感应滤波型直流供电系统及其工程运行

曾进辉，罗隆福，宁志毫

(1. 湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007；2. 湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙410082；3. 湖南省电力试验研究院，湖南 长沙 410007)

感应滤波型直流供电系统及其工程运行

曾进辉1，罗隆福2，宁志毫3

(1. 湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007；2. 湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙410082；3. 湖南省电力试验研究院，湖南 长沙 410007)

结合常规的多脉波整流消谐技术，提出了一套应用感应滤波技术的新型节能滤波型整流变压器及其构建的12脉波工业直流供电系统，力求解决现有供电机组谐波污染严重、损耗大及效率低的缺点。在介绍节能滤波型整流变压器的技术上，对其的汇流消谐及感应滤波原理进行了分析，并提出了此直流供电系统需解决的关键问题。根据实际工程应用，从谐波抑制、功率因数、系统损耗与效率等方面对新型机组进行了测试与分析，结果表明此12脉波整流系统具有谐波抑制效果优、功率因数高及节能等优点，可有效解决现有电解、化工、冶金等领域难以解决的谐波及损耗问题。

直流供电系统；感应滤波；12脉波；节能

0 引言

随着全球能源短缺，电力工作者对电解、化工、直流牵引等高耗能系统的谐波污染及节能等问题投入的极大的精力及关注。针对工业直流供电系统，通常是在网侧安装滤波及功补装置或采用多脉波技术以提高电能质量[1]。然而，前者的滤波效果受电网阻抗的影响而结果欠佳，后者一般只进行谐波消除而没有功补设备[2]。最值得提及的是，谐波与无功电流必然流过所有的直流供电设备，引起额外的损耗，系统效率低下，并带来附加的振动与噪音，减少供电系统的使用寿命[3-5]。

感应滤波技术可实现谐波电流的就近抑制与无功电流的就进补偿，并可为谐波电流提供一个类似于超导的短路环，具有减小系统损耗的优点[6]。文献[7-10]对基于感应滤波技术的新型换流变压器的阻抗、电压及电流约束关系及其在直流输电系统谐波分布与应用等方面进行研究。本文提出了一种感应滤波节能型12脉波工业直流供电系统，对其谐波消除与感应滤波机理进行了分析，并提出了需解决的关键问题。最后根据实际工程运行经验，从谐波抑制、功率因数、损耗及效率等方面对新型供电系统进行了测试与分析。

图1 感应滤波节能型整流变压器结构Fig. 1 Structure of the new inductive filtering and energy saving rectifier transformer

图2 新型12脉波直流供电系统拓扑Fig. 2 Topology of the new 12-pulse DC power supply system based on inductive filtering technology

1 新型整流变压器及其12脉波系统构造

鉴于整流系统运行特性，一般需要进行电压调节，因此新型整流变压器主要由调压变与主变组成，这里，有载调压变压器与整流变集成于一体。调压变采用常规的自耦正反调压，主变采用4绕组结构，两套二次负载绕组采用Y/Δ结构，分别连接整流器构成12脉波，通过移相，可消除铁心中的6n±1(n=2，4，6)次谐波电流磁势；二次滤波绕组安装感应滤波装置，为谐波提供就进短路支路，可消除铁心中的11、13次谐波电流磁势，实现就近谐波抑制与无功功率补偿。同时减少了一个铁心，可减少相应的损耗。对于大功率整流系统，直流侧电流一般达数万甚至数十万安培，因此二次上下桥绕组一般采用同相逆并联结构已消除大电流引起强磁场对变压器及外界设备的影响。图1所示为感应滤波节能型整流变压器结构。

图2所示为基于节能滤波型整流变压器构建的新型工业定制整流系统主电路拓扑图。其中，调压变集成到主变压器中，减小变压器制造成本及占地面积；二次滤波绕组外接11、13次感应滤波装置以进行谐波抑制和无功功率补偿；采用晶闸管可控整流方式，结合调压开关，保证了直流输出的恒稳调节。

