感應(yīng)濾波四繞組變壓器及其濾波補(bǔ)償裝置分析

李世軍+羅隆福+李偉棟+沈陽+丁立國(guó)+張細(xì)政

摘 要：為改善220 kV變電站的電能質(zhì)量，提出了一種基于感應(yīng)濾波技術(shù)的四繞組變壓器，相比傳統(tǒng)三繞組變壓器，其增加了一個(gè)具有零阻抗設(shè)計(jì)特征的附加濾波繞組.附加濾波繞組接配套的濾波補(bǔ)償裝置，此變壓器能夠高效抑制110 kV和35 kV負(fù)載側(cè)的諧波，減小220 kV側(cè)的諧波電流.對(duì)比分析了幾種較為常用無功補(bǔ)償容量的分配方案，確定了采用配系數(shù)分配方法設(shè)計(jì)感應(yīng)濾波四繞組變壓器配套濾波補(bǔ)償裝置的優(yōu)化方案，從而實(shí)現(xiàn)了濾波總電感最小的目的，保證了濾波補(bǔ)償裝置的經(jīng)濟(jì)性.利用PSCAD/EMTDC軟件建立了感應(yīng)濾波四繞組變壓器及濾波補(bǔ)償裝置的仿真模型.仿真結(jié)果表明，本文提出方案的濾波效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的三繞組變壓器的濾波方案，具有良好的工程應(yīng)用前景.

關(guān)鍵詞：四繞組變壓器；感應(yīng)濾波；無功補(bǔ)償；濾波器設(shè)計(jì)；仿真驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：TM402 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)不同于傳統(tǒng)的濾波方式[1]，它充分利用特定次諧波頻率下變壓器的安匝平衡原理[2-5]，將非線性負(fù)載側(cè)的諧波阻止于變壓器的二次負(fù)載側(cè)，防止其進(jìn)入變壓器網(wǎng)側(cè)繞組，具備良好的諧波屏蔽效果；同時(shí)，感應(yīng)濾波技術(shù)還能有效降低變壓器的鐵芯諧波磁通，改善變壓器的電磁絕緣環(huán)境[6].感應(yīng)濾波技術(shù)已廣泛應(yīng)用在電解、化工、冶金等領(lǐng)域，應(yīng)用效果良好.同時(shí)，隨著新能源、電氣化鐵道的快速發(fā)展，導(dǎo)致某些220 kV變電站的諧波含量超標(biāo)，其110 kV和35 kV的負(fù)載側(cè)都有較重諧波傳入電網(wǎng)，諧波治理迫在眉睫.但是，直接在220 kV側(cè)治理是不現(xiàn)實(shí)的；分別在110 kV側(cè)和35 kV側(cè)治理，則需要安裝兩套濾波器，經(jīng)濟(jì)性差，也沒有現(xiàn)實(shí)可行性.采用四繞組變壓器感應(yīng)濾波方案是較為有效可行的方法.感應(yīng)濾波方案是在220 kV之后，安裝35 kV濾波繞組（也可以為110 kV，取決于濾波器成本），之后，才是110 kV和35 kV負(fù)載繞組，使得兩負(fù)載繞組的諧波與220 kV繞組被濾波繞組隔離，所以，也稱這種變壓器為諧波隔離變壓器.諧波隔離變壓器有兩套感應(yīng)濾波組（三繞組變壓器）：220 kV繞組、濾波繞組、110 kV繞組和220 kV繞組、濾波繞組、35 kV繞組.兩套感應(yīng)濾波組均要求滿足感應(yīng)濾波條件，即：感應(yīng)濾波繞組等值阻抗趨近于零.經(jīng)過仿真研究，感應(yīng)濾波的方案比傳統(tǒng)濾波方案好：傳統(tǒng)方案無法同時(shí)保證35 kV和110 kV側(cè)諧波負(fù)載的濾波要求，從220 kV側(cè)觀察，就是諧波無法達(dá)標(biāo).而感應(yīng)濾波方案，220 kV側(cè)諧波能夠達(dá)標(biāo).最后，本文采用四繞組諧波隔離（感應(yīng)濾波）變壓器為對(duì)象，開展濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.通過對(duì)比分析3種常用的無功補(bǔ)償分配方案，選擇了1/n分配方法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了濾波的經(jīng)濟(jì)性.

