一种三相交流可调电抗器及谐波治理装置的制作方法

本发明涉及一种三相交流可调电抗器及谐波治理装置，属于电力系统自动化技术领域。

背景技术：

随着时代的飞速进步，科学技术的飞速发展，精密仪器、计算机等电气设备在信息化时代扮演者更加重要的地位和更广泛的应用，而这些产品的使用离不开电网的供电。现有的电力系统中，电力电子变流器由于可控性强，拓扑结构简单，可以快速高效的完成电压，频率等特性的变换，使得其占据着越来越重要的地位，越来越多的应用在当今的电力系统中。

电力电子变流器属于非线性设备的一种，非线性设备主要指在正弦供电电压下产生非正弦电流的设备，大体可以被分为三种类型：第一类是以具有强烈非线性特征的电弧为工作介质的设备，如气体放电灯、交流电弧炉和交流弧焊机等；第二类是指具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如变压器和电抗器等；第三类是以电力电子元件为基础的开关电源设备，如各种电力电子变流设备(整流器、逆变器、变频器等)，相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等。

电气设备在使用时，除了需要可靠的供电，还对电能质量有着非常髙的要求。通常人们关注的电能质量问题主要集中在电压偏差，三相电压平衡、频率偏差和输出的可靠性，随着非线性负载比重的增大，使得电能质量的问题愈发突出。非线性电气设备(即非线性负载)的显著特点是它们从电网中取用非正弦电流，也就是说即使电源给这些非线性负载供给的是正弦波形的电压，但是由于它们有着电流不随电压同步变化的非线性的电压－电流特性，使得流过电网的电流是非正弦，这种电流波形由基波和与基波频率成整数倍和分数倍的谐波组成，即产生了谐波。非线性负载产生的谐波将会导致供电电压波形的畸变，劣化公共连接点(pcc)的供电质量，产生以下危害：

1.谐波电流进入电网后有发生谐振的潜在危险，谐振的后果将出现大范围、大幅度的过电压、过电流的问题，威胁了电力系统的安全运行。

2.高次谐波在电力系统中传递，将引起铜损和铁损增大，设备过热，产生噪声。

3.高次谐波的负序分量有可能使旋转设备产生反方向转矩，造成机械损伤和热耗。

4.高次谐波会使电器设备的绝缘水平受到威胁，介质损耗增加，充电电流增大，从而引起各种故障，对经济和生产造成巨大损失。

因此，需要对谐波进行治理，尤其在大功率变流器的使用场景下，必须对谐波进行抑制。为此，需要提出一种谐波治理的技术方案，以保证电网质量。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种三相交流可调电抗器及谐波治理装置，为消除电网中的谐波提出一种行之有效的技术方案。

为实现上述目的，本申请提出了一种谐波治理装置的技术方案，包括：

三相交流可调电抗器，包括铁芯、控制线圈、a相工作线圈、b相工作线圈和c相工作线圈；所述铁芯为ei型铁芯，包括三个垂直磁芯柱和两个水平磁芯柱；控制线圈缠绕在水平磁芯柱上；各工作线圈分别缠绕在铁芯的垂直磁芯柱上，且各工作线圈连接在非线性负载所在的电网中；

电流传感器，设置在电网中的非线性负载侧，以检测非线性负载的电流大小；

可控整流器，可控整流器的直流侧连接控制线圈的两端，可控整流器的交流侧连接交流电源；

控制器，控制器的输入端连接电流传感器，控制器的输出端控制连接可控整流器的控制端。

本发明的谐波治理装置的技术方案的有益效果是：本发明的控制器通过电流传感器采集电流分析出电网中是否存在谐波，当存在谐波时，计算出可控整流器的控制量，进而控制直流输出，三相交流可调电抗器根据直流输入控制线圈产生可调的电感量，将谐波控制在磁路上。本发明基于磁路的原理，利用三相交流可调电抗器实现了谐波的消除，从而避免谐波量进入电网，减少对电网的污染，提高电力网及变压器安全运行的可靠性，对整个电力系统具有重大的实际意义。

