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1 2009 年 3 月电工技术学报 Vol.24 No. 3 第 24 卷第 3 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar 变压器感应滤波技术的发展现状与应用前景 李勇罗隆福刘福生李季张杰许加柱 ( 湖南大学电气与信息工程学院长沙 ) 摘要不同于现有的无源滤波与有源滤波, 本文提出了一种新型感应滤波技术, 其特点是发掘供电变压器的电磁潜能, 利用内部耦合绕组在谐波频率下的安匝平衡作用, 力求把谐波隔离在二次绕组并就近抑制, 避免谐波流窜至一次侧电网而扩大污染和危害, 并可有效削弱谐波磁势对供电变压器所产生的不良影响 本文介绍了采用变压器感应滤波技术所开发出的三种类型的新型供电变压器, 辩证地阐述了其内部之间的联系及相关的技术实施特点, 并对其研究进展和产业化应用情况进行了综述, 最后总结了新型滤波技术的实用意义及其应用前景 本文采用系统化分析方法, 对变压器感应滤波技术进行了系统的研究, 并通过对各种模型试验和样机挂网测量数据的分析, 验证了新型感应滤波技术所具有的良好的谐波屏蔽效果 关键词 : 变压器感应滤波无源滤波有源滤波中图分类号 : TM721.1; TM41 Application Foreground of Transformer Inductive Filtering Technology Li Yong Luo Longfu Liu Fusheng Li Ji Zhang Jie Xu Jiazhu (Hunan University Changsha China) Abstract Differing from passive and reactive filtering, this paper proposes a novel inductive filtering technology. It displays the transformer s potential electromagnetic capability and uses the inter coupling winding s ampere-turn balance action, which could suppress the harmonics in the secondary winding and avoid the harmonics flowing into the primary winding, in addition, it could effectively delete the bad influence of the harmonic magnetic potential. This paper introduces three kinds of novel supply transformers and summarizes, the novel inductive filtering technology s practical sense and its application foreground. Through analyzing various model experiments and measure data, it verifies the good filtering effect. Keywords:Transformer, inductive filtering, passive filtering, reactive filtering 1 引言随着电力电子元器件及相关技术的广泛应用, 电网中的非线性负荷不断增多, 由此所带来的电力系统谐波污染现象日益严重, 各种类型的谐波窜入电网, 对通过回路及其相关设备会产生有害影响, 包括加重铜铁损耗, 引起振动与噪声, 增加绝缘老 湖南省十一五重大科技专项 ( 06GK1003-1) 和湖南大学优秀博士学位论文 ( 湖大研字 ) 资助项目 收稿日期 改稿日期 化和故障, 对通信和弱电信号诱发干扰和误动, 损害运行安全和设备寿命等 [1-4] 如何有效抑制和消除谐波的危害, 已成为电力和电工行业及相关用户普遍关心的问题 目前的电力系统谐波抑制技术概括起来主要为无源滤波和有源滤波两大类 对于无源滤波而言, 其采用电容 C 和电感 L 元件组成滤波电路, 在谐波频率下合成阻抗为零, 迫使该次谐波电流全分流, 不能传送到系统造成危害 [5-6] 该种滤波方式的优点是结构简单 设备投资较省, 但难以达到较好的滤波效果, 且滤波支路与系统的等值阻抗相并联,

