新標(biāo)準(zhǔn)空載電壓波形系數(shù)控制與研究

趙志強(qiáng) 杜振斌,3 馬明元,2 王雪剛

（1.保定天威保變電氣股份有限公司 2.河北省特高壓變電技術(shù)創(chuàng)新中心3.河北省大型柔性直流變壓器工程研究中心）

0 引言

在更新之前的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定變壓器出廠試驗(yàn)，只要求進(jìn)行100%及以下額定電壓的空載試驗(yàn)，對(duì)于高于額定電壓的空載試驗(yàn)不做要求。而新頒布的標(biāo)準(zhǔn)GB1094.1中明確要求要進(jìn)行110%電壓下的空載損耗測(cè)量，并要求試驗(yàn)時(shí)的電壓波形畸變小，即電壓波形系數(shù)[1]（電壓有效值與平均值的商）小于3%。

由于在變壓器訂貨合同中用戶還經(jīng)常提出更高要求，需要進(jìn)行115%額定電壓下的空載試驗(yàn)，而國(guó)內(nèi)很多變壓器公司現(xiàn)有試驗(yàn)?zāi)芰υ?00%電壓下空載試驗(yàn)的電壓波形系數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而在110%電壓試驗(yàn)時(shí)的波形系數(shù)無法保證在3%以內(nèi)，對(duì)于大容量產(chǎn)品和115%額定電壓工況，波形系數(shù)超標(biāo)現(xiàn)象更為嚴(yán)重，部分產(chǎn)品波形系數(shù)甚至超過10%，無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)產(chǎn)品投入市場(chǎng)時(shí)間造成影響。而增加試驗(yàn)設(shè)備容量不但投資高而且工期長(zhǎng)，無法滿足生產(chǎn)需求，急需通過濾波方式對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行治理提高后，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足生產(chǎn)。

降低電壓中諧波含量的策略有降低系統(tǒng)漏抗（增大設(shè)備容量）、減少變壓器發(fā)出的諧波、諧波吸收三種，本文采用諧波吸收的方式，通過無源濾波與有源濾波混合治理方案解決問題。

1 電壓波形系數(shù)控制用濾波器的總體設(shè)計(jì)

采用無源濾波器[2]與有源濾波器[3]混合治理方案：治理3次、5次低次諧波采用無源濾波器；7～50次諧波范圍內(nèi)采用有源濾波器，不用切換開關(guān)，通過閉環(huán)控制，主控制器采集發(fā)電機(jī)母線、無源濾波器、有源濾波單元、變壓器的電壓電流信號(hào)；通過比較發(fā)電機(jī)母線電壓信號(hào)與系統(tǒng)參考值，得到控制誤差，計(jì)算此時(shí)發(fā)電機(jī)母線中的諧波含量和所需補(bǔ)償容量；再經(jīng)過主控制器的單片機(jī)計(jì)算，取得實(shí)時(shí)控制信號(hào)；控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)模塊放大，控制有源濾波單元中的電流，使濾波器以最適合的容量吸收發(fā)電機(jī)母線上的諧波，實(shí)現(xiàn)不間斷濾波容量調(diào)節(jié)，濾除發(fā)電機(jī)母線諧波，使發(fā)電機(jī)母線電壓波形符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

此方案充分發(fā)揮了無源濾波與有緣濾波的優(yōu)點(diǎn)，克服了各自的缺點(diǎn)，使得整個(gè)系統(tǒng)價(jià)格低，周期短，使用靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，性價(jià)比高，是諧波治理的優(yōu)選方案，尤其適用于變壓器電壓波形控制領(lǐng)域。

1.1 變壓器空載試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

試驗(yàn)系統(tǒng)由同步發(fā)電機(jī)（15000kVA/10.5kV）、試驗(yàn)變壓器（31500/110、90000/110）、被試變壓器組成。

1.2 無源濾波器技術(shù)條件

無源濾波器是針對(duì)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993 《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》關(guān)于諧波治理的有關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)。

1.3 無源濾波器的工程設(shè)計(jì)

（1）無源濾波器的容性無功補(bǔ)償[4]功率

根據(jù)實(shí)際測(cè)量值，I0=198A，I3=150A，I5=100A，U=Ue時(shí)，cosΦ=0.7。U=1.1Ue時(shí)，cosΦ=0.2～0.3。

