含分布式電源的配電變壓器穩(wěn)態(tài)電磁干擾抑制方法

趙北濤

（國網(wǎng)天津市電力公司武清供電分公司，天津 301722）

含分布式電源的分布式發(fā)電設(shè)備包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、太陽能發(fā)電等，與傳統(tǒng)發(fā)電相比，分散發(fā)電與用戶之間的距離更近，碳排放量更少，環(huán)境污染也更小。根據(jù)負(fù)荷需求，靈活地選用不同用電方式并聯(lián)合大電網(wǎng)，以增強(qiáng)供電可靠性。然而，由于采用了分布式電源，給配電系統(tǒng)帶來一些不利影響。由于將大量的直流電通過接地電極注入到地表，在接近極點(diǎn)的地方形成了一個恒定直流電場。在配電系統(tǒng)中存在著一種由地面輸入的電流，再由另一臺（變壓器中間線）輸出電位差值。由于配電變壓器額定工作點(diǎn)位于鐵心磁化曲線飽和處，若有直流電流通過變壓器線圈，則使變壓器鐵心磁場的工作點(diǎn)與設(shè)計值有偏差，從而產(chǎn)生直流偏移，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致變壓器損壞。

因此，如何有效抑制電磁干擾對配電變壓器的影響，是確保電力系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。當(dāng)前應(yīng)用較多的方法主要有兩種，分別為基于LC 濾波的抑制方法和基于空域?qū)ο囊种品椒ā；贚C 濾波抑制方法充分考慮配電變壓器短路阻抗和額定容量的影響，計算配電變壓器的諧波電流值。當(dāng)該諧波電流數(shù)值超過設(shè)定的閾值時，通過三相全控整流方式抑制電磁干擾[1]；基于空域?qū)ο囊种品椒ㄔ谌笔щ姶鸥蓴_數(shù)據(jù)的情況下，依然能夠模擬出配電變壓環(huán)境，在該環(huán)境下使用嵌入時域信號處理方式，能夠獲取有效電磁干擾幅值，由此實(shí)現(xiàn)電磁干擾抑制[2]。

但是上述這兩種方法對穩(wěn)態(tài)情況下的電磁干擾研究仍不夠深入，對配電變壓器穩(wěn)態(tài)電磁干擾的抑制效果不佳，因此，該研究提出了含分布式電源的配電變壓器穩(wěn)態(tài)電磁干擾抑制方法。

1 配電變壓器穩(wěn)態(tài)特性

首先，建立配電變壓器潮流方程，根據(jù)配電變壓器輻射型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在潮流計算過程中，通常將傳送端母線處理為平衡節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)處理為PQ 節(jié)點(diǎn)[3]。對于PQ 節(jié)點(diǎn)潮流計算過程如下：計算含分布式電源機(jī)組并網(wǎng)后的有功功率P如下：

式中，P1表示有功功率；P2表示初始功率。

設(shè)機(jī)組并網(wǎng)后的吸收無功功率為W1，機(jī)組并網(wǎng)前的負(fù)荷功率為W2，無功補(bǔ)償裝置所補(bǔ)償?shù)臒o功功率為W3，則含分布式電源的機(jī)組并網(wǎng)后節(jié)點(diǎn)注入的無功功率W為：

為了實(shí)現(xiàn)自動投切，并聯(lián)一組電容器，保證機(jī)組功率因素在允許范圍內(nèi)變化，由此得到的無功補(bǔ)償裝置功率因數(shù)可表示為：

式中，W′1 表示補(bǔ)償裝置補(bǔ)償下的無功功率[4]。通過這種處理方式在每次迭代處理過程中，分布式電源是無功輸出的，所以有功和無功總是恒定的。在確切的功率因數(shù)穩(wěn)定裕度指標(biāo)下，設(shè)計了電磁干擾抑制方案[5]。

2 電磁干擾抑制方案

配電變壓器是電力系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵設(shè)備，電流偏磁是變壓器在遭受電磁干擾后的一種特殊工作狀態(tài)。在變壓器線圈中存在直流分量時，由于磁通的存在，會導(dǎo)致變壓器鐵心飽和，電流出現(xiàn)畸變且產(chǎn)生大量諧波，增大了金屬構(gòu)件損耗[6]。因此，設(shè)計配電變壓器穩(wěn)態(tài)電磁干擾抑制方案。