2 第 24 卷第 3 期李勇等变压器感应滤波技术的发展现状与应用前景 87 后者受到网络结构变化影响, 容易出现谐振过电压 电网谐波放大等现象 对于有源滤波而言, 主要是 采用晶闸管开关构成的换流装置, 将备用的直流源 或接入的储能元件的能量, 按检测的谐波分量, 逆 变为相同波形与幅值的反方向脉动电流, 实时对负 荷谐波起着抵偿作用, 其优点是改进了无源滤波方 式的滤波效果 [7-8], 但有源滤波技术在工程应用时要 备有谐波发生源和大功率晶闸管元器件, 还要配有 跟踪控制和脉宽调制系统, 虽滤波效能优越, 但成 本费用高, 技术难度大, 在特高压 大容量电力网 中也不适用 本文所提出的变压器感应滤波不同于上述的无 源滤波和有源滤波, 它是在传统的滤波技术基础上 发展改进引成的 下面将结合变压器感应滤波技术 的滤波机理, 阐述该种滤波技术得以开发的根源 发展现状和与之相关的几种供电变压器, 总结新型 滤波技术的实用意义, 并对其应用前景进行展望 2 变压器感应滤波技术发展历程与现状 2.1 多功能阻抗匹配平衡牵引变压器 20 世纪 80 年代, 我国列入重大建设工程的大 ( 同 ) 秦 ( 皇岛 ) 线电气化铁路和郑 ( 州 ) 武 ( 汉 ) 线电气化 改造, 为了抑制负序电流, 宜于采用三相变两相的 平衡变压器供电, 先后从日本和法国引进斯科特 (Scott) 变压器, 后者结构陈旧, 不能采用三相三柱 等截面铁心, 不能在一次侧引出中性点接地, 难以 向高电压大功率发展 为此, 湖南大学刘福生教授 提出了一种采用阻抗匹配方法实现非等相变换的新 构想 [9], 一次侧三相 Y 形连接, 二次侧采用具有两 个延边支臂的延边三角形, 延边端点与公共结点构 成如图 1 所示两相输出 这样一来, 中间一相为三 段绕组相连组成, 与旁两相二次侧各有一个绕组不 一致, 要做到三相对两相的平衡与对称变换, 三相 系统的每相功率应为两相系统每相功率的 2 / 3 = 倍, 技术要求 dce=90, fcg=60, 则 匝数 W df =W ge =0.366W fg 考虑两支臂输出电流相位 差为 90, 则 fg 绕组的相对容量应为 =0.2989, 而 fgc 的相电压相等, 故 fg 绕组的通过电流应为 fc 与 gc 绕组电流的 /0.8165= 0.366, 而电流与阻抗成反比, 得绕 组的阻抗匹配比值系数 =Z fg /Z fe =1/0.366=2.732= 3 +1, 加大 fg 绕组等值电抗, 迫使其通过容量减 小, 把减小的容量移置到两支臂绕组上, 这便可免 除引进斯科特变压器的缺点 考虑到平衡变压器的绕组是高电压和大功率元件, 不可能采用外加阻抗, 只能依靠绕组设计协调相关的电磁关系求得解决 实践得知, 科技攻关克服了这一困难, 在产品结构和运行性能上较之同类的传统产品均有改善 图 1 多功能阻抗匹配平衡牵引变压器 Fig.1 Multifunction impedance matching and balance traction transformer 三相变两相的第一代产品主要是抑制了负序电流, 投运后又依据用户发展需要, 进而扩大功能, 为此在图 1 的二次侧引出中间抽头 a 与 b, 再与公共结点 c, 构成低电压的三相输出, 以给变电所的所用电与地区三相负荷供电, 并有利于无功补偿与滤波等问题的综合解决 故扩大功能可不需用专用绕组和附加设备, 仅靠分接抽头实现三相对两相的逆变换, 形成内阻抗相等的三相低压输出, 这便要再用阻抗匹配求得解决 论证得知, 抽头两端绕组, 应按变换矩阵确定保持一定的比值关系, 而这是在满足 =2.732 下完成的, 实施起来甚为困难 在文献 [10] 完成论证后, 又经多年探索攻关才得以实现, 进而完成图 1 所示有引出抽头的第二代产品开发 后者除实现变压和变相功能以抑制负序电流外, 还利用抽头构成低压的三相输出, 只要 abc 接入的三相负荷阻抗相等, 