計(jì)算得出：Qc=1.1×U×I×sinΦ=1.1×10×198×sinΦ=2134kvar。

式中，I0，I3，I5分別為基波電流、3次諧波電流、5次諧波電流的有效值；U，Ue為實(shí)時(shí)電壓值和額定電壓值；cosΦ為系統(tǒng)的功率因數(shù)；Qc為無源濾波器的容性無功補(bǔ)償功率。

（2）無源濾波器的感性調(diào)諧濾波功率

變壓器空載電流I0取0.5%，變壓器空載試驗(yàn)最大感性調(diào)諧濾波容量為：

（3）無源濾波器的電壓

系統(tǒng)需運(yùn)行1.1倍額定電壓，且需加濾波串聯(lián)電抗器，電容器額定電壓選取為：

（4）電容器選型

（5）調(diào)諧電抗器抽頭

考慮到調(diào)諧回路濾除諧波及運(yùn)行的安全可靠性，3次諧波回路電抗器設(shè)3個(gè)抽頭，電抗率分別為12%、12.5%、13%，其中12%為基準(zhǔn)電抗率；5次諧波回路電抗器設(shè)3個(gè)抽頭，電抗率分別為5%、6%、7%，其中5%為基準(zhǔn)電抗率。

（6）并聯(lián)電抗器[5]

當(dāng)濾波裝置投入后，系統(tǒng)的基波有時(shí)會(huì)呈現(xiàn)容性，這是系統(tǒng)運(yùn)行不允許的，為了保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，諧波治理后需要保持系統(tǒng)電流呈現(xiàn)感性。為此并入并聯(lián)電抗器，其最大輸出容量應(yīng)與電容器輸出容量相當(dāng)。

并聯(lián)電抗器的額定輸出容量為2500kvar，電抗器設(shè)有3個(gè)分接，輸出容量分別為2360kvar、2500kvar、2620kvar。

1.4 并聯(lián)型有源濾波器的工程設(shè)計(jì)

有源濾波器的基本原理是從系統(tǒng)母線中檢測(cè)出諧波電流，然后由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等但極性相反的補(bǔ)償電流，從而消除母線中的諧波電流，使電壓只含有基波分量，降低了諧波含量。

與傳統(tǒng)的無源LC濾波器相比，有源濾波器優(yōu)點(diǎn)如下：

1）實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和幅值都變化的諧波以及變化的無功功率進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償。

2）濾波器特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)。

3）補(bǔ)償無功功率時(shí)不需儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件容量不大。

4）可同時(shí)對(duì)諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償無功的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)，既可對(duì)一個(gè)諧波單獨(dú)補(bǔ)償，也可以對(duì)多個(gè)無功和諧波源集中補(bǔ)償，性價(jià)比合理。其電氣結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 有源濾波器電氣結(jié)構(gòu)圖

其中，is為發(fā)電機(jī)母線電流；ic為有源濾波器補(bǔ)償電流；iL為空載試驗(yàn)電流；i1和e1為A相電流和相位角，i2和e2為B相電流和相位角，ic為有源濾波器補(bǔ)償電流指令。

1.5 濾波器實(shí)施

電壓波形系數(shù)控制用濾波器的電氣系統(tǒng)圖如圖2所示。圖中主要設(shè)備包括：開關(guān)柜1臺(tái)，3次、5次濾波支路2套，并聯(lián)電抗器1臺(tái)，有源濾波器1臺(tái)。

圖2 電壓波形系數(shù)控制用濾波器電氣原理圖

其中，D1為斷路器，是濾波器的投切開關(guān)；L3、C3組成3次諧波濾波支路；L5、C5組成5次諧波濾波支路；L為并聯(lián)電抗器；G1為真空開關(guān)，投切3次、5次諧波濾波支路；G2為倒工位真空開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)單、三相切換。

