

当ic1、ic2、ic3均为0时，即如图5(a)所示，由变压器二次侧电流kcl方程可得：

对上述(6)式进行等价变换可得：

忽略变压器励磁支路的影响，根据y/δ变压器一二次侧电流磁势平衡方程有：

把二次侧电流kcl式(7)式代入变压器一二次侧磁势平衡式(8)中得到变压器一次测绕组电流与负载电流的转换关系式(9)：

当il1、il2、il3均为0时，即如图3(b)所示，由y/δ变压器二次侧电流的kcl方程可得式(10)：

式(10)中

所以式(10)中的系数矩阵可逆，对式(10)可进行取逆变换。

同理，忽略变压器励磁支路的影响，根据y/δ变压器一二次侧电流磁势平衡方程有式(11)：

把变压器二次侧电流kcl式(10)逆变换后代入变压器一二次侧电流磁势平衡式(11)有:

式中：a＝{a1,a2}代表矩阵合并。

对式(12)进行化简结合式(9)可得y/δ变压器负载电流与滤波补偿电流转换到变压器一次侧电流的转换方程，即式(13)所示：

注意到(13)中由于ia+ib+ic＝0，对该式进行最简化处理如式(14)所示。、

式(14)中：

因此转换方程式(14)中两个转换系数矩阵的向量均线性无关，两个转换系数矩阵也均可逆。

从式(5)与式(14)中可以看出无论是δ/y还是y/δ变压器，其负载电流与二次侧补偿电流转换到变压器一次侧电流的转换方程式具有统一形式，如(15)式所示：

ig＝m·(il+ilh)+n·ic(15)

式(15)中，il与ilh分别代表负载电流中的基波与无功及负序电流分量，ic为有源变流装置的补偿电流分量，m为第一特征系数，n为第二特征系数，ig为网侧电流。若负载的无功及负序电流分量与有源变流装置提供的二次侧补偿电流满足式(16)，则可阻断负载的无功及负序电流入网侧，使变压器一次测电流只含有基波有功分量。

m·ilh+n·ic＝0(16)

由此可得到有源滤波装置的控制输出电流为式(17)所示，从式(17)中可以看出通过检测负载的无功及负序电流分量可以得到有源变流装置应当补偿输出的二次侧补偿电流，此时的有源变流装置等效为一个电流受控电流源。

ic＝-n^-1m·ilh(17)

由上述的原理说明可知，在维持磁动势平衡的条件下，若二次侧补偿电流对应的分量与无功及负序电流对应的分量抵消，二次侧补偿电流应当满足式(17)，因此，可以在如式(5)与式(14)的预设磁动势平衡方程中将对应负载电流的第一特征系数m，以及对应二次侧补偿电流的第二特征系数n提取出来。

需要说明的是，式(5)与式(14)只是δ/y与y/δ两种较为常用的联接方式的变压器的预设磁动势平衡方程，对于其他联接方式的变压器，比如y/y联接方式的变压器，同样可以得到符合式(15)格式的预设磁动势平衡方程。

可以理解的是，上述的式(15)、式(16)与式(17)中的字母均可以是矩阵，例如第一特征系数m，可以是第一特征系数矩阵m，相应的，n也可以是第二特征系数矩阵n，在此不再赘述。

步骤203、将第一特征系数作为无功及负序电流的第三特征系数。

上述步骤202中获取到的第一特征系数m在预设磁动势平衡方程中是负载电流的第一特征系数，但由于无功及负序电流属于负载电流中的分量，其应当具有与负载电流相同的特征系数，因此可以将第一特征系数作为无功及负序电流的第三特征系数，也就是说，m既是第一特征系数，也是第二特征系数。

步骤204、根据无功及负序电流、第二特征系数与第三特征系数计算出二次侧补偿电流，以使变流装置输出二次侧补偿电流对无功及负序电流进行补偿。

根据步骤201提取出的无功及负序电流、无功及负序电流对应的第三特征系数以及二次侧补偿电流对应的第二特征系数，便可以根据二次侧补偿电流分量与无功及负序电流分量相互抵消的条件，计算出对应的二次侧补偿电流。

进一步，可以使有源变流装置输出计算出来的二次侧补偿电流，从而对无功及负序电流起到补偿作用，使得二次侧补偿电流与无功及负序电流在变压器的一次侧感应的磁动势相互抵消。在具体对有源变流装置调控时，可以通过有源变流装置的相应的电流跟踪控制算法来控制其的输出，可以参见图6，图6为本申请实施例提供的有源变流装置的调控原理图。

