一种用于城市配变减振降噪的有源降噪方法及装置与流程

1.本发明属于变压器减振降噪领域，涉及一种用于城市配变减振降噪的有源降噪方法及装置。


背景技术：

2.电力变压器具有安全可靠、维护简单、成本低等优点这些因素间接加快了其发展速度，增加了它在实际工程运用中的份额，但噪声问题也更加突出，逐渐成为一个发展瓶颈。振动噪声作为一项重要考察指标，与损耗发热相同，越来越受到研究人员的关注。变压器的噪声是由变压器本体振动及冷却装置振动而产生的一种连续性噪声。
3.在变压器本体噪声产生机理方面，国内外研究结果表明，变压器本体振动的根源在于硅钢片的磁致伸缩引起的铁心振动。当变压器中存在谐波时，谐波由若干频率相近或相同的电流叠加而成，当谐波电流流过变压器的绕组时，引起变压器的铁芯伸缩产生振动，这就是变压器噪音的来源。所以、消除变压器电流的谐波可以从本源上降低变压器噪声。
4.另外变压器的冷却装置也同样会产生噪声。冷却装置振动的根源在于冷却风扇和变压器油泵在运行时产生的振动；变压器本体的振动通过绝缘油、管接头及其装配零件等，传递给冷却装置，使冷却装置的振动加剧，辐射的噪声加大。
5.降低变压器噪声一般也是从上述的噪声产生机理出发，对于降低变压器本体噪声技术措施包括：选用磁致伸缩小的优质硅钢片，降低铁心的额定工作磁密，改进铁心的结构。在变压器机械结构方面采取的技术措施包括：改进铁心与油箱机械连接方式，在器身的底脚和油箱之间、油箱和基础之间、母排与固定结构件之间放置防振橡胶垫，把刚性连接变为弹性连接，从而达到减少振动、防止共振、降低噪声的目的。
6.再有就是从改进油箱及其结构出发，为了降低油箱壁的振动幅度就必须提高整个油箱的刚性。提高刚性的方法是增加箱壁的厚度及增加加强铁的个数，以及选择较好的加强铁形状和焊接位置。从声学技术上常用密实沉重的材料把发声体与周围的环境隔绝起来，这种方法叫隔声。隔声构件性能与它的单位面积重量有关，重量越重，隔声效果就越好。当油箱的自振频率与变压器本体噪声基频、谐波频率相同或相接近时，就会发生共振，隔声效果大大降低，在某些情况下甚至会成为噪声放大器。
7.为了降低冷却装置噪声一般采用的措施包括，选用低噪音冷却风扇，降低自冷式散热器的噪声，降低变压器本体噪声设计等。
8.也有学者提出电磁-振动-噪音耦合计算方法，将噪声归算到相应的机械振动，再建立机电一体化控制系统，实现机械振动与电磁谐波的一体化控制，具有良好的前景。
9.变压器在电网系统中处于电能传输的中间环节，由于电石炉、电解炉、各种类型的电机等大型非线性负载的存在，导致变压器与母线相连的过程中存在丰富的谐波成分，并且谐波成分随着负载的变化也会发生很大改变。谐波的存在，不仅表现为电网电压波形的畸变，同时也会引起变压器的附加损耗和噪声，导致设备本身过热以及对通讯设备带来电磁干扰。
10.综上所述变压器的谐波消除具有十分重要的意义，不仅可以单纯地减轻由于电磁谐波引起的变压器噪声，而且为将来实现机电一体化的降噪控制奠定基础。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种用于城市配变减振降噪的有源降噪方法及装置，利用高速数字信号处理器高速采样变压器电压信号，通过快速数字信号处理技术求解变压器中的谐波幅值，最后通过pwm电力电子技术逆变出幅值相同、相位相反的同次数谐波，实现谐波幅值的动态排序及动态的谐波消除。
