感应滤波四绕组变压器及其滤波补偿装置分析
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摘 要：为改善220 kV变电站的电能质量，提出了一种基于感应滤波技术的四绕组变压器，相比传统三绕组变压器，其增加了一个具有零阻抗设计特征的附加滤波绕组.附加滤波绕组接配套的滤波补偿装置，此变压器能够高效抑制110 kV和35 kV负载侧的谐波，减小220 kV侧的谐波电流.对比分析了几种较为常用无功补偿容量的分配方案，确定了采用配系数分配方法设计感应滤波四绕组变压器配套滤波补偿装置的优化方案，从而实现了滤波总电感最小的目的，保证了滤波补偿装置的经济性.利用PSCAD/EMTDC软件建立了感应滤波四绕组变压器及滤波补偿装置的仿真模型.仿真结果表明，本文提出方案的滤波效果远远优于传统的三绕组变压器的滤波方案，具有良好的工程应用前景.
关键词：四绕组变压器；感应滤波；无功补偿；滤波器设计；仿真验证
中图分类号：TM402 文献标志码：A
变压器感应滤波技术不同于传统的滤波方式[1]，它充分利用特定次谐波频率下变压器的安匝平衡原理[2-5]，将非线性负载侧的谐波阻止于变压器的二次负载侧，防止其进入变压器网侧绕组，具备良好的谐波屏蔽效果；同时，感应滤波技术还能有效降低变压器的铁芯谐波磁通，改善变压器的电磁绝缘环境[6].感应滤波技术已广泛应用在电解、化工、冶金等领域，应用效果良好.同时，随着新能源、电气化铁道的快速发展，导致某些220 kV变电站的谐波含量超标，其110 kV和35 kV的负载侧都有较重谐波传入电网，谐波治理迫在眉睫.但是，直接在220 kV侧治理是不现实的；分别在110 kV侧和35 kV侧治理，则需要安装两套V波器，经济性差，也没有现实可行性.采用四绕组变压器感应滤波方案是较为有效可行的方法.感应滤波方案是在220 kV之后，安装35 kV滤波绕组（也可以为110 kV，取决于滤波器成本），之后，才是110 kV和35 kV负载绕组，使得两负载绕组的谐波与220 kV绕组被滤波绕组隔离，所以，也称这种变压器为谐波隔离变压器.谐波隔离变压器有两套感应滤波组（三绕组变压器）：220 kV绕组、滤波绕组、110 kV绕组和220 kV绕组、滤波绕组、35 kV绕组.两套感应滤波组均要求满足感应滤波条件，即：感应滤波绕组等值阻抗趋近于零.经过仿真研究，感应滤波的方案比传统滤波方案好：传统方案无法同时保证35 kV和110 kV侧谐波负载的滤波要求，从220 kV侧观察，就是谐波无法达标.而感应滤波方案，220 kV侧谐波能够达标.最后，本文采用四绕组谐波隔离（感应滤波）变压器为对象，开展滤波器优化设计研究.通过对比分析3种常用的无功补偿分配方案，选择了1/n分配方法设计，实现了滤波的经济性.
1 接线方式与滤波原理
感应滤波四绕组变压器的绕组分布以及接线方式分别如图1和图2所示.感应滤波四绕组变压器相比传统三绕组变压器增加了35 kV的滤波绕组，为了实现对中低压负载的谐波屏蔽，将滤波绕组置于220 kV绕组和110 kV绕组之间.感应滤波四绕组变压器实物如图3所示，目前工程样机已经完成出厂试验，各项指标均满足条件，样机正在现场安装调试.
本文所研究的感应滤波四绕组变压器参数如表1所示.针对实际工作中含有主要次特征谐波电流，感应调谐装置分别采用5，7，11和13次4条单调谐滤波支路.
为研究感应滤波四绕组变压器的工作原理，建立了单相等值电路，如图4所示，其中所有变量均折算到变压器一次侧，其中W1，W2，W3，W4分别为220 kV侧绕组，35 kV滤波绕组，110 kV侧绕组和35 kV绕组的匝数；绕组电流分别为1，2，3，4；f为感应调谐装置中的电流.
2 基于感应滤波四绕组变压器的滤波器设计
2.1 确定无功补偿量
2.2 电容分配方案
2.2.1 等电容分配方案
等电容分配方案是根据变压器中感应调谐装置所需的无功补偿容量，计算出相应的电容C后将其4等分，分别用于5，7，11，13次滤波支路，这是常规滤波器设计的方法.Q5，Q7，Q11，Q13依次表示5，7，11，13次感应滤波调谐支路的单相无功补偿容量，得到：
Q5=Q7=Q11=Q13=112Qc （12）
C5，C7，C11和C13分别为5，7，11和13次滤波支路的电容，其值为：
Cn=Qn/ωU2， n=5，7，11，13 （13）
L5，L7，L11和L13分别为5，7，11和13次滤波支路的电感，其值为：
Ln=U2/n2ωQn， n=5，7，11，13（14）
2.2.2 等电感分配方案
等电感分配方案是将感应滤波调谐装置所需的无功补偿容量分配到5，7，11和13次滤波支路，原则就是使分配到4条支路的无功补偿容量所需的电感相等，然后再根据电感值计算出各支路所需要的电容.
