配电变压器节能运行控制装置优化研究

谢风飞，成志威

(1.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410014;2.国网江西省电力公司九江供电分公司，江西 九江 332000)

1 引言

近年来，面对我国日益严峻的环境问题和能源问题，政府在全国范围内积极实施“节能减排”政策，要求在“十二五”期间，实现单位国内生产总值能耗降低16%、主要污染物排放总量减少8% ～10%的节能减排目标。电力作为一种使用方便的优质二次能源，广泛应用于国民生活的各个领域，但是我国电力工业的能源利用效率同国际先进水平差距较大，电力行业作为耗能大户，在“节能减排”中占据突出位置［1］。

配电变压器是配电网中的重要设备之一，其负载波动大，长时间处于轻载和空载运行，损耗的能量约占整个配电网电能损耗的30%左右［2］。因此研究配电变压器运行的节能技术对降低配电变压器系统损耗，提高配电网电能供应的经济可靠性等方面均具有非常重要的意义。目前最常用的方法是从变压器材料和结构上加以改进，比如采用非晶合金的变压器［3］。另外也有学者提出了变压器经济运行方式，电压调整方式等具体节能措施［4－5］，但是变压器的损耗除了与运行方式和自身材料及结构有关外，还与电网谐波有关，谐波含量越高，其损耗越大，所以消除注入配电变压器的谐波，就能大大减少其自身的损耗［6－7］。因此本文提出了一种配电变压器节能运行控制优化装置，该装置能够对并网侧配电变压器谐波进行抑制还能够补偿无功功率，有效的提高电能质量，降低变压器运行损耗。

2 现有节能技术对比

配电变压器以有功损耗和无功损耗为基础实现经济运行，随着科学技术迅速发展，对于服役时间较长，设备老化和多次维修的变压器，投入电力系统运行的配电自动化系统也越来越多，电力工作者可以通过相关设备实时测量配电变压器有功、无功、电压等数据，采用曲线拟合计算，得到符合配电变压器实际运行情况，合理安排配电变压器的运行方式。由于配电网中负荷不稳定，变压器难免频繁切换运行方式，严重威胁电力系统运行可靠性与稳定性。因此合理的制定控制策略，最大限度减少配电变压器切换次数，可以实现配电变压器最优经济运行。

表1 配电变压器节能技术比较

使用性能先进的导磁材料和导电材料可以极大程度上降低配电变压器损耗。但是仅仅依靠材料的改进来降低变压器损耗受到现有科学技术发展程度的制约，而且价格较高导致用户使用率不高［9］。因此必须综合考虑配电变压器容量选择和运行方式，使所有配电变压器都处于经济运行区间，这样仅从电网运行角度即降低了配电变压器的损耗。同时在配电变压器并网运行时，合理配置SVC、SVG和APF等无功补偿和滤波装置，可以提高配电网电能质量，从而，减少配电变压器的有功损耗和无功损耗，以及三相不平衡等。

3 配电变压器节能运行关键技术

3.1 配电变压器容量选择

在变电站建设、扩建和变压器增容等具体工作中，首先需要考虑的因素是根据变电站的供电负荷情况，选择变压器的容量和使用台数。如果容量选择过大，势必会增加变压器本身和相关设备购置和安装、运行维护的投入，使资金大量浪费;如果容量选择过小，就不能满足用户的需求，使得配电变压器长期超载运行，降低使用寿命，严重影响供电可靠性。

3.2 配电变压器优化控制运行

国内外配电网运行经验表明，当运行电压超过额定电压时变压器内部铁损和空载电流都会增大，导致配电网无功损耗增大。另外变压器三相负荷不平衡也是其产生巨大能耗的主要原因。

当配电变压器所带负载处于最大不平衡时，将导致线路电能损耗增加12.5%，因此，变压器选址应尽量在负荷中心位置，同时采取混合型有源滤波装置来提高功率因数和抑制谐波。所以，配电变压器在实际运行过程中，如果客户提供单一较小的设备容量，选择一个以上的变压器，可经济运行，并能提高供电可靠性。当变电站配有两个或两个以上的变压器，变电站负载的变化导致变电站通常需要进行投入或切除变压器的操作。满足负荷的配电变压器，应考虑经济运行，在可满足负荷要求的情况下，可暂停使用一个变压器，用以减少维持变压器运行的费用。

双绕组配电变压器有功功率损耗ΔP(kW)计算公式为:

式中:Po是空载损耗，Pk是短路损耗，β为负载系数。

有功损耗率的计算公式为:

式中:P1为配电变压器低压侧有功输入功率，cosφ为负载功率因数。

根据公式(1)和(3)可绘成如图1所示的负载特性曲线。由公式(3)及负载特性曲线可知:配电变压器的有功功率损失率ΔP%是变压器负载系数β的二次函数，ΔP%先随着 β的增大而下降，当 βJP=时，此时配电变压器铜耗等于铁耗，然后又随着β的增大而上升。