12.为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于城市配变减振降噪的有源降噪方法，通过检测变压器的输出电压信号，经过比例放大后，对放大后的电压信号经过傅里叶变换，计算出电网电压包含的主要谐波成分，确定主要谐波成分的谐波次数后，求解pwm逆变控制时刻的方程组，计算出电网四分之一个电压周波内的igbt导通与关断的时刻，并以pwm信号的方式输出到igbt驱动电路上，实现谐波噪声的消除。
13.本发明还提供了一种用于城市配变减振降噪的有源降噪装置，包括电网电压信号采集单元、高速信号处理及谐波分析单元、反相谐波发生单元；电网信号采集单元用于检测变压器的输出电压信号，经过比例放大后，输入到高速信号处理及谐波分析单元，高速信号处理及谐波分析单元对检测到的电压信号经过傅里叶变换，计算出电网电压包含的主要谐波成分，确定主要谐波成分的谐波次数后，求解pwm逆变控制时刻的方程组，计算出电网四分之一个电压周波内的igbt导通与关断的时刻，并以pwm信号的方式输出到反相谐波发生单元的pwm逆变单元的igbt驱动电路上，实现谐波噪声的消除。
14.在本发明一实施例中，电网电压信号采集单元包括高精度电压互感器、信号放大电路，高精度电压互感器测量范围50v至4200v，测量精度一次标称电流小于0.9％，非线性度低于0.3％，带宽-3db《13khz，信号放大电路由高增益带宽积的运算放大器组成，工作频率在27至31.5ghz之间。
15.在本发明一实施例中，高速信号处理及谐波分析单元频率在400mhz以上，存储空间大于500k，最大采样点数为n
max
，电源系统频率为f，要求最大采样间隔
16.在本发明一实施例中，高速信号处理及谐波分析单元能够通过信号处理技术实现谐波占比的排序，并且，当最低次谐波幅值与高次谐波的幅值之比k达到100以后，即可满足要求，自动忽略更高次谐波的噪声影响。
17.在本发明一实施例中，电网四分之一个电压周波内的igbt导通与关断的时刻是通过高速数字信号处理器计算得出，通过pwm脉宽调制技术逆变消除k次以下的谐波。
18.在本发明一实施例中，igbt导通与关断的时刻的计算公式为：
[0019][0020]
其中，αi为第i个开关时刻，i＝1,2,...p，p＝0,1,2,...，u3、u5……u(2p+1)
为3次、5次
……
2p+1次的谐波幅值，ud为pwm逆变电路直流母线电压。
[0021]
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明利用高速数字信号处理器高速采样变压器电压信号，通过快速数字信号处理技术求解变压器中的谐波幅值，最后通过pwm电力电子技术逆变出幅值相同、相位相反的同次数谐波，实现谐波幅值的动态排序及动态的谐波消除。
附图说明
[0022]
图1为谐波消去法的输出pwm波形。
[0023]
图2为本发明一种用于城市配变减振降噪的有源降噪装置的结构图。
[0024]
图3为本发明系统结构图。
[0025]
图4为本发明信号处理流程图。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0027]
如图2、3所示，本发明一种用于城市配变减振降噪的有源降噪装置，包括三部分组成：1.电网电压信号采集单元；2.高速信号处理及谐波分析单元；3.反相谐波发生单元。各单元选择设备如下：
