謝風(fēng)飛，成志威

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410014;2.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司九江供電分公司，江西 九江 332000)

1 引言

近年來(lái)，面對(duì)我國(guó)日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題和能源問題，政府在全國(guó)范圍內(nèi)積極實(shí)施“節(jié)能減排”政策，要求在“十二五”期間，實(shí)現(xiàn)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低16%、主要污染物排放總量減少8% ～10%的節(jié)能減排目標(biāo)。電力作為一種使用方便的優(yōu)質(zhì)二次能源，廣泛應(yīng)用于國(guó)民生活的各個(gè)領(lǐng)域，但是我國(guó)電力工業(yè)的能源利用效率同國(guó)際先進(jìn)水平差距較大，電力行業(yè)作為耗能大戶，在“節(jié)能減排”中占據(jù)突出位置［1］。

配電變壓器是配電網(wǎng)中的重要設(shè)備之一，其負(fù)載波動(dòng)大，長(zhǎng)時(shí)間處于輕載和空載運(yùn)行，損耗的能量約占整個(gè)配電網(wǎng)電能損耗的30%左右［2］。因此研究配電變壓器運(yùn)行的節(jié)能技術(shù)對(duì)降低配電變壓器系統(tǒng)損耗，提高配電網(wǎng)電能供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)可靠性等方面均具有非常重要的意義。目前最常用的方法是從變壓器材料和結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，比如采用非晶合金的變壓器［3］。另外也有學(xué)者提出了變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，電壓調(diào)整方式等具體節(jié)能措施［4－5］，但是變壓器的損耗除了與運(yùn)行方式和自身材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與電網(wǎng)諧波有關(guān)，諧波含量越高，其損耗越大，所以消除注入配電變壓器的諧波，就能大大減少其自身的損耗［6－7］。因此本文提出了一種配電變壓器節(jié)能運(yùn)行控制優(yōu)化裝置，該裝置能夠?qū)Σ⒕W(wǎng)側(cè)配電變壓器諧波進(jìn)行抑制還能夠補(bǔ)償無(wú)功功率，有效的提高電能質(zhì)量，降低變壓器運(yùn)行損耗。

2 現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)對(duì)比

配電變壓器以有功損耗和無(wú)功損耗為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，隨著科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，對(duì)于服役時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)備老化和多次維修的變壓器，投入電力系統(tǒng)運(yùn)行的配電自動(dòng)化系統(tǒng)也越來(lái)越多，電力工作者可以通過相關(guān)設(shè)備實(shí)時(shí)測(cè)量配電變壓器有功、無(wú)功、電壓等數(shù)據(jù)，采用曲線擬合計(jì)算，得到符合配電變壓器實(shí)際運(yùn)行情況，合理安排配電變壓器的運(yùn)行方式。由于配電網(wǎng)中負(fù)荷不穩(wěn)定，變壓器難免頻繁切換運(yùn)行方式，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性。因此合理的制定控制策略，最大限度減少配電變壓器切換次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)配電變壓器最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

表1 配電變壓器節(jié)能技術(shù)比較

使用性能先進(jìn)的導(dǎo)磁材料和導(dǎo)電材料可以極大程度上降低配電變壓器損耗。但是僅僅依靠材料的改進(jìn)來(lái)降低變壓器損耗受到現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)發(fā)展程度的制約，而且價(jià)格較高導(dǎo)致用戶使用率不高［9］。因此必須綜合考慮配電變壓器容量選擇和運(yùn)行方式，使所有配電變壓器都處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間，這樣僅從電網(wǎng)運(yùn)行角度即降低了配電變壓器的損耗。同時(shí)在配電變壓器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，合理配置SVC、SVG和APF等無(wú)功補(bǔ)償和濾波裝置，可以提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量，從而，減少配電變壓器的有功損耗和無(wú)功損耗，以及三相不平衡等。

3 配電變壓器節(jié)能運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)

3.1 配電變壓器容量選擇

在變電站建設(shè)、擴(kuò)建和變壓器增容等具體工作中，首先需要考慮的因素是根據(jù)變電站的供電負(fù)荷情況，選擇變壓器的容量和使用臺(tái)數(shù)。如果容量選擇過大，勢(shì)必會(huì)增加變壓器本身和相關(guān)設(shè)備購(gòu)置和安裝、運(yùn)行維護(hù)的投入，使資金大量浪費(fèi);如果容量選擇過小，就不能滿足用戶的需求，使得配電變壓器長(zhǎng)期超載運(yùn)行，降低使用壽命，嚴(yán)重影響供電可靠性。

3.2 配電變壓器優(yōu)化控制運(yùn)行

國(guó)內(nèi)外配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)運(yùn)行電壓超過額定電壓時(shí)變壓器內(nèi)部鐵損和空載電流都會(huì)增大，導(dǎo)致配電網(wǎng)無(wú)功損耗增大。另外變壓器三相負(fù)荷不平衡也是其產(chǎn)生巨大能耗的主要原因。

