變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用研究

趙幸煥

（湖南省建筑設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

諧波抑制，主要分為有源濾波與無(wú)源濾波。其中，無(wú)源濾波的電路由電感及電容構(gòu)成，諧波作用下合成阻抗保持為零，促使次諧波進(jìn)行全分流，防止了其向系統(tǒng)的傳送，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)，但濾波效果一般，而且還有可能出現(xiàn)諧波放大。有源濾波則是依靠晶閘管開(kāi)關(guān)來(lái)形成一個(gè)換流裝置，根據(jù)諧波分量對(duì)儲(chǔ)能元件能量及直流源進(jìn)行逆變，產(chǎn)生波形和幅值完全一致但方向相反的脈動(dòng)電流，以實(shí)現(xiàn)諧波抵償目標(biāo)，它具有比無(wú)源濾波更好的效果，但技術(shù)難度偏大，經(jīng)濟(jì)性差，目前的應(yīng)用并不廣泛。本文研究的是一種既不屬于無(wú)源，也不屬于有源的變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)。

1 變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)創(chuàng)新

以三相多脈動(dòng)整流、換流變壓器為例，對(duì)變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)創(chuàng)新作如下分析。

在整流供電中應(yīng)用的變壓器，為對(duì)高次諧波進(jìn)行有效抑制，經(jīng)常會(huì)用到增加一定脈動(dòng)相數(shù)（表示為P）的方法。對(duì)常規(guī)三相橋式而言，其全波整流對(duì)應(yīng)的P為6，在二次繞組，存在兩組能實(shí)現(xiàn)P=12目標(biāo)的脈動(dòng)值，如果P大于12，則需要若干變壓器于一、二次側(cè)實(shí)施移相布置，并進(jìn)行組合配套。以目前我國(guó)東北地區(qū)的城市軌道交通為例進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)資料的調(diào)查與總結(jié)，大部分軌道交通使用的整流變壓器，其P為24，而在冶金業(yè)，其供電系統(tǒng)的變壓器P可以達(dá)到48。當(dāng)P超過(guò)12時(shí)，除了整流元件明顯增多，一、二次側(cè)均需進(jìn)行位移改變，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)角度看，這是不經(jīng)濟(jì)的。若P為12，而且還需對(duì)諧波進(jìn)行抑制時(shí)，是通過(guò)增大P來(lái)使波形得以改善，還是直接采取濾波技術(shù)，需在對(duì)比后給出結(jié)論。

對(duì)于換流變壓器，其輸出側(cè)借助12組晶閘管實(shí)現(xiàn)換流，按照相同的間隔時(shí)間（360°/12=30°）進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷。從現(xiàn)有換流變壓器看，其一次側(cè)三相采用Y形聯(lián)結(jié)，二次側(cè)采用Y形和D形聯(lián)結(jié)，形成30°電位差。變壓器受閥側(cè)換流器產(chǎn)生的諧波影響，交流系統(tǒng)母線(xiàn)網(wǎng)側(cè)連有濾波器。在這種情況下，導(dǎo)通變換產(chǎn)生的諧波及無(wú)功電流均需通過(guò)繞組傳至濾波器電路，除了要占用一定繞組容量，還明顯增大其鐵損及銅損，尤其是高次諧波，易使波形發(fā)生畸變，加劇電磁干擾，致使產(chǎn)生較大的噪聲與機(jī)械振動(dòng)，增加一定成本。同時(shí)，這也是現(xiàn)階段我國(guó)直流輸電換流變壓器主要問(wèn)題，亟需采用有效措施予以改進(jìn)。

換流變壓器同樣可以采用感應(yīng)濾波技術(shù)，以編制出新的方案。二次繞組為雙延邊三角形，從繞組上引出一個(gè)端點(diǎn)和換流器直接相連，內(nèi)部接有三角形的各頂點(diǎn)均引出和外部星形接線(xiàn)串接有電感的電容之路直接相連。要達(dá)到P為12的目標(biāo)，根據(jù)正弦定理可以得出：

經(jīng)計(jì)算，Ue和Ud比值為0.5773，根據(jù)這一結(jié)果，使延邊繞組匝數(shù)（表示為：We）和角接繞組匝數(shù)（表示為：Wd）之間的比值確定為0.5773，則能使變?yōu)?5°。具體實(shí)施過(guò)程中，其中一個(gè)繞組前移15°，另一個(gè)后移15°，使相位差達(dá)到30°，以此獲取與Y形和D形聯(lián)結(jié)組成P=12一致的換流效果。按照?qǐng)D1分別布置網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)繞組，處在中間層的繞組成為具有屏蔽作用的繞組。當(dāng)P為12時(shí)，諧波可表示為n=P±1，對(duì)應(yīng)11次諧波與13次諧波，此時(shí)濾波支路可表示為：

在相應(yīng)的諧波頻率條件下，容感支路基本為短路，諧波通過(guò)于延邊繞組。此時(shí)角接繞組出現(xiàn)方向完全相反的諧波電流，致使兩個(gè)方向的諧波抵消，在二次繞組實(shí)現(xiàn)諧波抑制和消除，達(dá)到有效屏蔽諧波的根本目的。相比于以往的布置方式，雖然P完全相同，但經(jīng)繞組后的合成電流，其有效值明顯縮減，畸變的波形得以修復(fù)，之前提到的因諧波造成的損耗完全消除。

