新标准空载电压波形系数控制与研究

赵志强 杜振斌,3 马明元,2 王雪刚

（1.保定天威保变电气股份有限公司 2.河北省特高压变电技术创新中心3.河北省大型柔性直流变压器工程研究中心）

0 引言

在更新之前的标准中规定变压器出厂试验，只要求进行100%及以下额定电压的空载试验，对于高于额定电压的空载试验不做要求。而新颁布的标准GB1094.1中明确要求要进行110%电压下的空载损耗测量，并要求试验时的电压波形畸变小，即电压波形系数[1]（电压有效值与平均值的商）小于3%。

由于在变压器订货合同中用户还经常提出更高要求，需要进行115%额定电压下的空载试验，而国内很多变压器公司现有试验能力在100%电压下空载试验的电压波形系数符合标准要求，而在110%电压试验时的波形系数无法保证在3%以内，对于大容量产品和115%额定电压工况，波形系数超标现象更为严重，部分产品波形系数甚至超过10%，无法满足标准要求，对产品投入市场时间造成影响。而增加试验设备容量不但投资高而且工期长，无法满足生产需求，急需通过滤波方式对现有试验能力进行治理提高后，使实验结果满足生产。

降低电压中谐波含量的策略有降低系统漏抗（增大设备容量）、减少变压器发出的谐波、谐波吸收三种，本文采用谐波吸收的方式，通过无源滤波与有源滤波混合治理方案解决问题。

1 电压波形系数控制用滤波器的总体设计

采用无源滤波器[2]与有源滤波器[3]混合治理方案：治理3次、5次低次谐波采用无源滤波器；7～50次谐波范围内采用有源滤波器，不用切换开关，通过闭环控制，主控制器采集发电机母线、无源滤波器、有源滤波单元、变压器的电压电流信号；通过比较发电机母线电压信号与系统参考值，得到控制误差，计算此时发电机母线中的谐波含量和所需补偿容量；再经过主控制器的单片机计算，取得实时控制信号；控制信号经过驱动模块放大，控制有源滤波单元中的电流，使滤波器以最适合的容量吸收发电机母线上的谐波，实现不间断滤波容量调节，滤除发电机母线谐波，使发电机母线电压波形符合标准要求。

此方案充分发挥了无源滤波与有缘滤波的优点，克服了各自的缺点，使得整个系统价格低，周期短，使用灵活，适应性强，性价比高，是谐波治理的优选方案，尤其适用于变压器电压波形控制领域。

1.1 变压器空载试验系统构成

试验系统由同步发电机（15000kVA/10.5kV）、试验变压器（31500/110、90000/110）、被试变压器组成。

1.2 无源滤波器技术条件

无源滤波器是针对发电机系统，根据国家标准GB/T 14549—1993 《电能质量-公用电网谐波》关于谐波治理的有关规定设计。

1.3 无源滤波器的工程设计

（1）无源滤波器的容性无功补偿[4]功率

根据实际测量值，I0=198A，I3=150A，I5=100A，U=Ue时，cosΦ=0.7。U=1.1Ue时，cosΦ=0.2～0.3。

计算得出：Qc=1.1×U×I×sinΦ=1.1×10×198×sinΦ=2134kvar。

式中，I0，I3，I5分别为基波电流、3次谐波电流、5次谐波电流的有效值；U，Ue为实时电压值和额定电压值；cosΦ为系统的功率因数；Qc为无源滤波器的容性无功补偿功率。

（2）无源滤波器的感性调谐滤波功率

变压器空载电流I0取0.5%，变压器空载试验最大感性调谐滤波容量为：

（3）无源滤波器的电压

系统需运行1.1倍额定电压，且需加滤波串联电抗器，电容器额定电压选取为：

（4）电容器选型

（5）调谐电抗器抽头

考虑到调谐回路滤除谐波及运行的安全可靠性，3次谐波回路电抗器设3个抽头，电抗率分别为12%、12.5%、13%，其中12%为基准电抗率；5次谐波回路电抗器设3个抽头，电抗率分别为5%、6%、7%，其中5%为基准电抗率。

（6）并联电抗器[5]

当滤波装置投入后，系统的基波有时会呈现容性，这是系统运行不允许的，为了保证系统安全运行，谐波治理后需要保持系统电流呈现感性。为此并入并联电抗器，其最大输出容量应与电容器输出容量相当。

并联电抗器的额定输出容量为2500kvar，电抗器设有3个分接，输出容量分别为2360kvar、2500kvar、2620kvar。

1.4 并联型有源滤波器的工程设计

有源滤波器的基本原理是从系统母线中检测出谐波电流，然后由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等但极性相反的补偿电流，从而消除母线中的谐波电流，使电压只含有基波分量，降低了谐波含量。

