CN112329286B - 一种应用于低压配电网下的感应滤波新型变压器结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于低压配电网下的感应滤波新型变压器结构，属于变压器技术领域。不同于传统的双绕组配电变压器，新型变压器由网侧、阀侧绕组，中间内置滤波侧绕组外接相应的滤波器构成。其基于感应滤波技术，采用独特的适用于低压配电网工况的D，d0，yn11联结组结构，带不平衡负载能力强，配套相应的全调谐滤波***可有效抑制由不平衡负载或电力电子负载产生的高次谐波，同时滤波***兼顾无功补偿作用。本发明揭示了感应滤波新型变压器的运行特性，为低压配电网下的谐波抑制和无功补偿提供一种新的解决方案，填补感应滤波技术应用于低压配网场合和研制中、小容量新型变压器的空白，提升电网效率、节约能源成本和提升变压器工作环境和使用寿命。

Description

一种应用于低压配电网下的感应滤波新型变压器结构

技术领域

本发明涉及一种应用于低压配电网下的感应滤波新型变压器结构，属于变压器技术领域。

背景技术

随着电力***电力电子化的日益发展，非线性负载带来的谐波污染问题日益加剧。一方面，谐波消耗无功，在元件处产生附加的谐波损耗。另一方面，谐波的存在影响各种电气设备的正常工作，如对变压器的影响除了引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，大大减少电力变压器的使用寿命。

感应滤波技术最早由湖南大学刘福生教授提出后经罗隆福教授科研团队继续探索并不断发展，它基于变压器绕组间的磁势平衡原理，当阀侧产生谐波电流，在满足感应滤波变压器的技术条件下，新增加的滤波侧绕组便可产生与阀侧谐波磁势大小相当方向相反的谐波磁势来进行抵消。滤波侧的谐波阻抗呈现低阻抗，谐波电流通过滤波侧经滤波支路进行滤除，使其不进入网侧。

这种滤波技术是通过新型变压器绕组结构将阀侧产生的谐波在变压器本体内进行就近屏蔽和滤除，使谐波不能侵入到电网和变压器网侧中。感应滤波技术的优点在于可以大大改善铁心内部磁势，理想情况下可以消除由谐波在变压器内部产生的过热、振动、噪声和损耗从而很大程度上延长变压器的使用寿命。同时滤波支路不受***阻抗的影响不需要做额外的偏调谐设计，同时兼顾快速性和灵活性，用无源滤波技术的成本便实现了有源滤波技术的性能，且感应滤波变压器的滤波容量取决于电力变压器本身的容量，可应用于高压电力***和低压电力***等各种***中，没有局限性。

在目前的城网配电中，电力变压器通常采用D，yn11连接。其中低压侧采用yn接法是因为末端用电器有大量单相负荷如电焊机、潜水泵、照明灯等负载，在三相线路上分配不均匀，常使配电变压器的三相负载不对称，存在不平衡电流，必须中性点接地。高压侧采用三角形接法用来避免三次谐波侵入到电网中。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种应用于低压配电网下的感应滤波新型变压器结构，在滤波支路接入全调谐滤波装置和并联电容器组，将中间负载侧绕组改为滤波绕组，改变绕组间距和轴向、辐向尺寸使滤波侧绕组的等效阻抗近似为零，基于此结构和绕组间磁势平衡原理，实现谐波抑制和网侧无功补偿，同时减小变压器网侧容量，接线方式采用新型的D，d0，yn11连接，只需调整绕组结构和间距，便可实现电网谐波抑制与无功补偿，以无源滤波技术的成本达到了有源滤波技术的效果，且提高了电力变压器的使用寿命。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种应用于低压配电网下的感应滤波新型变压器结构，在滤波支路接入全调谐滤波装置和并联电容器组，将中间负载侧绕组改为滤波绕组，改变绕组间距和轴向、辐向尺寸使滤波侧绕组的等效阻抗近似为零，实现近似超导；基于此结构和绕组间磁势平衡原理，实现谐波抑制；增加补偿电流，减小变压器网侧容量，接线方式采用新型的D，d0，yn11连接。

