基于非正交解耦理論的集成于變壓器的線性電抗器研究.pdf

1、在電力工業(yè)迅速發(fā)展的當(dāng)今社會，大規(guī)模電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用引發(fā)的電能質(zhì)量問題尤其是諧波問題日益受到廣泛關(guān)注。目前多相二極管、晶閘管與可關(guān)斷器件如IGBT等電力電子器件作為整流裝置的整流系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)、金屬冶煉、化學(xué)加工、城市軌道交通、智能家用電器及高壓直流屬電等重大關(guān)鍵的工程技術(shù)領(lǐng)域，并造成嚴(yán)重的諧波問題。感應(yīng)濾波作為一種新型、高效的電力濾波技術(shù)，對于具有電力電子變換裝置的整流性電力負(fù)載具有高諧波濾除率的特點。感應(yīng)濾波在船

2、舶電力推進(jìn)、城市預(yù)裝式變電站等占地面積具有嚴(yán)格要求的場合應(yīng)用存在的困難在于感應(yīng)濾波必須使用的濾波空心電抗器占地面積大，安裝困難。為解決目前存在的電力濾波空心電抗器占地面積較大的問題，本文提出了一種基于非正交解耦理論的整流變壓器集成線性濾波電抗方法，將感應(yīng)濾波裝置中的空心電抗器轉(zhuǎn)換為變壓器的電抗器繞組，并安裝于整流變壓器中。
　　針對以上提出的非正交解耦理論，本文主要做了以下工作:
　　(1)分析變壓器繞組非正交解耦理論的原理

3、與實現(xiàn)方法研究非正交解耦繞組對變壓器繞組的互感解耦效應(yīng)和實現(xiàn)這種效應(yīng)的磁場機理;設(shè)計出多種非正交解耦繞組的結(jié)構(gòu)形式，包括上下結(jié)構(gòu)、內(nèi)外結(jié)構(gòu)與各種混合結(jié)構(gòu);對非正交解耦繞組之間的互感進(jìn)行分析，設(shè)計了一種繞組耦合度的測試方法;推導(dǎo)不同結(jié)構(gòu)非正交解耦繞組的電感值，推導(dǎo)這兩種解耦繞組的電感值計算公式，并通過小功率變壓器模型實際測試得到了這非正交解耦繞組的電感計算值、實測值與設(shè)計值誤差，得到計算值、設(shè)計值的實際誤差?？偨Y(jié)非正交解耦繞組電磁場分析方

4、法的基本原理并給出非正交解耦繞組電磁場分析的主要計算量及其關(guān)系。
　　(2)研究集成濾波電感整流變壓器建模新方法針對帶有集成電抗器的整流變壓器變壓器建模方法存在的應(yīng)用性與時效性困難，研究一種將電感矩陣作為中間向量的新型磁場-電路耦合法，并詳細(xì)闡述該計算方法的思路與實際應(yīng)用步驟。建立整流變壓器的磁場模型并獲得變壓器繞組電感矩陣，通過列寫繞組電壓方程，提出通過列寫各工況下的端口條件，求解各工況下的待求解電量的思路;基于新型磁場-電路耦

5、合法的思路對變壓器樣機的短路阻抗進(jìn)行求解，得到變壓器樣機的多個短路阻抗;推導(dǎo)集成濾波電感整流變壓器三相基波與諧波電路模型;搭建以電感矩陣為核心元件的電路模型，得到變壓器樣機模型低壓側(cè)各相電流仿真波形與低壓側(cè)各繞組電流波形，對比由理論推導(dǎo)得到的電流波形，并通過制造300kVA集成濾波電感整流變壓器樣機及其濾波、無功補償系統(tǒng)并進(jìn)行實際運行狀態(tài)測試，得到該變壓器樣機實際運行情況，與建模仿真情況進(jìn)行對比，確認(rèn)新型磁場-電路耦合法的正確性。

6、>　　(3)推導(dǎo)300kVA集成濾波電感整流變壓器樣機的設(shè)計方法分析船舶電力系統(tǒng)的運行要求，具體分析針對系統(tǒng)體積要求采取的措施并設(shè)計得到變壓器變電箱尺寸;給出變壓器噪聲計算公式并以此推導(dǎo)得到樣機噪聲設(shè)計值;參考電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波國家標(biāo)準(zhǔn)，得到樣機注入公共連接點的各次諧波電流允許值;給出變壓器樣機及其系統(tǒng)裝備簡易化設(shè)計的具體設(shè)計方法;給出整流變壓器樣機組成的供電系統(tǒng)的樣機繞組排布與樣機實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式;分析并總結(jié)了將電抗器繞組集成于整

7、流變壓器所采用的多種退耦技術(shù);詳細(xì)分析變壓器感應(yīng)濾波繞組的諧波分流方式;給出了系統(tǒng)的整流方案與樣機與系統(tǒng)的技術(shù)考核指標(biāo)。通過列寫系統(tǒng)邊界條件來對變壓器及其濾波、功補系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計指導(dǎo)。詳細(xì)分析了變壓器及其系統(tǒng)的設(shè)計與制造過程，包括變壓器鐵心尺寸計算，電抗器繞組電感值、繞組尺寸計算，變壓器繞組匝數(shù)、短路阻抗、繞組尺寸計算，器件整體損耗與重量計算，無功補償與支路電容分配計算。
　　(4)制造300kVA集成濾波電感整流變壓器樣機并以其為

8、核心部件搭建供電、濾波與無功補償實驗系統(tǒng)對樣機電抗器繞組的電感值、線性度與繞組耦合度進(jìn)行測量;對樣機帶額定負(fù)載運行狀態(tài)下投切濾波裝置前后的高壓側(cè)功率因數(shù)、諧波電流含量與諧波電流畸變率進(jìn)行測量;分別對5、7、11次濾波支路的電壓、電流相量進(jìn)行測量。驗證非正交解耦理論構(gòu)造的集成電抗器繞組電感值計算準(zhǔn)確性，線性性，與其他繞組幾乎完全解耦的特性。驗證利用集成線性電抗器繞組與各次電容器串聯(lián)構(gòu)成的濾波裝置，在樣機上實現(xiàn)諧波濾除與無功補償;驗證各集成