基于有源濾波的電力變壓器節(jié)能技術(shù)的研究

1、基于有源濾波的電力變壓器節(jié)能技術(shù)的研究江友華1，苗建峰2，顧勝堅(jiān)2（1. 上海電力學(xué)院，上海200090；2. 杭州錢江電氣集團(tuán)股份有限公司浙江杭州311243）摘要：提出了一種有源濾波技術(shù)，并對(duì)基于有源濾波的電力變壓器節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：電力變壓器；諧波；有源濾波器中圖分類號(hào)：TM406文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：10018425（2009）09004404Research on Power Transformer Energy -Saving TechnologyBased on Active Power FilterationJIANG You-hua 1, MIAO Jian-fe

2、ng 2, GU Sheng-jian 2（1.Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China; 2.Qiantang RiverElectric Group Co., Ltd. , Hangzhou 311243, China ）Abstract ：The technology of active power filteration is presented. The power transformer energy-saving technology based on active power filteratio

3、n is researched. Key words ：Power Transformer ；Harmonic wave ；Active power filteration1前言電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)變壓器的需求還將不斷增加。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(lái)越大，與政府提倡的節(jié)能型社會(huì)不相符，因此有必要采取相應(yīng)的技術(shù)措施來(lái)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)上加以改進(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

4、也將越大，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。因此，筆者提出了一種基于有源諧波的電力變壓器節(jié)能技術(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)變壓器的空載損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成。其中磁滯損耗是鐵磁材料在反復(fù)交變磁化過(guò)程中由于磁滯現(xiàn)象所產(chǎn)生的損耗。磁滯損耗的大小，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。磁滯損耗P C 的大小可用下式計(jì)算：P C =C 1B 2m fV（1）式中C 1由硅鋼片材料特性所決定的系數(shù)（與鐵心磁導(dǎo)率和密度等有關(guān)）B m 交變磁通的最大磁密f 頻率V 鐵磁材料總體積由于鐵心

5、本身為金屬導(dǎo)體，所以金屬感應(yīng)現(xiàn)象所產(chǎn)生的電勢(shì)將在鐵心內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，即為渦流。由于鐵心中有渦流流過(guò)，而鐵心本身又存在電阻，故引起了渦流損耗。渦流是鐵心中感應(yīng)電勢(shì)所產(chǎn)生的環(huán)流，渦流損耗和渦流的平方成正比，所以也就和感應(yīng)電勢(shì)的平方成正比，而感應(yīng)電勢(shì)的大小取決于磁通的變化率。因此渦流損耗和最大磁密B m 的平方和頻率f 的平方成正比。另外，渦流損耗還和硅鋼片的電阻率與厚度有關(guān)。渦流損耗的大小可用下式計(jì)算：P w =C 2B 2m f 2V（2）式中C 2取決于硅鋼片材料性質(zhì)和厚度的系數(shù)B m 交變磁通的最大磁密f 2009年9月TRANSFORMERSeptember 2009江友華、苗建峰、顧勝堅(jiān)：基

6、于有源濾波的電力變壓器節(jié)能技術(shù)的研究第9期V 鐵磁材料總體積由式（1）和式（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，還和交變頻率有關(guān)，高次諧波電流將在電力變壓器中產(chǎn)生諧波漏磁場(chǎng)，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(guò)熱。同時(shí)，電力變壓器繞組漏磁場(chǎng)的計(jì)算既要考慮鐵磁材料的非線性，又要考慮電流各次諧波（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(chǎng)的計(jì)算實(shí)際是非正弦瞬態(tài)場(chǎng)的計(jì)算，研究繞組漏磁場(chǎng)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。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

7、壓器的損耗，這就是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有源濾波器工作原理及算法3.1有源濾波器工作原理有源濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，它的基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)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，其補(bǔ)償示意圖如圖1所示。由圖1可以看出，雖然負(fù)載諧波含量很大，但經(jīng)過(guò)有源濾波器補(bǔ)償后，注入到電網(wǎng)中的諧波含量很少，使得電網(wǎng)電流波形近似為正弦波。3.2有源濾波器諧波檢測(cè)及實(shí)現(xiàn)算法要使有源濾波器有效的補(bǔ)償，就必須準(zhǔn)確地檢測(cè)出負(fù)載的諧波分量。目前常用的諧波