基于感应滤波技术，新型工业直流供电系统具有以下技术优势：1)通过移相，可消除铁心中的6n±1(n=2，4，6)次谐波电流磁势；通过滤波绕组外接的感应滤波装置，可消除铁心中的5、7次谐波电流磁势，从而使得网侧绕组中电流基本为正弦波；2)通过12脉波变压器集成，相比两套6脉波系统，减少了一组铁心，从而减少了制造成本及铁心损耗；3)通过阀侧进行滤波与无功功率补偿以及关键部件与整个系统的节能设计，新型直流供电系统具有节能的效果。下文将对相关问题进行分析研究。

2 原理分析

2.1 感应滤波原理

常规的无源滤波技术谐波抑制原理为通过LC的谐波谐振，利用分流原理进行谐波的部分抑制。感应滤波原理为在靠近谐波源为特征谐波提供一个近似于零的谐波短路环，从而使得谐波改道注入此短路支路而不流入相对阻抗大的网的绕组，达到最优的谐波抑制效果。

感应滤波技术实现条件：1)滤波绕组的零等值阻抗设计；2)滤波支路的近似零阻抗设计。其将在下面给予分析。

2.2 5、7次谐波消除机理

二次负载绕组采用Y/Δ结构可实现5、7次谐波的汇流抵消，对于图2所示的整流系统，其整流变压器一次与二次绕组线电压对应关系[7]：1) I桥阀侧线电压电流与网侧绕组相同；2) I桥阀侧线电压超前II桥阀侧线电压30°；3) II桥阀侧线电压、电流滞后网侧绕组30°。

对于I桥A相电流，以正负半波的中点作为时间零点，则有I桥A相线电流：

II桥阀侧线电压滞后I桥阀侧线电压30°，因此其阀侧线电流也比I桥滞后30°，可得以下公式：

根据Y/d1型联接变压器一次与二次线电流的关系：线电流基波和正序谐波分量相移关系为一次比二次线电流超前30°，而负序谐波分量相移关系为一次比二次线电流滞后30°。据此，从上述II桥阀侧线电流表达式可得其感应的网侧线电流应为：

从而可以得到合成后的一次线电流：

2.3 变压器铁心谐波磁通抑制机理

为了根本上阐述谐波对变压器振动和噪声的不良影响以及其与传统滤波技术的本质区别，从变压器铁心的谐波磁通抑制方面揭示此感应滤波变压器所具有的独特优点。

图3所示为新型4绕组变压器铁心谐波磁通流通图。其中，当网侧绕组1和滤波绕组3开路时，换流阀I产生的n次特征谐波电流I2n将在阀侧绕组2上产生谐波磁动势N2I2n，相应地在铁心中产生交变的谐波磁通ϕ2n；换流阀II产生的n次特征谐波电流I3n将在阀侧绕组3上产生谐波磁动势N3I3n，相应地在铁心中产生交变的谐波磁通ϕ3n，总的谐波磁通为ϕn。可以假定谐波磁通ϕn全部约束在铁心磁路内，并同时与网侧绕组、二次三角形负载绕组、二次星形负载绕组及滤波绕组相交链。根据电磁感应定律，该磁通将在四个绕组中分别感生谐波电动势e1n，e2n，e3n，e4n。

图3 变压器铁心谐波磁通流径Fig. 3 Flow path of harmonic flux in transformer core

谐波电流I2n、I3n是一个交变的周期信号，因此铁心中相应的谐波磁通亦随时间周期变化，其可表示为：

其中，Φ2mn、Φ3mn分别为谐波电流I2n、I3n产生的n次谐波磁通幅值。

主磁通在滤波绕组上感应的谐波电势为e3n的表达式为：

设z4n、zfn分别为二次滤波绕组及滤波装置的n次谐波等值阻抗。当滤波绕组通过滤波器闭合时，谐波回路电压方程式为：

结合式(6)和式(7)，可以得出谐波磁通与滤波支路谐波等值阻抗之间的关系。由于ω、N3均为大于零的常数，n为大于零的整数，sin(nωt)是一个随时间变化的变量，只要满足z4n+zfn为零或者趋近于零，就有Φmn为零或者趋近于零。从而，最大程度削弱铁心中的谐波磁通为ϕn，进而大大降低e1n的值，从而使得网侧谐波电流I1n减为极小的值，也就是说，阀侧谐波电流不能通过铁心传递到网侧，进而实现滤波的目的。