一次侧三相的变换电流一定对称, 保证了三相变两相平衡及其逆变换的共同实现 二次侧 abc 引出端与外接串有小值电感的电容支路相连接, 基波下对感性负荷实行无功补偿, 谐波下对高次谐波分量起着滤波作用 从外接元件看来与无源滤波颇相似, 但实质作用是显著不同的 容感支路在滤波下构成低阻抗不是跨接在输出负荷两端对谐波电流起着分流作用, 而是接在抽头引出的端点上, 把负荷带来的谐波电流引向变压器中的部分绕组通过, 从而产生谐波磁通, 与耦合的绕组相穿链, 后者要感生相应的谐波电流, 通过容感的低阻抗回路闭合, 产生相应的反向磁通, 如图 1 所示, 同相中两绕组的谐波电流方向相反, 从而减少了越过气隙传送到一次绕组的谐波分量, 这便是按安匝平衡关系形成的感应滤波, 在作用原理和滤波

3 88 电工技术学报 2009 年 3 月 效果上与无源滤波是大不相同的 长沙顺特变压器厂与湖南大学协作研制的该项新产品 SF8-PQY-16000/110 型变压器, 于 2001 年 12 月在福州闽清牵引变电所投入运行, 开始按牵引电压 27.5kV 配备了无源滤波的单调谐滤波器, 2002 年按抽头电压 10.5kV 备齐了感应滤波的容感等配套设备, 便改用后者取代前者投入运行, 2002 年 12 月在现场进行了两种滤波的现场分别测定 [11], 两种滤波均按滤去 3 次谐波考虑, 依现场记录整理的谐波电流降低百分数对比见表 1 表 1 多功能阻抗匹配牵引变压器一次电流谐波滤除情况 Tab.1 Filtering effect of multifunction impedance matching and balance traction transformer s primary winding s total harmonic 总的谐波电流 /A 谐波电流降低百分值 (%) ( 三相平均值 ) 序号 无滤波 无源感应滤波滤波 平均 无源滤波相感应滤波相感应滤波相 对于无滤波 对于无滤波 对于无源滤波 投运后的现场负荷随机变化, 按同等工况下的记录对比, 无源滤波相对于无滤波时, 谐波电流滤去的最大值为 56.11%, 平均值为 41.66%, 感应滤波相对于无滤波时, 谐波电流滤去的最大值为 73.24%, 平均值为 57.14%, 后者相对于前者, 滤波电流降低 49.74%, 平均降低 27.42%, 这与铁道设计和运行部门的评估预计是一致的 采用该项感应滤波, 较之传统无源滤波的谐波含量减少了约 20 个百分点 残留的谐波与其感生电流通过环路存在的阻抗有关, 其一是绕组的内阻抗要照顾多功能的协调关系, 未能做到匹配为零, 其二是外接的容抗和感抗, 设计只取 n=3 时相抵消, 如还备有 n 5 次滤波支路, 促使对应谐波下阻抗为零, 则滤波效果定会更加改善 [12-13] 2.2 谐波屏蔽单相牵引变压器我国东北地区的哈大线 20 世纪 90 年代进行电气化改造, 考虑主干线经过工业地区大电网, 系统 承受负序的能力较强 铁道部推荐在电网容许条件下, 牵引变压器应积极选用单相变压器的供电方案, 该线路电气化工程相继引进了西门子公司较多的单相牵引变压器 各地系统容量不断增大, 这一趋势自北向东南发展, 为适应这一变化, 本科研组又转向单相牵引变压器的研制 图 2a 为二次绕组带有引出抽头的单相变压器, 可向电气化铁道的单相机车牵引负荷供电, 也可向单相的整流或电弧炉负荷供电 引出抽头与容感支路相连接, 在工频基波时, 支路呈容性, 对负荷无功起补偿作用 在谐波频率下, 由于容抗与感抗相抵消, 使绕组 2 形成短路, 对负荷电流通过绕组产生谐波磁通穿链绕组 2 时, 后者随即产生反向磁通与之相抵消, 迫使越过气隙穿链绕组 1 的谐波磁通减少, 起到相应的滤波作用 滤波效果不仅决定于滤波支路的外部阻抗 Z F, 还与相关绕组的布置及其等值阻抗有关 图 2b 中三绕组同心布置, 可按两绕组分别短路测知的短路阻抗并换算到同一电压级的已知值 Z 12 Z 13 Z 23, 解得相对各个编号绕组的等值阻抗为 Z1 ( Z12 Z13 Z23) / 2 R1 jx1 Z ( Z Z Z ) / 2 R jx Z ( Z Z Z ) / 2 R jx (1) 谐波电流通过变压器绕组, 同样应保持诸绕组的磁势即其安匝值平衡, 