通过合理设计绕组间距和轴向、辐向尺寸来实现滤波绕组的零等值阻抗，并配套全调谐滤波器。具体设计思路如下：

变压器网侧、滤波侧、阀侧的等效阻抗Z₁、Z₂、Z₃依据各绕组间的等效漏抗来计算得到：

其中各绕组间的短路阻抗的计算方法一般用磁路法和能量法来计算，两种方法推导结果经洛氏系数修正后得到计算公式：

式中E_t为每匝电压，ΣD为等效漏磁面积，IN为安匝数，ρ为洛式系数，对于同心式绕组有：

在推导感应滤波配电变压器的数学模型时，变压器模型忽略空载损耗和空载电流，忽略励磁电流。默认三相电源对称，为工频理想正弦波。根据多绕组变压器理论，阀侧和滤波侧、网侧的电压关系为：

式中，W₁、W₂、W₃表示网侧、滤波侧和阀侧的绕组匝数，Z_f为滤波器阻抗，且Z_f＝Z_fa＝Z_fb＝Z_fc。

根据磁势平衡原理(忽略励磁电流)可得：

结合滤波器支路电流和滤波侧绕组支路电压得到滤波侧电流和网侧电流/>之间的关系：

进一步得到网侧电流和阀侧电流/>之间的关系：

在n次谐波存在的情况下，若忽略网侧***阻抗，则网侧电压网侧电流与阀侧电流的关系转化为：

表示网侧绕组的第n次谐波电流。滤波器全调谐下LC滤波支路品质因数Q近似为无穷大，滤波器对于n次谐波阻抗/>因此只要实现滤波侧绕组对n次谐波等效阻抗/>即/>便可实现谐波电流在滤波侧就经滤波器完美滤除从而不进入网侧绕组，达到了谐波抑制的效果，且在铁心中屏蔽了阀侧绕组的非线性负载带来的谐波磁通因此也提高了配电变压器内部的电磁环境，增加了配电变压器的使用寿命。

新型变压器滤波器阻抗折算到网侧后的阻抗值远大于绕组自身等效漏阻抗，即Z₁。推导出新型变压器与传统变压器网侧电流与阀侧电流关系对比：

较传统变压器的网侧电流增加了超前网侧电压的补偿电流，提高了网侧的功率因数，达到了无功补偿的效果。

其中的相角为0，推导出新型变压器与传统变压器的网侧容量对比：

较传统变压器补偿了无功功率，减小了无功电流，变压器网侧容量得到降低。

对变压器本体设计，根据变压器各绕组容量确定铁芯直径，计算铁芯截面，确定每匝电压et和各侧绕组匝数W。

本发明的有益效果是：只需调整绕组结构和间距，便可实现电网谐波抑制与无功补偿，以无源滤波技术的成本达到了有源滤波技术的效果，且提高了电力变压器的使用寿命。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的联结组示意图和绕组接线图；

图2是本发明的内部磁密原理图；

图3是本发明的等效电路图；

图4是本发明的工业接线拓扑图；

图5是本发明中网侧无功补偿示意图；

图6是本发明中基于MATLAB/SIMULINK的电路仿真图；

图7是本发明基于MATLAB/SIMULINK网侧、阀侧、滤波侧绕组的三相电流仿真结果；

图8是本发明基于图6和MATLAB/SIMULINK的网侧一相电流谐波分析图；

图9是本发明的绕组布置图和基于ANSYS的3D物理建模及其有限元微分图；

图10是本发明中基于ANSYS/Maxwell Circuit Editor的模型外电路图；

图11是本发明中基于ANSYS的传统变压器和本发明新型变压器的网侧绕组磁密波形对比图；

图12是本发明中基于ANSYS的传统变压器和本发明新型变压器网侧绕组磁密的fields对比图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种应用于低压配电网下的感应滤波新型变压器作进一步详细说明。根据权利要求书和下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清楚地辅助说明本发明的合理性。

下面将对本发明做进一步说明。

1.变压器本体设计：变压器的设计涉及两个阶段，第一阶段为电磁计算，第二阶段为结构设计。通过电磁计算才能确定变压器的电磁负载和铁心的几何尺寸，计算性能参数以及各部分的温升，损耗等。即根据给定的额定电压、变比、额定负载电流和绕组联结组等计算铁心直径和铁心截面面积、绕组匝数、短路损耗、空载电流等。

铁心直径的选择。设计变压器最基本的参数是铁心的直径，确定铁心材料后即确定了铁心磁密，铁心直径越大则线圈匝数所需越少，其大小因此确定了绕组的内径以及原、副绕组的匝数。因此它是影响优化设计的重要方面。其铁心直径的计算采用半经验公式：