与传统的无源LC滤波器相比，有源滤波器优点如下：

1）实现了动态补偿，可对频率和幅值都变化的谐波以及变化的无功功率进行迅速的动态跟踪补偿。

2）滤波器特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。

3）补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量不大。

4）可同时对谐波和无功进行补偿，且补偿无功的大小可做到连续调节，既可对一个谐波单独补偿，也可以对多个无功和谐波源集中补偿，性价比合理。其电气结构图如图1所示。

图1 有源滤波器电气结构图

其中，is为发电机母线电流；ic为有源滤波器补偿电流；iL为空载试验电流；i1和e1为A相电流和相位角，i2和e2为B相电流和相位角，ic为有源滤波器补偿电流指令。

1.5 滤波器实施

电压波形系数控制用滤波器的电气系统图如图2所示。图中主要设备包括：开关柜1台，3次、5次滤波支路2套，并联电抗器1台，有源滤波器1台。

图2 电压波形系数控制用滤波器电气原理图

其中，D1为断路器，是滤波器的投切开关；L3、C3组成3次谐波滤波支路；L5、C5组成5次谐波滤波支路；L为并联电抗器；G1为真空开关，投切3次、5次谐波滤波支路；G2为倒工位真空开关，可实现单、三相切换。

如图2所示，开关柜由1台真空接触器JCZ5-12/630和3台避雷器HY5WZ-12.7/45组成；3次、5次滤波支路主要由1台电流互感器LZZBJ9-10、1台避雷器HY5WZ-12.7/45、1台隔离开关NG19-12/630、1台3次滤波电抗器CKD-60-12（总容量186kvar）、1台3次滤波电容器AAM-500-12（总容量865kvar）、1台5次滤波电抗器CKD-20-12（总容量48.5kvar）、1台5次滤波电容器AAM-400-12（总容量521kvar）以及并联电抗器（BKD-1000/12）、1台有源滤波器组成。

2 电压波形系数控制用滤波器的仿真

电压波形系数控制用滤波器设计时采用的仿真模型如图3所示，图中接有3次、5次二组滤波器的仿真模型。仿真结果表明设计方案可行，波形系数符合新标准要求。

图3 电压波形系数控制用滤波器的仿真模型

图3中，A、B、C表示一次侧系统三相电的UVW三相。A、b、c、n表示二次侧的三相四线的三相及中线。Vabc表示三相电压波形数据，Iabc表示三相电流波形数据，传送给示波器显示。

原母线中含有3次、5次谐波，经过3次、5次谐波器后母线电压谐波总含量（THD）为2.58%，其含义与波形系数相当，即波形系数经滤波后满足3%以下的标准要求。

3 电压波形系数控制的试验验证

在分析实际空载试验数据和模型仿真结果验证的基础上，设计制作并安装了滤波器，并进行多次空载试验，取得了大量可靠的试验数据，为项目的顺利完成打下了基础。

3.1 试验方法及设备

针对公司主要变压器产品，在滤波器投入和切除两个状态，分别进行变压器空载试验，试验中采集发电机侧电压、电流，试品侧电压、电流，电压波形系数，电压谐波含量等参数，通过分析对比数据及波形，判断滤波器是否达到项目技术要求，并提出项目下一步的研究方向。主要试验设备包括功率分析仪DP6000和电能质量分析仪FLUKE1760。

3.2 试验数据

试验时使用产品编号20161S03的主变，型号为ODFPS-1000000/1000，其额定电压为/ 110，采用15000KVA发电机组供电，连接方式为低压Y接、中压角接、高压Y接。

试验数据见下表。其中，表中第二列装置状态表示滤波器是否投入运行，A表示滤波器未投入使用，B表示滤波器已投入使用。

表 1000kV变压器试品空载试验数据记录表

通过对测试数据分析，发现在110%电压工况，切除或未投入滤波器时电压谐波含量较多，电压波形系数达到6.63%，总谐波含量达到17.25%。投入滤波器后，波形系数降为2.97%，总谐波含量为2.99%，符合标准要求。

4 结束语

为了满足新标准电压波形系数要求，在分析发电机系统谐波电流产生的原因以及谐波电流对系统电压的影响的基础上，通过理论分析和系统仿真发现谐波治理的机理，再进行系统设计及工程设计，设计制造无源滤波器，安装调试后进行试验并采集数据，对比分析试验数据和波形可知：

1）经过仿真验证和多次试验检测的3次、5次无源滤波器，对于1000kV变压器空载试验，针对不同分接和试品，当施加110%电压时，可以使电压波形系数降低到3%以内，符合新标准要求。

2）适用于7～50次谐波的有源滤波器，不用切换开关，通过闭环控制，可以有效降低高次谐波含量，不但可以控制波形系数，而且可以降低“电压总谐波含量”，满足新标准的更高要求。