进一步的，为了提高直流输出的稳定性，所述可控整流器的交流侧和交流电源之间设置有滤波电抗器。

进一步的，为了提高可控整流器的控制精度，所述可控整流器为全桥整流器。

进一步的，所述可控整流器的直流输出端并接有滤波电容。

进一步的，为了更加准确的进行谐波分析，电流传感器包括a相电流传感器、b相电流传感器和c相电流传感器，各电流传感器分别设置在电网的各相上。

进一步的，所述控制线圈的数量为1个，缠绕在其中一个水平磁芯柱上。

另外，本申请还提出一种三相交流可调电抗器的技术方案，包括：

铁芯，所述铁芯为ei型铁芯，包括三个垂直磁芯柱和两个水平磁芯柱；

控制线圈，控制线圈缠绕在水平磁芯柱上，且控制线圈的两端用于连接可调直流电源；

a相工作线圈、b相工作线圈和c相工作线圈，各工作线圈分别缠绕在铁芯的垂直磁芯柱上，且各工作线圈用于连接在非线性负载所在的电网。

本发明的三相交流可调电抗器的技术方案的有益效果是：本发明的三相交流可调电抗器根据直流输入控制线圈产生可调的电感量，将谐波控制在磁路上。本发明基于磁路的原理，利用三相交流可调电抗器实现了谐波的消除，从而避免谐波量进入电网，减少对电网的污染，提高电力网及变压器安全运行的可靠性，对整个电力系统具有重大的实际意义。

进一步的，所述控制线圈的数量为1个，缠绕在其中一个水平磁芯柱上。

附图说明

图1是本发明谐波治理装置的结构图；

图2是本发明谐波治理装置的控制框图；

图中：1为单相交流电网、2为滤波电抗器、3为可控整流器、4为控制器、5为三相交流可调电抗器、6为非线性负载、7为第一igbt、8为第二igbt、9为第三igbt、10为第四igbt、11为滤波电容、12为控制线圈、13为铁芯、14为a相工作线圈、15为b相工作线圈、16为c相工作线圈、17为a相电流传感器、18为b相电流传感器、19为c相电流传感器。

具体实施方式

谐波治理装置实施例：

工作原理：根据铁磁学理论,铁磁体在稳恒磁场和交变磁场的同时作用下,铁磁体的磁化强度m绕稳恒磁场以一定频率做旋进运动,故即使只有某一坐标轴的交变分量,也必然会产生同一坐标轴和其他坐标轴的磁化强度或磁感应强度的分量。此时,铁磁体的磁导率会变成张量形式。设铁心同时受到外加直流场he和交变场h的作用,可以求出它的交变磁化强度m和交变磁场h的关系。

根据铁磁物质的旋磁性,磁化强度矢量m的运动方程为：

式中：γ为旋磁比；heff为总有效场。

heff＝hxi+hyj+(he+hz)k(2)

m＝mxi+myj+(m0+mz)k(3)

式中：hx,hy,hz为heff的交变分量；he为外加的稳恒磁场；mx,my,mz分别为磁化强度m在x,y,z方向上的交变分量；m0为磁化强度m在z轴方向的恒定分量。

将式(2)、式(3)代入式(1),得到：

设h＝h0e^iω，m＝m0e^iω，ω0＝γhe，ωm＝γms≈γm0(ms为饱和磁化强度),解式(4)微分方程组,可得：

方程组改写(5)可写成

m＝χ·h

式中：χ为张量磁化率的表达式，

张量磁化率χ的物理意义是：当铁心受到交直流正交磁场的作用时,与交流磁场相垂直的直流偏置磁场不仅会改变沿直流磁场方向的磁导率,而且还会改变铁心沿交流场方向上的磁导率。沿交流场方向的磁导率的改变量直接决定了可调电感的电感量。这一特性正是可调电抗器所依据的调节原理。

谐波治理装置，如图1所示，包括单相交流电网1、滤波电抗器2、可控整流器3、控制器4、三相交流可调电抗器5、a相电流传感器17、b相电流传感器18、c相电流传感器19。

其中，单相交流电网1为交流电源，用于为谐波治理装置提供电源。

滤波电抗器2的输入端连接单相交流电网1的输出端，对交流电源进行滤波。

可控整流器3为全桥整流器，可控整流器3的交流侧连接滤波电抗器2的输出端，用于输出可调整的直流电，可控整流器3包括第一igbt7、第二igbt8、第三igbt9、第四igbt10，第一igbt7和第三igbt9串联作为一个桥臂，第二igbt8和第四igbt10串联作为一个桥臂，并且可控整流器3的直流输出端并接有滤波电容11。