本实施例中，提供了一种变压器无功及负序电流补偿方法，在预设磁动势平衡方程中获取到负载电流的第一特征系数与二次侧补偿电流的第二特征系数，将第一特征系数作为无功及负序电流的第三特征系数，再根据从负载电流提取出来的无功及负序电流、第二特征系数与第三特征系数计算出要输出的二次侧补偿电流，以使有源变流装置可以根据计算出的二次侧补偿电流输出。由于获取到的特征系数是符合磁动势平衡方程的，并且二次侧补偿电流的计算也是在二次侧补偿电流分量与无功及负序电流分量相互抵消的条件上进行的，因此能够使得有源变流装置输出的二次侧补偿电流与无功及负序电流的感应的磁动势恰好抵消，变压器一次侧与二次侧在网侧电流与负载电流基波下达到磁动势平衡，也就是无功及负序电流没有实际的参与到磁动势平衡中，没有进入变压器，从而避免了变压器发热、效率降低等不良情况的出现。

以上是本申请提供的一种变压器无功及负序电流补偿方法的第一个实施例的详细说明，下面请参见图7，图7为本申请提供的一种变压器无功及负序电流补偿方法的第二个实施例的流程示意图，该方法包括：

步骤701、从负载电流中提取出无功及负序电流。

本步骤与前述的步骤201相同，在此不再赘述。

步骤702、根据变压器的一次侧绕组匝数、二次侧绕组匝数以及中间抽头两侧绕组的匝数比，建立变压器的磁动势平衡方程。

变压器的磁动势平衡方程需要涉及到的参数包括：变压器的一次侧绕组匝数、二次侧绕组匝数以及中间抽头两侧绕组的匝数比。利用这些参数，可以建立出变压器的磁动势平衡方程。

步骤703、根据变压器的联接方式建立对应侧的kcl方程，根据kcl方程将磁动势平衡方程中的一次侧绕组电流转换为网侧电流，将磁动势平衡方程中的二次侧绕组电流转换为负载电流和二次侧补偿电流，得到预设磁动势平衡方程。

磁动势平衡方程反映了变压器一次侧绕组电流与二次侧绕组电流产生的磁动势的平衡关系，但为了能够使网侧电流没有无功及负序电流分流的进入，因此需要将磁动势平衡方程转换为反映网侧电流、负载电流以及二次侧补偿电流三者之间关系的预设磁动势平衡方程式。由于变压器的联接方式不同，具体转换的手段也不同，对于星型连接的一侧，其绕组电流与线上电流相同，而对于三角型连接的一侧，其绕组电流需要用到kcl方程与线上电流(网侧电流或负载电流)进行关联。

根据变压器不同的联接方式建立对应侧的kcl方程后，可以将该kcl方程与磁动势平衡方程结合，从而将一次侧绕组电流用网侧电流表示，将二次侧绕组电流用负载电流与二次侧补偿电流表示，使得磁动势平衡方程能够反映网侧电流、负载电流以及二次侧补偿电流三者之间的关系，即为预设磁动势平衡方程。

步骤704、获取到预设磁动势平衡方程中的负载电流的第一特征系数及二次侧补偿电流的第二特征系数。

本步骤与前述的步骤202相同，在此不再赘述。

步骤705、将第一特征系数作为无功及负序电流的第三特征系数。

本步骤与前述的步骤203相同，在此不再赘述。

步骤706、根据无功及负序电流、第二特征系数与第三特征系数，计算出二次侧补偿电流，以使变流装置输出二次侧补偿电流对无功及负序电流进行补偿。

本步骤与前述的步骤204相同，在此不再赘述。

本实施例中，提供了一种变压器无功及负序电流补偿方法，通过将建立的磁动势平衡方程转换成能够反映网侧电流、负载电流以及二次侧补偿电流三者之间关系的预设磁动势平衡方程，在预设磁动势平衡方程中获取到负载电流的第一特征系数与二次侧补偿电流的第二特征系数，将第一特征系数作为无功及负序电流的第三特征系数，再根据从负载电流提取出来的无功及负序电流、第二特征系数与第三特征系数计算出要输出的二次侧补偿电流，以使有源变流装置可以根据计算出的二次侧补偿电流输出。由于获取到的特征系数是符合磁动势平衡方程的，并且二次侧补偿电流的计算也是在二次侧补偿电流分量与无功及负序电流分量相互抵消的条件上进行的，因此能够使得有源变流装置输出的二次侧补偿电流与无功及负序电流的感应的磁动势恰好抵消，变压器一次侧与二次侧在网侧电流与负载电流基波下达到磁动势平衡，也就是无功及负序电流没有实际的参与到磁动势平衡中，没有进入变压器，从而避免了变压器发热、效率降低等不良情况的出现。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序代码，该程序代码用于执行前述各个实施例所述的一种变压器中性点隔直系统控制方法中的任意一种实施方式。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：read-onlymemory，英文缩写：rom)、随机存取存储器(英文全称：randomaccessmemory，英文缩写：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。