基于諧波消除的電力變壓器節(jié)能技術(shù)的研究

1、基于諧波消除的電力變壓器節(jié)能技術(shù)的研究摘要：隨著電力變壓器容量的增加，其自身消耗的電量也越來越大，因此有必要采取相應(yīng)的技術(shù)措施來減少變壓器自身的損耗。本文提出一種諧振阻抗型混合有源濾波技術(shù)從外部條件進(jìn)行優(yōu)化，減少供電或負(fù)載注入電力變壓器的諧波，從而減少電力變壓器的損耗。關(guān)鍵詞：電力變壓器；諧波；諧振阻抗型混合有源濾波器1引言眾所周知，電力變壓器是電力系統(tǒng)中的一個(gè)及其重要的設(shè)備，無論是發(fā)電廠、變電所、輸配電網(wǎng)絡(luò)還是廣大的用戶以及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，都使用著各式各樣的變壓器。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年中國生產(chǎn)變壓器9億千伏安，同比增長22.2%。今后，隨著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對變壓器的需要量還將不斷增

2、加。然而隨著電力變壓器容量的增加，其自身所消耗的能量占整個(gè)發(fā)電能量的比重也越來越大，與政府提倡的節(jié)能性社會(huì)不相符合，因此有必要采取相應(yīng)的技術(shù)措施來減少變壓器自身的損耗。目前最常用的辦法是從材料和結(jié)構(gòu)上加與改進(jìn)，比如采用非晶合金的變壓器。但是電力變壓器的損耗除了和自身材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還和外界注入變壓器的諧波電流有關(guān)，諧波含量越高，其損耗也將越嚴(yán)重，所以消除注入電力變壓器的諧波，就能大大減少其自身的損耗12。本文正是基于這一實(shí)情，提出了一種基于諧波消除的電力變壓器節(jié)能新技術(shù)。2基于諧波消除的電力變壓器節(jié)能技術(shù)的理論基礎(chǔ)通常變壓器的空載損耗主要由鐵芯材料的磁滯損耗、渦流損耗構(gòu)成。其中磁滯損耗是鐵磁

3、材料在反復(fù)交變磁化過程中由于磁滯現(xiàn)象所產(chǎn)生的損耗。磁滯損耗的大小和磁滯回線的面積成比例，換句話說，磁滯回線的面積愈小，磁滯損耗也就愈小。此外，磁滯損耗是由交變磁化所產(chǎn)生，所以它的大小還和交變頻率f有關(guān)，f越大則損耗也越大。具體來說，磁滯損耗PC的大小可用下式計(jì)算3 (1式中C1由硅鋼片材料特性所決定的系數(shù)（與鐵芯導(dǎo)磁率、密度等有關(guān)）；Bm交變磁通的最大磁密；f頻率；V鐵磁材料總體積；而渦流損耗是由于鐵芯本身為金屬導(dǎo)體，所以由于金屬感應(yīng)現(xiàn)象所感生的電勢將在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，即為渦流。由于鐵芯中有渦流流過，而鐵芯本身又存在電阻，故引起了渦流損耗。由于渦流是鐵芯中感應(yīng)電勢所產(chǎn)生的環(huán)流，又由于渦流損耗和

4、渦流的平方成正比，所以也就和感應(yīng)電勢的平方成正比，而感應(yīng)電勢的大小取決于磁通的變化率。因此渦流損耗就和最大磁密Bm的平方和頻率f的平方成正比。另外，經(jīng)典的渦流損耗還和硅鋼片的電阻率與厚度都有關(guān)。具體來說，經(jīng)典的渦流損耗的大小可用下式計(jì)算3 (2式中C2取決于硅鋼片材料性質(zhì)和厚度的系數(shù)；Bm交變磁通的最大磁密；f頻率；V鐵磁材料總體積；由式（1）、式（2）可以看出，磁滯損耗和渦流損耗除了和自身材料有關(guān)外，都和交變頻率有關(guān)，高次諧波電流將在電力變壓器中產(chǎn)生諧波漏磁場，并在繞組和金屬結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生高次諧波損耗，使電力變壓器內(nèi)部產(chǎn)生局部過熱。同時(shí)，電力變壓器繞組漏磁場的計(jì)算既要考慮鐵磁材料的非線性，又要