实现z4n+zfn为零或者趋近于零的技术就是感应滤波技术；通过降低滤波绕组谐波回路的阻抗从而实现变压器铁心谐波磁通抑制的方法就是感应滤波方法。

3 仿真与工程测试

图2所示的新型直流供电系统已经在某电解锰工程项目中得到了成功应用。为了验证感应滤波技术正确性及在谐波抑制、变压器铁心谐波磁通抑制方面的效果，本文从仿真研究与现场工程实际测试两个方面对系统进行对比分析。图4给出了变压器、感应滤波装置及晶闸管控制柜实物图。

3.1 仿真分析

应用MATLAB/SIMULINC建立了图2所示的直流供电系统，图5给出了网侧绕组在投入滤波器前后的电流波形。

图4 12脉波工业整流系统实图Fig. 4 Pictures of the 12-pulse industry rectifier system

图5 新型12脉波工业整流系统网侧绕组仿真电流波形Fig. 5 Simulation test about current at the ac gird side of the new 12-pulse rectifier system

对比图5中网侧电流在投入滤波器和不投滤波器时的波形和谐波频谱明显可知，投入滤波器可有效地将主要次特征谐波抑制于阀侧，网侧绕组电流的畸变率大大降低。

3.2 工程测试研究

图6给出了实际工程中变压器输出端在投入滤波器前后的电流波形。可以看出，投入滤波器后输出端的电流波形得到了大大改善。表1给出了投入滤波器前后网侧特征谐波电流的有效值，从中可以看出，投入滤波器后网侧电流总畸变率从9.42%降低为3.27%。图7为网侧基波电压电流矢量图，从图中可以看出：不投滤波功补装置，网侧的功率因数角为20.64°，功率因数为0.9299；投入滤波功率补装置后，网侧的功率因数角减小为9.34°，功率因数提高到0.983。因此，从工程实际角度验证了基于感应滤波技术的新型12脉波工业整流系统具有良好的谐波抑制及无功补偿效果。与前述的仿真结果相同，投入滤波器后网侧5、7次特征谐波值有所放大，但放大并不严重，谐波值没有超过国家谐波限定标准。

图6 新型12脉波工业整流系统实测电压电流波形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，不同了传统的网侧滤波、有源滤波技术，感应滤波技术在最接近谐波源处进行谐波抑制与无功功率补偿，最大程度上减小了谐波电流及无功电流的流通路径，不仅谐波抑制效果优良，而且大大减小了谐波对变压器震动与噪声等不良影响，具有节能的特点。

表1 新型12脉波工业整流系统实测网侧谐波电流Table1 new harmonic measured 12 pulse rectifier system network side current

图7 实测网侧电压电流矢量图Fig. 7 Practical test of the network side voltage current vector diagram

4 结论

应用感应滤波技术及多脉波谐波抵消原理，构建了一个集成型12脉波工业整流系统。在介绍新系统的基础上，分析了感应滤波技术、谐波抵消原理及谐波磁通抑制机理。通过仿真分析和工程实际测试，验证了此新型12脉波系统具有良好的谐波抑制及节能效果，同时也表明了感应滤波在工程实际中的有效性。

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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

湖南省教育厅项目科研目(11C0919)。

曾进辉(1981-), 男, 博士, 讲师, 研究方向: 交直流电能变换新技术、高压直流输电新技术、电能质量管理等; 罗隆福(1962-), 男, 教授, 博士生导师, 研究方向: 现代电器设备的设计和优化、新型换流变压器的研制和高压直流输电新理论、电能质量的分析与控制等; 宁志毫(1983-), 男, 博士, 工程师, 研究方向: 基于新型感应滤波变压器及其大功率变流系统的能耗分析, 谐波抑制技术和无功功率补偿以及节能新方法等。

曾进辉，罗隆福，宁志毫．感应滤波型直流供电系统及其工程运行[J]．新型工业化，2015，5(2)：60-66