三相交流可调电抗器5，包括铁芯13、一个控制线圈12和三个工作线圈；三个工作线圈包括a相工作线圈14、b相工作线圈15和c相工作线圈16；铁芯13为ei型铁芯，包括三个垂直磁芯柱和两个水平磁芯柱；控制线圈12缠绕在一个水平磁芯柱上，各工作线圈分别缠绕在铁芯13的垂直磁芯柱上。交流型直流电抗器(即三相交流可调电抗器5)为直流励磁可控电抗器的一种，本体由ei型铁心组成，电抗器绕组分为工作绕组和控制绕组12，各工作线圈连接在非线性负载6所在的电网中，控制线圈12用于连接一个可调直流电源，为控制线圈12提供可以调节的直流电，如图1所示。通过调节控制绕组12中流过的直流电流大小可以改变e和i型铁心重叠部分叠加磁通的大小和方向，使可调电抗器的电抗值随着控制电流的增减而变化。在控制绕组12和各工作绕组中分别接入直流电流和交流电流，产生的直流磁通和交流磁通在空间上矢量叠加。通过改变控制绕组12中的直流电流的大小，不仅可以改变直流磁场方向的铁心磁导率，还对交流磁场方向的磁导率产生影响，使两铁心重叠部位的磁场向直流磁场方向产生一定幅度的偏移。控制绕组12中的直流电流越大，产生的直流磁场越强，引起的公共部分磁场向直流磁场方向偏移幅度越大，削弱两铁心重叠部位的磁场在交流磁场方向的分量，减小可调电抗器的等效电抗值。本发明中直流电根据单相交流电网1、滤波电抗器2和可控整流器3得到，并且通过控制器4对直流输出的大小进行调节。三相交流可调电抗器5用于通过控制线圈12接收可调的直流电而产生可调的电感量，进而消除谐波。

a相电流传感器17、b相电流传感器18和c相电流传感器19设置在电网中的非线性负载6侧，用于检测非线性负载6的a相电流、b相电流和c相电流。

控制器4的输入端采样连接a相电流传感器17、b相电流传感器18、c相电流传感器19，控制器4的输出端连接可控整流器3的控制端。控制器4用于根据a相电流传感器17、b相电流传感器18和c相电流传感器19所采集的电流大小进行谐波分析，并且计算出相应的pwm控制信号，以对可控整流器3进行脉冲控制，进而调节可控整流器3输出的直流信号，通过该直流信号调节三相交流可调电抗器5的电感量，进而实现谐波消除。

该谐波治理装置可以实现三相交流可调电抗器5的电感量的线性调节，以实现谐波消除，具体工作过程如下：

当控制器4根据三个电流互感器采集出的a相电流、b相电流和c相电流通过分析出有谐波时，三相交流可调电抗器5需要对谐波量和电感量进行匹配计算，得出需要调节的电感量，并将电感量转换成电流量，由控制器4计算出pwm控制信号，通过pwm控制信号控制可控整流器3的输出电流，进而对三相交流可调电抗器5进行铁芯13饱和控制，实现电感量调节控制流程图2所示：

当控制器4根据a相电流、b相电流和c相电流未分析出谐波时，控制器4控制不输出直流信号，三相交流可调电抗器5的铁芯13恢复到原始状态，电感量恢复至原来的值。

上述实施例中，控制线圈12为1个，缠绕在其中一个水平磁芯柱上(可以为上水平磁芯柱，也可以为下水平磁芯柱)，作为其他实施方式，控制线圈12也可以为2个，分别缠绕在上、下水平磁芯柱上，本发明对此不做限制，能够使得三相交流可调电抗器5的电感量可调，消除谐波即可。

上述实施例中，采用三个电流传感器分别检测各相的电流大小，以更加准确的进行谐波分析，作为其他实施方式，由于各相的谐波大小基本相同，也可以只检测其中一相的电流。

上述实施例中，采用滤波电抗器2对单相交流电网1进行滤波，作为其他实施方式，在保证交流电源交流信号质量的情况下，滤波电抗器2也可以不设置。

本发明利用了磁路原理，通过在电网输出侧使用三相交流可调电抗器5(工作线圈14、15、16分别串联在三相电网的a、b、c相)，将非线性负载6产生的谐波合理控制在磁路上，消除了由非线性负载6接入电网带来的谐波，从而避免谐波量进入电网，减少对电网的污染。使用本文所述方法可以提高电力网及变压器安全运行的可靠性，对整个电力系统具有重大的实际意义。

三相交流可调电抗器实施例：

三相交流可调电抗器包括：

铁芯，铁芯为ei型铁芯，包括三个垂直磁芯柱和两个水平磁芯柱；

控制线圈，控制线圈缠绕在水平磁芯柱上，且控制线圈的两端用于连接可调直流电源；

a相工作线圈、b相工作线圈和c相工作线圈，各工作线圈分别缠绕在铁芯的垂直磁芯柱上，且各工作线圈用于连接在非线性负载所在的电网。

三相交流可调电抗器的具体结构以及谐波消除的过程在上述谐波治理装置实施例中已经介绍，这里不做赘述。