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 長沙 410082） 許加柱

1 引言

諧波是一個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)過傅立葉級數(shù)分解后，那些大于基頻的分量被稱作諧波。嚴格意義上講，電力網(wǎng)絡(luò)的每個環(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，嚴重時三次諧波電流可達額定電流的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用電設(shè)備和電網(wǎng)本身都會造成很大的危害，從而引起世界各國的高度重視。各種國際學(xué)術(shù)組織如電氣與電子工程師協(xié)會 (IEEE)、國際電工委員會 (IEC)和國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)相繼各自制定了包括供電系統(tǒng)、各項電力和用電設(shè)備以及家用電器在內(nèi)的諧波標準。

我國煤礦電網(wǎng)中的諧波污染也日趨嚴重，給煤礦供電系統(tǒng)和各類用電設(shè)備帶來危害.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無源濾波器 (PF)，有源電力濾波器 (APF)，無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)過這些濾波器進行分流，使得流入電網(wǎng)中的諧波電流盡可能小，從而達到諧波抑制的目的。礦井中提升機是關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，其安全運行至關(guān)重要，因此消除提升機變流裝置的諧波是煤礦電網(wǎng)諧波治理的主要目標。而無源型濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便和投資相對較少等優(yōu)點?；谏鲜鲈?，在礦井提升機諧波治理中大多采用無源型濾波器，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，它將變壓器和無源濾波器兩者巧妙地結(jié)合起來，不僅可降低換流變壓器的絕緣設(shè)計難度和設(shè)計容量，而且可將無源濾波器的偏調(diào)諧設(shè)計方法改良至無源濾波器的全調(diào)諧設(shè)計方法，大大克服了傳統(tǒng)無源濾波器存在的缺點，達到有源濾波的效果。

2 新型換流變壓器的特點

2.1 新型換流變壓器的諧波屏蔽機理

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，濾波和無功補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，而這種電磁振蕩會造成閥側(cè)電壓波動，這對于換流器的正常換相與可靠運行是很不利的，同時還會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)無源濾波的范疇，無法消除系統(tǒng)阻抗給濾波器設(shè)計帶來的不良影響，從而影響濾波效果，且閥側(cè)母線濾波支路在運行中要承受交流成分與直流成分的雙重影響，這對濾波裝置的性能考核要求較高。

針對傳統(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，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)實現(xiàn)諧波抑制，同時還可兼顧閥側(cè)部分無功功率的補償，降低通過換流變壓器的無功電流，提高換流變壓器的材料利用率。閥側(cè)補償無功功率的多少由濾波器提供的無功容量決定。抽頭處的諧波濾波器的電壓等級與傳統(tǒng)濾波方案中的電壓等級相比大大降低，電容器成本顯著減少，壽命延長，經(jīng)濟效益十分可觀。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，濾波器一端與負載有公共連接點，另一端連到二次繞組的抽頭位置，濾波繞組不單純進行諧波抑制，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)計使 Z2n接近于0，且 Z1n遠大于 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功補償機理

換流器在工作過程中需要消耗相當多的無功功率。在正常運行情況下，換流器所需配置的無功功率約為直流輸送功率的30%～50%；逆變器所需配置的無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功補償措施。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，在濾波的同時兼顧補償無功功率。

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

這些無功功率可以由閥側(cè)接入的濾波支路得到部分補償，不足的無功功率可在交流網(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 d1、e1、f1對應(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o為零電勢參考點，則 d1、e1和 f1節(jié)點相對于o點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)集團某礦是我國煤礦中較早采用變流器供電提升機的大型礦井，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2100kw直流電動機拖動，由4臺10000kVA變流器供電。采用無源濾波器，網(wǎng)側(cè)濾波，分析測試結(jié)果發(fā)現(xiàn):首先5，7，11及13次特征諧波嚴重超標，但其他高次諧波分量不大；其次各相諧波不平衡，需要在檢修時對變流器觸發(fā)角加以整定；再有不同運行狀態(tài)下諧波電流變動很大，除與負荷大小有關(guān)外，還與無功補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。將測試數(shù)據(jù)和國家標準中的限定值比較，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，通常煤礦提升機所用變流器為6或12脈動的，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。對于高次諧波電流較大，單調(diào)諧濾波器對低次諧波電流的吸收已達到要求，而諧波電壓不能滿足要求時，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)電流的諧波含量達到國標要求，濾波結(jié)果如表2。并可在閥側(cè)補償部分無功功率，大大降低換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組中的諧波電流和無功電流，并可降低換流變壓器的絕緣設(shè)計難度和設(shè)計容量,有利于變壓器的安全穩(wěn)定運行和延長使用壽命，具有較好的經(jīng)濟效益[8－10]。

表2 接新型換流變壓器整流后的諧波電流

實行新型的換流變壓器，不僅可以測得諧波分量減少，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，額定電流的計算表。

表3 新型換流變壓器參數(shù)計算

經(jīng)過補償后的一次側(cè)額定電流為190.31A，與補償前的電流176.52A相比，增加了13.79A。通過計算：P=13.79×37.85×節(jié)約網(wǎng)側(cè)設(shè)計容量863.96KVA。閥側(cè)的無功功率容量由閥側(cè)所連接的電容器來決定，其數(shù)值為3105.82Kvar，系統(tǒng)中所需補償?shù)目偟臒o功功率可由計算公式 QN=來決定。本系統(tǒng)中無功功率的補償由中壓側(cè)和閥側(cè)來共同補償?shù)玫剑袎簾o功補償量1700Kvar，閥側(cè)無功補償量1708.20Kvar，補償后功率因數(shù)達到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功補償作用，有效地降低了諧波電流對變壓器本身的影響，并且提高了變壓器的功率因數(shù)；同時由于網(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)?。痪W(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，對繞組的動態(tài)穩(wěn)定性能有很大幫助。新型換流變壓器所具有的獨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，同時也要求用戶予以維護，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。

[1] 任子暉,仇潤鶴,張艷.煤礦電網(wǎng)諧波分析模型的建立與濾波器設(shè)計[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,23(1):45～49

[2] 牛榮健,張曉琴.電力系統(tǒng)中的諧波問題[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,8(3):87～89

[3] 仵自連,曹 .電力電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波的分析探討[J].煤炭工程，2006，8：62 ～63

[4] 王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功補償[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999

[5] 羅隆福，劉福生.自耦補償與諧波屏蔽換流變壓器及其應(yīng)用前景[J].大眾用電，2005，21(7):26～28

[6] 劉福生，聶光前.利用阻抗匹配的方法構(gòu)成的新型平衡變壓器[J].鐵道學(xué)報，1988，10(4):16 ～22

[7] 許加柱，羅隆福，李季等.自耦補償與諧波屏蔽換流變壓器的接線方案和原理研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2006,21(9):44～50

[8] 羅隆福，李季，許加柱等.基于新型換流變壓器的諧波治理研究[J].高壓電器，2006，42(2)：96 ～98

[9] 袁進禹.110KV直降式自耦調(diào)壓變壓器在鋁電解整流電源中的應(yīng)用[J]. 輕金屬，1998，12(1):44～50

[10] 王永必，宋身全.電解鋁大功率硅整流機組的運行和分析[J].有色冶金節(jié)能，1998，34(5):10～14