含分布式電源的配電變壓器穩態電磁干擾抑制方法

趙北濤

（國網天津市電力公司武清供電分公司，天津 301722）

含分布式電源的分布式發電設備包括風力發電、光伏發電、太陽能發電等，與傳統發電相比，分散發電與用戶之間的距離更近，碳排放量更少，環境污染也更小。根據負荷需求，靈活地選用不同用電方式并聯合大電網，以增強供電可靠性。然而，由于采用了分布式電源，給配電系統帶來一些不利影響。由于將大量的直流電通過接地電極注入到地表，在接近極點的地方形成了一個恒定直流電場。在配電系統中存在著一種由地面輸入的電流，再由另一臺（變壓器中間線）輸出電位差值。由于配電變壓器額定工作點位于鐵心磁化曲線飽和處，若有直流電流通過變壓器線圈，則使變壓器鐵心磁場的工作點與設計值有偏差，從而產生直流偏移，嚴重時可能導致變壓器損壞。

因此，如何有效抑制電磁干擾對配電變壓器的影響，是確保電力系統正常工作的關鍵。當前應用較多的方法主要有兩種，分別為基于LC 濾波的抑制方法和基于空域對消的抑制方法。基于LC 濾波抑制方法充分考慮配電變壓器短路阻抗和額定容量的影響，計算配電變壓器的諧波電流值。當該諧波電流數值超過設定的閾值時，通過三相全控整流方式抑制電磁干擾[1]；基于空域對消的抑制方法在缺失電磁干擾數據的情況下，依然能夠模擬出配電變壓環境，在該環境下使用嵌入時域信號處理方式，能夠獲取有效電磁干擾幅值，由此實現電磁干擾抑制[2]。

但是上述這兩種方法對穩態情況下的電磁干擾研究仍不夠深入，對配電變壓器穩態電磁干擾的抑制效果不佳，因此，該研究提出了含分布式電源的配電變壓器穩態電磁干擾抑制方法。

1 配電變壓器穩態特性

首先，建立配電變壓器潮流方程，根據配電變壓器輻射型結構的特點，在潮流計算過程中，通常將傳送端母線處理為平衡節點，其他節點處理為PQ 節點[3]。對于PQ 節點潮流計算過程如下：計算含分布式電源機組并網后的有功功率P如下：

式中，P1表示有功功率；P2表示初始功率。

設機組并網后的吸收無功功率為W1，機組并網前的負荷功率為W2，無功補償裝置所補償的無功功率為W3，則含分布式電源的機組并網后節點注入的無功功率W為：

為了實現自動投切，并聯一組電容器，保證機組功率因素在允許范圍內變化，由此得到的無功補償裝置功率因數可表示為：

式中，W′1 表示補償裝置補償下的無功功率[4]。通過這種處理方式在每次迭代處理過程中，分布式電源是無功輸出的，所以有功和無功總是恒定的。在確切的功率因數穩定裕度指標下，設計了電磁干擾抑制方案[5]。

2 電磁干擾抑制方案

配電變壓器是電力系統中的一個關鍵設備，電流偏磁是變壓器在遭受電磁干擾后的一種特殊工作狀態。在變壓器線圈中存在直流分量時，由于磁通的存在，會導致變壓器鐵心飽和，電流出現畸變且產生大量諧波，增大了金屬構件損耗[6]。因此，設計配電變壓器穩態電磁干擾抑制方案。

2.1 變壓器參量改進

2.1.1 鐵心磁通密度改進

鐵心額定工作磁通密度與噪聲有關，由工作磁通密度變化造成的噪聲影響可用式（4）來表示：

式中，φ0、φ′分別表示變化前和變化后的鐵心額定工作磁通密度參量；gFe0、分別表示磁通密度變化前和變化后的鐵心重量[7-8]。為了保持總磁通量不變，必須增加鐵心的截面積，以此彌補磁密度降低帶來的磁通量損失。當鐵心磁密、重量上升時，噪聲也變大，因此，通過控制磁通密度、重量來抑制噪聲。

2.1.2 磁致伸縮率改進

磁致伸縮率是指在磁場中硅鋼晶粒發生的轉動現象。變壓器鐵心是用硅鋼板堆砌而成的，高壓線圈的激勵電流被鐵心激發后，在交流磁場作用下，鐵心硅鋼板的大小會因硅鋼板轉動而改變，這種隨著電磁干擾變化而改變的現象就是磁致伸縮[9]。磁致伸縮率變化公式可表示為：

式中，ΔL表示勵磁時硅鋼片長度增量；L0表示硅鋼片初始長度。由于在含分布式電容的配電變壓器中，電流每發生一次變化，硅鋼片磁致伸縮兩次。因此，為了抑制噪聲，應減少磁致伸縮次數，避免產生高諧分量[10]。

2.1.3 斜接縫區搭接面積改進

斜接縫區搭接面積也會對變壓器的噪音產生影響，盡管鐵心增大了硅鋼板的搭接面積，增大了硅鋼板間的摩擦力，但是也增加了硅鋼板磁通方向上的噪音[11-12]。斜接縫區搭接面積變化引起的噪聲變化量可用公式表示為：

