雙繞組變壓器諧波傳遞特性研究

胡雪凱,張 乾,田 廣,羅 蓬,楊少波

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司,河北 石家莊 050070;3.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展,大量電力電子設(shè)備接入電網(wǎng),包括各種新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題愈加嚴(yán)重[13]。電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題大多是由諧波發(fā)生源引起的,主要包括變頻設(shè)備、電力電子變換器等,約占總諧波發(fā)生量的三分之二,另外居民戶用電器諧波發(fā)生量占比約為23%[45],其他如電弧爐等。此外,由于現(xiàn)在電力系統(tǒng)中大量的半控、全控器件的采用,導(dǎo)致系統(tǒng)高次諧波含量大大增加,所以現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)于諧波研究有注重更高次影響趨勢(shì)[6]。

變壓器作為必要的變電設(shè)備在電力傳輸和供配電中發(fā)揮著巨大的作用,其安全可靠以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行一直是電力系統(tǒng)中的重點(diǎn)研究目標(biāo)[7-9]。一方面,電力變壓器會(huì)發(fā)生諧波,是一種諧波源;另一方面,電力變壓器作為輸變電設(shè)備,其他諧波源發(fā)生的諧波將通過(guò)其進(jìn)行傳遞[10-11]。另外,諧波較大時(shí)還會(huì)增加變壓器的銅損和鐵損,對(duì)其壽命造成不良影響[1215],從而影響變壓器的可靠運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤ё儔浩?甚至引起電網(wǎng)局部故障和保護(hù)裝置的誤動(dòng)作[1617],導(dǎo)致局部乃至整個(gè)電網(wǎng)電力癱瘓。

本文從雙繞組變壓器的等效諧波模型出發(fā),分別研究了諧波電壓源/諧波電流源經(jīng)雙繞組變壓器在不同負(fù)載率、不同功率因數(shù)和不同短路容量下的傳遞規(guī)律,為實(shí)際系統(tǒng)的變壓器選型以及濾波器裝置設(shè)計(jì)與投運(yùn)提供理論指導(dǎo)。

1 雙繞組變壓器等效諧波模型

在不同的研究背景下,對(duì)變壓器的諧波模型要求是不同的,變壓器的完整諧波模型如圖1所示。普通情況下,在研究諧波經(jīng)變壓器傳遞規(guī)律時(shí),在較低頻率下(約10 k Hz內(nèi)),導(dǎo)線的漏感和寄生電容很小可以忽略,變壓器的寄生電容以及高低壓間的耦合電容同理可以忽略,由于變壓器勵(lì)磁阻抗較大,對(duì)諧波傳遞基本沒(méi)有影響故也可將其忽略,從而可將變壓器諧波模型等效為“一”字型等效模型,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)研究諧波對(duì)變壓器損耗影響時(shí),變壓器的勵(lì)磁阻抗也必須要考慮,其他容抗部分影響不大皆可忽略,故此時(shí)諧波模型為“T”型等效模型,具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)頻率進(jìn)一步增加時(shí),繞線間的容性耦合會(huì)進(jìn)一步增加,當(dāng)頻率達(dá)到MHz時(shí),它成為決定性因素。研究變壓器對(duì)高頻諧波電壓電流的等效模型時(shí),由于高頻特性下變壓器感抗值過(guò)大,相當(dāng)于開(kāi)路,而此時(shí)的變壓器高低壓側(cè)雜散電容容抗值較小,以及考慮到高壓側(cè)與低壓側(cè)的耦合電容的容抗值很小把漏感旁路,故其等效諧波模型見(jiàn)圖4。

圖1 雙繞組變壓器完整諧波模型

圖2 雙繞組變壓器“一”字型等效諧波模型

圖3 雙繞組變壓器“T”型等效諧波模型

圖4 雙繞組變壓器高頻等效諧波模型

圖中,R T,h、R m,h分別為h次諧波下變壓器的等效電阻及勵(lì)磁電阻;X T,h、X m,h分別為h次諧波下變壓器的等效電抗及勵(lì)磁電抗;R1,h、R2,h、X1,h、X2,h分別為h次諧波下的等效漏阻及漏抗,下標(biāo)1代表一次側(cè),2代表二次側(cè),二次側(cè)折算到一次側(cè)后為R2,h、X2,h;C1,h、C2,h分別為h次諧波下變壓器一次側(cè)、二次側(cè)的等效對(duì)地電容;C12,h為一、二次側(cè)間的等效耦合電容。

2 諧波傳遞特性參數(shù)分析

2.1 諧波電流系數(shù)

諧波電流系數(shù)的定義為:在同一電壓等級(jí)等效阻抗仿真模型中,其注入等效阻抗仿真模型某供電線路的h次諧波電流含量與該諧波源h次諧波電流發(fā)生量的比值。

