基于谐波消除的电力变压器节能技术的研究

1、基于谐波消除的电力变压器节能技术的研究摘要：随着电力变压器容量的增加，其自身消耗的电量也越来越大，因此有必要采取相应的技术措施来减少变压器自身的损耗。本文提出一种谐振阻抗型混合有源滤波技术从外部条件进行优化，减少供电或负载注入电力变压器的谐波，从而减少电力变压器的损耗。关键词：电力变压器；谐波；谐振阻抗型混合有源滤波器1引言众所周知，电力变压器是电力系统中的一个及其重要的设备，无论是发电厂、变电所、输配电网络还是广大的用户以及国民经济的各个部门，都使用着各式各样的变压器。据统计，2007年中国生产变压器9亿千伏安，同比增长22.2%。今后，随着整个国民经济的高速发展，对变压器的需要量还将不断增

2、加。然而随着电力变压器容量的增加，其自身所消耗的能量占整个发电能量的比重也越来越大，与政府提倡的节能性社会不相符合，因此有必要采取相应的技术措施来减少变压器自身的损耗。目前最常用的办法是从材料和结构上加与改进，比如采用非晶合金的变压器。但是电力变压器的损耗除了和自身材料及结构有关外，还和外界注入变压器的谐波电流有关，谐波含量越高，其损耗也将越严重，所以消除注入电力变压器的谐波，就能大大减少其自身的损耗12。本文正是基于这一实情，提出了一种基于谐波消除的电力变压器节能新技术。2基于谐波消除的电力变压器节能技术的理论基础通常变压器的空载损耗主要由铁芯材料的磁滞损耗、涡流损耗构成。其中磁滞损耗是铁磁

3、材料在反复交变磁化过程中由于磁滞现象所产生的损耗。磁滞损耗的大小和磁滞回线的面积成比例，换句话说，磁滞回线的面积愈小，磁滞损耗也就愈小。此外，磁滞损耗是由交变磁化所产生，所以它的大小还和交变频率f有关，f越大则损耗也越大。具体来说，磁滞损耗PC的大小可用下式计算3 (1式中C1由硅钢片材料特性所决定的系数（与铁芯导磁率、密度等有关）；Bm交变磁通的最大磁密；f频率；V铁磁材料总体积；而涡流损耗是由于铁芯本身为金属导体，所以由于金属感应现象所感生的电势将在铁芯内产生环流，即为涡流。由于铁芯中有涡流流过，而铁芯本身又存在电阻，故引起了涡流损耗。由于涡流是铁芯中感应电势所产生的环流，又由于涡流损耗和

4、涡流的平方成正比，所以也就和感应电势的平方成正比，而感应电势的大小取决于磁通的变化率。因此涡流损耗就和最大磁密Bm的平方和频率f的平方成正比。另外，经典的涡流损耗还和硅钢片的电阻率与厚度都有关。具体来说，经典的涡流损耗的大小可用下式计算3 (2式中C2取决于硅钢片材料性质和厚度的系数；Bm交变磁通的最大磁密；f频率；V铁磁材料总体积；由式（1）、式（2）可以看出，磁滞损耗和涡流损耗除了和自身材料有关外，都和交变频率有关，高次谐波电流将在电力变压器中产生谐波漏磁场，并在绕组和金属结构件中产生高次谐波损耗，使电力变压器内部产生局部过热。同时，电力变压器绕组漏磁场的计算既要考虑铁磁材料的非线性，又要

5、考虑电流各次谐波(考虑到第49次合成非正弦波形随时间的变化。因此，电力变压器的漏磁场的计算实际是非正弦瞬态场的计算，研究绕组漏磁场分布规律和高次谐波电流产生的涡流损耗具有十分重要的意义。且谐波电流次数越高，损耗也越大。因此减少变压器的谐波电流，尤其是高次谐波，就可以大大减少变压器的损耗，这就是本文提出的基于谐波消除的电力变压器节能技术的理论基础。3谐波抑制技术及国内外现状、水平和发展趋势目前在谐波抑制技术方面，有了许多成果，由交流电抗器和电容器组成的无源滤波器在国内外均已大量应用到工程实际中，而有源电力滤波器的初步应用实践表明这一新型的谐波抑制装置有着更为广阔的发展应用前景。 3.1 无源滤波

6、器 无源LC滤波器是传统的谐波补偿装置。无源滤波器是利用电路的谐振原理，即当发生对某次谐波的谐振时，装置对该次谐波形成低阻通路，而达到滤波的目的。在结构上它是由电力电容器、电抗器和电阻经适当组合而成，运行中与谐波源并联，除了起滤波外还兼顾无功补偿的需要。无源滤波器结构简单，造价低，运行费用也低，在吸收高次谐波方面效果明显。但由于结构原理上的原因，在应用中存在着一些难以克服的缺点：(l 抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的滤波效果明显，而对偏离调谐点的谐波无明显效果，而实际工程设计时考虑设计投资又不可能依靠增加滤波器的办法解决。(2 当系统中皆波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备。

