劉力靜++許家歡

摘 要：由于零序?yàn)V波器自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無(wú)法濾除電網(wǎng)中除3的倍數(shù)次以外的諧波。根據(jù)變壓器移相濾波原理，對(duì)變壓器二次側(cè)兩個(gè)繞組采用星型和角型連接方式，使繞組之間的相電壓產(chǎn)生30°的移相，經(jīng)過(guò)繞組之間的諧波疊加消除5、7次等諧波。利用電磁暫態(tài)仿真軟件（Power Systems Computer Aided Design，PSCAD）仿真，建立由移相變壓器和零序?yàn)V波器組成的系統(tǒng)模型，對(duì)比分析仿真結(jié)果表明，移相變壓器能夠有效濾除網(wǎng)側(cè)的5、7次等諧波，同時(shí)不影響零序?yàn)V波器的正常運(yùn)行，移相變壓器與零序?yàn)V波器的相互配合提高了濾波效果，為諧波治理的工程應(yīng)用提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞：零序?yàn)V波器 移相濾波原理 星型連接 角型連接 5、7次諧波 諧波治理

中圖分類號(hào)：TM477 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（a）-0070-04

隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，電力電子器件已廣泛應(yīng)用于工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)及人們的工作生活中，如在電解工業(yè)及軌道交通中需要采用晶閘管、二極管等非線性電力電子元件組成的整流系統(tǒng)，其將交流電變成恒定直流電作為工作電源，隨著整流系統(tǒng)容量愈大，電力電子器件會(huì)消耗大量的無(wú)功，從而產(chǎn)生大量諧波[1]。在大型商廈及寫字樓中存在的計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、變頻空調(diào)、節(jié)能燈及其鎮(zhèn)流器、大型顯示屏幕、不間斷電源等非線性用電設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生大量諧波[2-3]。諧波產(chǎn)生的附加損耗會(huì)降低設(shè)備運(yùn)行效率；3次諧波會(huì)通過(guò)輸電線路和中性線形成回路，使中性線電流甚至超過(guò)相電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成中性線的斷線；諧波還會(huì)影響電力系統(tǒng)電能質(zhì)量及干擾通信系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)傳輸失真[4-6]。

三相零序諧波電流是3個(gè)幅值相等，相位相同的3次及3的倍數(shù)次諧波電流[7]。零序?yàn)V波器是繞組采用Z型連接的濾波電抗器，對(duì)零序電流呈低阻特性，從而使零序電流主要流經(jīng)零序?yàn)V波器而不通過(guò)中性線。相比于無(wú)源濾波器，其濾波特性不受系統(tǒng)參數(shù)影響，不易出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷、失諧等現(xiàn)象；與有源濾波器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)復(fù)雜控制策略，成本較低。但是，電網(wǎng)諧波種類豐富，如多數(shù)橋式整流電路因換相導(dǎo)致交流側(cè)電流存在含量可觀的5、7次諧波，而其不能被零序?yàn)V波器濾除[8-11]。

本文在介紹零序?yàn)V波器結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)電網(wǎng)中5、7次諧波的治理，引入移相濾波技術(shù)對(duì)零序?yàn)V波器進(jìn)行改進(jìn)，將移相變壓器二次側(cè)兩個(gè)繞組連接成星型和角型，建立移相變壓器和零序?yàn)V波器的系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明，在濾除零序諧波的同時(shí)，5、7次諧波含量也大大降低。

1 零序?yàn)V波器的結(jié)構(gòu)與原理

新型磁通補(bǔ)償型零序?yàn)V波器繞組的接線方式如圖1所示，每相繞組分為兩部分，分別位于兩個(gè)不同的芯柱上，即將一個(gè)芯柱的上半繞組與另一個(gè)芯柱的下半繞組反串起來(lái)，組成一相。每個(gè)鐵芯柱的上下繞組匝數(shù)相等，下半繞組作為磁通補(bǔ)償繞組，繞組采用Z型連接，不同相之間的繞組匝數(shù)也相等。A、B、C三相電流從每相的上半繞組中流入，同時(shí)將3個(gè)下半繞組接在一起后接到電網(wǎng)的中性線N上。圖1中ΨA0為A相鐵芯柱上半繞組零序激磁磁通；Ψa0為A相鐵芯柱下半繞組零序激磁磁通；ΨB0為B相鐵芯柱上半繞組零序激磁磁通；Ψb0為B相鐵芯柱下半繞組零序激磁磁通；ΨC0為C相鐵芯柱上半繞組零序激磁磁通；Ψc0為C相鐵芯柱下半繞組零序激磁磁通。

由于各相繞組匝數(shù)相等，采用Z型連接后同一個(gè)鐵芯柱的上下繞組產(chǎn)生的零序激磁磁通等大反向，即滿足：

由（1）式可知，如果流經(jīng)濾波器的三相電流相等，則同一鐵芯柱上的零序激磁磁通將會(huì)相互抵消，使每相串聯(lián)繞組呈現(xiàn)低阻抗，而具有此特性的電流正是零序諧波電流，而對(duì)于正負(fù)序電流，因正負(fù)序磁通不能相會(huì)抵消，其激磁磁阻很大，將不會(huì)通過(guò)零序?yàn)V波器。

2 移相濾波原理

移相方式分為星角繞組移相、移相繞組移相和移相自耦變壓器移相3種[12]，本文采用的是變壓器二次側(cè)星角繞組移相，移相變壓器繞組連接原理圖如圖2所示，其中一次側(cè)繞組（A1～C1）采用星型連接，二次側(cè)繞組采用星型和角型連接，該種連接方式使二次側(cè)的星型繞組（A2Y～C2Y）與角型繞組（A2D～C2D）的相電壓相位相差30°，其中一次側(cè)繞組與二次側(cè)的星型繞組、角型繞組的匝數(shù)比為1∶1∶31/2。