1 接線方式與濾波原理

感應(yīng)濾波四繞組變壓器的繞組分布以及接線方式分別如圖1和圖2所示.感應(yīng)濾波四繞組變壓器相比傳統(tǒng)三繞組變壓器增加了35 kV的濾波繞組，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)中低壓負(fù)載的諧波屏蔽，將濾波繞組置于220 kV繞組和110 kV繞組之間.感應(yīng)濾波四繞組變壓器實(shí)物如圖3所示，目前工程樣機(jī)已經(jīng)完成出廠試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足條件，樣機(jī)正在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試.

本文所研究的感應(yīng)濾波四繞組變壓器參數(shù)如表1所示.針對(duì)實(shí)際工作中含有主要次特征諧波電流，感應(yīng)調(diào)諧裝置分別采用5，7，11和13次4條單調(diào)諧濾波支路.

為研究感應(yīng)濾波四繞組變壓器的工作原理，建立了單相等值電路，如圖4所示，其中所有變量均折算到變壓器一次側(cè)，其中W1，W2，W3，W4分別為220 kV側(cè)繞組，35 kV濾波繞組，110 kV側(cè)繞組和35 kV繞組的匝數(shù)；繞組電流分別為1，2，3，4；f為感應(yīng)調(diào)諧裝置中的電流.

2 基于感應(yīng)濾波四繞組變壓器的濾波器設(shè)計(jì)

2.1 確定無功補(bǔ)償量

2.2 電容分配方案

2.2.1 等電容分配方案

等電容分配方案是根據(jù)變壓器中感應(yīng)調(diào)諧裝置所需的無功補(bǔ)償容量，計(jì)算出相應(yīng)的電容C后將其4等分，分別用于5，7，11，13次濾波支路，這是常規(guī)濾波器設(shè)計(jì)的方法.Q5，Q7，Q11，Q13依次表示5，7，11，13次感應(yīng)濾波調(diào)諧支路的單相無功補(bǔ)償容量，得到：

Q5=Q7=Q11=Q13=112Qc （12）

C5，C7，C11和C13分別為5，7，11和13次濾波支路的電容，其值為：

Cn=Qn/ωU2， n=5，7，11，13 （13）

L5，L7，L11和L13分別為5，7，11和13次濾波支路的電感，其值為：

Ln=U2/n2ωQn， n=5，7，11，13（14）

2.2.2 等電感分配方案

等電感分配方案是將感應(yīng)濾波調(diào)諧裝置所需的無功補(bǔ)償容量分配到5，7，11和13次濾波支路，原則就是使分配到4條支路的無功補(bǔ)償容量所需的電感相等，然后再根據(jù)電感值計(jì)算出各支路所需要的電容.

由于每相濾波裝置中5，7，11，13次濾波支路上的電感值可以用相應(yīng)的單相無功補(bǔ)償容量來表示，令5，7，11，13次濾波支路上的電感相等，有

L5=L7=L11=L13 （15）

U225ωQ5=U249ωQ7=U2121ωQ11=U2169ωQ13 （16）

各濾波支路上的電容為：

Q5+Q7+Q11+Q13=Qc/3（17）

根據(jù)公式（13）和（14），可計(jì)算出每一條濾波支路所需電容值和電感值.

2.2.3 配系數(shù)分配優(yōu)化方案

配系數(shù)分配方案主要是在5，7，11和13次調(diào)諧支路上配一個(gè)分母為相應(yīng)次數(shù)的系數(shù)，系數(shù)的分子可由下式計(jì)算求得：

Q5+Q7+Q11+Q13=（i5+j7+k11+l13）×13Qc

i5+j7+k11+l13=1 （18）

配系數(shù)分配方案其實(shí)就是以其諧波次數(shù)為分母，自配分子的優(yōu)化方案.同時(shí)配系數(shù)方案具有約束條件少和優(yōu)化空間大的特點(diǎn).對(duì)配系數(shù)分配優(yōu)化設(shè)目標(biāo)函數(shù)：

y=U225ωQ5+U249ωQ7+U2121ωQ11+U2169ωQ13（19）

y表示用于調(diào)諧支路的總電感量，采用遺傳算法迭代求解，迭代初始值用等電容方案的電容值.