而电流分布与其绕组阻抗有关 多绕组的等值阻抗可由相关的短路阻抗求得 后者与两绕组间的中心距离成正比, 则 Z 12 Z 13 和 Z 23 分别与其下标符号间的幅向距离 a 12 a 13 a 23 成正比 由图可知, a 12 +a 23 =a 13, 则知三绕组同心布置在中间层绕组的等值阻抗 Z 2 = (Z 12 +Z 23 Z 13 )/2 应与 (a 12 +a 23 +a 13 ) 成比例, 按图 2 中对应的距离关系, 不难得知 Z 2 0, 则在出现谐波电流时, 该绕组通过谐波电流 I F 时不出现压降, 故无须相应的谐波电势来维持, 则 W 2 绕组所感生的谐波安匝值一定与 W 3 中谐波安匝值保持平衡, 迫使两耦合绕组所穿链的谐波磁通自行抵消, 使该次谐波磁通不能越过气隙传送到一次绕组, 阻止谐波向网侧传送, 起到对谐波的屏蔽隔离作用, 故称该中间层的绕组为屏蔽绕组 设计中应使变压器一次侧绕组 1 接高压电网, 二次侧的绕组 2 与绕组 3 紧密耦合, 这利于阻止谐波电流 I n 窜扰网侧 高次谐波以其低次的含量相对较大, 按特征谐波考虑, 滤波的次数 n 选为 3 与 5 便可 正确设计并发挥屏蔽绕组的作用, 可显著改善滤波效果

4 第 24 卷第 3 期李勇等变压器感应滤波技术的发展现状与应用前景 89 (a) 原理接线 (b) 绕组布置 69.32%, 无源滤波的平均值为 47.84%, 感应滤波高出无源滤波的平均值为 21.48%, 这说明感应滤波能够滤除 2/3 以上的 3 次谐波电流, 对 3 次谐波具有十分显著的滤波效果 ; 对于总谐波滤除率而言, 感应滤波的平均值为 43.47%, 无源滤波的平均值为 32.21%, 感应滤波高出无源滤波的平均值为 11.26%, 这说明感应滤波较之传统无源滤波具有更好的滤波效果 表 2 谐波屏蔽单相牵引变压器一次电流 3 次谐波滤除情况 Tab.2 Filtering effect of harmonic suppression singlephase traction transformer s primary winding s 3rd harmonic (c) 等效电路图 2 谐波屏蔽单相牵引变压器 Fig.2 Harmonic suppression single-phase traction transformer 以所建立的试验模型为例, 单相容量 16kVA, 电压为 2000/320/100V, 测得归算至高压侧的绕组等值阻抗欧姆值为 Z 1 =2.617+j41.905,Z 2 = 1.24 j0.485,z 3 =1.68+j 其中,Z 2 接近于零, 这与上述分析一致 在输出侧对非线性负荷供电时, 相当于绕组 3 接入谐波电流源, 投入滤波时 Z F =0, 等效电路如图 2c 所示, 图中 Z S 表示系统等值阻抗 二次绕组 2 与一次绕组 1 通过的谐波电流与其等值阻抗成反比, 只要确保 Z 1 远大于 Z 2, 则通过的相对分量应最小, 理论上可完全屏蔽谐波电流感应至一次绕组与电网侧, 考虑到电阻等因素影响, 预计可滤去谐波的 90%, 较上述多功能平衡牵引变压器的滤波效果可再提高 20 个百分点 实测由于模型容量小, 不仅绕组的电阻不可略去, 且 Z F 中的电阻也占有可观的比例, 加以试验中配套设备的条件限制, 滤除谐波只达 70%, 真实产品的容量较大, 电阻引起的偏差较小, 实际效果会比模型测定值有更多的改善 表 2 和表 3 分别给出了在 5kW 7kW 和 9kW 三种负载情况下, 分别测量变压器一次侧 3 次谐波电流和总谐波电流的滤波情况 测试结果中包含了三种工况 : 不接滤波器 在抽头处 (100V) 接入新型滤波器 ( 感应滤波方式 ) 和在负载侧 (320V) 接入常规滤波器 ( 无源滤波方式 ) 由表可见, 对于 3 次谐波滤除率而言, 感应滤波的平均值为 负载 无滤波 THD(%) 总谐波滤除率 ( %) 新型滤波 常规滤波 新型滤波 常规滤波 新型超出常规 5kW kW kW 平均值 Tab.3 表 3 谐波屏蔽单相牵引变压器一次电流 总谐波滤除情况 Filtering effect of harmonic suppression singlephase traction transformer