K_D值随着铁心材料的优化和发展而不断变化，S_Z为变压器的每柱容量，对于三绕组变压器，其计算方式为：

其中m_l为套有绕组的铁心柱数，三相三柱同心式绕法铁心柱数为3。计算出额定容量的变压器阀侧，滤波侧和网侧的容量S_F、S_L、S_W，由三绕组变压器折算公式可确定变压器的容量：

铁心级数与填充系数的确定。铁心柱截面是由多级阶梯形矩形构成，外形接近于一个圆形，应尽量增加铁心柱的级数，使其截面尽可能增大，但是制造难度和工艺水平也会随之增大。调整铁心级数和片宽，提高铁心填充系数，使相同铁心直径具有的有效截面积更大。影响谐波分量的因素有接缝形式、接缝大小和接缝的数目。接缝大或接缝数多的铁心，其谐波分量必然增加，应在工艺上改进。一般来说，铁心直径越大，叠片级数越多，填充系数随之增加。根据计算出的铁心直径，选择所用材料的铁心级数和填充系数，计算出铁心的截面面积A_Z：

A_Z＝K_CK_SπD²/4

绕组匝数的计算。根据变压器电动势方程可得每匝电压e_t：

其中B_m为选定的铁心柱磁密，A_Z为铁心柱有效截面积。由公式可以看出，在铁心截面确定后，每匝电势e_t的大小主要取决于磁密，选取的磁密越大，越可以减少铁心材料的使用；但是磁密越大则使材料越接近饱和点，从而使激磁电流增大引起的铁心损耗和发热大大增加。在计算出每匝电势e_t后，各侧绕组匝数N便可由各绕组电压和每匝电势求得:

2.配套滤波***的全调谐设计：

为实现新型变压器滤波侧的谐波总阻抗为零，在滤波绕组满足零等值阻抗设计的前提下，必须配合以全调谐滤波***来对特定次谐波精准谐振，如图2所示为新型滤波***的主电路拓扑结构。

其基于感应滤波技术的工业滤波***，采用新型带滤波绕组的感应滤波三绕组变压器，在滤波支路接入全调谐滤波装置和并联电容器组。负载侧产生的谐波在变压器滤波支路内就得到就近抑制，大大改善了铁心内部的电磁环境，减少了铁心损耗和附加损耗等，降低了变压器网侧绕组的绝缘难度和绝缘成本。图中可以看出，滤波装置因不和交流网侧直接相接因此不受***阻抗的影响，滤波器的品质因数理论上也可以达到无穷大。同时，滤波器兼具无功补偿效果，在补偿容量设计合理的情况下可以将无功补偿电容器组作为后备。

设计全调谐滤波器的相关参数时首先要计算滤波支路要补偿的总的无功容量，将容量按照合理的比例分配到所有的并联滤波支路中。一般采用单调谐滤波和双调谐滤波两种方案，下面给出具体的计算方法：

(1)单调谐滤波器

在已经计算出总的无功补偿量之后，将要补偿的无功合理分配到每一条滤波支路中，至于如何设计分配的比例，不同的电力公司采用不同的方法，本发明按照总无功补偿量Q_c(n)＝Q_cI_n/(∑I_n)的比例进行分配。

滤波电容值的计算公式为：

其中n为谐波次数，U为滤波器接入点的母线电压，ω₁为基波角频率。

由谐振频率根据求得的电容值可确定电感参数：

在单调谐滤波器中一般需要配备电阻器，其值由品质因数Q决定：

(2)双调谐滤波器

双调谐滤波器可以同时滤除某相邻两次谐波，如n₁、n₂次，根据分配给串联电容器的无功补偿量Qc₍n₁₂₎可计算出串联电容器C₁：

其中ω₁为基波角频率，U为双调谐滤波器接入点的母线电压。串联调谐回路的调谐频率ω_s1为：

并联调谐回路的调谐频率ω_s2为：

双调谐滤波器的两个谐振角频率ω_n1、ω_n2与ω_s1、ω_s2的关系为：

联立上式可得：

ω_n1ω_n2＝ω_s1ω_s2

令ω_s1＝ω_s2＝ω_s，双调谐滤波器的中心频率ω_s为：

则串联电感L₁的值为：

可推导出并联电容器C₂的值为：

并联电容器C₂的值为：

在实际应用中，全调谐滤波器的实际设计和制造需要考虑干扰因素，首先是滤波支路通过的电流会在电感中形成磁场，若不合理配置各支路滤波器的位置，各滤波支路的电感形成的磁场将相互影响有可能造成偏调谐；同时，滤波器一般放置在金属闭合空间中，若密闭空间太小，滤波器不经电磁屏蔽设备直接暴露在空间中，受到的电磁干扰同样也会影响滤波效果。因此在工程中要注意滤波器的合理配置并做好电磁屏蔽。

