基于有源滤波的电力变压器节能技术的研究

1、基于有源滤波的电力变压器节能技术的研究江友华1，苗建峰2，顾胜坚2（1. 上海电力学院，上海200090；2. 杭州钱江电气集团股份有限公司浙江杭州311243）摘要：提出了一种有源滤波技术，并对基于有源滤波的电力变压器节能技术进行了研究。关键词：电力变压器；谐波；有源滤波器中图分类号：TM406文献标识码：B文章编号：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前言电力变压器是电力系统中的重要设备之一。随着国民经济的高速发展，对变压器的需求还将不断增加。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，与政府提倡的节能型社会不相符，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以改进，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

4、也将越大，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。因此，笔者提出了一种基于有源谐波的电力变压器节能技术。2基于谐波消除的电力变压器节能技术的理论基础变压器的空载损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗构成。其中磁滞损耗是铁磁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，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。磁滞损耗P C 的大小可用下式计算：P C =C 1B 2m fV（1）式中C 1由硅钢片材料特性所决定的系数（与铁心磁导率和密度等有关）B m 交变磁通的最大磁密f 频率V 铁磁材料总体积由于铁心

5、本身为金属导体，所以金属感应现象所产生的电势将在铁心内产生环流，即为涡流。由于铁心中有涡流流过，而铁心本身又存在电阻，故引起了涡流损耗。涡流是铁心中感应电势所产生的环流，涡流损耗和涡流的平方成正比，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。因此涡流损耗和最大磁密B m 的平方和频率f 的平方成正比。另外，涡流损耗还和硅钢片的电阻率与厚度有关。涡流损耗的大小可用下式计算：P w =C 2B 2m f 2V（2）式中C 2取决于硅钢片材料性质和厚度的系数B m 交变磁通的最大磁密f 2009年9月TRANSFORMERSeptember 2009江友华、苗建峰、顾胜坚：基

6、于有源滤波的电力变压器节能技术的研究第9期V 铁磁材料总体积由式（1）和式（2）可以看出，磁滞损耗和涡流损耗除了和自身材料有关外，还和交变频率有关，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。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

7、压器的损耗，这就是基于谐波消除的电力变压器节能技术的理论基础。3有源滤波器工作原理及算法3.1有源滤波器工作原理有源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，其补偿示意图如图1所示。由图1可以看出，虽然负载谐波含量很大，但经过有源滤波器补偿后，注入到电网中的谐波含量很少，使得电网电流波形近似为正弦波。3.2有源滤波器谐波检测及实现算法要使有源滤波器有效的补偿，就必须准确地检测出负载的谐波分量。目前常用的谐波

8、检测算法是瞬时无功功率，其框图如图2所示，它主要由锁相环、3/2变换、旋转变换、低通滤波器及旋转反变换等模块构成。（1）电网电压相位的获得。通过同步变压器把A 相电压降到一个合理值，然后通过硬件锁相，把锁相环输出信号输入到处理器的捕捉口，得到旋转角信号，然后通过查表法得到正弦信号sin 和余弦信号cos ，一个周波完成后，旋转角强制清零，以便消除累计误差。（2）有功和无功分量的计算。输入变量为负载三相电流i al 、i bl 、i cl ，输出变量为有功i p 、无功i q 分量。具体如下式所示：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）低通滤波器的实现。由式（3）得到的有功i p和无功i q 含有直流、交流成分，而基波分量只和其直流分量有关，因此需要通过低通滤波器（即图1中的LPF ）进行滤波，滤除交流分量，得到直流分量。低通滤波器的选取非常重要，因为低通滤波器截止频率的选取对电压、电流及功率的基波分量的检测效果有较大影响。从理论上分析来看，截止频率越小，交流分量滤除得越彻底，但动态响应过程太长；截止频率大，可以缩短动态响应时间，但部分低次交流分量不能被衰减掉，容易造成检测信号的震荡，影响检测精度