8、檢測(cè)算法是瞬時(shí)無(wú)功功率，其框圖如圖2所示，它主要由鎖相環(huán)、3/2變換、旋轉(zhuǎn)變換、低通濾波器及旋轉(zhuǎn)反變換等模塊構(gòu)成。（1）電網(wǎng)電壓相位的獲得。通過(guò)同步變壓器把A 相電壓降到一個(gè)合理值，然后通過(guò)硬件鎖相，把鎖相環(huán)輸出信號(hào)輸入到處理器的捕捉口，得到旋轉(zhuǎn)角信號(hào)，然后通過(guò)查表法得到正弦信號(hào)sin 和余弦信號(hào)cos ，一個(gè)周波完成后，旋轉(zhuǎn)角強(qiáng)制清零，以便消除累計(jì)誤差。（2）有功和無(wú)功分量的計(jì)算。輸入變量為負(fù)載三相電流i al 、i bl 、i cl ，輸出變量為有功i p 、無(wú)功i q 分量。具體如下式所示：ip iq=姨sin sin （-2）sin （+2）-cos -cos （-2）-cos （2姨

9、姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨）i al i bl i cl 姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨（3）（3）低通濾波器的實(shí)現(xiàn)。由式（3）得到的有功i p和無(wú)功i q 含有直流、交流成分，而基波分量只和其直流分量有關(guān)，因此需要通過(guò)低通濾波器（即圖1中的LPF ）進(jìn)行濾波，濾除交流分量，得到直流分量。低通濾波器的選取非常重要，因?yàn)榈屯V波器截止頻率的選取對(duì)電壓、電流及功率的基波分量的檢測(cè)效果有較大影響。從理論上分析來(lái)看，截止頻率越小，交流分量濾除得越徹底，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程太長(zhǎng)；截止頻率大，可以縮短動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，但部分低次交流分量不能被衰減掉，容易造成檢測(cè)信號(hào)的震蕩，影響檢測(cè)精度

10、。因此，截止頻率不能選取得太小，也不能選得太大，既要兼顧基波分量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，也要考慮檢測(cè)精度。（4）基波的提取。得到有功、無(wú)功的直流分量p ，q ，就可計(jì)算出其基波分量i af 、i bf 、i cf ，具體實(shí)現(xiàn)見式（4）：電源電流負(fù)載電流有源濾波器負(fù)載電源L CT 圖1有源濾波器補(bǔ)償原理示意圖Fig.1Compensation diagram of active power filter圖2有源濾波器諧波檢測(cè)框圖Fig.2Harmonic wave detection diagram of active power filtere aPLLsin ，cos 發(fā)生電路PIi al ，i b

11、l ，i clC 32CLPF LPFC -1C 23i qi ppi i qi fi fi af ，i bf ，i cfi *ca ，i *cb ，i *ccpU *dc-U dc45 第46卷姨10-22-1-c c c c c c c c c c c c c c c c ccc c c c c c c c c c c c c c c csin -cos -cos -sin pq（4）（5）補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。提取出負(fù)載電流的基波分量后，把負(fù)載三相電流i al 、i bl 、i cl 減去提取分離出的基波分量i af 、i bf 、i cf ，就可以得到指令電流分量i *ca 、i *cb

12、 、i *cc ，如下所示：i *ca i *cb i *cc c c c c c c c c c ccc c c c c c c c c=i af i bf i cf c c c c c c c c c cc c c c c c c c c c-i al i bl i clc c c c c c c c c c c c c c c c c c c c（5）根據(jù)指令電流，信號(hào)處理器就可以控制有源濾波器主電路產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行諧波補(bǔ)償。4應(yīng)用實(shí)例 筆者針對(duì)影響電力變壓器制造和運(yùn)行成本的損耗問(wèn)題，提出了一種基于電力變壓器諧波濾除的節(jié)能技術(shù)，這種技術(shù)既可以有效地降低變壓器的渦流損耗和雜

13、散損耗，又能夠減小局部過(guò)熱對(duì)變壓器造成的危害，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。其主電路如圖3所示，圖3中三相電源通過(guò)電力變壓器T1連接負(fù)載，同時(shí)并聯(lián)有源濾波器。按照?qǐng)D3所示原理圖，采用PSIM 仿真軟件建立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)參數(shù)為：電力變壓器容量為200kVA ，有源濾波器容量為50kVA ，負(fù)載為三相橋式整流裝置，其電感為0.3mH ，電阻為0.4。其仿真結(jié)果如圖5所示，圖5中上部分波形為有源濾波器補(bǔ)償?shù)碾娏鞑ㄐ危虚g為負(fù)載電流波形，下部分為電網(wǎng)電流波形。由圖5可知，補(bǔ)償效果較好，諧波濾除達(dá)到90%以上（關(guān)于容量說(shuō)明：通常有源濾波器的容量為系統(tǒng)容量的25%，因此電