[0028]
其中、电网电压信号采集单元包括高精度电压互感器，信号放大电路等部分。其中高精度电压互感器测量范围50v至4200v，测量精度一次标称电流小于0.9％，非线性度低于0.3％，带宽-3db《13khz，介电强度最高可达12kv。信号放大电路由高增益带宽积的运算放大器组成，工作频率在27至31.5ghz之间，放大器在最大增益下提供高达19db的增益、230ma的+5v电源。提供增益控制电压允许高达13db的可变增益控制，增益平坦度极佳，封装符合rohs标准的4x4mm塑料qfn无铅封装中，与大容量表面贴装制造兼容。可以随着输入信号的幅值变化自动调节增益，并且具有极高的增益带宽积，有效保证了高频信号不会丢失。采集到的电压信号经过比例系数k放大至适合数字信号处理的幅值范围后，输入到cpu的模数转换端口。
[0029]
高速信号处理及谐波分析单元包括单片机、电压信号模拟量采集、pwm信号输出。其中，cpu系统频率可达800mhz。内含2mb系统内存sram，可以实时保存大量电压模拟量数据，可以对四分之一周期的电压模拟量数据采集后，实现快速整周期拓展，并对拓展后的正
周期电压信号采样值进行快速离散傅里叶变换，然后将各次谐波幅值进行排序，最后求解多变量非线性方程后，得到pwm信号开关盒关断时刻用驱动反相谐波发生器的逆变单元。
[0030]
反相谐波发生单元包括大功率高频igbt模块，igbt驱动电路、过流保护等部分。高速信号处理及谐波分析单元输出的pwm信号，经过igbt驱动电路可以在计算出的开关打开与关闭顺序时刻αi打开或关闭igbt，从而逆变出需要的反相谐波。
[0031]
工作原理：
[0032]
1)对变压器输出电压进行采样，由电压信号的对称性可知，变压器输出电压的0-π/2区间的波形与π-3π/2区间的波形反对称，而π/2-π区间的波形则与3π/2-2π区间的波形反对称。所以只需要采集变压器输出电压的0-π/2区间的波形，通过延拓即可得到整个2π周期内的波形。
[0033]
2)数字处理器具有每秒4m采样率(4msps)的12位adc模块，可以最高实现对0-800khz谐波成分的采样。
[0034]
3)为了提高运算速度和避免谐波采样泄漏，采用50khz采样速度，即每个电网电压的工频周期采样n
max
个点，根据谐波电压计算公式：
[0035][0036][0037]
其中u表示谐波电压幅值，x(n)为电网电压一个周期内n
max
个的采样点电压值。f(n,k)为计算因子。
[0038]
4)利用pwm逆变电路消去的k次谐波。
[0039]
图1是三相桥式pwm逆变电路中u相电压的波形。其中的矩形波是直流电压经过斩波后得到的pwm波形。根据等面积原则，pwm波形可以等效为虚线所示的正弦电压波形。
[0040]
由于pwm开关控制时序以四分之一周期镜像对称，所以谐波中不含有偶次谐波，只需要找到第一个四分之一周期内α1、α2、和α3的三个开关时刻。对于图中波形an为公式(1)
[0041][0042]
式中n＝3，5，7
…
[0043]
如果在电压信号四分之一周期内，igbt导通和关断的次数为p次，则可以消除变压器中的所有低于2p+1次的谐波，则可以建立如下p个方程组成的方程组：
[0044][0045]
p＝0,1,2,...