式中，S表示斜接縫區搭接面積。因此，為了抑制噪聲應減少斜接縫區的搭接面積，以達到降低噪音的目的。

2.2 干擾抑制裝置設計

綜合改進鐵心磁通密度、磁致伸縮率、斜接縫區搭接面積參量，設計干擾抑制裝置[13]。含分布式電源的配電變壓器穩態電磁干擾抑制裝置，是將合適的電容串聯到變壓器的中性點和系統地之間，并通過電容器通交隔直功能實現直流隔離，該方法能有效地將中性點處的直流電流抑制到零，抑制裝置結構如圖1 所示。

圖1 抑制裝置結構

由圖1 可知，在系統運行過程中，若系統出現了單相接地故障，電容電壓上升，則采用氧化鋅閥片的大容量快速開關K2，實現對直流絕緣電容的雙重保護[14]。氧化鋅閥片的非線性性能好、反應速度快，該抑制器的大容量快速開閉合閘時間不超過15 ms，能準確預測電流過零點，并能在零點閉合，合閘無反彈，無冷焊現象[15]。在電壓到達氧化鋅工作狀態時打開氧化鋅，使其電壓不超過電容所能承受的極限[16]。旁路快速開關在收到信號后立即合閘，并使中性點直接接地。旁路開關的快速開關功能，有效地保護了氧化鋅，即將直流電流抑制到零。

2.3 方案設計

根據已知的各個出線瞬態電流信號的極性，建立了基于暫態電流信號極性對比的電磁干擾抑制方案。首先，對存在共母線相鄰關系的信號進行檢測，并標記序號，采用單向前循環方式對裝置進行同或邏輯運算。然后用與邏輯運算方式處理所有運算，具體干擾抑制依據為：

式中，i和j分別表示檢測處理點中對應的最小編號和變壓器母線數量；⊕表示同或運算符號；&表示與邏輯運算符號；IB表示所有母線上所測得的暫態電流極性比較結果。對于母線上是否出現電磁干擾，判斷公式為：

當IB=1 時，說明出現了電磁干擾，此時需要進行如下干擾抑制：

將濾波后的配電變壓器運行曲線與受到電磁干擾的曲線進行比較，獲取兩者之間的關系。在該狀態下的運行模式可表示為：

式中，Rt、Rt′分別表示第t、t′時刻經過濾波處理后的狀態值。經過濾波處理后，濾除電磁干擾后的信號主要集中在50～250 Hz 范圍內。將濾波處理后的信號經過A/D 變換處理后，由數字信號轉變成模擬信號形式，該模擬信號由音頻放大器的驅動揚聲器發送，以防止其他高頻設備干擾，達到抑制電磁干擾的目的。

3 實 驗

空載合閘和短路故障恢復后，變壓器的工作狀態是穩定的，即為穩態。在穩態運行時，變壓器的額定功率是50 Hz，在低頻率范圍內，電場所受到的交偏磁場干擾要小于直流偏磁干擾。因此，穩態下必須把直流偏磁干擾作為重點。選擇2021 年6 月份某市直流輸電工程為研究對象，該工程投運早期階段采用的是單極大地運行方式。在2022 年2 月雙極子調試期間，進行了變壓器的雙極型不對稱操作實驗，并對#1、#2、#3、#4 號變壓器的主變壓器的中性點對地電流進行了統計，數據見表1。

表1 配電變壓器中性點對地電流

由表1 可知，#1 變壓器受到的電磁干擾影響最嚴重，以此為研究對象得到的電磁頻譜圖如圖2所示。

圖2 電磁頻譜圖

由圖2 可知，在600 Hz 頻率下，電磁幅度達到最大值為1.3 W/cm2。

4 實驗結果與分析

對于電磁干擾抑制效果驗證，分別使用基于LC濾波抑制方法、基于空域對消的抑制方法和該文方法，進行電磁抑制效果對比分析，對比結果如圖3所示。

圖3 三種方法電磁抑制效果對比分析

由圖3 可知，使用基于LC 濾波抑制方法電磁幅度最大值為1.02 W/cm2；使用基于空域對消的抑制方法電磁幅度最大值為0.95 W/cm2；使用該文方法電磁幅度最大值為0.4 W/cm2。通過該分析結果可知，使用該文方法能夠有效抑制干擾電磁。

5 結束語

由于分布式電源的引入對配電變壓器正常運行的電壓穩定性造成一定影響，因此，該文設計了電磁干擾抑制裝置。該方法結合邏輯運算方式實現了對變壓器的穩態電磁干擾抑制。一旦分布式電源退出配電網，則正在運行的配電變壓器依賴變頻支撐的節點幅值就會大幅度下降，從而產生一系列的負面效應。因此，在今后的工作中要充分考慮變頻器的動態性能，并對穩態電磁干擾抑制進行深入研究。