李世軍,羅隆福,李偉棟,沈陽(yáng),丁立國(guó)，張細(xì)政

(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082; 2.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411101;3.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410014; 4.2011湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南 湘潭 411101)

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1,2,4?,羅隆福1,李偉棟3,沈陽(yáng)1,丁立國(guó)1，張細(xì)政2

(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082; 2.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411101;3.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410014; 4.2011湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南 湘潭 411101)

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(wú)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.

四繞組變壓器；感應(yīng)濾波；無(wú)功補(bǔ)償；濾波器設(shè)計(jì)；仿真驗(yàn)證

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(méi)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(chēng)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(mǎn)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(guò)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(wú)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(wú)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(kāi)展濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.通過(guò)對(duì)比分析3種常用的無(wú)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(mǎn)足條件，樣機(jī)正在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試.

圖1 三相四繞組變壓器的繞組分布結(jié)構(gòu)圖

圖2 四繞組變壓器的接線方式圖

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.

圖3 變壓器實(shí)物圖

線電壓/kV容量/MVA接法高壓繞組(G)220180Y中壓繞組(M)110180Y低壓繞組(D)3590Δ濾波繞組(L)3590Δ

注：短路阻抗參數(shù)如下ZkGD=20.73%;ZkGM=14.29%;ZkMD=5.04%;ZkGL=9.05%;ZkLD=11.74%;ZkLM=5.22%.

圖4 感應(yīng)濾波四繞組變壓器單相等效諧波電路模型

將變壓器各繞組的匝數(shù)轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)匝數(shù)W，即：

(1)

同時(shí)由圖4中感應(yīng)濾波四繞組變壓器單相等效模型可得以下等式：

(2)

式中：Zf為特定次諧波下感應(yīng)調(diào)諧裝置的等值阻抗(折算到單相).

推得磁勢(shì)平衡方程，其中忽略其勵(lì)磁電流：

(3)

由多繞組變壓器理論可以得到[7-8]：

(4)

由公式(1)～(4)共同構(gòu)成了描述感應(yīng)濾波四繞組變壓器的諧波電壓、諧波電流、諧波阻抗之間關(guān)系的基本數(shù)學(xué)模型，根據(jù)該數(shù)學(xué)模型，可以得到220kV側(cè)繞組電流與35kV側(cè)和110kV側(cè)繞組電流之間的關(guān)系表達(dá)式，即

(5)

(6)

則感應(yīng)濾波四繞組變壓器的220 kV網(wǎng)側(cè)不存在n次諧波電流.式(6)所表達(dá)的物理含義可以描述為：當(dāng)35 kV以及110 kV負(fù)荷側(cè)的諧波電流流入感應(yīng)濾波四繞組變壓器時(shí)，35 kV濾波繞組可對(duì)其二者產(chǎn)生屏蔽作用，使220 kV的電網(wǎng)側(cè)不存在諧波電流，從而達(dá)到改善電能質(zhì)量的目的.

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(wú)功補(bǔ)償量

感應(yīng)調(diào)諧裝置在特定次諧波頻率下呈串聯(lián)諧振狀態(tài).對(duì)n次調(diào)諧支路而言，其中電容C和電感L滿(mǎn)足如下關(guān)系：

(7)

此時(shí)感應(yīng)調(diào)諧支路等值阻抗為：

(8)

在裝設(shè)感應(yīng)濾波調(diào)諧裝置前，220 kV側(cè)系統(tǒng)的功率因數(shù)為cosφ1；在裝設(shè)感應(yīng)調(diào)諧裝置之后系統(tǒng)的功率因數(shù)為cosφ2,由于感應(yīng)濾波調(diào)諧裝置的阻抗在基波頻率下呈容性，顯然有cosφ2>cosφ1，且感應(yīng)濾波調(diào)諧裝置需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功總量為：

Qc=P(tanφ1-tanφ2)

(9)

式中：P為負(fù)荷消耗的有功功率；Qc為感應(yīng)濾波調(diào)諧裝置補(bǔ)償?shù)娜嗫偀o(wú)功功率.

