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集成滤波电抗变压器及其滤波系统的理论与应用研究

李世军  
【摘要】:大量电力电子器件与其他非线性负载在电气设备中广泛应用,导致当前电力系统谐波问题日益严重。其中电力驱动舰船、城市配电网络等由于谐波含量大、电力设备整体占地面积有限,这两种场合最经济的滤波装置是LC滤波装置,且要求滤波器装置中的电抗器体积小和噪声低。选择设计好滤波电抗器成为一个工程难题,本论文围绕集成滤波电抗变压器的理论与应用开展研究,主要具体完成的研究工作包括:(1)提出了一种基于变压器绕组的非正交解耦理论来构建滤波电抗器集成于变压器的布置方案,详细论述了所集成的滤波电抗器与变压器的供电绕组两者之间以及所集成的滤波电抗器与集成滤波电抗器之间的解耦原理,以及各绕组电感量和耦合度测定方法和实验验证。分析了集成滤波电抗器所特有的漏电抗特性,并给出了其电感量计算方法,同时给出此变压器的解耦模型,以及单相基波和谐波电路模型,并提出将电感矩阵进行降阶的电感值和耦合系数计算方法。通过计算5次和7次电抗器电感值和实测值进行比对,所集成的5次和7次电抗器电感计算值与实际测试值误差在工程允许的5%以内。(2)针对10kV箱式变电站这种要求设备体积小而紧凑的场合,提出了集成滤波电抗10kV配电变压器及其滤波的设计方案,包括接线、绕组布置等方面。利用Ansoft软件建立变压器磁场模型,再根据电感矩阵降阶次的电感和耦合度计算方法,计算出电感矩阵和绕组间耦合度矩阵。研制了工程样机并测量了其5、7次集成电抗器的电感量以及它们的伏安特性、所有两两绕组之间的耦合度。根据所建立的集成滤波电抗10kV配电变压器及其滤波系统的场路耦合仿真模型,投入5和7次集成滤波器后,高压10KV网侧谐波畸变率从11.41%--12.86%变为4.87%--6.45%。通过样机在住宅区试运,投入5和7次集成滤波器后,10kV侧三相电流的谐波畸变率由7%-12%降至为4%-7%,滤波效果较好,验证了集成滤波电抗10kV配电变压器方案及模型的正确性。(3)针对舰船电力系统的空间非常受限这种场合,提出集成滤波电抗感应滤波6脉波整流变压器及其滤波系统的设计方案,因为常用的电路仿真软件缺乏这种变压器的精确模型,传统的变压器模型也反映不了此种变压器内部的电磁关系,提出以电感矩阵为磁场和电路耦合接口的新型场路耦合法;该方法首先利用Ansoft软件建立变压器磁场模型,得到所有绕组的电感矩阵(自感与互感),并计算和分析两个绕组之间的耦合度。以电感矩阵为主要参数列写绕组电压方程,求解各种工况端口条件下的电量参数,并求解样机的短路阻抗,与设计值进行对比后误差非常小。最后建立以电感矩阵为核心,其他元器件为外围电路的MATLAB仿真模型,仿真中的低压侧以及低压侧绕组两者的电流波形与由理论推导的波形进行对比后,基本相吻合,说明了此仿真方法可行且有效。构建了集成滤波电抗感应滤波6脉波整流变压器样机及其滤波系统,测量了其5、7、和11次集成电抗器的电感量以及它们的伏安特性、所有两两绕组之间的耦合度;对高压侧在断开与投入滤波器两种工况下的谐波电流含量与畸变率、功率因数、以及电压和电流相量等进行测量,投入滤波器后,高压侧谐波畸变率从27.28%下降到11.9%,功率因素也得到了大大提高。并与仿真值进行对比,验证了以电感矩阵作为核心的磁场-电路耦合计算和仿真方法的正确性。(4)针对舰船用12脉波整流系统的传统谐波滤除方案存在的一些缺点,提出一种两个三角形滤波绕组并联接集11、13次滤波器的集成滤波电抗感应滤波12脉波整流变压器及其滤波新方案,其中11次和13次滤波器集成于此变压器中。对其拓朴结构、数学模型、谐波传递特性、并联滤波绕组回路中的谐波流通路径、谐波抑制机理、电磁感应过程等进行了详细的分析。然后,利用有限元仿真软件Ansoft/Maxwell和电路仿真软件MTLAB建立场路耦合模型,验证了系统具有良好的谐波抑制效果,并构建了样机及其滤波平台,在不采取滤波措施、采取滤波绕组并联、采取滤波绕组并联线上接11和13次集成滤波三种工况下,分别测试了YYD整流变压器网侧、YDD整流变压器网侧以及汇流后总网侧的电能数据,对实验结果进行分析对比后表明新方案的优势所在。


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