新型换流变压器在矿井电网谐波抑制中的应用研究＊

湖南科技大学信息与电气工程学院（湖南湘潭 411201） 李 燕 朱红萍

湖南大学电气与信息工程学院（湖南 长沙 410082） 许加柱

1 引言

谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍。从理论上看，非线性负荷是配电网谐波的主要产生因素。周期性的畸变波形经过傅立叶级数分解后，那些大于基频的分量被称作谐波。严格意义上讲，电力网络的每个环节，包括发电、输电、配电、用电都可能产生谐波。

输电和配电系统中存在大量的电力变压器，因变压器内铁心饱和，磁化曲线的非线特性以及额定工作磁密位于磁化曲线接近饱和段上等诸多因素，致使磁化电流内含大量奇次谐波。变压器铁心饱和度越高，产生的谐波电流就越大，严重时三次谐波电流可达额定电流的5%。用电环节谐波源更多，如晶闸管式整流设备、变频装置、充气电光源以及家用电器，都能产生一定量的谐波[1]。电力系统中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，从而引起世界各国的高度重视。各种国际学术组织如电气与电子工程师协会 (IEEE)、国际电工委员会 (IEC)和国际大电网会议(CIGRE)相继各自制定了包括供电系统、各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。

我国煤矿电网中的谐波污染也日趋严重，给煤矿供电系统和各类用电设备带来危害.消除谐波的主要方法是在交流电源侧装设滤波装置。如在谐波源附近配置各种类型的滤波器，如L－C无源滤波器 (PF)，有源电力滤波器 (APF)，无源与有源混合滤波器(PF+APF)等。由谐波源产生的大量谐波经过这些滤波器进行分流，使得流入电网中的谐波电流尽可能小，从而达到谐波抑制的目的。矿井中提升机是关键生产设备，其安全运行至关重要，因此消除提升机变流装置的谐波是煤矿电网谐波治理的主要目标。而无源型滤波器具有结构简单、运行可靠、维护方便和投资相对较少等优点。基于上述原因，在矿井提升机谐波治理中大多采用无源型滤波器，主要抑制系统中5，7，11及13次特征谐波[1－3]。

本文提出了一种滤波换相换流器，即新型换流变压器，它将变压器和无源滤波器两者巧妙地结合起来，不仅可降低换流变压器的绝缘设计难度和设计容量，而且可将无源滤波器的偏调谐设计方法改良至无源滤波器的全调谐设计方法，大大克服了传统无源滤波器存在的缺点，达到有源滤波的效果。

2 新型换流变压器的特点

2.1 新型换流变压器的谐波屏蔽机理

图1 滤波换相换流器结构

新型换流变压器及其滤波系统阀侧绕组接线如图1所示,网侧绕组由AO、BO和CO(绕组!)组成，采用星形接法，中性点引出接地；阀侧由两套绕组共同组成，这两套绕组均由三相延边绕组和公共绕组组成，其三相公共绕组分别由d1e1、e1f1和f1d1(绕组")和d2e2、e2f2和f2d2(绕组")组成，其三相延边绕组由a1d1、b1e1和c1f1(绕组#)和a2d2、b2e2和c2f2(绕组#)组成，两套绕组都用延边三角形接法。

传统直流输电系统中，滤波和无功补偿装置均安装于交流网侧。按照常理，滤波器和并联电容器组应安装于阀侧母线上是最理想的方案，且这种方案最接近谐波源。考虑到换流器在工作过程中，换流变压器阀侧电压是由直流电压和严重畸变的交流电压组成的复合电压，而滤波器中的电容器和电抗器在工作过程中不断地充放电，将引起电磁振荡，而这种电磁振荡会造成阀侧电压波动，这对于换流器的正常换相与可靠运行是很不利的，同时还会增加换流器阀组的损耗；另一方面，该种滤波方式仍属于传统无源滤波的范畴，无法消除系统阻抗给滤波器设计带来的不良影响，从而影响滤波效果，且阀侧母线滤波支路在运行中要承受交流成分与直流成分的双重影响，这对滤波装置的性能考核要求较高。

针对传统换流变压器及其滤波方案存在的问题和新型换流变压器接线方式的特点，提出了一种新型的滤波方案。这种滤波方案在新型换流变压器阀侧绕组的中间抽头处接入特征次L-C谐波滤波器，考虑到6脉动换流器工作中以5、7、11和13次谐波为主，因此，新型滤波方案在阀侧绕组抽头处接入5、7、11和13次特征谐波滤波器，在阀侧实现谐波抑制，同时还可兼顾阀侧部分无功功率的补偿，降低通过换流变压器的无功电流，提高换流变压器的材料利用率。阀侧补偿无功功率的多少由滤波器提供的无功容量决定。抽头处的谐波滤波器的电压等级与传统滤波方案中的电压等级相比大大降低，电容器成本显著减少，寿命延长，经济效益十分可观。这种新型换流变压器的二次绕组不仅有磁的联系，还有电的联系，滤波器一端与负载有公共连接点，另一端连到二次绕组的抽头位置，滤波绕组不单纯进行谐波抑制，且参与有功传输，提高了变压器的材料利用率。自耦型谐波屏蔽变压器的谐波模型如图2所示。

图2 自耦型谐波屏蔽变压器的谐波等效模型

图3 Ⅰ桥换流变压器及阀侧滤波支路的电流分布图

图4 绕组电压和电流相量图

滤波电流等效为谐波电流源，三个短路阻抗为 ZK12、ZK13、ZK23，分别为网侧与公共绕组之间短路阻抗、网侧绕组与延边绕组之间短路阻抗、公共绕组与延边绕组之间短路阻抗。Z1n、Z2n、Z3n分别为网侧绕组，公共绕组和延边绕组的等效漏阻抗，它们之间满足下列关系：

