變壓器感應濾波技術的創新及應用研究

趙幸煥

（湖南省建筑設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

諧波抑制，主要分為有源濾波與無源濾波。其中，無源濾波的電路由電感及電容構成，諧波作用下合成阻抗保持為零，促使次諧波進行全分流，防止了其向系統的傳送，具有結構簡單、成本低的優勢，但濾波效果一般，而且還有可能出現諧波放大。有源濾波則是依靠晶閘管開關來形成一個換流裝置，根據諧波分量對儲能元件能量及直流源進行逆變，產生波形和幅值完全一致但方向相反的脈動電流，以實現諧波抵償目標，它具有比無源濾波更好的效果，但技術難度偏大，經濟性差，目前的應用并不廣泛。本文研究的是一種既不屬于無源，也不屬于有源的變壓器感應濾波技術。

1 變壓器感應濾波技術創新

以三相多脈動整流、換流變壓器為例，對變壓器感應濾波技術創新作如下分析。

在整流供電中應用的變壓器，為對高次諧波進行有效抑制，經常會用到增加一定脈動相數（表示為P）的方法。對常規三相橋式而言，其全波整流對應的P為6，在二次繞組，存在兩組能實現P=12目標的脈動值，如果P大于12，則需要若干變壓器于一、二次側實施移相布置，并進行組合配套。以目前我國東北地區的城市軌道交通為例進行分析，通過對現有技術資料的調查與總結，大部分軌道交通使用的整流變壓器，其P為24，而在冶金業，其供電系統的變壓器P可以達到48。當P超過12時，除了整流元件明顯增多，一、二次側均需進行位移改變，從經濟技術角度看，這是不經濟的。若P為12，而且還需對諧波進行抑制時，是通過增大P來使波形得以改善，還是直接采取濾波技術，需在對比后給出結論。

對于換流變壓器，其輸出側借助12組晶閘管實現換流，按照相同的間隔時間（360°/12=30°）進行導通和關斷。從現有換流變壓器看，其一次側三相采用Y形聯結，二次側采用Y形和D形聯結，形成30°電位差。變壓器受閥側換流器產生的諧波影響，交流系統母線網側連有濾波器。在這種情況下，導通變換產生的諧波及無功電流均需通過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，易使波形發生畸變，加劇電磁干擾，致使產生較大的噪聲與機械振動，增加一定成本。同時，這也是現階段我國直流輸電換流變壓器主要問題，亟需采用有效措施予以改進。

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

經計算，Ue和Ud比值為0.5773，根據這一結果，使延邊繞組匝數（表示為：We）和角接繞組匝數（表示為：Wd）之間的比值確定為0.5773，則能使變為15°。具體實施過程中，其中一個繞組前移15°，另一個后移15°，使相位差達到30°，以此獲取與Y形和D形聯結組成P=12一致的換流效果。按照圖1分別布置網側、閥側繞組，處在中間層的繞組成為具有屏蔽作用的繞組。當P為12時，諧波可表示為n=P±1，對應11次諧波與13次諧波，此時濾波支路可表示為：

在相應的諧波頻率條件下，容感支路基本為短路，諧波通過于延邊繞組。此時角接繞組出現方向完全相反的諧波電流，致使兩個方向的諧波抵消，在二次繞組實現諧波抑制和消除，達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，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能大量節省導線，且對絕緣的要求不高，有無功損耗均較小，沒有由電感及電容造成的電壓波動，這對遠距離輸電與超高壓輸電均有重要意義。我國能源分布不平衡，西電東送戰略可以HVDC為主。據預計，國內新建HVDC線路在未來要用很多換流變壓器。為滿足這一要求，應加快換流變壓器分析研究國產化進程，同時在線路建設中優先考慮自主產品。

2 變壓器感應濾波技術應用

（1）若用戶存在半導體元器件及其它類型的非線性，則必須采用變壓器進行變壓供電，借助從二次繞組引出的中間抽頭進行開發獲得電磁可以進行濾波，不是無源，也并非有源，是一種借助自耦感應效應產生的濾波源，這可為現階段的濾波研究開辟出一條新的路徑。

（2）逆變負荷與整流負荷均需在換流過程中消耗無功，和電容相連后能對基波負荷進行無功補償，產生諧波后形成阻抗與之匹配，創造濾波基礎條件。而實際的濾波作用是憑借內部繞組具有的安匝平衡實現的。

（3）對無源濾波而言，其必須避開諧波放大與諧振過電壓造成的危害，所以應用與發展都有障礙；而有源濾波需要諧波發生源，以及可實現跟蹤檢測功能的控制系統，經濟性較差，很難在大功率濾波領域應用和推廣。而變壓器感應濾波沿用了傳統有源濾波，但并非通過人為方式來制造方向相反的新諧波，依靠繞組自耦感應實現新諧波的生成，繼承了有源濾波所有優勢，又克服了它無法用于大功率諧波的弊端。

（4）對感應濾波而言，它并非獨立產品，是開發出變壓器繞組具有的潛能，并予以補償設備與阻抗匹配的協調機制，和傳統濾波設備相比，不是一種硬件，而是獨特的軟實力，將其用于開發的變壓器，能實現軟硬互補，效果顯著。

（5）對于變壓器具有的安匝平衡理論及電磁感應效應，都只能應用在變壓供電，還未在其它方面大量應用。事實上，感應濾波和有源濾波相比更為簡便。比如圖2所示的延邊繞組，其當換流器產生諧波后，按就近原則形成一個回路。形成的諧波磁通穿鏈相耦合的三角形聯結繞組，然后后者經感生出現反應磁通，與諧波磁通進行抵消，屏蔽一次繞組上的諧波，防止諧波從氣隙穿過進入電網，同時還能修補二次繞組受諧波造成的損害。因此，對于目前的電工科技，必須借助電子電力應用等一系列高新技術，推動變壓器及濾波設備等傳統產品的優化改造，尤其是要將電磁感應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，應引起相關人員的高度重視。

圖2 三相多脈動整流與換流變壓器接線及位移相量

3 結語

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

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

（3）新的變壓器感應濾波技術在提高變壓器軟硬互補、修補二次繞組損害、一次繞組屏蔽方面有重要作用。該技術的出現和應用也印證了當前的產片優化，改進領域應以電子電力應用等一系列高新技術為依托，只有這樣才能發揮出更多方面的作用，推動行業發展。