當(dāng)配電變壓器所帶負(fù)載處于最大不平衡時(shí)，將導(dǎo)致線路電能損耗增加12.5%，因此，變壓器選址應(yīng)盡量在負(fù)荷中心位置，同時(shí)采取混合型有源濾波裝置來(lái)提高功率因數(shù)和抑制諧波。所以，配電變壓器在實(shí)際運(yùn)行過程中，如果客戶提供單一較小的設(shè)備容量，選擇一個(gè)以上的變壓器，可經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并能提高供電可靠性。當(dāng)變電站配有兩個(gè)或兩個(gè)以上的變壓器，變電站負(fù)載的變化導(dǎo)致變電站通常需要進(jìn)行投入或切除變壓器的操作。滿足負(fù)荷的配電變壓器，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在可滿足負(fù)荷要求的情況下，可暫停使用一個(gè)變壓器，用以減少維持變壓器運(yùn)行的費(fèi)用。

雙繞組配電變壓器有功功率損耗ΔP(kW)計(jì)算公式為:

式中:Po是空載損耗，Pk是短路損耗，β為負(fù)載系數(shù)。

有功損耗率的計(jì)算公式為:

式中:P1為配電變壓器低壓側(cè)有功輸入功率，cosφ為負(fù)載功率因數(shù)。

根據(jù)公式(1)和(3)可繪成如圖1所示的負(fù)載特性曲線。由公式(3)及負(fù)載特性曲線可知:配電變壓器的有功功率損失率ΔP%是變壓器負(fù)載系數(shù)β的二次函數(shù)，ΔP%先隨著 β的增大而下降，當(dāng) βJP=時(shí)，此時(shí)配電變壓器銅耗等于鐵耗，然后又隨著β的增大而上升。

變壓器在有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)條件下，變壓器有功損耗率最低(即效率最高)，有功損耗率ΔPJ%計(jì)算式為:

當(dāng)變電站有兩臺(tái)以上不同類型不同容量的配電變壓器時(shí)，同理可做出在各種運(yùn)行曲線下變壓器的有功損耗曲線，并根據(jù)在不同負(fù)載的有功功率損耗最低的原則，確定變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。這樣一方面可以延長(zhǎng)變壓器使用壽命，另一方面可以降低變壓器內(nèi)部鐵損和激磁損耗，保證其高效穩(wěn)定運(yùn)行［10］。

圖1 變壓器功率損失和功率損失率負(fù)載特性曲線

3.3 配電變壓器運(yùn)行控制裝置的配置

配電網(wǎng)中存在著大量感應(yīng)電機(jī)和其他感應(yīng)電氣設(shè)備等，在運(yùn)行過程中這些設(shè)備除消耗有功功率外，還需要一定量的無(wú)功功率維持系統(tǒng)電磁平衡。如果無(wú)功容量不足，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)功率因數(shù)cosφ值較低，從而增加了配電變壓器的系統(tǒng)能耗，增大了電能損失。

配電網(wǎng)中的諧波電流會(huì)使變壓器的銅耗增加，特別是3次諧波及其倍數(shù)次諧波對(duì)三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱;對(duì)全星形連接的變壓器，當(dāng)繞組中性點(diǎn)接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)，3次諧波可能形成諧振，使變壓器附加損耗增加。諧波電壓的存在不僅增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗還增大了絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)配電變壓器負(fù)荷三相不平衡時(shí)，勵(lì)磁電流的諧波分量將會(huì)大大增加。諧波電流的增加會(huì)使配電變壓器局部產(chǎn)熱增大，輕則縮短變壓器的使用壽命，重則導(dǎo)致變壓器燒毀。

綜合以上分析，可以通過在線監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)的參數(shù)信息，采用SVC、SVG和APF等控制裝置，對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制，提高供配電系統(tǒng)功率因素，保證10kV供配電系統(tǒng)中配電變壓器安全穩(wěn)定、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的高效運(yùn)行［11］。

本文采用如圖2所示的主要用于濾除諧波兼無(wú)功補(bǔ)償?shù)拇蠊β蕟为?dú)注入式有源電力濾波器(HAPFSICHigh Active Power Filter with Single Injection Circuit)。該系統(tǒng)由電壓型逆變器、紋波濾波器、耦合變壓器、注入支路等組成。直流側(cè)電容和電壓型逆變器構(gòu)成有源部分，注入支路下面的電容和電感構(gòu)成基波諧振電路，上面的電容主要是考慮補(bǔ)償電網(wǎng)基波無(wú)功，以及盡量使有源濾波器的輸出電流注入到電網(wǎng)以補(bǔ)償電網(wǎng)諧波。