s primary winding s total 负载 无滤波 harmonic THD(%) 总谐波滤除率 ( %) 新型滤波 常规滤波 新型滤波 常规滤波 新型超出常规 5kW kW kW 平均值 三相多脉动整流和换流变压器 用于整流供电的变压器, 为了抑制交流网侧的 高次谐波和削平阀侧的波纹, 常采用增加整流变压 器的脉动相数 P 的方法来实现 常用三相桥式的全 波整流 P 值为 6, 变压器二次绕组有两组可做到 P 为 12 的脉动值, P 超过 12 便要多台变压器在一 次 二次侧进行移相布置和组合配套 现在城轨交 通整流变压器的 P 为 24, 冶金供电用变压器 P 多 达 48 个 P 值大于 12 后, 不仅整流元件多, 且整 流变压器的一次和二次绕组都得作相应的位移改变, 这在经济技术上都是很不合算的 在 P 达 12 还要 降低谐波含量时, 是再以增大 P 的数值来改善波形,

5 90 电工技术学报 2009 年 3 月 还是加用滤波的措施来削弱谐波, 这是应分析对比 作出决定的 直流输电的换流变压器, 输出侧通过 12 组晶 闸管换流, 依次按 360 /12=30 的间隔时间导通 与关断, 脉波宽度为 15 的电角度 已有的换流变 压器一次侧三相为 Y 联结, 二次侧两相绕组采用 Y 与 D 联结, 两者共同构成 30 的电位差 阀侧 换流器对变压器形成谐波源而滤波器接在网侧的交 流系统母线上 这样一来, 因导通变换引起的无功 电流和谐波电流, 都要通过变压器的一次 二次绕 组传送到滤波器的补偿和分流电路, 不仅要占用变 压器的绕组容量, 还要增加绕组的额外铜损和铁损, 特别是高次谐波, 造成波形畸变, 增加电磁干扰和 绝缘困难, 并导致机械振动和噪声, 加大了换流变 压器的成本和营运负担 这是当前国内外直流输电 换流变压器普遍存在的困难, 应积极设法进行改进 把图 2 所示感应滤波技术移植到换流变压器加 以应用, 形成换流变压器的新型方案, 其原理接线 如图 3 所示 二次绕组采用两个延边三角形, 延边 绕组引出端点与换流器连接, 内接三角形的三个顶 点引出与外部星形接线串有小值电感的电容支路相 连接 要使 P=12, 使图 3b 中的位移角 =15, 依正弦定理知 Fig.3 Ue Ud Ue sin sin(60 15 ) (a) 原理接线 (b) 位移相量 图 3 三相多脉动整流和换流变压器 Three phase multi-pulse rectifier and converter transformer (2) 可解得 U e /U d =0.366/0.634=0.5773, 据此设计令 延边绕组匝数 W e 对角接绕组匝数 W d 的比值为 的关系, 便为 15, 实施中两绕组分别前 移和后移 15, 则两者间的相位差为 30, 便可取 得原有 Y 与 D 联结构成 12 个脉动相的同样换流效 果 同相的网侧绕组 W 1 与阀侧的绕组 W d 与 W c, 如图 2b 中的同心布置, 位于中间层的绕组 W d 为屏 蔽绕组 考虑 P=12, 最大谐波为 n=p±1, 相当于 11 和 13 次谐波, 取滤波支路 X L =X C /n 2, 对应谐波 频率下, 容感元件支路相当于短路, n 次谐波在 W e 中通过,W d 绕组感生反方向谐波电流, 促使双 方的该次谐波磁通相抵消, 从而把谐波限制在二次 绕组并使之消除, 对一次绕组起着谐波的屏蔽作用 [14-15] 与原有换流变压器布置在换流器与交流滤波 器之间的情况对比, 换流脉动的等值相数 P 相同, 但通过绕组的合成电流的有效值减小, 波形畸变得 到修补, 上述由于谐波引起的附加损耗便自然消失 了 与交流输电相比, 直流输电 ( HVDC) 可以节 约导线 ( 三相改为正负两极 ), 绝缘要求较低 ( 无 峰值的 2 系数影响 ), 有功和无功损耗小, 无分布 电容与电感引起的电压波动, 两端的交流电网没有 同步稳定和失步振荡问题, 免除互联系统增大短路 电流和电磁干扰, 对超高压和远距离输电较有利 我国的能源分布和负荷发展很不平衡, 大量西电东 送与大区联网线路, 宜于采用 HVDC 输电 从运 行管理和技术经济分析考虑, 同步电网规模不宜发 展太大, 也促使加速发展直流输电 据发展规划预 