假設(shè)二次側(cè)星型繞組的基波電流如下：

當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生n次諧波時(shí)，設(shè)n次諧波的初始相位角為φn，則流過(guò)二次側(cè)星型繞組的n次諧波為：

該n次諧波電流在二次側(cè)星型三相繞組中的感應(yīng)磁勢(shì)如下：

式中：W2Y為二次側(cè)星型繞組匝數(shù)。

二次側(cè)角型連接的繞組中的基波電流相位超前二次側(cè)星型繞組基波電流相位30°，其基波電流表達(dá)式如下：

則流過(guò)二次側(cè)角型繞組的n次諧波為：

將式（6）中的線電流通過(guò)和差化積公式轉(zhuǎn)化為繞組的相電流，則相電流在角型繞組中產(chǎn)生的諧波磁勢(shì)為：

當(dāng)n=3k（k=1，2，3，…），即諧波電流為零序電流時(shí)，式（7）可以寫成：

（8）

當(dāng)n=3k+1（k=1，2，3，…），即諧波電流為正序電流時(shí)，式（7）可以寫成：

當(dāng)n=3k-1（k=1，2，3，…），即諧波電流為負(fù)序電流時(shí)，式（7）可以寫成：

由于W2Y∶W2D=1∶31/2，則式（4）（9）（10）的磁勢(shì)幅值相等，當(dāng)式（4）的n次諧波磁勢(shì)與式（9）（10）的磁勢(shì)相位相差180°時(shí)，鐵芯中的諧波磁勢(shì)相互抵消，鐵芯中則不會(huì)在存在諧波磁通，達(dá)到濾波的效果。為此，式（4）（9）（10）的磁勢(shì)相位需滿足下式：

解得n=5，7，17，19，…

由以上分析可得，在二次繞組采用星角連接時(shí)，鐵芯中的5、7、17、19等次數(shù)諧波磁勢(shì)相互抵消，因此不會(huì)在變壓器網(wǎng)側(cè)感應(yīng)5、7、17、19等次數(shù)諧波電流。endprint

3 模型仿真與分析

將移相濾波原理應(yīng)用于零序?yàn)V波器的PSCAD仿真模型如圖3所示，虛線框中為零序?yàn)V波器，兩組對(duì)稱負(fù)荷即諧波源采用單相二極管全波整流電路，三繞組變壓器一次側(cè)為星型連接，二次側(cè)分別為星型和角型連接，雙繞組隔離變壓器的作用是提供中性線，r1、r2、r3、L1、L2為線路參數(shù)。

首先對(duì)零序?yàn)V波器的濾波效果進(jìn)行仿真，系統(tǒng)是在功率為15kVA，線電壓為380V。中性線電流濾波前后電流波形如圖4、圖5所示，加裝零序?yàn)V波器后中性線電流的峰值減小為不加零序?yàn)V波器中性線電流的6%，諧波電流大部分通過(guò)零序?yàn)V波器流回負(fù)載，中性線電流大幅度減小。

圖6和圖7分別為加入移相變壓器前后網(wǎng)側(cè)A相電流各次諧波的含有率，兩圖中由于零序?yàn)V波器的濾波作用，3次及6次諧波含量很少，同時(shí)移相濾波后5次及7次諧波含有率分別降低了74.78%和72.59%，總諧波畸變率THD由50.79%降低為13.43%，提高了系統(tǒng)的濾波效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在介紹零序?yàn)V波器結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，提出其濾波效果的缺陷，即電網(wǎng)的5次及7次諧波難以濾除，因此引入移相濾波技術(shù)，將三繞組變壓器的二次側(cè)繞組實(shí)行星角連接，使星角繞組之間的相電壓相位產(chǎn)生30°的移相，經(jīng)過(guò)繞組之間的諧波疊加消除5、7次等諧波，通過(guò)PSCAD的建模仿真驗(yàn)證了該方法的正確性，在濾除網(wǎng)側(cè)3次及其倍數(shù)次諧波的同時(shí)，5、7次諧波也能被很好地濾除，提高了系統(tǒng)濾波效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 王維.電解鋁整流系統(tǒng)的諧波電流與無(wú)功功率問(wèn)題分析[J].科技與創(chuàng)新，2015（10）：82-83.

[2] 孫媛媛，李佳奇，尹志明，等.含不控整流的交-直-交變換器頻域諧波分析模型[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（21）：5483-5491.

[3] 陳必榮.電力系統(tǒng)諧波危害及其治理措施的分析[J].電氣時(shí)代，2016（8）：52-55.

[4] 祝典，楊繼深，張飛然.一種新型的中性線諧波電流阻斷器[J].電氣應(yīng)用，2014（7）：54-58.

[5] 馮興田，孫添添，馬文忠.配電網(wǎng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置集散配置策略[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（24）：33-39.

[6] Larico H R E，Barbi I.Three-phase Push-pull DC-DC Converter：Analysis，Design and EXperimentation[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（12）：4629-4636.

[7] Emanuel A E.On the Assessment of Harmonic Pollution[J].IEEE Trans Power Delivery，1995，10（3）：1693-1698.

[8] 杜少通.諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015.

[9] 王喜蓮，王翠.三相橋式整流電路諧波的概率分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，40（5）：93-99.

[10] 雍靜，王錚.單相不可控橋式整流濾波電路容性特性[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38（10）：113-119.

[11] 朗維川.供電系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生，危害及其防護(hù)對(duì)策[J].高電壓技術(shù)，2002，28（6）：30-31.

[12] 周凌.多繞組移相整流變壓器的設(shè)計(jì)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2007.endprint