7、(3 滤波效果随系统运行情况而变化，当系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差。(4 当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生串联或者并联谐振，使装置无法运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行。国内外的设计研究人员均注意到无源滤波器设计和运行中存在的问题，研究出若干解决办法，通过优化设计在一定程度上提高了无源滤波器的使用效果，但无源滤波器由于原理上带来的缺点是无法彻底克服的，因此，有必要采用其它滤波方式来抑制谐波。有源电力滤波器就是一种能够弥补无源滤波器不足的一种新型谐波抑制设备。3.2 有源滤波器有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小变化的谐波以及变化的无功进行补

8、偿，它的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。其应用可克服L,C无源滤波器等传统谐波抑制和无功补偿方法的缺点。有源电力滤波器和传统无源滤波器相比，具有突出的优点概括起来主要有：(1 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；(2 可同时对谐波以及无功进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节；(3 能跟踪电网频率的变化，故补偿特性不受电网频率变化的影响；(4 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。3.3 国内外关于有源滤波

9、及混合滤波的研究现状有源电力滤波器的理论早在七十年代就已经提出，但由于受到当时电力电子器件发展的影响而未能实现其应用，到了八十年代，伴随着新型电力电子器件的出现、PWM控制技术的发展以及瞬时无功功率的提出，极大地促进了有源电力滤波器技术的发展。自1980年起，己有大量论著论述了有源电力滤波器的研究工作，其中包括并联型、串联型以及混合型。与无源滤波器混合使用的串联型、并联型有源电力滤波器是其中的典型装置。许多瞬时畸变电流检测方法与理论，如三相电路瞬时无功功率理论、快速FFT、同步dq坐标系原理和陷波滤波器方法等都被用来发展三相有源电力滤波器。要实现大容量的谐波补偿或有源补偿功能的多样性，需要有源

10、滤波器具有较大的装置容量。但由于受目前电力电子器件功率、价格及其串并联技术等的限制，这势必使得装置初始投资变大，并且大容量的有源电力补偿还将带来更大的损耗、大的电磁干扰以及制约有源电力滤波器的动态补偿性能等问题。因此，为了充分利用有源电力滤波器和无源滤波器各自的优点，来达到扩大容量，降低成本和提高性能的目的，提出了各种混合型有源电力滤波器，并已付诸应用456。4本文技术方案 本文针对影响电力变压器制造和运行成本较高的损耗问题，在查阅了大量文献资料的基础上对其进行了全面、深入的研究，同时考虑到电力变压器电压等级高、容量大的特点，提出了一种谐振阻抗型混合有源滤波器节能新技术，这种技术既可以有效地降

11、低变压器的涡流损耗、杂散损耗，又能够减小局部过热对变压器造成的潜在危害能，提高了电力变压器的可靠性和经济性，使其更节能更环保。因此这种有源滤波器与无源滤波器串联的谐振阻抗型混合有源滤波器更好地结合了无源电力滤波器和有源电力滤波器的优点，造价较低、性能优良。同时这种结构能以较小的有源装置容量实现大容量的谐波补偿，并能将电压耐量较低的半导体功率器件安全地用于高压系统的谐波补偿，在取得良好的谐波补偿效果的同时，还可兼顾部分基波无功补偿，因此这种技术有着广阔的发展和应用前景，对于倡导节能型、环保型社会具有重要意义。 谐振阻抗型混合有源滤波器是传统变压器理论与现代电力电子技术有机统一，是一种新型的电力电

12、子装置，不仅能对电压变压器进行节能改造，同时也为高压大容量交流有源电力滤波器的工程应用奠定了一定的基础，具有巨大的技术优势和良好的发展前景。它涵盖了变压器理论、空载损耗分析、混合有源滤波器的结构与原理、无源滤波器参数的优化设计、低通滤波器的选型、自适应前馈控制策略及谐波检测等内容，是传统变压器理论与现代电力电子技术有机统一，同时也为高压大容量交流有源电力滤波器的工程应用奠定了一定的基础。其具体电路如图1所示，这种滤波器相当于在电网支路中串联了一个基波串联谐振电路，因此它对基波电流不起作用，而对谐波电流产生巨大的阻碍作用，迫使谐波电流注入无源滤波器，从而达到谐波治理的目的，尤其是用户不进行滤除的

13、3的倍数次谐波，以免它在变压器内部循环，产生大量的涡流损耗，从而节约大量的能源。图1 基于电力变压器侧谐振阻抗型混合有源滤波器拓扑结构5结论与展望随着整个国民经济的高速发展，电力变压器的需求量还将不断增加，其自身消耗的能量已经不容忽视。如果采用谐振型混合有源电力滤波器装置对电力变压器进行谐波消除，每台变压器可以减少10%以上的能量损耗，则可以节约大量能源，对于倡导节能型、环保型社会具有重要意义。虽然谐振型混合有源电力滤波器具有上述优点，但其是一项技术含量比较高的新产品，在开发过程中可能会出现谐波检测不准，从而造成谐波跟踪补偿误差加大，致使滤波效果变差。此外，由于谐振型混合有源电力滤波器需要大量的大功率IGBT器件，因此其成本将比较高，在推向市场过程中，将面临价格问题。参考文献：1方文超高压有载调压变压器调节无功潮流能源技术，2002，23(1：3