KI h>1說(shuō)明注入某供電線路的諧波電流被放大,該供電線路與電網(wǎng)其他部分的等效電路發(fā)生了并聯(lián)諧振;KI h<1說(shuō)明注入某供電線路的諧波電流發(fā)生了衰減。

由于諧波電流系數(shù)是折算到同一電壓等級(jí)后計(jì)算得到,求解真實(shí)系統(tǒng)注入某條供電線路的諧波電流含量時(shí),應(yīng)注意這條供電線路和諧波電流源一個(gè)電壓等級(jí)時(shí),計(jì)算方案較簡(jiǎn)單;若不在一個(gè)電壓等級(jí),基于能量守恒的原理,某供電線路按照諧波電流系數(shù)計(jì)算得到諧波電流分量再除以注入系統(tǒng)電壓和諧波源所在系統(tǒng)電壓的比值。

2.2 諧波電壓系數(shù)

諧波電壓系數(shù)的定義為:在同一電壓等級(jí)等效阻抗仿真模型中,對(duì)某等效的諧波電壓源的h次諧波電壓而言,其經(jīng)電網(wǎng)供電線路傳遞至某節(jié)點(diǎn)的h次諧波電壓與該諧波電壓源h次諧波電壓的比值。

KU h>1說(shuō)明傳遞至電網(wǎng)某節(jié)點(diǎn)的諧波電壓被放大,該供電線路與電網(wǎng)其他部分的等效電路發(fā)生了串聯(lián)諧振;KU h<1說(shuō)明傳遞至電網(wǎng)某節(jié)點(diǎn)的諧波電壓發(fā)生了衰減。

由于諧波電壓系數(shù)是折算到同一電壓等級(jí)后計(jì)算得到,求解真實(shí)系統(tǒng)某節(jié)點(diǎn)的諧波電壓受諧波電壓源影響大小時(shí),應(yīng)注意此節(jié)點(diǎn)所處電壓等級(jí)和諧波電壓源一個(gè)電壓等級(jí)時(shí),計(jì)算方案較簡(jiǎn)單;若不在一個(gè)電壓等級(jí),基于能量守恒的原理,該節(jié)點(diǎn)按照諧波電壓系數(shù)計(jì)算得到的諧波電壓值再乘以該節(jié)點(diǎn)所在系統(tǒng)和諧波電壓所在系統(tǒng)的電壓比值。

3 諧波電壓源經(jīng)雙繞組變壓器傳遞特性建模與仿真研究

3.1 仿真模型的建立

某用戶高壓系統(tǒng)為110 k V,低壓為35 k V,該系統(tǒng)中存在背景諧波,等效為諧波電壓源U S,h,諧波由系統(tǒng)往負(fù)載傳遞,諧波電壓源等效阻抗仿真模型如圖5所示。

圖5 諧波電壓源等效阻抗仿真模型

由圖5可得到A、B兩節(jié)點(diǎn)的諧波電壓系數(shù):

3.2 仿真模型參數(shù)設(shè)計(jì)

110 k V母線短路容量為1 729 MVA,變壓器阻抗電壓為10.61%,容量為63 MVA,則所有參數(shù)等效到35 k V側(cè)可得仿真參數(shù)為:

系統(tǒng)阻抗:

充電電容:

變壓器阻抗:

3.3 仿真結(jié)果

a.不同負(fù)載率下變壓器兩側(cè)諧波傳遞規(guī)律(功率因數(shù)為0.95,短路容量為1 729 MVA),見(jiàn)圖6、7。

圖6 諧波電壓源負(fù)載變化率變化時(shí)A節(jié)點(diǎn)諧波電壓系數(shù)曲線

圖7 諧波電壓源負(fù)載變化率變化時(shí)B節(jié)點(diǎn)諧波電壓系數(shù)曲線

b.不同功率因數(shù)下變壓器兩側(cè)諧波傳遞規(guī)律(負(fù)載率為10%,短路容量為1 729 MVA),見(jiàn)圖8、9。

圖8 諧波電壓源功率因數(shù)變化時(shí)A節(jié)點(diǎn)諧波電壓系數(shù)曲線

圖9 諧波電壓源功率因數(shù)變化時(shí)B節(jié)點(diǎn)諧波電壓系數(shù)曲線

c.不同短路容量條件下變壓器兩側(cè)諧波傳遞規(guī)律(負(fù)載率為10%,功率因數(shù)為0.95),見(jiàn)圖10、11。

圖10 諧波電壓源短路容量變化時(shí)A節(jié)點(diǎn)諧波電壓系數(shù)曲線

圖11 諧波電壓源短路容量變化時(shí)B節(jié)點(diǎn)諧波電壓系數(shù)曲線

4 諧波電流源經(jīng)雙繞組變壓器傳遞特性建模與仿真研究

4.1 仿真模型的建立

某用戶高壓系統(tǒng)為110 k V,低壓為35 k V,該用戶系統(tǒng)中帶有非線性負(fù)載,存在諧波電流源I h時(shí),諧波電流注入系統(tǒng),諧波由負(fù)載往系統(tǒng)傳遞,諧波電流源等效阻抗仿真模型如圖12所示。

