感應(yīng)濾波型直流供電系統(tǒng)及其工程運(yùn)行

曾進(jìn)輝，羅隆福，寧志毫

(1. 湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410082；3. 湖南省電力試驗(yàn)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

感應(yīng)濾波型直流供電系統(tǒng)及其工程運(yùn)行

曾進(jìn)輝1，羅隆福2，寧志毫3

(1. 湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410082；3. 湖南省電力試驗(yàn)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

結(jié)合常規(guī)的多脈波整流消諧技術(shù)，提出了一套應(yīng)用感應(yīng)濾波技術(shù)的新型節(jié)能濾波型整流變壓器及其構(gòu)建的12脈波工業(yè)直流供電系統(tǒng)，力求解決現(xiàn)有供電機(jī)組諧波污染嚴(yán)重、損耗大及效率低的缺點(diǎn)。在介紹節(jié)能濾波型整流變壓器的技術(shù)上，對(duì)其的匯流消諧及感應(yīng)濾波原理進(jìn)行了分析，并提出了此直流供電系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用，從諧波抑制、功率因數(shù)、系統(tǒng)損耗與效率等方面對(duì)新型機(jī)組進(jìn)行了測(cè)試與分析，結(jié)果表明此12脈波整流系統(tǒng)具有諧波抑制效果優(yōu)、功率因數(shù)高及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可有效解決現(xiàn)有電解、化工、冶金等領(lǐng)域難以解決的諧波及損耗問(wèn)題。

直流供電系統(tǒng)；感應(yīng)濾波；12脈波；節(jié)能

0 引言

隨著全球能源短缺，電力工作者對(duì)電解、化工、直流牽引等高耗能系統(tǒng)的諧波污染及節(jié)能等問(wèn)題投入的極大的精力及關(guān)注。針對(duì)工業(yè)直流供電系統(tǒng)，通常是在網(wǎng)側(cè)安裝濾波及功補(bǔ)裝置或采用多脈波技術(shù)以提高電能質(zhì)量[1]。然而，前者的濾波效果受電網(wǎng)阻抗的影響而結(jié)果欠佳，后者一般只進(jìn)行諧波消除而沒(méi)有功補(bǔ)設(shè)備[2]。最值得提及的是，諧波與無(wú)功電流必然流過(guò)所有的直流供電設(shè)備，引起額外的損耗，系統(tǒng)效率低下，并帶來(lái)附加的振動(dòng)與噪音，減少供電系統(tǒng)的使用壽命[3-5]。

感應(yīng)濾波技術(shù)可實(shí)現(xiàn)諧波電流的就近抑制與無(wú)功電流的就進(jìn)補(bǔ)償，并可為諧波電流提供一個(gè)類(lèi)似于超導(dǎo)的短路環(huán)，具有減小系統(tǒng)損耗的優(yōu)點(diǎn)[6]。文獻(xiàn)[7-10]對(duì)基于感應(yīng)濾波技術(shù)的新型換流變壓器的阻抗、電壓及電流約束關(guān)系及其在直流輸電系統(tǒng)諧波分布與應(yīng)用等方面進(jìn)行研究。本文提出了一種感應(yīng)濾波節(jié)能型12脈波工業(yè)直流供電系統(tǒng)，對(duì)其諧波消除與感應(yīng)濾波機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出了需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。最后根據(jù)實(shí)際工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，從諧波抑制、功率因數(shù)、損耗及效率等方面對(duì)新型供電系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試與分析。

圖1 感應(yīng)濾波節(jié)能型整流變壓器結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of the new inductive filtering and energy saving rectifier transformer

圖2 新型12脈波直流供電系統(tǒng)拓?fù)銯ig. 2 Topology of the new 12-pulse DC power supply system based on inductive filtering technology