圖2 HAPFSIC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖2 HAPFSIC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，單獨(dú)注入式有源濾波器把串聯(lián)諧振注入型有源濾波器和并聯(lián)型有源濾波器相結(jié)合，綜合了各自的優(yōu)點(diǎn)，又互相彌補(bǔ)了其缺點(diǎn)，使得單獨(dú)注入式有源濾波器不僅擁有一定容量的靜止無(wú)功補(bǔ)償能力還具有較小的逆變器容量。因?yàn)長(zhǎng)C串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)諧振于基波頻率，其基波阻抗近似等于0，構(gòu)成了基波電流的短路通道，所以注入該支路的基波電流都將全部流入該網(wǎng)絡(luò)，而不會(huì)流入耦合變壓器和逆變器。單獨(dú)注入式有源濾波器具有其獨(dú)特的運(yùn)行特點(diǎn):無(wú)功功率只由無(wú)源部分進(jìn)行補(bǔ)償，但是諧波治理則由有源部分和無(wú)源部分共同承擔(dān)，這樣的靈活配合更加適應(yīng)于現(xiàn)代企業(yè)的諧波治理需求。

在單獨(dú)注入式有源濾波器的結(jié)構(gòu)框圖中，其注入支路的主要作用是:給諧波提供一條低阻抗的通道，隔離電網(wǎng)電壓和補(bǔ)償無(wú)功功率。本文根據(jù)實(shí)際諧波輸出和補(bǔ)償無(wú)功功率情況，注入支路可選擇作某次的單調(diào)諧濾波器。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證采用該節(jié)能裝置的優(yōu)越性以及更好地檢測(cè)系統(tǒng)的節(jié)能濾波效果，在配電變壓器低壓側(cè)安裝HAPFSIC，通過電能質(zhì)量分析儀測(cè)量線路安裝濾波器前后電壓、電流波形如圖3～圖5所示，對(duì)比安裝前后線路的電壓、電流波形來(lái)直觀的反應(yīng)配置方案的可行性。

通過對(duì)比圖3～圖5波形變化，可知投入大功率單獨(dú)注入式有源電力濾波器裝置后，電網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形變得比較平滑，更加接近正弦波，畸變波形得到了明顯的改善，電壓畸變率降低了3.7%，電流畸變率降低了24.8%，同時(shí)各次諧波含量和無(wú)功含量都有非常明顯的下降趨勢(shì)，滿足了諧波標(biāo)準(zhǔn)。得到的節(jié)能配置方案取得了良好的濾波效果和較好的經(jīng)濟(jì)效益，驗(yàn)證了該節(jié)能方案的正確性和可行性。

圖3 濾波器安裝前A相電壓、電流電壓波形

圖4 濾波器安裝后電網(wǎng)側(cè)電壓波形

圖5 濾波器安裝后電網(wǎng)側(cè)電流波形

5 結(jié)論

本文在研究配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行發(fā)展現(xiàn)狀和總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)配電網(wǎng)變壓器容量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的選擇以及控制裝置的配置進(jìn)行了比較深入的系統(tǒng)研究。通過對(duì)現(xiàn)有較為常用的變壓器節(jié)能技術(shù)方法的比較，選定較有研究意義及實(shí)際可行度較高的HAPFSIC裝置進(jìn)行深度分析，通過應(yīng)用研究得出該裝置既能很好的對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行諧波抑制同時(shí)也可以進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，大大提高了配電變壓器并網(wǎng)電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)可靠性，符合配電網(wǎng)變壓器節(jié)能實(shí)際運(yùn)行狀況，適合實(shí)際工程應(yīng)用。

［1］王志軒，張晶杰.中國(guó)“十二五”電力節(jié)能減排展望［J］.中國(guó)能源，2010，32(12):5－9.

［2］尹偉，陳杰，易本順.基于模糊控制的配電變壓器節(jié)能運(yùn)行裝置［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29(5):74－77.

［3］王金麗，盛萬(wàn)興，向馳.非晶合金配電變壓器的應(yīng)用及其節(jié)能分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(18):25－29.

［4］張景久.電力變壓器的節(jié)能運(yùn)行及應(yīng)用［J］.西北水電，2011，6:67－71.

［5］董渝濤.配電變壓器節(jié)能措施的研究［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，26(2):186－189.

［6］江友華，苗建峰，顧勝堅(jiān).基于有源濾波的電力變壓器節(jié)能技術(shù)的研究［J］.變壓器，2009，46(9):44－46.

［7］夏向陽(yáng)，龔芬，曾小勇，等.優(yōu)化配置配電網(wǎng)的諧波抑制裝置研究［J］.電工電能新技術(shù)，2011，30(3):84－87.

［8］范聞博，韓篩根.有載調(diào)容變壓器安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(18):98－102.

［9］羅王瓊.非晶合金變壓器及其節(jié)能效果分析［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010，16:72－73.

［10］趙志杰.配電網(wǎng)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制方式的研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2008:7－10.