[0046]
求解上述方程组可以得到一组α1、α2…
α
p
的p个开关时刻。
[0047]
对于需要消除3次、5次
……
2p+1次的谐波幅值u3、u5……u(2p+1)
，只需要求出对应的幅值相反数对应的开关组合，并消除对应的谐波，从而使变压器达到降低谐波噪声的目的。
[0048]
在高速数字信号处理器计算各次谐波幅值的过程中，会同时记录并比较最低次谐波的幅值与高次谐波幅值的比值k，当k》100以后，认为满足谐波抑制要求，不再继续计算更高次的谐波。
[0049]
1)高精度互感器可采用并不限于abb公司的高精度电压互感器vs系列互感器。其型号可以选择jdz-3q、6q、10q，或jdzj系列但不限于上述高压电压互感器
[0050]
2)信号放大电路可采用但不限于亚诺德analog公司的可变增益运算放大器hmc6187、adl5246等，其中hmc6187是一款砷化镓模拟可变增益放大器。
[0051]
3)cpu采用但不限于德州仪器ti公司的am243x系列双核arm cortex-r5f微处理器，其配置的sram分区和专用的低延迟通道为实时在线运算和数据处理提供了同类单片机中最佳的实时性能。
[0052]
具体的以jdz-3q电压互感器为例，额定输入电压3kv，额定输出15va-100va，将电压互感器的一次侧接入变压器出口处，二次侧接入到比例放大电路中。电压互感器二次侧输出的电压信号通过变增益比例运算放大电路调至峰峰值小于5v。在待采样信号中叠加2.5v标准直流，将电压信号抬升至0-5v之内，平均电压值2.5v为电压信号的0v位置。直接连接到dsp的adc端口，由adc端口做电压模拟信号的采集与模数转换，并将0-5v的电压信号转化为0-4096的数字值。为保证数字信号处理dsp的设备安全，需要再输入信号和数字信号处理dsp之间加入限幅电路，防止由于电压信号过高烧毁数字信号处理dsp。
[0053]
利用dsp内部12位模数转换adc模块，采样保持时间设置为1微秒，采样方式为定时采样，采集间隔设置为20微秒，adcam64x/am243x系列dsp内部含有2mb闪存，可将电压信号的模拟采样值数组u保存在dsp内部闪存中。
[0054]
如图4所示为本发明信号处理流程图。
[0055]
电压信号的采集需要从电压过零点开始，具体步骤是：
[0056]
1)电压信号采样值赋值给变量a，比较a是否大于2048，如果a》2048，则记录符号s为1，如果a≤2048，则记录符号s＝-1继续这个循环步骤1，直到符号s由-1变为1，则找到一个过零点，把此时的a赋值给u[0]；
[0057]
2)变量i自加，间隔t
max
微秒，再次采样电压信号模拟值，并将模拟值转化为数字量
值赋值给变量u[i]，循环步骤2，直到i＝n
max
/4，完成采样。
[0058]
3)然后将数组u的这250个数据，按照序号重新排倒序，并追加在数组u[n
max
/4]-u[n
max
/2]中.
[0059]
4)将数组u[]的n
max
/2个数据取反，追加到数组u[n
max
/2+1]-u[n
max
]中，得到n
max
个电压信号的采样值。
[0060]
谐波分析阶段，具体步骤是：
[0061]
按照下式，计算各k次谐波的幅值。
[0062][0063][0064]
以此类推。
[0065]
pwm逆变开关时刻的计算阶段，具体步骤是：
[0066]
1)反相谐波发生单元开关时刻计算，根据下式，将u
(3)
、u
(5)
……u(2p+1)
代入方程组中，求解出α1、α2……
α
p
的p个开关时刻。
[0067][0068]
其中，αi为第i个开关时刻，i＝1,2,...p，p＝0,1,2,...，u3、u5……u(2p+1)
为3次、5次
……
2p+1次的谐波幅值。
[0069]
2)高速数字信号处理器继续检测电压过零点，当电压信号从正向负过零时，在电压信号即将进入负半周的时候，即从180度开始，高速数字信号处理器定时器清零，延时到α1时刻时打开igbt、延时到α1+α2时刻关闭igbt、和α1+α2+α3再次打开igbt、一直到α1+α2+
…
α
p
时刻，完成四分之一周期的pwm控制。
[0070]
3)在电压信号的四分之一到二分之一期间，以电压四分之一周期的时刻为时间起点，继续之前α