下面结合具体实施方式，对本发明作进一步仿真实验验证：

图7、图8为采用本发明时，当负载是六脉波桥式整流负载，在滤波侧绕组接入全调谐滤波装置后，网侧电流的总谐波畸变率降至3.17％。，5次谐波含有率降至2.7％，7次谐波含有率降至1.15％，11次谐波含有率降至0.53％，13次谐波含有率降至0.41％。

图9、图10为基于ANSYS的场路耦合法，实现模型与外电路的搭载联合仿真。

图11为基于ANSYS的传统变压器和本发明新型变压器的网侧绕组磁密波形对比图，从图(a)可看出磁密波形仍受到阀侧产生的谐波磁势影响，图(b)中的磁密波形基本为正弦波，实现了阀侧谐波磁势的隔离。

图12为基于ANSYS的传统变压器和本发明新型变压器的网侧绕组磁密场图对比，从图(b)中可看出新型变压器网侧绕组磁密较图(a)传统变压器网侧绕组磁密减小了很多，验证了本发明可大大降低铁芯中由阀侧谐波产生的磁密，提升了变压器的工作环境。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种应用于低压配电网下的感应滤波新型变压器结构，其特征在于：在滤波支路接入全调谐滤波装置和并联电容器组，将中间负载侧绕组改为滤波绕组，改变绕组间距和轴向、辐向尺寸使滤波侧绕组的等效阻抗近似为零，实现近似超导；

变压器网侧、滤波侧、阀侧的等效阻抗Z₁、Z₂、Z₃依据各绕组间的等效漏抗来计算得到：

其中各绕组间的短路阻抗的计算方法用磁路法和能量法来计算，两种方法推导结果经洛氏系数修正后得到计算公式：

式中E_t为每匝电压，ΣD为等效漏磁面积，IN为安匝数，ρ为洛式系数，对于同心式绕组有：

在推导感应滤波配电变压器的数学模型时，变压器模型忽略空载损耗和空载电流，忽略励磁电流，默认三相电源对称，为工频理想正弦波，根据多绕组变压器理论，阀侧和滤波侧、网侧的电压关系为：

式中，W₁、W₂、W₃表示网侧、滤波侧和阀侧的绕组匝数，Z_f为滤波器阻抗，且Z_f＝Z_fa＝Z_fb＝Z_fc，

根据磁势平衡原理忽略励磁电流可得：

结合滤波器支路电流和滤波侧绕组支路电压得到滤波侧电流和网侧电流/>之间的关系：

进一步得到网侧电流和阀侧电流/>之间的关系：

在n次谐波存在的情况下，若忽略网侧***阻抗，则网侧电压网侧电流与阀侧电流的关系转化为：

表示网侧绕组的第n次谐波电流，滤波器全调谐下LC滤波支路品质因数Q近似为无穷大，滤波器对于n次谐波阻抗/>因此只要实现滤波侧绕组对n次谐波等效阻抗即/>实现谐波电流在滤波侧就经滤波器完美滤除从而不进入网侧绕组，达到了谐波抑制的效果；

增加补偿电流，减小变压器网侧容量，接线方式采用新型的D，d0，yn11连接。

2.根据权利要求1所述的一种应用于低压配电网下的感应滤波新型变压器结构，其特征在于：所述的改变绕组间距和轴向、辐向尺寸使滤波侧绕组的等效阻抗近似为零，实现近似超导，滤波器对于n次谐波阻抗滤波侧绕组对n次谐波等效阻抗/>即实现谐波电流在滤波侧就经滤波器滤除不进入网侧绕组，实现谐波抑制。

3.根据权利要求1所述的一种应用于低压配电网下的感应滤波新型变压器结构，其特征在于：所述的增加补偿电流为新型变压器滤波器阻抗折算到网侧后的阻抗值远大于绕组自身等效漏阻抗，即Z₁，推导出新型变压器与传统变压器网侧电流与阀侧电流关系对比：

4.根据权利要求1所述的一种应用于低压配电网下的感应滤波新型变压器结构，其特征在于：所述的减小变压器网侧容量，令网侧电压的相角为0，推导出新型变压器与传统变压器的网侧容量对比：