新型換流變壓器在礦井電網(wǎng)諧波抑制中的應(yīng)用研究＊

湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院（湖南湘潭 411201） 李 燕 朱紅萍

湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院（湖南 長(zhǎng)沙 410082） 許加柱

1 引言

諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍。從理論上看，非線性負(fù)荷是配電網(wǎng)諧波的主要產(chǎn)生因素。周期性的畸變波形經(jīng)過傅立葉級(jí)數(shù)分解后，那些大于基頻的分量被稱作諧波。嚴(yán)格意義上講，電力網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)環(huán)節(jié)，包括發(fā)電、輸電、配電、用電都可能產(chǎn)生諧波。

輸電和配電系統(tǒng)中存在大量的電力變壓器，因變壓器內(nèi)鐵心飽和，磁化曲線的非線特性以及額定工作磁密位于磁化曲線接近飽和段上等諸多因素，致使磁化電流內(nèi)含大量奇次諧波。變壓器鐵心飽和度越高，產(chǎn)生的諧波電流就越大，嚴(yán)重時(shí)三次諧波電流可達(dá)額定電流的5%。用電環(huán)節(jié)諧波源更多，如晶閘管式整流設(shè)備、變頻裝置、充氣電光源以及家用電器，都能產(chǎn)生一定量的諧波[1]。電力系統(tǒng)中的諧波電壓和諧波電流對(duì)用電設(shè)備和電網(wǎng)本身都會(huì)造成很大的危害，從而引起世界各國(guó)的高度重視。各種國(guó)際學(xué)術(shù)組織如電氣與電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE)、國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)和國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)相繼各自制定了包括供電系統(tǒng)、各項(xiàng)電力和用電設(shè)備以及家用電器在內(nèi)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)煤礦電網(wǎng)中的諧波污染也日趨嚴(yán)重，給煤礦供電系統(tǒng)和各類用電設(shè)備帶來(lái)危害.消除諧波的主要方法是在交流電源側(cè)裝設(shè)濾波裝置。如在諧波源附近配置各種類型的濾波器，如L－C無(wú)源濾波器 (PF)，有源電力濾波器 (APF)，無(wú)源與有源混合濾波器(PF+APF)等。由諧波源產(chǎn)生的大量諧波經(jīng)過這些濾波器進(jìn)行分流，使得流入電網(wǎng)中的諧波電流盡可能小，從而達(dá)到諧波抑制的目的。礦井中提升機(jī)是關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，其安全運(yùn)行至關(guān)重要，因此消除提升機(jī)變流裝置的諧波是煤礦電網(wǎng)諧波治理的主要目標(biāo)。而無(wú)源型濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便和投資相對(duì)較少等優(yōu)點(diǎn)?；谏鲜鲈颍诘V井提升機(jī)諧波治理中大多采用無(wú)源型濾波器，主要抑制系統(tǒng)中5，7，11及13次特征諧波[1－3]。

本文提出了一種濾波換相換流器，即新型換流變壓器，它將變壓器和無(wú)源濾波器兩者巧妙地結(jié)合起來(lái)，不僅可降低換流變壓器的絕緣設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)容量，而且可將無(wú)源濾波器的偏調(diào)諧設(shè)計(jì)方法改良至無(wú)源濾波器的全調(diào)諧設(shè)計(jì)方法，大大克服了傳統(tǒng)無(wú)源濾波器存在的缺點(diǎn)，達(dá)到有源濾波的效果。

2 新型換流變壓器的特點(diǎn)

2.1 新型換流變壓器的諧波屏蔽機(jī)理

圖1 濾波換相換流器結(jié)構(gòu)

新型換流變壓器及其濾波系統(tǒng)閥側(cè)繞組接線如圖1所示,網(wǎng)側(cè)繞組由AO、BO和CO(繞組!)組成，采用星形接法，中性點(diǎn)引出接地；閥側(cè)由兩套繞組共同組成，這兩套繞組均由三相延邊繞組和公共繞組組成，其三相公共繞組分別由d1e1、e1f1和f1d1(繞組")和d2e2、e2f2和f2d2(繞組")組成，其三相延邊繞組由a1d1、b1e1和c1f1(繞組#)和a2d2、b2e2和c2f2(繞組#)組成，兩套繞組都用延邊三角形接法。

傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)中，濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置均安裝于交流網(wǎng)側(cè)。按照常理，濾波器和并聯(lián)電容器組應(yīng)安裝于閥側(cè)母線上是最理想的方案，且這種方案最接近諧波源?？紤]到換流器在工作過程中，換流變壓器閥側(cè)電壓是由直流電壓和嚴(yán)重畸變的交流電壓組成的復(fù)合電壓，而濾波器中的電容器和電抗器在工作過程中不斷地充放電，將引起電磁振蕩，而這種電磁振蕩會(huì)造成閥側(cè)電壓波動(dòng)，這對(duì)于換流器的正常換相與可靠運(yùn)行是很不利的，同時(shí)還會(huì)增加換流器閥組的損耗；另一方面，該種濾波方式仍屬于傳統(tǒng)無(wú)源濾波的范疇，無(wú)法消除系統(tǒng)阻抗給濾波器設(shè)計(jì)帶來(lái)的不良影響，從而影響濾波效果，且閥側(cè)母線濾波支路在運(yùn)行中要承受交流成分與直流成分的雙重影響，這對(duì)濾波裝置的性能考核要求較高。