根據(jù)工程需求，本變壓器的無功總補(bǔ)償容量Qc大約為38 MVar，依據(jù)上文中分析的3種補(bǔ)償方案，計(jì)算得到了濾波器的相關(guān)參數(shù)如表2所示.從工程應(yīng)用的角度來說，濾波器的投資成本與電容和電感的大小密切相關(guān)，但是依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，濾波器的總電感越小，投資越小，由表2可以看出，感應(yīng)濾波四繞組變壓器配套濾波補(bǔ)償裝置采用配系數(shù)方案時(shí)（此時(shí)，優(yōu)化結(jié)果為i=j=k=l，即5，7，11，13次濾波支路的無功補(bǔ)償容量之比為1/5∶1/7∶1/11∶1/13），總電感最小，經(jīng)濟(jì)性越高.

2.3 仿真效果分析

采用PSCAD/EMTDC仿真軟件建立感應(yīng)濾波四繞組變壓器及其配套調(diào)諧濾波裝置的仿真模型，原理圖如圖5所示.分別對(duì)比2種工況下，新型濾波方案和原有傳統(tǒng)方案（在35 kV負(fù)載側(cè)接濾波器方案）對(duì)電能質(zhì)量的治理效果，220 kV側(cè)諧波電流波形如圖6所示.

工況1：35 kV 繞組側(cè)空載；110 kV繞組側(cè)基波電流 800 A，5次諧波電流50 A，7次諧波電流40 A，11次諧波電流30 A，13次諧波電流20 A.

工況2：35 kV 繞組側(cè)基波電流 1 000 A，5次諧波電流60 A，7次諧波電流50 A，11次諧波電流40 A，13次諧波電流30 A；110 kV繞組側(cè)基波電流 800 A，5次諧波電流50 A，7次諧波電流40 A，11次諧波電流30 A，13次諧波電流20 A .

諧波電流值以變電站的實(shí)際電能質(zhì)量數(shù)據(jù)為參數(shù)值，表3和表4分別為2種工況下測(cè)得的200 kV側(cè)的諧波電流以及總諧波畸變率，2種工況下的總電流諧波畸變率分別為1.8%和2.0%，大大小于傳統(tǒng)變壓器的濾波方案電流諧波畸變率6.0%和6.9%，感應(yīng)濾波四繞組變壓器及其配套調(diào)諧裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)諧波具有良好的治理效果.仿真結(jié)果分析如下：

1）由工況1的仿真結(jié)果可得，由于變電站110 kV側(cè)存在著大量諧波，其網(wǎng)側(cè)電流呈非正弦波形，且畸變率較大.傳統(tǒng)濾波方案其諧波濾除率不到20%，而新型感應(yīng)濾波四繞組變壓器配套的濾波裝置經(jīng)過優(yōu)化后，其諧波濾除率可達(dá)80%.

2）由工況2的仿真結(jié)果可得，當(dāng)變電站110 kV側(cè)和35 kV側(cè)都含有大量諧波電流時(shí)，經(jīng)過優(yōu)化后的配套調(diào)諧裝置與感應(yīng)濾波四繞組變壓器配套使用后，220 kV電源側(cè)具有良好的諧波抑制效果.

3 結(jié) 論

1）本文提出了一種具有感應(yīng)濾波技術(shù)的四繞組諧波屏蔽變壓器，其增加一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的附加濾波繞組，實(shí)現(xiàn)對(duì)110 kV和35 kV負(fù)載側(cè)諧波的高效統(tǒng)一治理.

2）分析了感應(yīng)濾波四繞組變壓器配套濾波器設(shè)計(jì)常用的3種方法，在經(jīng)濟(jì)上對(duì)不同方案進(jìn)行了比較與分析，得出配系數(shù)分配方案比等電容方案與等電感方案更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì).

3）通過PSCAD對(duì)2種典型工況下的諧波抑制效果進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，使用感應(yīng)濾波四繞組變壓器時(shí)，2種工況下測(cè)得網(wǎng)側(cè)的總電流諧波畸變率分別為1.8%和2.0%，大大小于傳統(tǒng)變壓器的濾波方案電流諧波畸變率6%和6.9%，因此，有力地證明了本文所提出的感應(yīng)濾波四繞組變壓器和配套的感應(yīng)濾波調(diào)諧裝置具有良好的濾波效果.

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