计, 我国近 20 年内投入 HVDC 线路要超过 20 条, 需要换流变压器的数量相当多, 适应这一需要, 应 抓紧开展换流变压器的国产化研究, 并优先选用具 有我国自主知识产权的科技成果 现有国内外直流输电工程中交流侧的无源滤波 器, 毫无例外的接在网侧的高压交流母线上, 换流 变压器在阀侧的换流器与网侧的滤波器之间, 因此 导通滞后出现的无功电流和波形畸变引起的谐波电 流, 都要通过换流变压器再至滤波器的流通支路, 显然这是不合理的 文献 [16] 指明原来设计 无法 在换流变压器绕组内部完全消除谐波, 重要的是在 变压器设计中考虑这些谐波影响 而留出相应的 裕度, 确保有相应的冷却设备 可见, 这个缺点 是公认的, 是换流变压器问世后半个世纪未解决的 难题, 在上述的图 3 新型接线方案中得到了明确的 解决 后者虽然还未开发成产品, 但是在牵引变压 器的多年探索改造和发展应用中逐步形成的, 治理 谐波有相似的共性, 值得推荐采用 表 4 和表 5 分别给出了动模试验谐波测试结果 其中, 新型滤波表示采用新型换流变压器及其感应 滤波系统对主要次特征谐波的屏蔽效果 ; 常规滤波 表示采用传统换流变压器及其网侧无源滤波方式对 主要次谐波的抑制效果 由表 4 可见, 新型滤波能

6 第 24 卷第 3 期李勇等变压器感应滤波技术的发展现状与应用前景 91 有效屏蔽主要次特征谐波, 使其绝大部分只在阀侧 绕组中流通, 网侧绕组中主要次谐波的含量很低, 这表明感应滤波对主要次特征谐波有很好的屏蔽效 果 ; 而采用常规滤波方式, 由于滤波装置是并接在 换流变压器网侧绕组出线端, 则所有谐波均在变压 器绕组中自由流通, 因此, 网侧绕组中谐波含量得 不到抑制, 这说明常规滤波方式不能降低谐波对换 流变压器所带来的不良影响, 在谐波经阀侧绕组回 馈至网侧绕组时, 甚至会出现谐波放大的现象 表 5 比较了新型感应滤波与常规无源滤波对直流输电 系统交流母线上主要次特征谐波的抑制效果, 可见 新型滤波方式对主要次谐波的滤除率最高能达到 92.86% 最低为 82.89%, 而常规滤波对主要次谐 波的滤除率最高为 87.50% 最低为 55.26%, 这有 效证明了新型感应滤波技术较之常规无源滤波技术 所具有的良好的谐波抑制效果 表 4 换流变压器网侧绕组主要特征谐波含量对比 Tab.4 Filtering effect of converter transformer s primary winding s characteristic harmonic 谐波 THD(%) 总谐波滤除率 ( %) 次数 无滤波 新型常规新型常规新型超出滤波滤波滤波滤波常规 表 5 交流母线主要特征谐波含量对比 Tab.5 Filtering effect of AC bus s main characteristic 谐波 harmonic THD(%) 总谐波滤除率 ( %) 次数 无滤波 新型常规新型常规新型超出滤波滤波滤波滤波常规 变压器感应滤波的实用意义 (1) 具有半导体元器件和其他非线性的用户, 均要经变压器作变压供电, 利用变压器二次绕组引出的中间抽头开发的电磁潜能实现滤波, 既非无源又非有源, 而是利用自耦感应形成的滤波源, 为滤波开创了一条新路 (2) 整流和逆变负荷在换流时要消耗无功, 接入电容对基波负荷实现无功补偿, 在谐波时形成阻 抗匹配, 为滤波提供条件, 但实际滤波是靠内部绕组构成的安匝平衡消除谐波 (3) 传统的无源滤波要避开谐振过电压和谐波放大的危害, 发展受到限制 ; 有源滤波要备有电力电子装置构成的谐波发生源和跟踪检测与复杂的控制系统, 成本较贵, 难以在大功率滤波中推广应用 变压器感应滤波技术利用了有源滤波的构想, 但不是人为制造反向的谐波, 而是利用相关绕组的自耦感应来产生反向谐波, 这便吸取了有源滤波的优点, 克服了其缺点 (4) 感应滤波不是一种独立产品, 而是利用供电变压器绕组的潜能和感召力, 加以阻抗匹配和补偿设备的协调, 相对于变压器与原有的滤波设备, 它并非硬件而是软实力, 在开发的变压器中应用, 可做到硬软互补, 相得益彰 (5) 变压器的电磁感应和安匝平衡的理论仅用于变压器的变压供电, 其他方面的应用却很少, 其实, 采用感应滤波, 较之有源滤波方法简便得多 如图 3 