1 新型整流變壓器及其12脈波系統(tǒng)構(gòu)造

鑒于整流系統(tǒng)運(yùn)行特性，一般需要進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，因此新型整流變壓器主要由調(diào)壓變與主變組成，這里，有載調(diào)壓變壓器與整流變集成于一體。調(diào)壓變采用常規(guī)的自耦正反調(diào)壓，主變采用4繞組結(jié)構(gòu)，兩套二次負(fù)載繞組采用Y/Δ結(jié)構(gòu)，分別連接整流器構(gòu)成12脈波，通過(guò)移相，可消除鐵心中的6n±1(n=2，4，6)次諧波電流磁勢(shì)；二次濾波繞組安裝感應(yīng)濾波裝置，為諧波提供就進(jìn)短路支路，可消除鐵心中的11、13次諧波電流磁勢(shì)，實(shí)現(xiàn)就近諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償。同時(shí)減少了一個(gè)鐵心，可減少相應(yīng)的損耗。對(duì)于大功率整流系統(tǒng)，直流側(cè)電流一般達(dá)數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)安培，因此二次上下橋繞組一般采用同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)已消除大電流引起強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)變壓器及外界設(shè)備的影響。圖1所示為感應(yīng)濾波節(jié)能型整流變壓器結(jié)構(gòu)。

圖2所示為基于節(jié)能濾波型整流變壓器構(gòu)建的新型工業(yè)定制整流系統(tǒng)主電路拓?fù)鋱D。其中，調(diào)壓變集成到主變壓器中，減小變壓器制造成本及占地面積；二次濾波繞組外接11、13次感應(yīng)濾波裝置以進(jìn)行諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償；采用晶閘管可控整流方式，結(jié)合調(diào)壓開(kāi)關(guān)，保證了直流輸出的恒穩(wěn)調(diào)節(jié)。

基于感應(yīng)濾波技術(shù)，新型工業(yè)直流供電系統(tǒng)具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：1)通過(guò)移相，可消除鐵心中的6n±1(n=2，4，6)次諧波電流磁勢(shì)；通過(guò)濾波繞組外接的感應(yīng)濾波裝置，可消除鐵心中的5、7次諧波電流磁勢(shì)，從而使得網(wǎng)側(cè)繞組中電流基本為正弦波；2)通過(guò)12脈波變壓器集成，相比兩套6脈波系統(tǒng)，減少了一組鐵心，從而減少了制造成本及鐵心損耗；3)通過(guò)閥側(cè)進(jìn)行濾波與無(wú)功功率補(bǔ)償以及關(guān)鍵部件與整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)，新型直流供電系統(tǒng)具有節(jié)能的效果。下文將對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

2 原理分析

2.1 感應(yīng)濾波原理

常規(guī)的無(wú)源濾波技術(shù)諧波抑制原理為通過(guò)LC的諧波諧振，利用分流原理進(jìn)行諧波的部分抑制。感應(yīng)濾波原理為在靠近諧波源為特征諧波提供一個(gè)近似于零的諧波短路環(huán)，從而使得諧波改道注入此短路支路而不流入相對(duì)阻抗大的網(wǎng)的繞組，達(dá)到最優(yōu)的諧波抑制效果。

感應(yīng)濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)條件：1)濾波繞組的零等值阻抗設(shè)計(jì)；2)濾波支路的近似零阻抗設(shè)計(jì)。其將在下面給予分析。

2.2 5、7次諧波消除機(jī)理

二次負(fù)載繞組采用Y/Δ結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)5、7次諧波的匯流抵消，對(duì)于圖2所示的整流系統(tǒng)，其整流變壓器一次與二次繞組線電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]：1) I橋閥側(cè)線電壓電流與網(wǎng)側(cè)繞組相同；2) I橋閥側(cè)線電壓超前II橋閥側(cè)線電壓30°；3) II橋閥側(cè)線電壓、電流滯后網(wǎng)側(cè)繞組30°。