針對(duì)傳統(tǒng)換流變壓器及其濾波方案存在的問題和新型換流變壓器接線方式的特點(diǎn)，提出了一種新型的濾波方案。這種濾波方案在新型換流變壓器閥側(cè)繞組的中間抽頭處接入特征次L-C諧波濾波器，考慮到6脈動(dòng)換流器工作中以5、7、11和13次諧波為主，因此，新型濾波方案在閥側(cè)繞組抽頭處接入5、7、11和13次特征諧波濾波器，在閥側(cè)實(shí)現(xiàn)諧波抑制，同時(shí)還可兼顧閥側(cè)部分無(wú)功功率的補(bǔ)償，降低通過換流變壓器的無(wú)功電流，提高換流變壓器的材料利用率。閥側(cè)補(bǔ)償無(wú)功功率的多少由濾波器提供的無(wú)功容量決定。抽頭處的諧波濾波器的電壓等級(jí)與傳統(tǒng)濾波方案中的電壓等級(jí)相比大大降低，電容器成本顯著減少，壽命延長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。這種新型換流變壓器的二次繞組不僅有磁的聯(lián)系，還有電的聯(lián)系，濾波器一端與負(fù)載有公共連接點(diǎn)，另一端連到二次繞組的抽頭位置，濾波繞組不單純進(jìn)行諧波抑制，且參與有功傳輸，提高了變壓器的材料利用率。自耦型諧波屏蔽變壓器的諧波模型如圖2所示。

圖2 自耦型諧波屏蔽變壓器的諧波等效模型

圖3 Ⅰ橋換流變壓器及閥側(cè)濾波支路的電流分布圖

圖4 繞組電壓和電流相量圖

濾波電流等效為諧波電流源，三個(gè)短路阻抗為 ZK12、ZK13、ZK23，分別為網(wǎng)側(cè)與公共繞組之間短路阻抗、網(wǎng)側(cè)繞組與延邊繞組之間短路阻抗、公共繞組與延邊繞組之間短路阻抗。Z1n、Z2n、Z3n分別為網(wǎng)側(cè)繞組，公共繞組和延邊繞組的等效漏阻抗，它們之間滿足下列關(guān)系：

通過變壓器設(shè)計(jì)使 Z2n接近于0，且 Z1n遠(yuǎn)大于 Z2n，諧波電流都由 Z2n支路通過，Z1n支路上幾乎不流經(jīng)諧波電流，即諧波電流不通過原邊繞組，這樣就起到了諧波屏蔽作用[4－6]。

2.2 新型換流變壓器的無(wú)功補(bǔ)償機(jī)理

換流器在工作過程中需要消耗相當(dāng)多的無(wú)功功率。在正常運(yùn)行情況下，換流器所需配置的無(wú)功功率約為直流輸送功率的30%～50%；逆變器所需配置的無(wú)功功率約為直流傳輸功率的40%～60%。因此，換流器和逆變器必然采用有效的無(wú)功補(bǔ)償措施。新型換流變壓器及其濾波系統(tǒng)采用閥側(cè)公共繞組抽頭處接入5、7、11和13次特征諧波濾波器，在濾波的同時(shí)兼顧補(bǔ)償無(wú)功功率。

直流輸電系統(tǒng)中，總的無(wú)功補(bǔ)償容量也可以根據(jù)平均功率因數(shù)提高值來(lái)確定。若負(fù)荷容量為S(MVA)，要求系統(tǒng)輸送功率因數(shù)從cos!0提高到cos!，則所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率容量(Mvar)：

這些無(wú)功功率可以由閥側(cè)接入的濾波支路得到部分補(bǔ)償，不足的無(wú)功功率可在交流網(wǎng)側(cè)投切電容器及網(wǎng)側(cè)的高通濾波器共同補(bǔ)償[7]。在新型換流變壓器中，I橋換流變壓器及其閥側(cè)支路的電流分布如圖3所示。節(jié)點(diǎn) d1、e1、f1對(duì)應(yīng)的電流方程如下：其中分別為閥側(cè)濾波支路的基波電流。

以節(jié)點(diǎn)o為零電勢(shì)參考點(diǎn)，則 d1、e1和 f1節(jié)點(diǎn)相對(duì)于o點(diǎn)的電壓相量及各繞組的電壓相量如圖4所示。

