李世軍+羅隆福+李偉棟+沈陽+丁立國+張細政

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

關鍵詞：四繞組變壓器；感應濾波；無功補償；濾波器設計；仿真驗證

中圖分類號：TM402 文獻標志碼：A

變壓器感應濾波技術不同于傳統(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]，將非線性負載側的諧波阻止于變壓器的二次負載側，防止其進入變壓器網側繞組，具備良好的諧波屏蔽效果；同時，感應濾波技術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].感應濾波技術已廣泛應用在電解、化工、冶金等領域，應用效果良好.同時，隨著新能源、電氣化鐵道的快速發(fā)展，導致某些220 kV變電站的諧波含量超標，其110 kV和35 kV的負載側都有較重諧波傳入電網，諧波治理迫在眉睫.但是，直接在220 kV側治理是不現(xiàn)實的；分別在110 kV側和35 kV側治理，則需要安裝兩套濾波器，經濟性差，也沒有現(xiàn)實可行性.采用四繞組變壓器感應濾波方案是較為有效可行的方法.感應濾波方案是在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負載繞組，使得兩負載繞組的諧波與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.兩套感應濾波組均要求滿足感應濾波條件，即：感應濾波繞組等值阻抗趨近于零.經過仿真研究，感應濾波的方案比傳統(tǒng)濾波方案好：傳統(tǒng)方案無法同時保證35 kV和110 kV側諧波負載的濾波要求，從220 kV側觀察，就是諧波無法達標.而感應濾波方案，220 kV側諧波能夠達標.最后，本文采用四繞組諧波隔離（感應濾波）變壓器為對象，開展濾波器優(yōu)化設計研究.通過對比分析3種常用的無功補償分配方案，選擇了1/n分配方法設計，實現(xiàn)了濾波的經濟性.

1 接線方式與濾波原理

感應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，為了實現(xiàn)對中低壓負載的諧波屏蔽，將濾波繞組置于220 kV繞組和110 kV繞組之間.感應濾波四繞組變壓器實物如圖3所示，目前工程樣機已經完成出廠試驗，各項指標均滿足條件，樣機正在現(xiàn)場安裝調試.

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

為研究感應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，其中W1，W2，W3，W4分別為220 kV側繞組，35 kV濾波繞組，110 kV側繞組和35 kV繞組的匝數(shù)；繞組電流分別為1，2，3，4；f為感應調諧裝置中的電流.

2 基于感應濾波四繞組變壓器的濾波器設計

2.1 確定無功補償量

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)變壓器中感應調諧裝置所需的無功補償容量，計算出相應的電容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)濾波器設計的方法.Q5，Q7，Q11，Q13依次表示5，7，11，13次感應濾波調諧支路的單相無功補償容量，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濾波調諧裝置所需的無功補償容量分配到5，7，11和13次濾波支路，原則就是使分配到4條支路的無功補償容量所需的電感相等，然后再根據(jù)電感值計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的單相無功補償容量來表示，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次調諧支路上配一個分母為相應次數(shù)的系數(shù)，系數(shù)的分子可由下式計算求得：

Q5+Q7+Q11+Q13=（i5+j7+k11+l13）×13Qc

i5+j7+k11+l13=1 （18）

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

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

y表示用于調諧支路的總電感量，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償容量Qc大約為38 MVar，依據(jù)上文中分析的3種補償方案，計算得到了濾波器的相關參數(shù)如表2所示.從工程應用的角度來說，濾波器的投資成本與電容和電感的大小密切相關，但是依據(jù)工程經驗，濾波器的總電感越小，投資越小，由表2可以看出，感應濾波四繞組變壓器配套濾波補償裝置采用配系數(shù)方案時（此時，優(yōu)化結果為i=j=k=l，即5，7，11，13次濾波支路的無功補償容量之比為1/5∶1/7∶1/11∶1/13），總電感最小，經濟性越高.

2.3 仿真效果分析

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

工況1：35 kV 繞組側空載；110 kV繞組側基波電流 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際電能質量數(shù)據(jù)為參數(shù)值，表3和表4分別為2種工況下測得的200 kV側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%，感應濾波四繞組變壓器及其配套調諧裝置的優(yōu)化設計對諧波具有良好的治理效果.仿真結果分析如下：

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

2）由工況2的仿真結果可得，當變電站110 kV側和35 kV側都含有大量諧波電流時，經過優(yōu)化后的配套調諧裝置與感應濾波四繞組變壓器配套使用后，220 kV電源側具有良好的諧波抑制效果.

3 結 論

1）本文提出了一種具有感應濾波技術的四繞組諧波屏蔽變壓器，其增加一個特殊設計的附加濾波繞組，實現(xiàn)對110 kV和35 kV負載側諧波的高效統(tǒng)一治理.

2）分析了感應濾波四繞組變壓器配套濾波器設計常用的3種方法，在經濟上對不同方案進行了比較與分析，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濟優(yōu)勢.

3）通過PSCAD對2種典型工況下的諧波抑制效果進行了仿真，仿真結果表明，使用感應濾波四繞組變壓器時，2種工況下測得網側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濾波四繞組變壓器和配套的感應濾波調諧裝置具有良好的濾波效果.

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