對(duì)于I橋A相電流，以正負(fù)半波的中點(diǎn)作為時(shí)間零點(diǎn)，則有I橋A相線電流：

II橋閥側(cè)線電壓滯后I橋閥側(cè)線電壓30°，因此其閥側(cè)線電流也比I橋滯后30°，可得以下公式：

根據(jù)Y/d1型聯(lián)接變壓器一次與二次線電流的關(guān)系：線電流基波和正序諧波分量相移關(guān)系為一次比二次線電流超前30°，而負(fù)序諧波分量相移關(guān)系為一次比二次線電流滯后30°。據(jù)此，從上述II橋閥側(cè)線電流表達(dá)式可得其感應(yīng)的網(wǎng)側(cè)線電流應(yīng)為：

從而可以得到合成后的一次線電流：

2.3 變壓器鐵心諧波磁通抑制機(jī)理

為了根本上闡述諧波對(duì)變壓器振動(dòng)和噪聲的不良影響以及其與傳統(tǒng)濾波技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別，從變壓器鐵心的諧波磁通抑制方面揭示此感應(yīng)濾波變壓器所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

圖3所示為新型4繞組變壓器鐵心諧波磁通流通圖。其中，當(dāng)網(wǎng)側(cè)繞組1和濾波繞組3開(kāi)路時(shí)，換流閥I產(chǎn)生的n次特征諧波電流I2n將在閥側(cè)繞組2上產(chǎn)生諧波磁動(dòng)勢(shì)N2I2n，相應(yīng)地在鐵心中產(chǎn)生交變的諧波磁通?2n；換流閥II產(chǎn)生的n次特征諧波電流I3n將在閥側(cè)繞組3上產(chǎn)生諧波磁動(dòng)勢(shì)N3I3n，相應(yīng)地在鐵心中產(chǎn)生交變的諧波磁通?3n，總的諧波磁通為?n。可以假定諧波磁通?n全部約束在鐵心磁路內(nèi)，并同時(shí)與網(wǎng)側(cè)繞組、二次三角形負(fù)載繞組、二次星形負(fù)載繞組及濾波繞組相交鏈。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，該磁通將在四個(gè)繞組中分別感生諧波電動(dòng)勢(shì)e1n，e2n，e3n，e4n。

圖3 變壓器鐵心諧波磁通流徑Fig. 3 Flow path of harmonic flux in transformer core

諧波電流I2n、I3n是一個(gè)交變的周期信號(hào)，因此鐵心中相應(yīng)的諧波磁通亦隨時(shí)間周期變化，其可表示為：

其中，Φ2mn、Φ3mn分別為諧波電流I2n、I3n產(chǎn)生的n次諧波磁通幅值。

主磁通在濾波繞組上感應(yīng)的諧波電勢(shì)為e3n的表達(dá)式為：

設(shè)z4n、zfn分別為二次濾波繞組及濾波裝置的n次諧波等值阻抗。當(dāng)濾波繞組通過(guò)濾波器閉合時(shí)，諧波回路電壓方程式為：

結(jié)合式(6)和式(7)，可以得出諧波磁通與濾波支路諧波等值阻抗之間的關(guān)系。由于ω、N3均為大于零的常數(shù)，n為大于零的整數(shù)，sin(nωt)是一個(gè)隨時(shí)間變化的變量，只要滿(mǎn)足z4n+zfn為零或者趨近于零，就有Φmn為零或者趨近于零。從而，最大程度削弱鐵心中的諧波磁通為?n，進(jìn)而大大降低e1n的值，從而使得網(wǎng)側(cè)諧波電流I1n減為極小的值，也就是說(shuō)，閥側(cè)諧波電流不能通過(guò)鐵心傳遞到網(wǎng)側(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)濾波的目的。

實(shí)現(xiàn)z4n+zfn為零或者趨近于零的技術(shù)就是感應(yīng)濾波技術(shù)；通過(guò)降低濾波繞組諧波回路的阻抗從而實(shí)現(xiàn)變壓器鐵心諧波磁通抑制的方法就是感應(yīng)濾波方法。

3 仿真與工程測(cè)試

圖2所示的新型直流供電系統(tǒng)已經(jīng)在某電解錳工程項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用。為了驗(yàn)證感應(yīng)濾波技術(shù)正確性及在諧波抑制、變壓器鐵心諧波磁通抑制方面的效果，本文從仿真研究與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際測(cè)試兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。圖4給出了變壓器、感應(yīng)濾波裝置及晶閘管控制柜實(shí)物圖。

