配電變壓器節能運行控制裝置優化研究

謝風飛，成志威

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410014;2.國網江西省電力公司九江供電分公司，江西 九江 332000)

1 引言

近年來，面對我國日益嚴峻的環境問題和能源問題，政府在全國范圍內積極實施“節能減排”政策，要求在“十二五”期間，實現單位國內生產總值能耗降低16%、主要污染物排放總量減少8% ～10%的節能減排目標。電力作為一種使用方便的優質二次能源，廣泛應用于國民生活的各個領域，但是我國電力工業的能源利用效率同國際先進水平差距較大，電力行業作為耗能大戶，在“節能減排”中占據突出位置［1］。

配電變壓器是配電網中的重要設備之一，其負載波動大，長時間處于輕載和空載運行，損耗的能量約占整個配電網電能損耗的30%左右［2］。因此研究配電變壓器運行的節能技術對降低配電變壓器系統損耗，提高配電網電能供應的經濟可靠性等方面均具有非常重要的意義。目前最常用的方法是從變壓器材料和結構上加以改進，比如采用非晶合金的變壓器［3］。另外也有學者提出了變壓器經濟運行方式，電壓調整方式等具體節能措施［4－5］，但是變壓器的損耗除了與運行方式和自身材料及結構有關外，還與電網諧波有關，諧波含量越高，其損耗越大，所以消除注入配電變壓器的諧波，就能大大減少其自身的損耗［6－7］。因此本文提出了一種配電變壓器節能運行控制優化裝置，該裝置能夠對并網側配電變壓器諧波進行抑制還能夠補償無功功率，有效的提高電能質量，降低變壓器運行損耗。

2 現有節能技術對比

配電變壓器以有功損耗和無功損耗為基礎實現經濟運行，隨著科學技術迅速發展，對于服役時間較長，設備老化和多次維修的變壓器，投入電力系統運行的配電自動化系統也越來越多，電力工作者可以通過相關設備實時測量配電變壓器有功、無功、電壓等數據，采用曲線擬合計算，得到符合配電變壓器實際運行情況，合理安排配電變壓器的運行方式。由于配電網中負荷不穩定，變壓器難免頻繁切換運行方式，嚴重威脅電力系統運行可靠性與穩定性。因此合理的制定控制策略，最大限度減少配電變壓器切換次數，可以實現配電變壓器最優經濟運行。

表1 配電變壓器節能技術比較

使用性能先進的導磁材料和導電材料可以極大程度上降低配電變壓器損耗。但是僅僅依靠材料的改進來降低變壓器損耗受到現有科學技術發展程度的制約，而且價格較高導致用戶使用率不高［9］。因此必須綜合考慮配電變壓器容量選擇和運行方式，使所有配電變壓器都處于經濟運行區間，這樣僅從電網運行角度即降低了配電變壓器的損耗。同時在配電變壓器并網運行時，合理配置SVC、SVG和APF等無功補償和濾波裝置，可以提高配電網電能質量，從而，減少配電變壓器的有功損耗和無功損耗，以及三相不平衡等。

3 配電變壓器節能運行關鍵技術

3.1 配電變壓器容量選擇

在變電站建設、擴建和變壓器增容等具體工作中，首先需要考慮的因素是根據變電站的供電負荷情況，選擇變壓器的容量和使用臺數。如果容量選擇過大，勢必會增加變壓器本身和相關設備購置和安裝、運行維護的投入，使資金大量浪費;如果容量選擇過小，就不能滿足用戶的需求，使得配電變壓器長期超載運行，降低使用壽命，嚴重影響供電可靠性。

3.2 配電變壓器優化控制運行

國內外配電網運行經驗表明，當運行電壓超過額定電壓時變壓器內部鐵損和空載電流都會增大，導致配電網無功損耗增大。另外變壓器三相負荷不平衡也是其產生巨大能耗的主要原因。

當配電變壓器所帶負載處于最大不平衡時，將導致線路電能損耗增加12.5%，因此，變壓器選址應盡量在負荷中心位置，同時采取混合型有源濾波裝置來提高功率因數和抑制諧波。所以，配電變壓器在實際運行過程中，如果客戶提供單一較小的設備容量，選擇一個以上的變壓器，可經濟運行，并能提高供電可靠性。當變電站配有兩個或兩個以上的變壓器，變電站負載的變化導致變電站通常需要進行投入或切除變壓器的操作。滿足負荷的配電變壓器，應考慮經濟運行，在可滿足負荷要求的情況下，可暫停使用一個變壓器，用以減少維持變壓器運行的費用。

雙繞組配電變壓器有功功率損耗ΔP(kW)計算公式為:

式中:Po是空載損耗，Pk是短路損耗，β為負載系數。

有功損耗率的計算公式為:

式中:P1為配電變壓器低壓側有功輸入功率，cosφ為負載功率因數。

根據公式(1)和(3)可繪成如圖1所示的負載特性曲線。由公式(3)及負載特性曲線可知:配電變壓器的有功功率損失率ΔP%是變壓器負載系數β的二次函數，ΔP%先隨著 β的增大而下降，當 βJP=時，此時配電變壓器銅耗等于鐵耗，然后又隨著β的增大而上升。