10、。因此，截止频率不能选取得太小，也不能选得太大，既要兼顾基波分量的动态响应过程，也要考虑检测精度。（4）基波的提取。得到有功、无功的直流分量p ，q ，就可计算出其基波分量i af 、i bf 、i cf ，具体实现见式（4）：电源电流负载电流有源滤波器负载电源L CT 图1有源滤波器补偿原理示意图Fig.1Compensation diagram of active power filter图2有源滤波器谐波检测框图Fig.2Harmonic wave detection diagram of active power filtere aPLLsin ，cos 发生电路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）补偿电流的指令信号。提取出负载电流的基波分量后，把负载三相电流i al 、i bl 、i cl 减去提取分离出的基波分量i af 、i bf 、i cf ，就可以得到指令电流分量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）根据指令电流，信号处理器就可以控制有源滤波器主电路产生相应的补偿电流对负载电流进行谐波补偿。4应用实例 笔者针对影响电力变压器制造和运行成本的损耗问题，提出了一种基于电力变压器谐波滤除的节能技术，这种技术既可以有效地降低变压器的涡流损耗和杂

13、散损耗，又能够减小局部过热对变压器造成的危害，提高了电力变压器的可靠性和经济性，使其更节能更环保。其主电路如图3所示，图3中三相电源通过电力变压器T1连接负载，同时并联有源滤波器。按照图3所示原理图，采用PSIM 仿真软件建立的系统结构如图4所示，系统参数为：电力变压器容量为200kVA ，有源滤波器容量为50kVA ，负载为三相桥式整流装置，其电感为0.3mH ，电阻为0.4。其仿真结果如图5所示，图5中上部分波形为有源滤波器补偿的电流波形，中间为负载电流波形，下部分为电网电流波形。由图5可知，补偿效果较好，谐波滤除达到90%以上（关于容量说明：通常有源滤波器的容量为系统容量的25%，因此电

14、力变压器容量为200kVA ，有源滤波器容量为50kVA ）。5结束语随着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。如果用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。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，可靠性受到影响。由于有源电力滤波器需要大量的大功率IGBT 器件，因此其成本较高，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J.能源技术，2002，23（1）：3

15、7-3.2李书军. 变压器有载调压对降损的作用J.农村电气化，2000（2）：28-30.3尹克宁. 变压器设计原理M.北京：中国电力出版社，2006.4夏向阳，张一斌. 新型谐振型混合有源电力滤波器及其在中高压变电站的应用J.电网技术，2006，30（1）：75-79. 5董密，成剑，罗安. 并联混合型有源滤波器电流跟踪的迭代学习控制J.中国电机工程学报，2006，26（9）：104-107. 6刘凤君. 市电电能质量补偿技术M.北京：科学出版社，2005.图4基于电力变压器的有源滤波装置系统仿真框图Fig.4Simulation diagram of active power filter

16、 system basedon power transformer图3有源电力滤波器应用示意图Fig.3Application diagram of active power filter指令电流运算电路电流跟踪控制电路驱动电路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负载e a有源滤波器APF三相电源T 2HPF51）46杨之淳、孟雷、丁文良等：变压器气体继电器测试设备的探讨第9期速值在其量程之内。（5）与涡轮流量计配套使用的控制器，要经有关计量部门鉴定合格，才能保

17、证精度。（6）动力源应该加装稳压装置，减少脉动，使油流更平稳。（7）采用人机对话计算机自动控制、自动打印的控制系统。具备上述条件的气体继电器测试设备，国内已经生产。例如沈阳产MLR-系列气体继电器测试设备，有三个独立的油路，能分别直接测试25、50、80口径的国内外各种型号气体继电器，性能稳定、精度高、实现了人机对话、计算机自动控制和自动打印试验报告。此类设备早已被气体继电器生产企业和供电公司及省级中试所采用，目前已被意大利公司选用。间接测试台虽然体积小、成本低，但问题是：测试的数据不准。没做过比对试验的气体继电器根本不能用。新产品更不能用。老产品一经改进也不能用。更可怕的是做过比对试验的气体

18、继电器的结构改进了，但原先输入计算机的修正系数不能随之改变，测试偏差大到无法预知和控制，给气体继电器测试工作造成非常大的混乱。数据不准给气体继电器的安全运行埋下隐患。因此老的DL/T540-1994QJ25、50、80型气体继电器检测规程被废止后，有关部门应制定新的气体继电器检测规程，统一和规范气体继电器测试设备的测试精度和检测质量，确保气体继电器安全运行是当务之急。参考文献：1李诗久. 工程流体力学M.北京：机械工业出版社，1980.2DL/T540-1994，QJ25、50、80型气体继电器检测规程S.收稿日期：2009-05-04作者简介：杨之淳（1936-），男，山东招远人，沈阳变压器研究院高级工程师，主要从事变压器组件设计与制造工作。!收稿日期：2008-10-08作者简介：江友华（1974-），男，江西南城