14、力變壓器容量為200kVA ，有源濾波器容量為50kVA ）。5結(jié)束語(yǔ)隨著國(guó)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。如果用有源電力濾波器裝置對(duì)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(duì)于倡導(dǎo)節(jié)能型。一項(xiàng)技術(shù)含量比較高的新產(chǎn)品，在開發(fā)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)諧波檢測(cè)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，可靠性受到影響。由于有源電力濾波器需要大量的大功率IGBT 器件，因此其成本較高，在推向市場(chǎng)過(guò)程中，將面臨價(jià)格問(wèn)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(wú)功潮流J.能源技術(shù)，2002，23（1）：3

15、7-3.2李書軍. 變壓器有載調(diào)壓對(duì)降損的作用J.農(nóng)村電氣化，2000（2）：28-30.3尹克寧. 變壓器設(shè)計(jì)原理M.北京：中國(guó)電力出版社，2006.4夏向陽(yáng)，張一斌. 新型諧振型混合有源電力濾波器及其在中高壓變電站的應(yīng)用J.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（1）：75-79. 5董密，成劍，羅安. 并聯(lián)混合型有源濾波器電流跟蹤的迭代學(xué)習(xí)控制J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（9）：104-107. 6劉鳳君. 市電電能質(zhì)量補(bǔ)償技術(shù)M.北京：科學(xué)出版社，2005.圖4基于電力變壓器的有源濾波裝置系統(tǒng)仿真框圖Fig.4Simulation diagram of active power filter

16、 system basedon power transformer圖3有源電力濾波器應(yīng)用示意圖Fig.3Application diagram of active power filter指令電流運(yùn)算電路電流跟蹤控制電路驅(qū)動(dòng)電路e aU Ci c i *ci Li Si Sa i Sb i Sci Lai Lb i LcT 1i ca i cb i ccV 4V 3V 6V 1V 2V 5U C負(fù)載e a有源濾波器APF三相電源T 2HPF51）46楊之淳、孟雷、丁文良等：變壓器氣體繼電器測(cè)試設(shè)備的探討第9期速值在其量程之內(nèi)。（5）與渦輪流量計(jì)配套使用的控制器，要經(jīng)有關(guān)計(jì)量部門鑒定合格，才能保

17、證精度。（6）動(dòng)力源應(yīng)該加裝穩(wěn)壓裝置，減少脈動(dòng)，使油流更平穩(wěn)。（7）采用人機(jī)對(duì)話計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、自動(dòng)打印的控制系統(tǒng)。具備上述條件的氣體繼電器測(cè)試設(shè)備，國(guó)內(nèi)已經(jīng)生產(chǎn)。例如沈陽(yáng)產(chǎn)MLR-系列氣體繼電器測(cè)試設(shè)備，有三個(gè)獨(dú)立的油路，能分別直接測(cè)試25、50、80口徑的國(guó)內(nèi)外各種型號(hào)氣體繼電器，性能穩(wěn)定、精度高、實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和自動(dòng)打印試驗(yàn)報(bào)告。此類設(shè)備早已被氣體繼電器生產(chǎn)企業(yè)和供電公司及省級(jí)中試所采用，目前已被意大利公司選用。間接測(cè)試臺(tái)雖然體積小、成本低，但問(wèn)題是：測(cè)試的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。沒(méi)做過(guò)比對(duì)試驗(yàn)的氣體繼電器根本不能用。新產(chǎn)品更不能用。老產(chǎn)品一經(jīng)改進(jìn)也不能用。更可怕的是做過(guò)比對(duì)試驗(yàn)的氣體

18、繼電器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)了，但原先輸入計(jì)算機(jī)的修正系數(shù)不能隨之改變，測(cè)試偏差大到無(wú)法預(yù)知和控制，給氣體繼電器測(cè)試工作造成非常大的混亂。數(shù)據(jù)不準(zhǔn)給氣體繼電器的安全運(yùn)行埋下隱患。因此老的DL/T540-1994QJ25、50、80型氣體繼電器檢測(cè)規(guī)程被廢止后，有關(guān)部門應(yīng)制定新的氣體繼電器檢測(cè)規(guī)程，統(tǒng)一和規(guī)范氣體繼電器測(cè)試設(shè)備的測(cè)試精度和檢測(cè)質(zhì)量，確保氣體繼電器安全運(yùn)行是當(dāng)務(wù)之急。參考文獻(xiàn)：1李詩(shī)久. 工程流體力學(xué)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.2DL/T540-1994，QJ25、50、80型氣體繼電器檢測(cè)規(guī)程S.收稿日期：2009-05-04作者簡(jiǎn)介：楊之淳（1936-），男，山東招遠(yuǎn)人，沈陽(yáng)變壓器研究院高級(jí)工程師，主要從事變壓器組件設(shè)計(jì)與制造工作。!收稿日期：2008-10-08作者簡(jiǎn)介：江友華（1974-），男，江西南城