由圖12可得到A、B兩節(jié)點(diǎn)的諧波電流系數(shù):

圖12 諧波電流源等效阻抗仿真模型

4.2 仿真結(jié)果

仿真模型參數(shù),同3.2,仿真結(jié)果如下。

a.不同負(fù)載率下變壓器兩側(cè)諧波傳遞規(guī)律(功率因數(shù)為0.95,短路容量為1 729 MVA),見(jiàn)圖13、14。

圖13 諧波電流源負(fù)載率變化時(shí)A節(jié)點(diǎn)諧波電流系數(shù)曲線

圖14 諧波電流源負(fù)載率變化時(shí)B節(jié)點(diǎn)諧波電流系數(shù)曲線

b.不同功率因數(shù)下變壓器兩側(cè)諧波傳遞規(guī)律(負(fù)載率為10%,短路容量為1 729 MVA),見(jiàn)圖15、16。

圖15 諧波電流源功率因數(shù)變化時(shí)A節(jié)點(diǎn)諧波電流系數(shù)曲線

圖16 諧波電流源功率因數(shù)變化時(shí)B節(jié)點(diǎn)諧波電流系數(shù)曲線

c.不同短路容量條件下變壓器兩側(cè)諧波傳遞規(guī)律(負(fù)載率為10%,功率因數(shù)為0.95)見(jiàn)圖17、18。

圖17 諧波電流源短路容量變化時(shí)A節(jié)點(diǎn)諧波電流系數(shù)曲線

5 結(jié)論

5.1 諧波電壓源經(jīng)雙繞組變壓器傳遞特性

a.不同負(fù)載率下,功率因數(shù)以及短路容量一定時(shí),變壓器兩側(cè)諧波電壓系數(shù)波峰值隨著負(fù)載率增加而下降,變壓器兩側(cè)取波峰值時(shí)頻率相同,但低壓側(cè)諧波電壓系數(shù)峰值比高壓側(cè)峰值大很多。

圖18 諧波電流源短路容量變化時(shí)B節(jié)點(diǎn)諧波電流系數(shù)曲線

b.系統(tǒng)短路容量以及負(fù)載率一定時(shí),變壓器兩側(cè)諧波電壓系數(shù)峰值隨著功率因數(shù)減小而增加,但變化并不明顯。變壓器兩側(cè)取波峰值時(shí)頻率相同,但諧波系數(shù)峰值低壓側(cè)約為高壓側(cè)3到4倍左右。

c.系統(tǒng)功率因數(shù)以及負(fù)載率一定時(shí),變壓器低壓側(cè)諧波電壓系數(shù)峰值隨著短路容量的增加而下降,高壓側(cè)與之相反。短路容量較小時(shí),變壓器兩側(cè)諧波電壓系數(shù)相差較小,當(dāng)短路容量增加時(shí),變壓器高低壓側(cè)之間諧波電壓放大系數(shù)差別越來(lái)越大。

5.2 諧波電流源經(jīng)雙繞組變壓器傳遞特性

a.不同負(fù)載率下,功率因數(shù)以及短路容量一定時(shí),變壓器高壓側(cè)諧波電流系數(shù)峰值隨著負(fù)載率減小而增加,低壓側(cè)諧波電流系數(shù)峰值隨著負(fù)載率減小而減小但變化并不明顯。變壓器兩側(cè)取波峰值時(shí)頻率相同,但高壓側(cè)諧波電流系數(shù)峰值是低壓側(cè)峰值4～20倍。

b.系統(tǒng)短路容量以及負(fù)載率一定時(shí),變壓器高壓側(cè)諧波電流系數(shù)峰值隨著功率因數(shù)減小而增加,低壓側(cè)變化并不明顯。變壓器兩側(cè)取波峰值時(shí)頻率相同,但諧波電流系數(shù)峰值高壓側(cè)約為低壓側(cè)20多倍。

c.系統(tǒng)功率因數(shù)以及負(fù)載率一定時(shí),變壓器高壓側(cè)諧波電流系數(shù)峰值隨著短路容量的增加而大幅增加,低壓側(cè)諧波電流系數(shù)峰值變化不明顯。變壓器高壓側(cè)諧波電流系數(shù)遠(yuǎn)大于低壓側(cè)諧波電流系數(shù)。