變壓器在有功經濟負載系數條件下，變壓器有功損耗率最低(即效率最高)，有功損耗率ΔPJ%計算式為:

當變電站有兩臺以上不同類型不同容量的配電變壓器時，同理可做出在各種運行曲線下變壓器的有功損耗曲線，并根據在不同負載的有功功率損耗最低的原則，確定變壓器的經濟運行方式。這樣一方面可以延長變壓器使用壽命，另一方面可以降低變壓器內部鐵損和激磁損耗，保證其高效穩定運行［10］。

圖1 變壓器功率損失和功率損失率負載特性曲線

3.3 配電變壓器運行控制裝置的配置

配電網中存在著大量感應電機和其他感應電氣設備等，在運行過程中這些設備除消耗有功功率外，還需要一定量的無功功率維持系統電磁平衡。如果無功容量不足，勢必會導致整個系統功率因數cosφ值較低，從而增加了配電變壓器的系統能耗，增大了電能損失。

配電網中的諧波電流會使變壓器的銅耗增加，特別是3次諧波及其倍數次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環流，使繞組過熱;對全星形連接的變壓器，當繞組中性點接地，而該側電網中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯電容器時，3次諧波可能形成諧振，使變壓器附加損耗增加。諧波電壓的存在不僅增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗還增大了絕緣的電場強度。當配電變壓器負荷三相不平衡時，勵磁電流的諧波分量將會大大增加。諧波電流的增加會使配電變壓器局部產熱增大，輕則縮短變壓器的使用壽命，重則導致變壓器燒毀。

綜合以上分析，可以通過在線監測配電網的參數信息，采用SVC、SVG和APF等控制裝置，對配電網系統進行實時無功補償和諧波抑制，提高供配電系統功率因素，保證10kV供配電系統中配電變壓器安全穩定、節能經濟的高效運行［11］。

本文采用如圖2所示的主要用于濾除諧波兼無功補償的大功率單獨注入式有源電力濾波器(HAPFSICHigh Active Power Filter with Single Injection Circuit)。該系統由電壓型逆變器、紋波濾波器、耦合變壓器、注入支路等組成。直流側電容和電壓型逆變器構成有源部分，注入支路下面的電容和電感構成基波諧振電路，上面的電容主要是考慮補償電網基波無功，以及盡量使有源濾波器的輸出電流注入到電網以補償電網諧波。

圖2 HAPFSIC的系統結構

由圖2 HAPFSIC的系統結構可以看出，單獨注入式有源濾波器把串聯諧振注入型有源濾波器和并聯型有源濾波器相結合，綜合了各自的優點，又互相彌補了其缺點，使得單獨注入式有源濾波器不僅擁有一定容量的靜止無功補償能力還具有較小的逆變器容量。因為LC串聯諧振網絡諧振于基波頻率，其基波阻抗近似等于0，構成了基波電流的短路通道，所以注入該支路的基波電流都將全部流入該網絡，而不會流入耦合變壓器和逆變器。單獨注入式有源濾波器具有其獨特的運行特點:無功功率只由無源部分進行補償，但是諧波治理則由有源部分和無源部分共同承擔，這樣的靈活配合更加適應于現代企業的諧波治理需求。

在單獨注入式有源濾波器的結構框圖中，其注入支路的主要作用是:給諧波提供一條低阻抗的通道，隔離電網電壓和補償無功功率。本文根據實際諧波輸出和補償無功功率情況，注入支路可選擇作某次的單調諧濾波器。

4 仿真分析

為了驗證采用該節能裝置的優越性以及更好地檢測系統的節能濾波效果，在配電變壓器低壓側安裝HAPFSIC，通過電能質量分析儀測量線路安裝濾波器前后電壓、電流波形如圖3～圖5所示，對比安裝前后線路的電壓、電流波形來直觀的反應配置方案的可行性。

通過對比圖3～圖5波形變化，可知投入大功率單獨注入式有源電力濾波器裝置后，電網側電壓、電流波形變得比較平滑，更加接近正弦波，畸變波形得到了明顯的改善，電壓畸變率降低了3.7%，電流畸變率降低了24.8%，同時各次諧波含量和無功含量都有非常明顯的下降趨勢，滿足了諧波標準。得到的節能配置方案取得了良好的濾波效果和較好的經濟效益，驗證了該節能方案的正確性和可行性。

圖3 濾波器安裝前A相電壓、電流電壓波形

圖4 濾波器安裝后電網側電壓波形

圖5 濾波器安裝后電網側電流波形

5 結論

本文在研究配電變壓器經濟運行發展現狀和總結前人研究成果的基礎上，對配電網變壓器容量和經濟運行方式的選擇以及控制裝置的配置進行了比較深入的系統研究。通過對現有較為常用的變壓器節能技術方法的比較，選定較有研究意義及實際可行度較高的HAPFSIC裝置進行深度分析，通過應用研究得出該裝置既能很好的對電網進行諧波抑制同時也可以進行無功補償，大大提高了配電變壓器并網電能質量和經濟可靠性，符合配電網變壓器節能實際運行狀況，適合實際工程應用。

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