由于每相滤波装置中5，7，11，13次滤波支路上的电感值可以用相应的单相无功补偿容量来表示，令5，7，11，13次滤波支路上的电感相等，有
L5=L7=L11=L13 （15）
U225ωQ5=U249ωQ7=U2121ωQ11=U2169ωQ13 （16）
各滤波支路上的电容为：
Q5+Q7+Q11+Q13=Qc/3（17）
根据公式（13）和（14），可计算出每一条滤波支路所需电容值和电感值.
2.2.3 配系数分配优化方案
配系数分配方案主要是在5，7，11和13次调谐支路上配一个分母为相应次数的系数，系数的分子可由下式计算求得：
Q5+Q7+Q11+Q13=（i5+j7+k11+l13）×13Qc
i5+j7+k11+l13=1 （18）
配系捣峙浞桨钙涫稻褪且云湫巢ù问为分母，自配分子的优化方案.同时配系数方案具有约束条件少和优化空间大的特点.对配系数分配优化设目标函数：
y=U225ωQ5+U249ωQ7+U2121ωQ11+U2169ωQ13（19）
y表示用于调谐支路的总电感量，采用遗传算法迭代求解，迭代初始值用等电容方案的电容值.
根据工程需求，本变压器的无功总补偿容量Qc大约为38 MVar，依据上文中分析的3种补偿方案，计算得到了滤波器的相关参数如表2所示.从工程应用的角度来说，滤波器的投资成本与电容和电感的大小密切相关，但是依据工程经验，滤波器的总电感越小，投资越小，由表2可以看出，感应滤波四绕组变压器配套滤波补偿装置采用配系数方案时（此时，优化结果为i=j=k=l，即5，7，11，13次滤波支路的无功补偿容量之比为1/5∶1/7∶1/11∶1/13），总电感最小，经济性越高.
2.3 仿真效果分析
采用PSCAD/EMTDC仿真软件建立感应滤波四绕组变压器及其配套调谐滤波装置的仿真模型，原理图如图5所示.分别对比2种工况下，新型滤波方案和原有传统方案（在35 kV负载侧接滤波器方案）对电能质量的治理效果，220 kV侧谐波电流波形如图6所示.
工况1：35 kV 绕组侧空载；110 kV绕组侧基波电流 800 A，5次谐波电流50 A，7次谐波电流40 A，11次谐波电流30 A，13次谐波电流20 A.
工况2：35 kV 绕组侧基波电流 1 000 A，5次谐波电流60 A，7次谐波电流50 A，11次谐波电流40 A，13次谐波电流30 A；110 kV绕组侧基波电流 800 A，5次谐波电流50 A，7次谐波电流40 A，11次谐波电流30 A，13次谐波电流20 A .
谐波电流值以变电站的实际电能质量数据为参数值，表3和表4分别为2种工况下测得的200 kV侧的谐波电流以及总谐波畸变率，2种工况下的总电流谐波畸变率分别为1.8%和2.0%，大大小于传统变压器的滤波方案电流谐波畸变率6.0%和6.9%，感应滤波四绕组变压器及其配套调谐装置的优化设计对谐波具有良好的治理效果.仿真结果分析如下：
1）由工况1的仿真结果可得，由于变电站110 kV侧存在着大量谐波，其网侧电流呈非正弦波形，且畸变率较大.传统滤波方案其谐波滤除率不到20%，而新型感应滤波四绕组变压器配套的滤波装置经过优化后，其谐波滤除率可达80%.
2）由工况2的仿真结果可得，当变电站110 kV侧和35 kV侧都含有大量谐波电流时，经过优化后的配套调谐装置与感应滤波四绕组变压器配套使用后，220 kV电源侧具有良好的谐波抑制效果.
3 结 论
1）本文提出了一种具有感应滤波技术的四绕组谐波屏蔽变压器，其增加一个特殊设计的附加滤波绕组，实现对110 kV和35 kV负载侧谐波的高效统一治理.
2）分析了感应滤波四绕组变压器配套滤波器设计常用的3种方法，在经济上对不同方案进行了比较与分析，得出配系数分配方案比等电容方案与等电感方案更具有经济优势.
3）通过PSCAD对2种典型工况下的谐波抑制效果进行了仿真，仿真结果表明，使用感应滤波四绕组变压器时，2种工况下测得网侧的总电流谐波畸变率分别为1.8%和2.0%，大大小于传统变压器的滤波方案电流谐波畸变率6%和6.9%，因此，有力地证明了本文所提出的感应滤波四绕组变压器和配套的感应滤波调谐装置具有良好的滤波效果.
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