p
时刻的igbt导通状态，然后依次延时α
p-1
，α
p-2
…
α1，并且其开关状态与电压电压信号前四分之一的开关状态对称。
[0071]
4)电压信号的后半个周期中，igbt的导通与关断顺序和时长与前半个周期完全相同。
[0072]
经过一个周期的电压型逆变，pwm逆变器的出口与电网对应相相连接，即可消除电网中所有相应次数的谐波，忽略的高频谐波占比低于0.2％。
[0073]
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于城市配变减振降噪的有源降噪方法，其特征在于，通过检测变压器的输出电压信号，经过比例放大后，对放大后的电压信号经过傅里叶变换，计算出电网电压包含的主要谐波成分，确定主要谐波成分的谐波次数后，求解pwm逆变控制时刻的方程组，计算出电网四分之一个电压周波内的igbt导通与关断的时刻，并以pwm信号的方式输出到igbt驱动电路上，实现谐波噪声的消除。2.一种用于城市配变减振降噪的有源降噪装置，其特征在于，包括电网电压信号采集单元、高速信号处理及谐波分析单元、反相谐波发生单元；电网信号采集单元用于检测变压器的输出电压信号，经过比例放大后，输入到高速信号处理及谐波分析单元，高速信号处理及谐波分析单元对检测到的电压信号经过傅里叶变换，计算出电网电压包含的主要谐波成分，确定主要谐波成分的谐波次数后，求解pwm逆变控制时刻的方程组，计算出电网四分之一个电压周波内的igbt导通与关断的时刻，并以pwm信号的方式输出到反相谐波发生单元的pwm逆变单元的igbt驱动电路上，实现谐波噪声的消除。3.根据权利要求2所述的一种用于城市配变减振降噪的有源降噪装置，其特征在于，电网电压信号采集单元包括高精度电压互感器、信号放大电路，高精度电压互感器测量范围50v至4200v，测量精度一次标称电流小于0.9％，非线性度低于0.3％，带宽-3db<13khz，信号放大电路由高增益带宽积的运算放大器组成，工作频率在27至31.5ghz之间。4.根据权利要求2所述的一种用于城市配变减振降噪的有源降噪装置，其特征在于，高速信号处理及谐波分析单元频率在400mhz以上，存储空间大于500k，最大采样点数为n
max
，电源系统频率为f，要求最大采样间隔5.根据权利要求2所述的一种用于城市配变减振降噪的有源降噪装置，其特征在于，高速信号处理及谐波分析单元能够通过信号处理技术实现谐波占比的排序，并且，当最低次谐波幅值与高次谐波的幅值之比k达到100以后，即可满足要求，自动忽略更高次谐波的噪声影响。6.根据权利要求2所述的一种用于城市配变减振降噪的有源降噪装置，其特征在于，电网四分之一个电压周波内的igbt导通与关断的时刻是通过高速数字信号处理器计算得出，通过pwm脉宽调制技术逆变消除k次以下的谐波。7.根据权利要求6所述的一种用于城市配变减振降噪的有源降噪装置，其特征在于，igbt导通与关断的时刻的计算公式为：其中，α
i
为第i个开关时刻，i＝1,2,...p，p＝0,1,2,...，u3、u5……
u
(2p+1)
为3次、5
次
……
2p+1次的谐波幅值，u
d
为pwm逆变电路直流母线电压。

技术总结
本发明涉及一种用于城市配变减振降噪的有源降噪方法及装置。包括电网电压信号采集单元、高速信号处理及谐波分析单元、反相谐波发生器PWM逆变单元；电网信号采集单元用于检测变压器的输出电压信号，经过比例放大后，输入到高速信号处理单元及谐波分析单元，而后对检测到的电压信号经过傅里叶变换，计算出电网电压包含的主要谐波成分，确定主要谐波成分的谐波次数后，求解PWM逆变控制时刻的方程组，计算出电网四分之一个电压周波内的IGBT导通与关断的时刻，并以PWM信号的方式输出到反相谐波发生器PWM逆变单元的IGBT驱动电路上，IGBT组成的逆变电路与电网并联，实现谐波噪声的消除。本发明效率高、可精准消除设定次数的谐波，实现变压器谐波的有源降噪。实现变压器谐波的有源降噪。实现变压器谐波的有源降噪。


技术研发人员：吴文庚 陈冰斌 陈群力 高栩 江世雄 黄毅标 翁孙贤
受保护的技术使用者：国网福建省电力有限公司福州供电公司
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/8