基于延边三角形接法的36脉移相整流变压器分析与设计_徐峻涛.pdf

基于延边三角形接法的 36 脉移相 整流变压器分析与设计 徐峻涛 1，马西庚2，赵 健2，刘健楠2 （1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013； 2.中国石油大学 （华东 ） 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580） 摘要：提出了一种基于延边三角形接法的36脉波移相整流变压器结构，建立了36脉波移相整流变压器及基于此 变压器的整流电路模型。 仿真结果表明，该整流电路能够有效降低网侧电流谐波含量和输出电压脉动，并具 有良好的抵抗电网不平衡的能力。 关键词：变压器；36脉波；移相；延边三角形 中图分类号：TM4011文献标识码：B文章编号：10018425（2013）09002005 Analysis and Design of 36-pluse Phase-Shifting Rectifier Transformer Based on Stretch Triangle Connection XU Jun-tao1, MA Xi-geng2, ZHAO Jian2, LIU Jian-nan2 （1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.,Ltd., Jinan 250013, China; 2.China University of Petroleum, Qingdao 266580, China） Abstract：The model of 36-pluse phase-shifting rectifier transformer and its rectified current model are established. The simulation results show that the rectification circuit can reduce the harmonic pollution and smooth the output DC voltage, and has a ability to resist the un- balanced input voltage. Key words：Transformer；36-pulse；Phase-shifting；Stretch triangle 基金项目:山东省科技攻关重大专项(No.2005GG2107002) 1引言 随着国家“十二五”规划中“加快建设资源节约 型、环境友好型社会”要求的提出，电力行业节能降 耗政策的落实也势在必行。大功率整流领域，大多数 的整流电路如带电容滤波的三相不可控整流和晶闸 管相控整流装置都是典型的非线性负载， 会引起网 侧电流、电压波形畸变，导致较为严重的电网谐波污 染1-3。 如何消除整流电路输入电流谐波，减少谐波 电流对电网的干扰是绿色电网构建过程中亟待解决 的问题4-5。 交流电网电压波形畸变量的大小与整流装置馈 入电网的谐波次数有直接关系。 有效限制整流装置 注入电网的谐波电流频率的措施之一就是提高整流 装置的脉波数6。 为降低整流系统对电网的谐波污 染，特别是高次谐波对电网的影响，同时为了减少所 串平波电抗器的电感量，提高输出电流的连续性7-8， 本文中笔者提出了一种基于延边三角形接法的36 脉移相整流变压器，分析了变压器的结构、工作原理 及其网侧输入电流特性，并用MATLAB/Simulink软 件对理论分析进行了仿真验证。 仿真结果表明采用 该变压器移相的整流电路能有效抑制电流谐波，减 小直流输出电压脉动。 2基于 3 6 脉移相变压器的整流电路结构 基于延边三角形接法36脉移相整流变压器的 整流电路结构如图1所示。 变压器由6组移相单元 （PT1PT6）组成，各移相单元一次侧采用三角形接 法，二次侧采用延边三角形的联接方式，输出6组相 位相差10、幅值相等的相电压。 每组移相单元后变 TRANSFORMER 第 5 0 卷 第 9 期 2 0 1 3 年 9 月 Vol.50 September No.9 2013 徐峻涛、 马西庚、 赵健等： 基于延边三角形接法的 3 6 脉移相整流变压器分析与设计第 9 期 压器输出接6组晶闸管整流桥， 整流输出的6脉波 直流电压经平衡电抗器均流后输出36脉波波动的 直流电压。 