3.1 仿真分析

應(yīng)用MATLAB/SIMULINC建立了圖2所示的直流供電系統(tǒng)，圖5給出了網(wǎng)側(cè)繞組在投入濾波器前后的電流波形。

圖4 12脈波工業(yè)整流系統(tǒng)實(shí)圖Fig. 4 Pictures of the 12-pulse industry rectifier system

圖5 新型12脈波工業(yè)整流系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)繞組仿真電流波形Fig. 5 Simulation test about current at the ac gird side of the new 12-pulse rectifier system

對(duì)比圖5中網(wǎng)側(cè)電流在投入濾波器和不投濾波器時(shí)的波形和諧波頻譜明顯可知，投入濾波器可有效地將主要次特征諧波抑制于閥側(cè)，網(wǎng)側(cè)繞組電流的畸變率大大降低。

3.2 工程測(cè)試研究

圖6給出了實(shí)際工程中變壓器輸出端在投入濾波器前后的電流波形?？梢钥闯觯度霝V波器后輸出端的電流波形得到了大大改善。表1給出了投入濾波器前后網(wǎng)側(cè)特征諧波電流的有效值，從中可以看出，投入濾波器后網(wǎng)側(cè)電流總畸變率從9.42%降低為3.27%。圖7為網(wǎng)側(cè)基波電壓電流矢量圖，從圖中可以看出：不投濾波功補(bǔ)裝置，網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)角為20.64°，功率因數(shù)為0.9299；投入濾波功率補(bǔ)裝置后，網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)角減小為9.34°，功率因數(shù)提高到0.983。因此，從工程實(shí)際角度驗(yàn)證了基于感應(yīng)濾波技術(shù)的新型12脈波工業(yè)整流系統(tǒng)具有良好的諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償效果。與前述的仿真結(jié)果相同，投入濾波器后網(wǎng)側(cè)5、7次特征諧波值有所放大，但放大并不嚴(yán)重，諧波值沒(méi)有超過(guò)國(guó)家諧波限定標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 新型12脈波工業(yè)整流系統(tǒng)實(shí)測(cè)電壓電流波形Fig. 6 Practical test about voltage and current at the ac gird side of the new 12-pulse rectifier system

需要指出的是，不同了傳統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)濾波、有源濾波技術(shù)，感應(yīng)濾波技術(shù)在最接近諧波源處進(jìn)行諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償，最大程度上減小了諧波電流及無(wú)功電流的流通路徑，不僅諧波抑制效果優(yōu)良，而且大大減小了諧波對(duì)變壓器震動(dòng)與噪聲等不良影響，具有節(jié)能的特點(diǎn)。

表1 新型12脈波工業(yè)整流系統(tǒng)實(shí)測(cè)網(wǎng)側(cè)諧波電流Table1 new harmonic measured 12 pulse rectifier system network side current

圖7 實(shí)測(cè)網(wǎng)側(cè)電壓電流矢量圖Fig. 7 Practical test of the network side voltage current vector diagram

4 結(jié)論

應(yīng)用感應(yīng)濾波技術(shù)及多脈波諧波抵消原理，構(gòu)建了一個(gè)集成型12脈波工業(yè)整流系統(tǒng)。在介紹新系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分析了感應(yīng)濾波技術(shù)、諧波抵消原理及諧波磁通抑制機(jī)理。通過(guò)仿真分析和工程實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了此新型12脈波系統(tǒng)具有良好的諧波抑制及節(jié)能效果，同時(shí)也表明了感應(yīng)濾波在工程實(shí)際中的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1] Aqueveque P E, Wiechmann E P, Burgos R P. On the efficiency and reliability of high-current rectifiers[C]. Proceedings of IEEE

Power Electronics Specialists Conference, Rhodes, Greece, 2008: 4509-4516.

[2] Xiao Yancai, Wen Jifeng, Yuan Yuan, et al. Protection of converter transformer in HVDC[J]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(9): 91-94.