如圖2所示，開關(guān)柜由1臺(tái)真空接觸器JCZ5-12/630和3臺(tái)避雷器HY5WZ-12.7/45組成；3次、5次濾波支路主要由1臺(tái)電流互感器LZZBJ9-10、1臺(tái)避雷器HY5WZ-12.7/45、1臺(tái)隔離開關(guān)NG19-12/630、1臺(tái)3次濾波電抗器CKD-60-12（總?cè)萘?86kvar）、1臺(tái)3次濾波電容器AAM-500-12（總?cè)萘?65kvar）、1臺(tái)5次濾波電抗器CKD-20-12（總?cè)萘?8.5kvar）、1臺(tái)5次濾波電容器AAM-400-12（總?cè)萘?21kvar）以及并聯(lián)電抗器（BKD-1000/12）、1臺(tái)有源濾波器組成。

2 電壓波形系數(shù)控制用濾波器的仿真

電壓波形系數(shù)控制用濾波器設(shè)計(jì)時(shí)采用的仿真模型如圖3所示，圖中接有3次、5次二組濾波器的仿真模型。仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案可行，波形系數(shù)符合新標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 電壓波形系數(shù)控制用濾波器的仿真模型

圖3中，A、B、C表示一次側(cè)系統(tǒng)三相電的UVW三相。A、b、c、n表示二次側(cè)的三相四線的三相及中線。Vabc表示三相電壓波形數(shù)據(jù)，Iabc表示三相電流波形數(shù)據(jù)，傳送給示波器顯示。

原母線中含有3次、5次諧波，經(jīng)過3次、5次諧波器后母線電壓諧波總含量（THD）為2.58%，其含義與波形系數(shù)相當(dāng)，即波形系數(shù)經(jīng)濾波后滿足3%以下的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 電壓波形系數(shù)控制的試驗(yàn)驗(yàn)證

在分析實(shí)際空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型仿真結(jié)果驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作并安裝了濾波器，并進(jìn)行多次空載試驗(yàn)，取得了大量可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為項(xiàng)目的順利完成打下了基礎(chǔ)。

3.1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

針對(duì)公司主要變壓器產(chǎn)品，在濾波器投入和切除兩個(gè)狀態(tài)，分別進(jìn)行變壓器空載試驗(yàn)，試驗(yàn)中采集發(fā)電機(jī)側(cè)電壓、電流，試品側(cè)電壓、電流，電壓波形系數(shù)，電壓諧波含量等參數(shù)，通過分析對(duì)比數(shù)據(jù)及波形，判斷濾波器是否達(dá)到項(xiàng)目技術(shù)要求，并提出項(xiàng)目下一步的研究方向。主要試驗(yàn)設(shè)備包括功率分析儀DP6000和電能質(zhì)量分析儀FLUKE1760。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)時(shí)使用產(chǎn)品編號(hào)20161S03的主變，型號(hào)為ODFPS-1000000/1000，其額定電壓為/ 110，采用15000KVA發(fā)電機(jī)組供電，連接方式為低壓Y接、中壓角接、高壓Y接。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表。其中，表中第二列裝置狀態(tài)表示濾波器是否投入運(yùn)行，A表示濾波器未投入使用，B表示濾波器已投入使用。

表 1000kV變壓器試品空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在110%電壓工況，切除或未投入濾波器時(shí)電壓諧波含量較多，電壓波形系數(shù)達(dá)到6.63%，總諧波含量達(dá)到17.25%。投入濾波器后，波形系數(shù)降為2.97%，總諧波含量為2.99%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足新標(biāo)準(zhǔn)電壓波形系數(shù)要求，在分析發(fā)電機(jī)系統(tǒng)諧波電流產(chǎn)生的原因以及諧波電流對(duì)系統(tǒng)電壓的影響的基礎(chǔ)上，通過理論分析和系統(tǒng)仿真發(fā)現(xiàn)諧波治理的機(jī)理，再進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)制造無源濾波器，安裝調(diào)試后進(jìn)行試驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)，對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形可知：

1）經(jīng)過仿真驗(yàn)證和多次試驗(yàn)檢測(cè)的3次、5次無源濾波器，對(duì)于1000kV變壓器空載試驗(yàn)，針對(duì)不同分接和試品，當(dāng)施加110%電壓時(shí)，可以使電壓波形系數(shù)降低到3%以內(nèi)，符合新標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）適用于7～50次諧波的有源濾波器，不用切換開關(guān)，通過閉環(huán)控制，可以有效降低高次諧波含量，不但可以控制波形系數(shù)，而且可以降低“電壓總諧波含量”，滿足新標(biāo)準(zhǔn)的更高要求。