3 新型換流變壓器的應(yīng)用

平頂山煤業(yè)集團(tuán)某礦是我國(guó)煤礦中較早采用變流器供電提升機(jī)的大型礦井，也是發(fā)現(xiàn)諧波危害較早的礦井之一。主井為雙箕斗提升，用兩臺(tái)2100kw直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，由4臺(tái)10000kVA變流器供電。采用無(wú)源濾波器，網(wǎng)側(cè)濾波，分析測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn):首先5，7，11及13次特征諧波嚴(yán)重超標(biāo)，但其他高次諧波分量不大；其次各相諧波不平衡，需要在檢修時(shí)對(duì)變流器觸發(fā)角加以整定；再有不同運(yùn)行狀態(tài)下諧波電流變動(dòng)很大，除與負(fù)荷大小有關(guān)外，還與無(wú)功補(bǔ)償電容器是否投入有關(guān)，說明在特征諧波附近存在諧波放大現(xiàn)象。將測(cè)試數(shù)據(jù)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的限定值比較，依據(jù)變流器諧波電流超過限定值的情況，初步確定采用幾組單調(diào)諧濾波器，通常煤礦提升機(jī)所用變流器為6或12脈動(dòng)的，其交流側(cè)特征諧波為5，7，11，13次等，一般為消除幅值較大的低次諧波需安裝單調(diào)諧濾波器。對(duì)于高次諧波電流較大，單調(diào)諧濾波器對(duì)低次諧波電流的吸收已達(dá)到要求，而諧波電壓不能滿足要求時(shí)，則考慮安裝高通濾波器。

因此，若采用傳統(tǒng)的在網(wǎng)側(cè)母線上接濾波器濾波，確定治理方案為:只安裝5，7，11，13次濾波器，不安裝高通濾波器，諧波電流治理情況如表1所示。

表1 傳統(tǒng)濾波諧波電流治理情況

現(xiàn)將換流變壓器換為新型換流變壓器，在閥側(cè)接入濾波器，使得換流器產(chǎn)生的5、7、11和13次特征諧波電流被完全抑制于閥側(cè)繞組，網(wǎng)側(cè)繞組中無(wú)5、7、11和13次特征諧波電流。就可使得網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，濾波結(jié)果如表2。并可在閥側(cè)補(bǔ)償部分無(wú)功功率，大大降低換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組中的諧波電流和無(wú)功電流，并可降低換流變壓器的絕緣設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)容量,有利于變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益[8－10]。

表2 接新型換流變壓器整流后的諧波電流

實(shí)行新型的換流變壓器，不僅可以測(cè)得諧波分量減少，而且功率因數(shù)由0.955提高到0.9904。

換流直流系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)為：直流電壓 Ud=400 V；直流電流Id=25000 A；輸送功率 Pd=10000 kVA；脈波功率因數(shù)為0.955。

表3為采用新型換流變壓器的一次側(cè)、中壓側(cè)和閥側(cè)的額定容量，額定電壓，額定電流的計(jì)算表。

表3 新型換流變壓器參數(shù)計(jì)算

經(jīng)過補(bǔ)償后的一次側(cè)額定電流為190.31A，與補(bǔ)償前的電流176.52A相比，增加了13.79A。通過計(jì)算：P=13.79×37.85×節(jié)約網(wǎng)側(cè)設(shè)計(jì)容量863.96KVA。閥側(cè)的無(wú)功功率容量由閥側(cè)所連接的電容器來(lái)決定，其數(shù)值為3105.82Kvar，系統(tǒng)中所需補(bǔ)償?shù)目偟臒o(wú)功功率可由計(jì)算公式 QN=來(lái)決定。本系統(tǒng)中無(wú)功功率的補(bǔ)償由中壓側(cè)和閥側(cè)來(lái)共同補(bǔ)償?shù)玫?，中壓無(wú)功補(bǔ)償量1700Kvar，閥側(cè)無(wú)功補(bǔ)償量1708.20Kvar，補(bǔ)償后功率因數(shù)達(dá)到0.99。

表4 新型換流變壓器各次諧波電流

4 結(jié)論

新型換流變壓器由于具備諧波屏蔽和無(wú)功補(bǔ)償作用，有效地降低了諧波電流對(duì)變壓器本身的影響，并且提高了變壓器的功率因數(shù)；同時(shí)由于網(wǎng)側(cè)繞組上的諧波電流非常小，甚至可以忽略，這樣就降低了該繞組的容量,有利于材料的節(jié)省；網(wǎng)側(cè)繞組諧波電流小，網(wǎng)側(cè)電流的有效值必然減小，這樣在輸入電壓為高電壓時(shí)，對(duì)繞組的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能有很大幫助。新型換流變壓器所具有的獨(dú)特的性能決定了它有著廣闊的發(fā)展空間。電能作為一種特殊商品，它的質(zhì)量不僅要求電力系統(tǒng)在發(fā)電、變電、輸電各環(huán)節(jié)上作出努力，同時(shí)也要求用戶予以維護(hù)，特別是公用電網(wǎng)諧波，受用電設(shè)備的影響更是明顯。新型換流變壓器具備諧波屏蔽作用，大大阻斷了諧波電流注入電網(wǎng)，提高了電能質(zhì)量，符合電網(wǎng)環(huán)保的新理念。

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