[3] PAICE D. Power electronics converter harmonics: multipulse methods for clean power[M]. New York: IEEE press, 1996: 25-48.

[4] 來(lái)金鋼, 周洪. 基于多微型逆變器的并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 新型工業(yè)化, 2014, 4(5): 60-68,76.

LAI Jingang, ZHOU Hong, HU Wenshan.Experimental Research on Parallel Operation for Multiple Micro-inverters[J]. The Journal of New Industrialization, 2014, 4(5): 60-68,76.

[5] 王洪廣, 郭帆, 李永東, 等. 反射波對(duì)變阻抗磁絕緣傳輸線電壓和電流特性影響研究[J].新型工業(yè)化, 2011,1(6): 34-40.

WANG Hongguang, GUO Fan, LI Yongdong,et al.Investigate of influence of reflected wave on the voltage and current of magnetically insulated transmission line with variable impedance[J].The Journal of New Industrialization, 2011,1(6): 34-40.

[6] LI Yong, LUO Longfu, ZHANG Zhiwen, et al. A DC power supply system developed with inductive filtering method [J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(22): 107-112.

[7] Li Yong, Luo Longfu, Liu Fusheng, et al. Application foreground of transformer inductive filtering technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(3): 86-92.

[8] LUO Longfu, LI Yong, LI Ji, et al. A new converter transformer and a corresponding inductive filtering method for HVDC transmission system[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2008, 23(3): 1426-1431.

[9] Li Yong, Luo Longfu, Rehtanz C, et al. Study on characteristic parameters of a new converter transformer for HVDC systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, 24(4): 2125-2131.

[10] Yong Li, Zhiwen Zhang, Rehtanz, C. et al. Study on steady- and transient-state characteristics of a new HVDC transmission system based on an inductive filtering method[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(7): 1976-1986.

Analysis of Industry Rectifier System and Its Application Experience Based on Inductive Filtering Technology

ZENG Jinhui1, LUO Longfu2, NING Zhihao3
(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China; 2. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 3. Hunan Electric Power Test and Research Institute, Changsha 410007, China)

In order to resolve the current power supply unit harmonic pollution, high loss and low efficiency problems, based on the conventional multi-pulse rectifier elimination harmonic technology, this paper presents a set of inductive filtering and energy saving rectifier transformer and structures a new 12- pulse industrial DC power supply system. The new rectifier transformer applies induction filtering technology. The technology of inductive filtering and energy saving rectifier transformer has been introduced, and its harmonic elimination and inductive filtering principles have been analyzed, and also, the key problems that the dc power supply system need to solve have been put forward. According to the actual engineering application, simulation and practical test and analysis have been took to the new system on harmonic suppression, power factor, system loss and the efficiency. The results show that new 12- pulse industrial DC power supply system has the advantages of good harmonic suppression effect, high power factor and saving energy etc, which can effectively resolve the problem of harmonic and loss in electrolysis, chemical industry, metallurgy, etc.

DC power system; inductive filtering; 12-pulse; energy saving

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.02.11

湖南省教育廳項(xiàng)目科研目(11C0919)。

曾進(jìn)輝(1981-), 男, 博士, 講師, 研究方向: 交直流電能變換新技術(shù)、高壓直流輸電新技術(shù)、電能質(zhì)量管理等; 羅隆福(1962-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向: 現(xiàn)代電器設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、新型換流變壓器的研制和高壓直流輸電新理論、電能質(zhì)量的分析與控制等; 寧志毫(1983-), 男, 博士, 工程師, 研究方向: 基于新型感應(yīng)濾波變壓器及其大功率變流系統(tǒng)的能耗分析, 諧波抑制技術(shù)和無(wú)功功率補(bǔ)償以及節(jié)能新方法等。

曾進(jìn)輝，羅隆福，寧志毫．感應(yīng)濾波型直流供電系統(tǒng)及其工程運(yùn)行[J]．新型工業(yè)化，2015，5(2)：60-66