5、考慮電流各次諧波(考慮到第49次合成非正弦波形隨時(shí)間的變化。因此，電力變壓器的漏磁場的計(jì)算實(shí)際是非正弦瞬態(tài)場的計(jì)算，研究繞組漏磁場分布規(guī)律和高次諧波電流產(chǎn)生的渦流損耗具有十分重要的意義。且諧波電流次數(shù)越高，損耗也越大。因此減少變壓器的諧波電流，尤其是高次諧波，就可以大大減少變壓器的損耗，這就是本文提出的基于諧波消除的電力變壓器節(jié)能技術(shù)的理論基礎(chǔ)。3諧波抑制技術(shù)及國內(nèi)外現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢目前在諧波抑制技術(shù)方面，有了許多成果，由交流電抗器和電容器組成的無源濾波器在國內(nèi)外均已大量應(yīng)用到工程實(shí)際中，而有源電力濾波器的初步應(yīng)用實(shí)踐表明這一新型的諧波抑制裝置有著更為廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。 3.1 無源濾波

6、器 無源LC濾波器是傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置。無源濾波器是利用電路的諧振原理，即當(dāng)發(fā)生對某次諧波的諧振時(shí)，裝置對該次諧波形成低阻通路，而達(dá)到濾波的目的。在結(jié)構(gòu)上它是由電力電容器、電抗器和電阻經(jīng)適當(dāng)組合而成，運(yùn)行中與諧波源并聯(lián)，除了起濾波外還兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰?。無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，運(yùn)行費(fèi)用也低，在吸收高次諧波方面效果明顯。但由于結(jié)構(gòu)原理上的原因，在應(yīng)用中存在著一些難以克服的缺點(diǎn)：(l 抑制較低次諧波的單調(diào)諧濾波器只對調(diào)諧點(diǎn)的濾波效果明顯，而對偏離調(diào)諧點(diǎn)的諧波無明顯效果，而實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)考慮設(shè)計(jì)投資又不可能依靠增加濾波器的辦法解決。(2 當(dāng)系統(tǒng)中皆波電流增大時(shí)，無源濾波器可能過載，甚至損壞設(shè)備。

7、(3 濾波效果隨系統(tǒng)運(yùn)行情況而變化，當(dāng)系統(tǒng)阻抗和頻率波動(dòng)時(shí)，濾波效果變差。(4 當(dāng)系統(tǒng)阻抗和頻率變化時(shí)，可能與系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)或者并聯(lián)諧振，使裝置無法運(yùn)行，甚至使整個(gè)濾波系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。國內(nèi)外的設(shè)計(jì)研究人員均注意到無源濾波器設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在的問題，研究出若干解決辦法，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)在一定程度上提高了無源濾波器的使用效果，但無源濾波器由于原理上帶來的缺點(diǎn)是無法徹底克服的，因此，有必要采用其它濾波方式來抑制諧波。有源電力濾波器就是一種能夠彌補(bǔ)無源濾波器不足的一種新型諧波抑制設(shè)備。3.2 有源濾波器有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對大小變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)

8、償，它的基本原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。其應(yīng)用可克服L,C無源濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)。有源電力濾波器和傳統(tǒng)無源濾波器相比，具有突出的優(yōu)點(diǎn)概括起來主要有：(1 實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對補(bǔ)償對象的變化有極快的響應(yīng)；(2 可同時(shí)對諧波以及無功進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償無功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)；(3 能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響；(4 既可對一個(gè)諧波和無功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對多個(gè)諧波和無功源集中補(bǔ)償。3.3 國內(nèi)外關(guān)于有源濾波

9、及混合濾波的研究現(xiàn)狀有源電力濾波器的理論早在七十年代就已經(jīng)提出，但由于受到當(dāng)時(shí)電力電子器件發(fā)展的影響而未能實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用，到了八十年代，伴隨著新型電力電子器件的出現(xiàn)、PWM控制技術(shù)的發(fā)展以及瞬時(shí)無功功率的提出，極大地促進(jìn)了有源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展。自1980年起，己有大量論著論述了有源電力濾波器的研究工作，其中包括并聯(lián)型、串聯(lián)型以及混合型。與無源濾波器混合使用的串聯(lián)型、并聯(lián)型有源電力濾波器是其中的典型裝置。許多瞬時(shí)畸變電流檢測方法與理論，如三相電路瞬時(shí)無功功率理論、快速FFT、同步dq坐標(biāo)系原理和陷波濾波器方法等都被用來發(fā)展三相有源電力濾波器。要實(shí)現(xiàn)大容量的諧波補(bǔ)償或有源補(bǔ)償功能的多樣性，需要有源

