一种Dd0-y11感应滤波变压器

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种Dd0-y11感应滤波变压器。

背景技术

电能是国民经济和人民生活的命脉，是衡量一个国家发展水平和综合国力的重要标志之一。随着具有非线性特性的电力电子设备在电网中广泛应用，电网电压、电流波形发生畸变，电网的谐波污染严重以及无功需求日益增大。随着安全可靠、清洁高效、自愈可调的坚强智能电网的建设，在满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时，我国对提高电能质量、净化电网的要求也日趋提高，电网的谐波抑制技术已经成为科技工作者的研究热点。目前电力滤波技术主要包括无源滤波技术、有源滤波技术、混合型滤波技术及感应滤波技术。

无源电力滤波技术是目前在电力系统领域应用最早，也是最为广泛、最为成熟的谐波抑制技术，但是仍然存在以下不足：无源滤波器只对特定次数的谐波有滤除作用，对其他次谐波不但滤波效果不明显，甚至可能导致谐波含量增加的现象出现；电网系统阻抗参数对无源滤波器滤波效果的影响较大；参数稳定性较差，滤波参数易受运行现场与环境的影响，特别是电容参数随着时间的推移容易发生漂移，从而导致无源滤波器调谐频率的偏移，影响滤波效果；无源滤波器并不能从根本上解决谐波电流及无功电流对变压器等供电设备所带来的发热增加、振动加剧和损耗增加等问题。

有源滤波技术是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率均变化的谐波及变化的无功进行补偿。然而受大功率可关断元器件的容量的限制，有源滤波器成本较高，控制复杂，难以在高压大功率的谐波抑制场合得到应用。

混合型电力滤波技术是将有源滤波器和无源滤波器通过一定合理的拓扑结构组合后进行混合使用的技术。目前还主要停留在中低压领域的应用，对于高压领域鲜有应用，这主要是因为大功率全控型电力电子器件的容量较小，价格成本较高。

感应滤波技术是不同于无源滤波以及有源滤波技术的一种新型滤波方式，具有无源滤波技术的成本低、运行可靠、可应用于高压大容量领域等优点，且滤波效果优于无源滤波技术，以及能够降低谐波和无功给直流供电设备带来的发热、损耗、振动和噪声等。变压器集成滤波理论为高压大容量领域和空间受到严格控制的领域提出了一种有效的谐波治理方法，积极推动了新型电气装备和电力滤波技术的发展，具有重要的研究意义。

发明内容

本发明提出采用Dd0-y11联结组，应用感应滤波技术设计的一种Dd0-y11感应滤波变压器，变压器绕组采用特殊设计，滤波绕组等效阻抗近似为0且远小于网侧绕组等效阻抗，配合全调谐滤波支路，能够有效抑制负载侧谐波通过变压器传递到网侧，变压器谐波磁势被抵消。

一种Dd0-y11感应滤波变压器，其特征在于：

所述变压器采用三绕组结构，包括网侧绕组、阀侧绕组和滤波绕组，其中，网侧绕组与交流电网相连，由三相绕组构成，采用三角形接法；阀侧绕组与负载换流阀相接，由三相绕组组成，采用中性点接地的星形接法；滤波绕组与滤波装置相接，由三相绕组构成，采用三角形接法；

变压器的滤波系统接在滤波绕组一侧，且滤波绕组进行零等值阻抗设计，对指定次谐波呈零阻抗。

进一步地，滤波绕组采用三角形接法接入5、7、11、13次全调谐滤波装置，以解决负载侧产生的6k±1次谐波。

进一步地，网侧电压35kV三相电压，负载侧连接六脉波桥式整流负载，频率为50Hz，联结组Dd0-y11；阀侧采用星形连接，电压为0.149kV；滤波绕组侧采用三角形连接，电压等级为0.4kV。额定直流电流2832A，电压198.24V。