3变压器绕组参数计算与网侧电流特性分析 3.1变压器绕组参数计算 文献6给出了基于延边三角形接法的变压器 的移相原理。 假设移相后输出的相电压有效值为 “1”，对移相绕组电压k1、主绕组电压k2及输出相电 压构成的三角形，由正弦定理得： 1 sin150 = k1 sin = k2 3姨sin(30-) （1） k1=2sin，k2=23姨sin(30-)（2） 当脉波数为36时，角为10，对应移相变压器 有三组二次绕组， 三组二次绕组分别移相5、15 及256-8。 设三组二次绕组的绕组分别为k12、k13、 k22、k23、k32、k33，由式(1)可得： k12k13k22k23k32k33=1.464 00.174 30.896 6 0.517 60.301 90.842 2 （3） 3.2网侧输入电流特性 移相5的变压器绕组接线方式及各电流定义 如图2所示。 对移相+5的移相变压器3个铁心，由磁动势平 衡得： 3姨kI11+k12I11=k13Ia1 3姨kI12+k12I12=k13Ib1 3姨kI13+k12I13=k13Ic1 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 （4） k为移相变压器变比， 式中电压、 电流均为矢 量。 其中，Ia1、Ib1及Ic1满足： Ia1=I12-I11 Ib1=I13-I12 Ic1=I11-I13 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 （5） 对于一次输入线电流IA1满足： IA1=I11-I13（6） 将式（4）、式（5）代入式（6）得： IA1= k13（Ia1-Ic1）-k12Ic1 3姨k （7） 对移相-5的变压器一次绕组， 输入电流IA2满 足： IA2=I21-I23= k13（Ia2-Ic2）+k12Ia2 3姨k （8） 同理可得移相15及移相25变压器一次绕组 输入电流： IA3= k23（Ia3-Ic3）-k22Ic3 3姨k IA4= k23（Ia4-Ic4）+k22Ia4 3姨k IA5= k33（Ia5-Ic5）-k32Ic5 3姨k IA6= k33（Ia6-Ic6）+k32Ia6 3姨k 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 （9） 变压器各移相单元输出6组幅值相等、 相位依 次相差10的三相线电流Ia、Ib和Ic至整流桥。 设整 流后输出电流为IP，则对变压器+5移相单元有： IA1 IA5 IA3 IA4 IA2 IA6 Ia4 Ia5 Ia3 Ia2 Ia6 Ia1 PT1 PT2 PT5 PT6 PT4 PT3 Io Vo 图1基于36脉移相变压器的整流电路结构图 3姨k Ib1 k13 k12I12 k13 k12 Ic1 I13 Ia1 I11 IA1 I13 IB1 I11 3姨k IC1 I12 k13 k12 3姨k （a）正方向移相变压器联接 （b）负方向移相变压器联接 3姨k Ib2 I21 Ia2 I23 IA2 I23 IB2 I21 3姨k IC2 k13 k12 k13 k12 I22 3姨k k13 k12 图2延边三角形接法的变压器绕组接线示意图 21 第 5 0 卷 Ia1= n=1,3,5 4IP n cos( n 6 )sin(t+ 36 ） Ib1= n=1,3,5 4IP n cos( n 6 ）sin(t- 23 36 ） Ic1= n=1,3,5 4IP n cos( n 6 ）sin(t+ 25 36 ） （10） 其他五组相位依次相差10， 电流公式类推可 得。 网侧输入线电流IA满足： IA=IA1+IA2+IA3+IA4+IA5+IA6（11） 将式(6)式(10)代入式(11)，可推出在t=2k(k= 0,1,2)时网侧输入线电流IA的N次谐波幅值An 满足： An= 4IP n 1 3姨k cos(n 6 )k12sinn( 36 )- k22sinn( 12 )-k32sinn( 5 36 )- (k12+k13)sinn( 25 36 )-k13sinn( 23 36 )- (k22+k23)sinn( 27 36 )-k23sinn( 21 36 )- (k32+k33)sinn( 29 36 )-k33sinn( 19 36 )（12） 将n=6k1（k6）代入上式，可见结果均为0，即 36脉波移相整流变压器网侧输入电流IA不含有 6k1（k6）谐波。