圖1 繞組布置示意圖

相較于交流輸電，HVDC能大量節(jié)省導(dǎo)線(xiàn)，且對(duì)絕緣的要求不高，有無(wú)功損耗均較小，沒(méi)有由電感及電容造成的電壓波動(dòng)，這對(duì)遠(yuǎn)距離輸電與超高壓輸電均有重要意義。我國(guó)能源分布不平衡，西電東送戰(zhàn)略可以HVDC為主。據(jù)預(yù)計(jì)，國(guó)內(nèi)新建HVDC線(xiàn)路在未來(lái)要用很多換流變壓器。為滿(mǎn)足這一要求，應(yīng)加快換流變壓器分析研究國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，同時(shí)在線(xiàn)路建設(shè)中優(yōu)先考慮自主產(chǎn)品。

2 變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)應(yīng)用

（1）若用戶(hù)存在半導(dǎo)體元器件及其它類(lèi)型的非線(xiàn)性，則必須采用變壓器進(jìn)行變壓供電，借助從二次繞組引出的中間抽頭進(jìn)行開(kāi)發(fā)獲得電磁可以進(jìn)行濾波，不是無(wú)源，也并非有源，是一種借助自耦感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生的濾波源，這可為現(xiàn)階段的濾波研究開(kāi)辟出一條新的路徑。

（2）逆變負(fù)荷與整流負(fù)荷均需在換流過(guò)程中消耗無(wú)功，和電容相連后能對(duì)基波負(fù)荷進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，產(chǎn)生諧波后形成阻抗與之匹配，創(chuàng)造濾波基礎(chǔ)條件。而實(shí)際的濾波作用是憑借內(nèi)部繞組具有的安匝平衡實(shí)現(xiàn)的。

（3）對(duì)無(wú)源濾波而言，其必須避開(kāi)諧波放大與諧振過(guò)電壓造成的危害，所以應(yīng)用與發(fā)展都有障礙；而有源濾波需要諧波發(fā)生源，以及可實(shí)現(xiàn)跟蹤檢測(cè)功能的控制系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性較差，很難在大功率濾波領(lǐng)域應(yīng)用和推廣。而變壓器感應(yīng)濾波沿用了傳統(tǒng)有源濾波，但并非通過(guò)人為方式來(lái)制造方向相反的新諧波，依靠繞組自耦感應(yīng)實(shí)現(xiàn)新諧波的生成，繼承了有源濾波所有優(yōu)勢(shì)，又克服了它無(wú)法用于大功率諧波的弊端。

（4）對(duì)感應(yīng)濾波而言，它并非獨(dú)立產(chǎn)品，是開(kāi)發(fā)出變壓器繞組具有的潛能，并予以補(bǔ)償設(shè)備與阻抗匹配的協(xié)調(diào)機(jī)制，和傳統(tǒng)濾波設(shè)備相比，不是一種硬件，而是獨(dú)特的軟實(shí)力，將其用于開(kāi)發(fā)的變壓器，能實(shí)現(xiàn)軟硬互補(bǔ)，效果顯著。

（5）對(duì)于變壓器具有的安匝平衡理論及電磁感應(yīng)效應(yīng)，都只能應(yīng)用在變壓供電，還未在其它方面大量應(yīng)用。事實(shí)上，感應(yīng)濾波和有源濾波相比更為簡(jiǎn)便。比如圖2所示的延邊繞組，其當(dāng)換流器產(chǎn)生諧波后，按就近原則形成一個(gè)回路。形成的諧波磁通穿鏈相耦合的三角形聯(lián)結(jié)繞組，然后后者經(jīng)感生出現(xiàn)反應(yīng)磁通，與諧波磁通進(jìn)行抵消，屏蔽一次繞組上的諧波，防止諧波從氣隙穿過(guò)進(jìn)入電網(wǎng)，同時(shí)還能修補(bǔ)二次繞組受諧波造成的損害。因此，對(duì)于目前的電工科技，必須借助電子電力應(yīng)用等一系列高新技術(shù)，推動(dòng)變壓器及濾波設(shè)備等傳統(tǒng)產(chǎn)品的優(yōu)化改造，尤其是要將電磁感應(yīng)視作新一代電磁裝置重要理論，這樣可以在很多方面起到作用，應(yīng)引起相關(guān)人員的高度重視。

圖2 三相多脈動(dòng)整流與換流變壓器接線(xiàn)及位移相量

3 結(jié)語(yǔ)

（1）變壓器感應(yīng)濾波，它是一種和無(wú)源濾波與有源濾波均不相同的諧波抑制新技術(shù)。

（2）變壓器感應(yīng)濾波主要利用的是安匝平衡原理，它不僅能在供電系統(tǒng)中應(yīng)用，還適用于交流及直流輸電系統(tǒng)換流站。

（3）新的變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)在提高變壓器軟硬互補(bǔ)、修補(bǔ)二次繞組損害、一次繞組屏蔽方面有重要作用。該技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用也印證了當(dāng)前的產(chǎn)片優(yōu)化，改進(jìn)領(lǐng)域應(yīng)以電子電力應(yīng)用等一系列高新技術(shù)為依托，只有這樣才能發(fā)揮出更多方面的作用，推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。