2.1 變壓器參量改進(jìn)

2.1.1 鐵心磁通密度改進(jìn)

鐵心額定工作磁通密度與噪聲有關(guān)，由工作磁通密度變化造成的噪聲影響可用式（4）來表示：

式中，φ0、φ′分別表示變化前和變化后的鐵心額定工作磁通密度參量；gFe0、分別表示磁通密度變化前和變化后的鐵心重量[7-8]。為了保持總磁通量不變，必須增加鐵心的截面積，以此彌補(bǔ)磁密度降低帶來的磁通量損失。當(dāng)鐵心磁密、重量上升時，噪聲也變大，因此，通過控制磁通密度、重量來抑制噪聲。

2.1.2 磁致伸縮率改進(jìn)

磁致伸縮率是指在磁場中硅鋼晶粒發(fā)生的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象。變壓器鐵心是用硅鋼板堆砌而成的，高壓線圈的激勵電流被鐵心激發(fā)后，在交流磁場作用下，鐵心硅鋼板的大小會因硅鋼板轉(zhuǎn)動而改變，這種隨著電磁干擾變化而改變的現(xiàn)象就是磁致伸縮[9]。磁致伸縮率變化公式可表示為：

式中，ΔL表示勵磁時硅鋼片長度增量；L0表示硅鋼片初始長度。由于在含分布式電容的配電變壓器中，電流每發(fā)生一次變化，硅鋼片磁致伸縮兩次。因此，為了抑制噪聲，應(yīng)減少磁致伸縮次數(shù)，避免產(chǎn)生高諧分量[10]。

2.1.3 斜接縫區(qū)搭接面積改進(jìn)

斜接縫區(qū)搭接面積也會對變壓器的噪音產(chǎn)生影響，盡管鐵心增大了硅鋼板的搭接面積，增大了硅鋼板間的摩擦力，但是也增加了硅鋼板磁通方向上的噪音[11-12]。斜接縫區(qū)搭接面積變化引起的噪聲變化量可用公式表示為：

式中，S表示斜接縫區(qū)搭接面積。因此，為了抑制噪聲應(yīng)減少斜接縫區(qū)的搭接面積，以達(dá)到降低噪音的目的。

2.2 干擾抑制裝置設(shè)計

綜合改進(jìn)鐵心磁通密度、磁致伸縮率、斜接縫區(qū)搭接面積參量，設(shè)計干擾抑制裝置[13]。含分布式電源的配電變壓器穩(wěn)態(tài)電磁干擾抑制裝置，是將合適的電容串聯(lián)到變壓器的中性點(diǎn)和系統(tǒng)地之間，并通過電容器通交隔直功能實(shí)現(xiàn)直流隔離，該方法能有效地將中性點(diǎn)處的直流電流抑制到零，抑制裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 抑制裝置結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若系統(tǒng)出現(xiàn)了單相接地故障，電容電壓上升，則采用氧化鋅閥片的大容量快速開關(guān)K2，實(shí)現(xiàn)對直流絕緣電容的雙重保護(hù)[14]。氧化鋅閥片的非線性性能好、反應(yīng)速度快，該抑制器的大容量快速開閉合閘時間不超過15 ms，能準(zhǔn)確預(yù)測電流過零點(diǎn)，并能在零點(diǎn)閉合，合閘無反彈，無冷焊現(xiàn)象[15]。在電壓到達(dá)氧化鋅工作狀態(tài)時打開氧化鋅，使其電壓不超過電容所能承受的極限[16]。旁路快速開關(guān)在收到信號后立即合閘，并使中性點(diǎn)直接接地。旁路開關(guān)的快速開關(guān)功能，有效地保護(hù)了氧化鋅，即將直流電流抑制到零。

2.3 方案設(shè)計

根據(jù)已知的各個出線瞬態(tài)電流信號的極性，建立了基于暫態(tài)電流信號極性對比的電磁干擾抑制方案。首先，對存在共母線相鄰關(guān)系的信號進(jìn)行檢測，并標(biāo)記序號，采用單向前循環(huán)方式對裝置進(jìn)行同或邏輯運(yùn)算。然后用與邏輯運(yùn)算方式處理所有運(yùn)算，具體干擾抑制依據(jù)為：