换流变压器的延边绕组, 在换流器出现谐波电流时就近构成回路, 形成的谐波磁通穿链相耦合的三角形联结绕组, 后者随即感生反应磁通, 迫使窜入的谐波磁通相抵消, 对一次绕组起着谐波屏蔽作用, 阻止了谐波穿越气隙窜到一次侧交流电网, 并修补了谐波在二次绕组引起的电磁损害 故电工科技界应利用高新技术 ( 如电力电子应用 ) 带动传统产品 ( 如变压器和滤波设备 ) 改造, 特别是电磁感应作为电磁装置的基础理论, 可在多方面发挥作用, 不容忽视 4 结论变压器感应滤波技术是一种不同于传统无源滤波和有源滤波的新的谐波抑制技术, 本文立足于这种利用变压器耦合绕组的谐波安匝平衡作滤波机理的感应滤波方式, 介绍了几类采用此种新型滤波技术所开发及拟开发的工程化产品, 可广泛应用于电气化铁道牵引供电系统 化工 冶金等工业整流独立电厂的供电场合及交 - 直流输电系统中的换流站 本文结合变压器感应滤波技术的机理及所应用工程场合的背景与特性, 对其发展现状与应用前景进行了阐述, 辩证地论述了新型感应滤波技术得以开发及其成果应用的全过程, 总结了变压器感应滤波技术所具有的实用意义 理论分析及实践结果均证实了变压器感应滤波技术的正确性及其成果应用所具

7 92 电工技术学报 2009 年 3 月 有的优越性 参考文献 [1] 王莉娜, 付清, 罗安. 工厂供电系统谐波谐振的抑制 [J]. 电力系统自动化, 2001, 23(10): Wang Lina, Fu Qing, Luo An. Damping harmonic in industry power system[j]. Automation of Electric Power Systems, 2001, 23(10): [2] 赵勇, 沈红, 李建华, 等. 谐波源的识别及其与非谢波源的分离方法 [J]. 中国电机工程学报, 2002, 22(5): ZhaoYong, Shen Hong, Li Jianhua, et al. Approach of identification and separation of harmonic sources[j]. Proceedings of the CSEE, 2002, 22(5): [3] 肖彩艳, 文继锋, 袁源, 等. 超高压直流系统中的换流变压器保护 [J]. 电力系统自动化, 2006, 30(9): Xiao Caiyan, Wen Jifeng, Yuan Yuan, et al. Protection of converter transformer in HVDC[J]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(9): [4] 王兆安, 杨君, 刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿 [M]. 北京 : 机械工业出版社, [5] 李圣清, 朱英浩, 周有庆, 等. 基于交互式多目标遗传算法的无源滤波器优化设计 [J]. 电工技术学报, 2003, 18(6): 1-6. Li Shengqing, Zhu Yinghao, Zhou Youqing, et al. Optimal design of passive power filters based on interaction multi-modal genetic algorithm[j]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2003, 18(6): 1-6. [6] 涂春鸣, 罗安, 刘娟. 无源滤波器的多目标优化设计 [J]. 中国电机工程学报, 2002, 22(3): Tu Chunming, Luo An, Liu Juan. Multi-objective optimal design of passive power filters[j]. Proceedings of the CSEE, 2002, 22(3): [7] 周柯, 罗安, 唐杰, 等. 一种高电能质量综合补偿系统的研究及工程应用 [J]. 