变压器在有功经济负载系数条件下，变压器有功损耗率最低(即效率最高)，有功损耗率ΔPJ%计算式为:

当变电站有两台以上不同类型不同容量的配电变压器时，同理可做出在各种运行曲线下变压器的有功损耗曲线，并根据在不同负载的有功功率损耗最低的原则，确定变压器的经济运行方式。这样一方面可以延长变压器使用寿命，另一方面可以降低变压器内部铁损和激磁损耗，保证其高效稳定运行［10］。

图1 变压器功率损失和功率损失率负载特性曲线

3.3 配电变压器运行控制装置的配置

配电网中存在着大量感应电机和其他感应电气设备等，在运行过程中这些设备除消耗有功功率外，还需要一定量的无功功率维持系统电磁平衡。如果无功容量不足，势必会导致整个系统功率因数cosφ值较低，从而增加了配电变压器的系统能耗，增大了电能损失。

配电网中的谐波电流会使变压器的铜耗增加，特别是3次谐波及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热;对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，3次谐波可能形成谐振，使变压器附加损耗增加。谐波电压的存在不仅增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗还增大了绝缘的电场强度。当配电变压器负荷三相不平衡时，励磁电流的谐波分量将会大大增加。谐波电流的增加会使配电变压器局部产热增大，轻则缩短变压器的使用寿命，重则导致变压器烧毁。

综合以上分析，可以通过在线监测配电网的参数信息，采用SVC、SVG和APF等控制装置，对配电网系统进行实时无功补偿和谐波抑制，提高供配电系统功率因素，保证10kV供配电系统中配电变压器安全稳定、节能经济的高效运行［11］。

本文采用如图2所示的主要用于滤除谐波兼无功补偿的大功率单独注入式有源电力滤波器(HAPFSICHigh Active Power Filter with Single Injection Circuit)。该系统由电压型逆变器、纹波滤波器、耦合变压器、注入支路等组成。直流侧电容和电压型逆变器构成有源部分，注入支路下面的电容和电感构成基波谐振电路，上面的电容主要是考虑补偿电网基波无功，以及尽量使有源滤波器的输出电流注入到电网以补偿电网谐波。

图2 HAPFSIC的系统结构

由图2 HAPFSIC的系统结构可以看出，单独注入式有源滤波器把串联谐振注入型有源滤波器和并联型有源滤波器相结合，综合了各自的优点，又互相弥补了其缺点，使得单独注入式有源滤波器不仅拥有一定容量的静止无功补偿能力还具有较小的逆变器容量。因为LC串联谐振网络谐振于基波频率，其基波阻抗近似等于0，构成了基波电流的短路通道，所以注入该支路的基波电流都将全部流入该网络，而不会流入耦合变压器和逆变器。单独注入式有源滤波器具有其独特的运行特点:无功功率只由无源部分进行补偿，但是谐波治理则由有源部分和无源部分共同承担，这样的灵活配合更加适应于现代企业的谐波治理需求。

在单独注入式有源滤波器的结构框图中，其注入支路的主要作用是:给谐波提供一条低阻抗的通道，隔离电网电压和补偿无功功率。本文根据实际谐波输出和补偿无功功率情况，注入支路可选择作某次的单调谐滤波器。

4 仿真分析

为了验证采用该节能装置的优越性以及更好地检测系统的节能滤波效果，在配电变压器低压侧安装HAPFSIC，通过电能质量分析仪测量线路安装滤波器前后电压、电流波形如图3～图5所示，对比安装前后线路的电压、电流波形来直观的反应配置方案的可行性。

通过对比图3～图5波形变化，可知投入大功率单独注入式有源电力滤波器装置后，电网侧电压、电流波形变得比较平滑，更加接近正弦波，畸变波形得到了明显的改善，电压畸变率降低了3.7%，电流畸变率降低了24.8%，同时各次谐波含量和无功含量都有非常明显的下降趋势，满足了谐波标准。得到的节能配置方案取得了良好的滤波效果和较好的经济效益，验证了该节能方案的正确性和可行性。

图3 滤波器安装前A相电压、电流电压波形

图4 滤波器安装后电网侧电压波形

图5 滤波器安装后电网侧电流波形

5 结论

本文在研究配电变压器经济运行发展现状和总结前人研究成果的基础上，对配电网变压器容量和经济运行方式的选择以及控制装置的配置进行了比较深入的系统研究。通过对现有较为常用的变压器节能技术方法的比较，选定较有研究意义及实际可行度较高的HAPFSIC装置进行深度分析，通过应用研究得出该装置既能很好的对电网进行谐波抑制同时也可以进行无功补偿，大大提高了配电变压器并网电能质量和经济可靠性，符合配电网变压器节能实际运行状况，适合实际工程应用。

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