2.2 電容分配方案

根據(jù)公式(9)確定的無(wú)功補(bǔ)償總量，由無(wú)功補(bǔ)償量與單調(diào)諧濾波支路的關(guān)系Q=ωCU2，可得單調(diào)諧濾波支路上的電容為：

C=Q/ωU2

(10)

將式(7)代入式(10)，可得電感表達(dá)式：

(11)

針對(duì)工程應(yīng)用實(shí)際，本文使用以下3種電容分配方案，分別為等電容分配方案、等電感分配方案和配系數(shù)分配優(yōu)化方案.

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(wú)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(wú)功補(bǔ)償容量，得到：

(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

《寒夜》中曾樹(shù)生雖然沒(méi)有得到自己滿(mǎn)意的結(jié)局，她歸來(lái)，表明她放棄了陳主任的愛(ài)情；但是，回歸傳統(tǒng)亦不可得，最后得到的反而是內(nèi)心的愧疚。她的經(jīng)歷也表明女性自我解放的艱難，在半殖民地半封建社會(huì)，女性想要擺脫傳統(tǒng)觀念的壓制而獲新生是多么艱難的過(guò)程。曾樹(shù)生的意義就在于彰顯了女性自我解放之路的復(fù)雜性與艱巨性。

等電感分配方案是將感應(yīng)濾波調(diào)諧裝置所需的無(wú)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(wú)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(wú)功補(bǔ)償容量來(lái)表示，令5，7，11，13次濾波支路上的電感相等，有

L5=L7=L11=L13

(15)

(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：

(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)：

(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(wú)功總補(bǔ)償容量Qc大約為38MVar，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(lái)說(shuō)，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(wú)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.

表2 電容分配3種方案的解

(a)新型濾波仿真原理圖

(b)傳統(tǒng)濾波仿真原理圖

T/s

T/s

T/s

T/s

T/s

T/s

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(guò)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(guò)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.

表3 220 kV側(cè)在工況1時(shí)的諧波電流

表4 220 kV側(cè)在工況2時(shí)的諧波電流

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(guò)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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Analysis of Induction Filtering Four-winding Transformer and Filter Compensation Devices

LI Shijun1,2,4?,LUO Longfu1,LI Weidong3,SHEN Yang1,DING Liguo1，ZHANG Xizhen2

(1.College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2.Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its Control, Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411101,China; 3.Powerchina Zhongnan Engineering Co Ltd, Changsha 410014, China;4.2011 Hunan Province Cooperative Innovation Center for Wind Power Epuipment and Energy Conversion, Xiangtan 411101, China)

In order to improve the power quality of 220 kV transformer substation, a four winding transformer based on inductive filtering technology was proposed. Compared with the traditional three winding transformer, the four winding transformer has an additional filter winding with the characteristics of zero impedance design.The additional filter winding connecting to the set of filter compensation devices can efficiently restrain the harmonic from the 35 kV and 110 kV load sides, and reduce the harmonic currents of 220 kV side. Comparative analysis of several commonly reactive compensation was studied, and match coefficient distribution method was adopted to design transformer matching filter compensation devices in order to realize the purpose of the minimum inductance, which can guarantee the efficiency of filter compensation devices. Finally, through the software of PSCAD/EMTDC, the modules of the four-winding transformer and filters are modeled, and a total simulation goes on with all modules. The results show that the induction filtering four winding transformer and its filter are much better than the traditional three winding transformer, which is applicable to practical engineering.

four-winding transformation; inductive filtering; reactive compensation; filter design; simulation verification

1674-2974(2017)02-0088-06

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.02.013

2016-02-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61673164)，National Natural Science Foundation of China(61673164);湖南工程學(xué)院資助科研項(xiàng)目(YY1720，XJ1606),Science Research Project of Hunan Institute of Engineering(YY1720，XJ1606)

李世軍(1982-)，男，湖南瀏陽(yáng)人，湖南大學(xué)博士研究生

?通訊聯(lián)系人，E-mail:B12090018@hnu.edu.cn

TM402

A