雙繞組變壓器諧波傳遞特性研究

2021-08-03 02:37:56胡雪凱楊少波

河北電力技術 2021年3期

胡雪凱,張乾,田廣,羅蓬,楊少波

(1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北石家莊 050021;2.國網河北省電力有限公司檢修分公司,河北石家莊 050070;3.國網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,大量電力電子設備接入電網,包括各種新能源發(fā)電技術的發(fā)展與應用,電力系統(tǒng)的諧波問題愈加嚴重[13]。電力系統(tǒng)的諧波問題大多是由諧波發(fā)生源引起的,主要包括變頻設備、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,導致系統(tǒng)高次諧波含量大大增加,所以現(xiàn)在國內外對于諧波研究有注重更高次影響趨勢[6]。

變壓器作為必要的變電設備在電力傳輸和供配電中發(fā)揮著巨大的作用,其安全可靠以及經濟運行一直是電力系統(tǒng)中的重點研究目標[7-9]。一方面,電力變壓器會發(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備,其他諧波源發(fā)生的諧波將通過其進行傳遞[10-11]。另外,諧波較大時還會增加變壓器的銅損和鐵損,對其壽命造成不良影響[1215],從而影響變壓器的可靠運行,嚴重時甚至會燒毀變壓器,甚至引起電網局部故障和保護裝置的誤動作[1617],導致局部乃至整個電網電力癱瘓。

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/諧波電流源經雙繞組變壓器在不同負載率、不同功率因數(shù)和不同短路容量下的傳遞規(guī)律,為實際系統(tǒng)的變壓器選型以及濾波器裝置設計與投運提供理論指導。

1 雙繞組變壓器等效諧波模型

在不同的研究背景下,對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,在研究諧波經變壓器傳遞規(guī)律時,在較低頻率下(約10 k Hz內),導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,由于變壓器勵磁阻抗較大,對諧波傳遞基本沒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,具體結構如圖2所示。當研究諧波對變壓器損耗影響時,變壓器的勵磁阻抗也必須要考慮,其他容抗部分影響不大皆可忽略,故此時諧波模型為“T”型等效模型,具體結構如圖3所示。當頻率進一步增加時,繞線間的容性耦合會進一步增加,當頻率達到MHz時,它成為決定性因素。研究變壓器對高頻諧波電壓電流的等效模型時,由于高頻特性下變壓器感抗值過大,相當于開路,而此時的變壓器高低壓側雜散電容容抗值較小,以及考慮到高壓側與低壓側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1代表一次側,2代表二次側,二次側折算到一次側后為R2,h、X2,h;C1,h、C2,h分別為h次諧波下變壓器一次側、二次側的等效對地電容;C12,h為一、二次側間的等效耦合電容。

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說明注入某供電線路的諧波電流被放大,該供電線路與電網其他部分的等效電路發(fā)生了并聯(lián)諧振;KI h<1說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后計算得到,求解真實系統(tǒng)注入某條供電線路的諧波電流含量時,應注意這條供電線路和諧波電流源一個電壓等級時,計算方案較簡單;若不在一個電壓等級,基于能量守恒的原理,某供電線路按照諧波電流系數(shù)計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:在同一電壓等級等效阻抗仿真模型中,對某等效的諧波電壓源的h次諧波電壓而言,其經電網供電線路傳遞至某節(jié)點的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說明傳遞至電網某節(jié)點的諧波電壓被放大,該供電線路與電網其他部分的等效電路發(fā)生了串聯(lián)諧振;KU h<1說明傳遞至電網某節(jié)點的諧波電壓發(fā)生了衰減。

由于諧波電壓系數(shù)是折算到同一電壓等級后計算得到,求解真實系統(tǒng)某節(jié)點的諧波電壓受諧波電壓源影響大小時,應注意此節(jié)點所處電壓等級和諧波電壓源一個電壓等級時,計算方案較簡單;若不在一個電壓等級,基于能量守恒的原理,該節(jié)點按照諧波電壓系數(shù)計算得到的諧波電壓值再乘以該節(jié)點所在系統(tǒng)和諧波電壓所在系統(tǒng)的電壓比值。