电力系统自动化, 2006, 30(15): Zhou Ke, Luo An, Tang Jie, et al. Study and application of a high power quality combined compensation system[j]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(15): [8] 肖湘宁, 徐永海, 刘昊, 等. 混合型有源电力补偿技 术与实验研究 [J]. 电力系统自动化, 2002, 24(5): Xiao Xiangning, Xu Yonghai, Liu Hao, et al. Analysis of hybrid power compensator and its experimental study[j]. Automation of Electric Power Systems, 2002, 24(5): [9] 刘福生, 聂光前, 肖乐军. 阻抗匹配平衡变压器的模型试验及其性能分析 [J]. 铁道学报, 1992, (3): Liu Fusheng, Nie Guangqian, Xiao Lejun. The model test and its performance analysis of the impedancematching balance trsansformer[j]. Journal of the China Railway Society, 1992, (3): [10] 刘福生, 左辰. 阻抗匹配平衡变压器牵引负荷的负序影响与谐波分析 [J]. 电网技术, 1989, (1): [11] 张志文, 王耀南, 刘福生, 等. 多功能平衡牵引变压器运行方式研究 [J]. 中国电机工程学报, 2004, 24(4): Zhang Zhiwen, Wang Yaonan, Liu Fusheng, et al. Study on operational mode of multi-function balance traction transformer[j]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(4): [12] 刘福生. 拓宽变压装置变换功能, 推进产品创新 [J]. 科学中国人, 2004(8): [13] 刘福生. 两发明专利先后完成的产品开发和进入产业化 [J]. 科学中国人, 2002(2): [14] 李勇, 罗隆福, 许加柱, 等. 采用新型换流变压器的直流输电稳态模型 [J]. 电力系统自动化, 2006, 30(21): Li Yong, Luo Longfu, Xu Jiazhu, et al. Study state model of the DC transmission with new type converter transformer[j]. Automation of Electric Power System, 2006, 30(21): [15] 罗隆福, 李勇, 刘福生, 等. 基于新型换流变压器的直流输电系统滤波装置 [J]. 电工技术学报, 2006, 21(12): Luo Longfu, Li Yong, Liu Fusheng, et al. Design of HVDC filter device based on new-type converter transformer[j]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2006, 21(12): [16] 马丁 J 希斯科特 ( 英 ), 著. 变压器实用技术大全 [M]. 王晓莺, 等译. 北京 : 机械工业出版社, 作者简介

8 第 24 卷第 3 期李勇等变压器感应滤波技术的发展现状与应用前景 93 李勇男,1982 年生, 讲师, 博士研究生, 主要从事基于新型换 流变压器的直流输电系统新理论, 电能质量分析控制, 电能经济管 理技术及相关 HVDC&FACTS 技术研究工作 罗隆福 男,1962 年生, 教授, 博士生导师, 主要从事现代电器设 备的设计 优化, 新型换流变压器及高压直流输电新理论研究工作, 高效节能型交直流电能变换技术方面的工作

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