本发明达到的有益效果为：提出一种Dd0-y11感应滤波变压器，经过仿真试验验证，可以有效提高谐波抑制效果，同时节约空间和综合造价。

附图说明

图1为本发明实施例中Dd0-y11感应滤波变压器的网侧接线图。

图2为本发明实施例中Dd0-y11感应滤波变压器的阀侧接线图。

图3为本发明实施例中Dd0-y11感应滤波变压器的滤波侧接线图。

图4为本发明实施例中Dd0-y11感应滤波变压器的绕组布置图。

图5为本发明实施例中谐波负载下基于感应滤波技术的工业滤波系统主电路拓扑结构图。

图6为本发明实施例中感应滤波变压器的试验原理电路图。

图7为本发明实施例中感应滤波变压器的负载部分试验原理图。

图8为本发明实施例中感应滤波变压器的滤波部分试验原理图。

图9为本发明实施例中1260KVA，Dd0，yn11感应滤波变压器仿真模型图。

图10为本发明实施例中变压器仿真的网侧电压、电流及阀侧电流波形图。

图11为本发明实施例中变压器仿真的阀侧电流畸变率图。

图12为本发明实施例中变压器仿真的网侧电流畸变率图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

感应滤波机制可以描述为：当谐波电流由谐波源流入感应滤波变压器二次侧(负载侧)绕组，滤波绕组中感应出相应的谐波电流以抵消这种谐波的产生，变压器一次侧即网侧绕组即电网侧不再感应出谐波电流。

根据前文的感应滤波机制，可知实现感应滤波技术的关键条件在于滤波支路的谐波总阻抗为零，这就要求两个方面：新型变压器制造过程中应使得变压器滤波绕组的等效阻抗为零或近似为零；滤波支路接以全调谐支路，对特定次谐波精准谐振滤波，下面从这两个方面分别具体说明。

滤波绕组的零等值阻抗设计：变压器网侧、滤波侧、阀侧的等效阻抗Z

图4给出了同心式绕组抗谐波变压器的绕组布置。通过合理配置这些结构参数，并兼顾变压器设计的成本合理性分析，就能控制滤波绕组的等效阻抗趋近于零等值的程度。

配套滤波系统的全调谐设计：为实现新型变压器滤波侧的谐波总阻抗为零，在滤波绕组满足零等值阻抗设计的前提下，必须配合以全调谐滤波系统来对特定次谐波精准谐振。

如图5所示为基于感应滤波技术的工业滤波系统，采用新型带滤波绕组的感应滤波三绕组变压器，在滤波支路接入全调谐滤波装置和并联电容器组。负载侧产生的谐波在变压器滤波支路内就得到就近抑制，大大改善了铁心内部的电磁环境，减少了铁心损耗和附加损耗等，降低了变压器网侧绕组的绝缘难度和绝缘成本。图中可以看出，滤波装置因不和交流网侧直接相接因此不受系统阻抗的影响，滤波器的品质因数理论上也可以达到无穷大。同时，滤波器兼具无功补偿效果，在补偿容量设计合理的情况下可以将无功补偿电容器组作为后备。

变压器的设计涉及两个阶段，第一阶段为电磁计算，第二阶段为结构设计。通过电磁计算才能确定变压器的电磁负载和铁心的几何尺寸，计算性能参数以及各部分的温升，损耗等。即根据给定的额定电压、变比、额定负载电流和绕组联结组等计算铁心直径和铁心截面面积、绕组匝数、短路损耗、空载电流等。

1.铁心直径的选择。设计变压器最基本的参数是铁心的直径，确定铁心材料后即确定了铁心磁密，铁心直径越大则线圈匝数所需越少，其大小因此确定了绕组的内径以及原、副绕组的匝数。因此它是影响优化设计的重要方面。其铁心直径的计算采用半经验公式：

K

其中m

2.铁心级数与填充系数的确定。铁心柱截面是由多级阶梯形矩形构成，外形接近于一个圆形，应尽量增加铁心柱的级数，使其截面尽可能增大，但是制造难度和工艺水平也会随之增大。调整铁心级数和片宽，提高铁心填充系数，使相同铁心直径具有的有效截面积更大。影响谐波分量的因素有接缝形式、接缝大小和接缝的数目。接缝大或接缝数多的铁心，其谐波分量必然增加，应在工艺上改进。一般来说，铁心直径越大，叠片级数越多，填充系数随之增加。根据计算出的铁心直径，选择所用材料的铁心级数和填充系数，计算出铁心的截面面积A

A

3.绕组匝数的计算。根据变压器电动势方程可得每匝电压e

其中B

图1-3中的新型抗谐波变压器作为六脉波高压直流输电系统的关键设备，变压器绕组实现零等值阻抗的设计条件下，滤波绕组采用三角形接法，接入5、7、11、13次全调谐滤波装置，能有效解决整流侧产生的6k±1次谐波。阀侧绕组采用中性点接地的星形接法。