IA含有的谐波次数仅为36k1次， 最低次为35次。 43 6 脉波移相整流变压器仿真分析 4.1仿真模型的建立 在MATLAB/Simulink环境中，按照图1搭建仿 真模型，仿真电路如图3所示。 主电路由电源、移相 变压器、三相整流器及平衡电抗器等组成。 用三个饱和变压器（Saturable Transformer）构造 移相变压器，分别实现移相5、15和25。 以5 为例，移相变压器内部接线如图4所示。实现各自移 相角度后六组移相变压器封装为一个移相变压器模 块。 4.2电网平衡状态下变压器仿真分析 该电路包含非线性器件， 采用刚性的数值积分 方法Ode15s或Ode23tb仿真。令电源输入电压有效 值为220V，频率为50Hz，变压器网侧电流波形和整 流电路输出电压波形见图5和图6。 从图5和图6 中可以看到，网侧输入电流几乎为正弦波，整流系统 输出是36波脉动的直流波形。 对变压器网侧电流波形数据进行频谱分析，结 果如图7所示。 由图7可见，网侧电流IA含有的谐 波次数仅为36k1次，最低谐波次数为35次，35次 以下谐波几乎全部滤除。 电压THD(总谐波畸变率) 图3主电路仿真图 （a）移相+5（b）移相-5 图4变压器移相联结图 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 0.50.550.60.65 图5网侧电流波形 0.660.6550.650.6450.640.6350.63 0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 图6输出电压波形 22 徐峻涛、 马西庚、 赵健等： 基于延边三角形接法的 3 6 脉移相整流变压器分析与设计第 9 期 表1不同三相不平衡度下多脉波整流电路波形参数对比 37 36脉波 整流 电路 0.69 1.85 电压三 相不平 衡度/% 0 10 电压 THD /% 0.44 5.48 输出电 压脉动 系数 0.000 7 0.097 7 变压器网侧电流各次谐波含量（In/I1）/% 3 0 4.10 579 000 17.01 15.24 4.11 11 0 5.85 131517 000 8.31 3.87 2.41 19 0 5.37 2135 02.03 3.533.12 0.7440.450.003 10.190000.05000002.04 100.500.005 50.530.0300000000.011.15 0.80 6脉波 整流 电路 02.800.070 700.110.1100.11 0.1100.10 0.1000.10 0.07 45.100.081 02.07 18.61 14.81 2.11 7.58 8.20 2.05 4.29 5.64 1.973.03 1.80 23 0 0.71 0.02 0.02 0.10 2.69 2527293133 00000 0000.09 0.63 0.02 0.03 0.18 0.27 1.46 0.1000.10 0.100 4.22 1.87 1.74 3.29 0.82 3.60 3.12 0.25 2.35 1.83 仅为0.02%。 4.3电网不平衡状态下变压器仿真分析 电力系统三相电压平衡状况是电能质量主要指 标之一。电力系统正常运行工况下，电压不平衡度允 许值为2%，短时不得超过4%9-10。0.38kV电网实测 电压为190V250V之间， 对应电网不平衡度为 10%。 改变电网三相电压不平衡度，观测对比多脉波 整流电路输出电压波形，分析变压器网侧电压THD 及网侧电流谐波含量，结果如表1所示。输出电压波 形如图8和图9所示。 网侧电压平衡时，36脉波变压器网侧电流仅含 有36k1次谐波，网侧电压THD为0.44%，整流电 路输出电压脉动系数为0.000 7，输出电压波形如图 8a所示。传统变压器网侧电流含有6k1次谐波,网 侧电压THD为2.80%，整流电路输出电压脉动系数 为0.070 7，输出电压波形如图9a所示。 