10、濾波器具有較大的裝置容量。但由于受目前電力電子器件功率、價(jià)格及其串并聯(lián)技術(shù)等的限制，這勢必使得裝置初始投資變大，并且大容量的有源電力補(bǔ)償還將帶來更大的損耗、大的電磁干擾以及制約有源電力濾波器的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能等問題。因此，為了充分利用有源電力濾波器和無源濾波器各自的優(yōu)點(diǎn)，來達(dá)到擴(kuò)大容量，降低成本和提高性能的目的，提出了各種混合型有源電力濾波器，并已付諸應(yīng)用456。4本文技術(shù)方案 本文針對影響電力變壓器制造和運(yùn)行成本較高的損耗問題，在查閱了大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了全面、深入的研究，同時(shí)考慮到電力變壓器電壓等級高、容量大的特點(diǎn)，提出了一種諧振阻抗型混合有源濾波器節(jié)能新技術(shù)，這種技術(shù)既可以有效地降

11、低變壓器的渦流損耗、雜散損耗，又能夠減小局部過熱對變壓器造成的潛在危害能，提高了電力變壓器的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，使其更節(jié)能更環(huán)保。因此這種有源濾波器與無源濾波器串聯(lián)的諧振阻抗型混合有源濾波器更好地結(jié)合了無源電力濾波器和有源電力濾波器的優(yōu)點(diǎn)，造價(jià)較低、性能優(yōu)良。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)能以較小的有源裝置容量實(shí)現(xiàn)大容量的諧波補(bǔ)償，并能將電壓耐量較低的半導(dǎo)體功率器件安全地用于高壓系統(tǒng)的諧波補(bǔ)償，在取得良好的諧波補(bǔ)償效果的同時(shí)，還可兼顧部分基波無功補(bǔ)償，因此這種技術(shù)有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，對于倡導(dǎo)節(jié)能型、環(huán)保型社會(huì)具有重要意義。 諧振阻抗型混合有源濾波器是傳統(tǒng)變壓器理論與現(xiàn)代電力電子技術(shù)有機(jī)統(tǒng)一，是一種新型的電力電

12、子裝置，不僅能對電壓變壓器進(jìn)行節(jié)能改造，同時(shí)也為高壓大容量交流有源電力濾波器的工程應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)，具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢和良好的發(fā)展前景。它涵蓋了變壓器理論、空載損耗分析、混合有源濾波器的結(jié)構(gòu)與原理、無源濾波器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、低通濾波器的選型、自適應(yīng)前饋控制策略及諧波檢測等內(nèi)容，是傳統(tǒng)變壓器理論與現(xiàn)代電力電子技術(shù)有機(jī)統(tǒng)一，同時(shí)也為高壓大容量交流有源電力濾波器的工程應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。其具體電路如圖1所示，這種濾波器相當(dāng)于在電網(wǎng)支路中串聯(lián)了一個(gè)基波串聯(lián)諧振電路，因此它對基波電流不起作用，而對諧波電流產(chǎn)生巨大的阻礙作用，迫使諧波電流注入無源濾波器，從而達(dá)到諧波治理的目的，尤其是用戶不進(jìn)行濾除的

13、3的倍數(shù)次諧波，以免它在變壓器內(nèi)部循環(huán)，產(chǎn)生大量的渦流損耗，從而節(jié)約大量的能源。圖1 基于電力變壓器側(cè)諧振阻抗型混合有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)5結(jié)論與展望隨著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力變壓器的需求量還將不斷增加，其自身消耗的能量已經(jīng)不容忽視。如果采用諧振型混合有源電力濾波器裝置對電力變壓器進(jìn)行諧波消除，每臺(tái)變壓器可以減少10%以上的能量損耗，則可以節(jié)約大量能源，對于倡導(dǎo)節(jié)能型、環(huán)保型社會(huì)具有重要意義。雖然諧振型混合有源電力濾波器具有上述優(yōu)點(diǎn)，但其是一項(xiàng)技術(shù)含量比較高的新產(chǎn)品，在開發(fā)過程中可能會(huì)出現(xiàn)諧波檢測不準(zhǔn)，從而造成諧波跟蹤補(bǔ)償誤差加大，致使濾波效果變差。此外，由于諧振型混合有源電力濾波器需要大量的大功率IGBT器件，因此其成本將比較高，在推向市場過程中，將面臨價(jià)格問題。參考文獻(xiàn)：1方文超高壓有載調(diào)壓變壓器調(diào)節(jié)無功潮流能源技術(shù)，2002，23(1：3