式中，i和j分別表示檢測處理點(diǎn)中對應(yīng)的最小編號和變壓器母線數(shù)量；⊕表示同或運(yùn)算符號；&表示與邏輯運(yùn)算符號；IB表示所有母線上所測得的暫態(tài)電流極性比較結(jié)果。對于母線上是否出現(xiàn)電磁干擾，判斷公式為：

當(dāng)IB=1 時，說明出現(xiàn)了電磁干擾，此時需要進(jìn)行如下干擾抑制：

將濾波后的配電變壓器運(yùn)行曲線與受到電磁干擾的曲線進(jìn)行比較，獲取兩者之間的關(guān)系。在該狀態(tài)下的運(yùn)行模式可表示為：

式中，Rt、Rt′分別表示第t、t′時刻經(jīng)過濾波處理后的狀態(tài)值。經(jīng)過濾波處理后，濾除電磁干擾后的信號主要集中在50～250 Hz 范圍內(nèi)。將濾波處理后的信號經(jīng)過A/D 變換處理后，由數(shù)字信號轉(zhuǎn)變成模擬信號形式，該模擬信號由音頻放大器的驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)送，以防止其他高頻設(shè)備干擾，達(dá)到抑制電磁干擾的目的。

3 實(shí) 驗(yàn)

空載合閘和短路故障恢復(fù)后，變壓器的工作狀態(tài)是穩(wěn)定的，即為穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，變壓器的額定功率是50 Hz，在低頻率范圍內(nèi)，電場所受到的交偏磁場干擾要小于直流偏磁干擾。因此，穩(wěn)態(tài)下必須把直流偏磁干擾作為重點(diǎn)。選擇2021 年6 月份某市直流輸電工程為研究對象，該工程投運(yùn)早期階段采用的是單極大地運(yùn)行方式。在2022 年2 月雙極子調(diào)試期間，進(jìn)行了變壓器的雙極型不對稱操作實(shí)驗(yàn)，并對#1、#2、#3、#4 號變壓器的主變壓器的中性點(diǎn)對地電流進(jìn)行了統(tǒng)計，數(shù)據(jù)見表1。

表1 配電變壓器中性點(diǎn)對地電流

由表1 可知，#1 變壓器受到的電磁干擾影響最嚴(yán)重，以此為研究對象得到的電磁頻譜圖如圖2所示。

圖2 電磁頻譜圖

由圖2 可知，在600 Hz 頻率下，電磁幅度達(dá)到最大值為1.3 W/cm2。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對于電磁干擾抑制效果驗(yàn)證，分別使用基于LC濾波抑制方法、基于空域?qū)ο囊种品椒ê驮撐姆椒ǎM(jìn)行電磁抑制效果對比分析，對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 三種方法電磁抑制效果對比分析

由圖3 可知，使用基于LC 濾波抑制方法電磁幅度最大值為1.02 W/cm2；使用基于空域?qū)ο囊种品椒姶欧茸畲笾禐?.95 W/cm2；使用該文方法電磁幅度最大值為0.4 W/cm2。通過該分析結(jié)果可知，使用該文方法能夠有效抑制干擾電磁。

5 結(jié)束語

由于分布式電源的引入對配電變壓器正常運(yùn)行的電壓穩(wěn)定性造成一定影響，因此，該文設(shè)計了電磁干擾抑制裝置。該方法結(jié)合邏輯運(yùn)算方式實(shí)現(xiàn)了對變壓器的穩(wěn)態(tài)電磁干擾抑制。一旦分布式電源退出配電網(wǎng)，則正在運(yùn)行的配電變壓器依賴變頻支撐的節(jié)點(diǎn)幅值就會大幅度下降，從而產(chǎn)生一系列的負(fù)面效應(yīng)。因此，在今后的工作中要充分考慮變頻器的動態(tài)性能，并對穩(wěn)態(tài)電磁干擾抑制進(jìn)行深入研究。