由此可见， 电网平衡时36脉波整流变压器将网侧电流谐波最 低次数由5次提高到了35次， 电压THD仅为6脉 波整流电路的15.71%，整流电路输出电压脉动系数 仅为6脉波整流电路的0.99%。 网侧电压不平衡度为4%时，36脉移相整流变 压器网侧电压THD为0.45%， 网侧电流除含有 36k1次谐波外， 增加了占基波含量0.19%的3次 谐波、占基波含量0.05%的11次谐波、占基波含量 0.02%的23次谐波、占基波含量0.09%的31次谐波 和占基波含量0.63%的33次谐波，整流电路输出电 0 0.5 1 1.5 2 01020304050607080 图7网侧电流频谱分析图 （c）三相电压不平衡度10%（b）三相电压不平衡度4%（a）三相电压不平衡度 图836脉波整流电路输出电压波形 （c）三相电压不平衡度10%（b）三相电压不平衡度4%（a）三相电压不平衡度 图96脉波整流电路输出电压波形 23 第 5 0 卷 作者简介： 徐峻涛（1986-），男，山东德州人，山东 电力工程咨询院有限公司工程师，主 要从事电力系统分析与规划工作。 收稿日期：2011-08-07 压脉动系数为0.003 1，输出电压波形如图8b所示。 传统变压器网侧电压THD为5.10%，网侧电流除含 有6k1次谐波外，增加了占基波含量2.07%的3次 谐波、 占基波含量2.11%的9次谐波、 占基波含量 2.05%的15次谐波、 占基波含量1.97%的21次谐 波、 占基波含量1.87%的27次谐波和占基波含量 0.82%的33次谐波。6脉波整流电路输出电压脉动 系数为0.081 0，输出电压波形如图8b所示。 由此可 见，网侧电压不平衡度为4%时，36脉波整流变压器 网侧电流谐波增加次数和含量均小于传统变压器， 网侧电压THD仅为6脉波整流电路的8.82%，整流 电路输出电压脉动系数仅为6脉波整流电路的 3.83%。 网侧电压不平衡度为10%时，36脉移相整流变 压器网侧电压THD为0.50%， 网侧电流除含有 36k1次谐波外， 增加了占基波含量0.53%的3次 谐波、 占基波含量0.03%的5次谐波、 占基波含量 0.01%的21次谐波、 占基波含量0.02%的23次谐 波、 占基波含量0.02%的25次谐波、 占基波含量 0.03%的27次谐波、 占基波含量0.18%的29次谐 波、 占基波含量0.27%的31次谐波和占基波含量 1.46%的33次谐波，整流电路输出电压脉动系数为 0.005 5，输出电压波形如图8c所示。 传统变压器网 侧电压THD为5.48%， 网侧电流除含有6k1次谐 波外，增加了占基波含量4.10%的3次谐波、占基波 含量4.11%的9次谐波、占基波含量3.87%的15次 谐波、占基波含量3.53%的21次谐波、占基波含量 3.12%的27次谐波和占基波含量1.83%的33次谐 波，6脉波整流电路输出电压脉动系数为0.097 7，输 出电压波形如图8c所示。 由此可见，网侧电压不平 衡度为10%时，36脉波整流变压器网侧电流谐波增 加次数和含量远小于传统变压器，网侧电压THD仅 为6脉波整流电路的9.12%， 整流电路输出电压脉 动系数仅为6脉波整流电路的5.63%。 与传统变压 器相比，36脉波整流移相变压器具有很好的谐波抑 制能力。 5结论 (1)电网平衡状态下36脉波整流变压器网侧电 流仅含36k1次谐波，并且网侧输入电流的各次谐 波有效值与其次数成反比。基于36脉变压器的整流 电路输出电压为36倍工频脉动的直流电压，脉动系 数仅为0.000 7。 (2)随着网侧电压不平衡度的增加，36脉波移相 整流变压器网侧电压、电流总谐波含量增加，电流波 形变差，整流电路输出电压质量下降，输出电压脉动 系数增大。 在电网的三相不平衡度从4%到10%状 态下，变压器网侧电压THD都保持在0.5%以下，满 足电网电压总谐波畸变率不超过5%的要求， 电流 谐波含量较小， 直流输出电压脉动小于6脉波整流 直流电压脉动的1/10。 基于延边三角形接法的36脉移相整流变压器 与传统的变压器相比，电网电压总谐波畸变率低，电 流谐波含量较小，具有较好的抵抗电网不平衡能力， 在电力系统中具有更为广泛的应用前景。 参考文献： 1张玉芝.变压器阀侧绕组延边移相的多重化变流技术的 研究J.