通过变压器设计使 Z2n接近于0，且 Z1n远大于 Z2n，谐波电流都由 Z2n支路通过，Z1n支路上几乎不流经谐波电流，即谐波电流不通过原边绕组，这样就起到了谐波屏蔽作用[4－6]。

2.2 新型换流变压器的无功补偿机理

换流器在工作过程中需要消耗相当多的无功功率。在正常运行情况下，换流器所需配置的无功功率约为直流输送功率的30%～50%；逆变器所需配置的无功功率约为直流传输功率的40%～60%。因此，换流器和逆变器必然采用有效的无功补偿措施。新型换流变压器及其滤波系统采用阀侧公共绕组抽头处接入5、7、11和13次特征谐波滤波器，在滤波的同时兼顾补偿无功功率。

直流输电系统中，总的无功补偿容量也可以根据平均功率因数提高值来确定。若负荷容量为S(MVA)，要求系统输送功率因数从cos!0提高到cos!，则所需补偿的无功功率容量(Mvar)：

这些无功功率可以由阀侧接入的滤波支路得到部分补偿，不足的无功功率可在交流网侧投切电容器及网侧的高通滤波器共同补偿[7]。在新型换流变压器中，I桥换流变压器及其阀侧支路的电流分布如图3所示。节点 d1、e1、f1对应的电流方程如下：其中分别为阀侧滤波支路的基波电流。

以节点o为零电势参考点，则 d1、e1和 f1节点相对于o点的电压相量及各绕组的电压相量如图4所示。

3 新型换流变压器的应用

平顶山煤业集团某矿是我国煤矿中较早采用变流器供电提升机的大型矿井，也是发现谐波危害较早的矿井之一。主井为双箕斗提升，用两台2100kw直流电动机拖动，由4台10000kVA变流器供电。采用无源滤波器，网侧滤波，分析测试结果发现:首先5，7，11及13次特征谐波严重超标，但其他高次谐波分量不大；其次各相谐波不平衡，需要在检修时对变流器触发角加以整定；再有不同运行状态下谐波电流变动很大，除与负荷大小有关外，还与无功补偿电容器是否投入有关，说明在特征谐波附近存在谐波放大现象。将测试数据和国家标准中的限定值比较，依据变流器谐波电流超过限定值的情况，初步确定采用几组单调谐滤波器，通常煤矿提升机所用变流器为6或12脉动的，其交流侧特征谐波为5，7，11，13次等，一般为消除幅值较大的低次谐波需安装单调谐滤波器。对于高次谐波电流较大，单调谐滤波器对低次谐波电流的吸收已达到要求，而谐波电压不能满足要求时，则考虑安装高通滤波器。

因此，若采用传统的在网侧母线上接滤波器滤波，确定治理方案为:只安装5，7，11，13次滤波器，不安装高通滤波器，谐波电流治理情况如表1所示。

表1 传统滤波谐波电流治理情况

现将换流变压器换为新型换流变压器，在阀侧接入滤波器，使得换流器产生的5、7、11和13次特征谐波电流被完全抑制于阀侧绕组，网侧绕组中无5、7、11和13次特征谐波电流。就可使得网侧电流的谐波含量达到国标要求，滤波结果如表2。并可在阀侧补偿部分无功功率，大大降低换流变压器网侧绕组中的谐波电流和无功电流，并可降低换流变压器的绝缘设计难度和设计容量,有利于变压器的安全稳定运行和延长使用寿命，具有较好的经济效益[8－10]。

表2 接新型换流变压器整流后的谐波电流

实行新型的换流变压器，不仅可以测得谐波分量减少，而且功率因数由0.955提高到0.9904。

换流直流系统基本数据为：直流电压 Ud=400 V；直流电流Id=25000 A；输送功率 Pd=10000 kVA；脉波功率因数为0.955。

表3为采用新型换流变压器的一次侧、中压侧和阀侧的额定容量，额定电压，额定电流的计算表。

表3 新型换流变压器参数计算

经过补偿后的一次侧额定电流为190.31A，与补偿前的电流176.52A相比，增加了13.79A。通过计算：P=13.79×37.85×节约网侧设计容量863.96KVA。阀侧的无功功率容量由阀侧所连接的电容器来决定，其数值为3105.82Kvar，系统中所需补偿的总的无功功率可由计算公式 QN=来决定。本系统中无功功率的补偿由中压侧和阀侧来共同补偿得到，中压无功补偿量1700Kvar，阀侧无功补偿量1708.20Kvar，补偿后功率因数达到0.99。

表4 新型换流变压器各次谐波电流

4 结论

新型换流变压器由于具备谐波屏蔽和无功补偿作用，有效地降低了谐波电流对变压器本身的影响，并且提高了变压器的功率因数；同时由于网侧绕组上的谐波电流非常小，甚至可以忽略，这样就降低了该绕组的容量,有利于材料的节省；网侧绕组谐波电流小，网侧电流的有效值必然减小，这样在输入电压为高电压时，对绕组的动态稳定性能有很大帮助。新型换流变压器所具有的独特的性能决定了它有着广阔的发展空间。电能作为一种特殊商品，它的质量不仅要求电力系统在发电、变电、输电各环节上作出努力，同时也要求用户予以维护，特别是公用电网谐波，受用电设备的影响更是明显。新型换流变压器具备谐波屏蔽作用，大大阻断了谐波电流注入电网，提高了电能质量，符合电网环保的新理念。

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