参照图1-3，为新型感应滤波变压器及其滤波系统接线图，三相全控整流桥作为其典型负载，与其共同构成6脉波工业整流设备。新型感应滤波变压器采用三绕组结构，网侧绕组与交流电网相连，由三相绕组A

本变压器的整流变压相关条件为：网侧电压35kV三相电压，直流侧为六脉波桥式整流，频率为50Hz，联结组Dd0，yn11。其中阀侧采用星形连接，电压为0.149kV；滤波绕组侧采用三角形连接，电压等级为0.4kV。额定直流电流2832A，电压198.24V。

有功功率：

阀侧线电流有效值：

阀侧容量：

电流基波和各次谐波有效值分别为：

阀侧线电流各次谐波含量如下表所示：

功率因数

阀侧无功

滤波绕组基波电流为：

根据感应滤波原理，5、7次及11、13次谐波流经滤波绕组，滤波绕组与阀侧绕组绕组比值400：149，网侧相电压35000V，滤波侧相电压400V，因此滤波绕组流经电流为：

根据三绕组磁势平衡原理，N

网侧绕组容量为：

滤波绕组容量为：

综上，变压器容量1247kVA。

电力系统在实际运行时的频率总有一定偏差，这将使各次谐波频率发生相应的偏移。当取滤波器的谐振频率与系统额定频率下的某次谐波频率相等时，在系统频率发生偏移时两者不再相等。此时，滤波器阻抗偏离其极小值，使滤波效果变差，这种情况称为滤波器的失谐。

另外，电容器和电感线圈的参数，在运行过程中会因周围温度的变化、自身发热和电容器绝缘老化等影响而发生变化，在安装和调试过程中也会存在误差，从而使得实际参数和相应的谐振频率偏离设计值，导致滤波器失谐。

滤波器的性能不是简单地仅由谐振频率下的阻抗来决定，还取决于谐振频率附近的阻抗特性。而滤波器在某次谐波频率下的阻抗与滤波器的调谐锐度Q有很大关系，且Q值越大，阻抗值越小，滤波效果就越好。

Q＝ω

而新型结构的滤波器安装在滤波侧不受系统阻抗的影响，Q值理论上可以较传统方案偏向于无穷大，因此不必做额外的偏调谐设计。

按照滤波绕组补偿无功总数的100％，补偿容量为：Q

下表为感应滤波方案单调谐滤波器的参数：

双调谐滤波器方案采用5、13次组合，7、11次解决方案，计算出的参数如下表所示：

平波电抗器串接在六脉波整流桥直流侧，可以抑制直流电流的上升速度，减小直流线路中电压和电流的谐波分量。从上述作用，直流电感愈大愈好，但是也不能过大，因为它是一个惯性环节，电感的增大对自动调节特性将有影响，同时，电流迅速变化时，产生的过电压也愈大，在一些工程中的电抗器电感值，一般范围为0.4～1.5H，当额定电流大时，则选用的电感值较小。

按减少直流线路中的电压和电流纹波的要求决定电感值。

单桥6脉波电感值计算公式：

本实施例中对Dd0-y11感应滤波变压器进行试验验证，试验电路如图6-8所示，具体仿真模型图如图9所示，其包括输入端、负载部分和滤波部分，输入端为三相输入，通过Dd0yn11双输出变压器分别输入至负载部分和滤波部分；负载部分包括三相不控整流桥和单相不控整流桥，其中三相不控整流桥接受380V三相输入，单相不控整流桥接受220V单相输入。三相不控整流桥与380V三相输入之间设有3P开关，每相支路两两之间设有电压互感器，同时每相支路中设有电流互感器。单相不控整流桥与220V单相输入之间设有2P开关。滤波部分包括5、7、11、13次全调谐滤波装置。

由图10-12可知，在负载为六脉波桥式整流负载时，网侧电流的总谐波畸变率为27.87％，在滤波侧绕组接入全调谐滤波装置后，5次谐波含有率由24.1％降至2.7％，7次由12.2％降至1.15％，11次由10.3％降至0.53％，13次由6.9％降至0.41％，总谐波畸变率降至3.17％。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。