十二脉波整流变压器集成感应滤波理论与应用研究

发布时间：2020-03-29 04:33

【摘要】：随着我国国民经济的繁荣和发展,我国的发电装机容量和全社会用电量相应地在不断增长。根据电力发展“十三五”规划,预计2020年全国发电装机容量达20亿千瓦,全社会用电量达6.8~7.2万亿千瓦时,人均装机量和人均用电量接近中等发达国家的水平;且电能在终端能源消费的比例提升至27%。随着电能在终端能源消费比重的持续提升,电力用户对优质电能的需求日益增高。在发展战略层面,我国确定了电力工业发展的“节约、清洁、安全”方针和“清洁、高效、安全、可持续”目标。在大功率工业整流系统、高压直流输电系统、电力低压配电网等工程应用场合,普遍存在着由电力电子装置等非线性负荷引起的谐波污染和谐波危害问题。本论文对12脉波整流系统的谐波治理新技术进行探索,提出了基于新型12脉波整流变压器感应滤波的谐波抑制方法和变压器集成滤波电抗的新型磁集成方法的一种新理论和新技术,称为12脉波整流变压器集成感应滤波理论和技术。本论文主要完成的研究工作包括:(1)十二脉波整流和磁集成技术概述。对12脉波整流系统的基本原理和运行特性进行概述,叙述了12脉波整流变压器的谐波危害问题,并介绍了12脉波整流系统的谐波治理方法及国内外研究现状;同时,对变压器和电抗器的相关磁集成技术进行概述,介绍了磁集成技术的国内外研究现状和发展动态。(2)整流变压器感应滤波技术。对整流变压器感应滤波技术的发展历程、工作机理、实现条件和技术特点等基本情况进行叙述;详细解释了感应滤波变压器的谐波电流抑制和铁芯谐波磁通抑制的原理,揭示了感应滤波技术的谐波抑制本质;阐述了感应滤波绕组零等值阻抗的实现条件以及全调谐滤波器的设计方法;最后,基于感应滤波变压器的实际应用案例,说明了感应滤波技术在谐波电流抑制、变压器铁芯磁通抑制、节能降损、改善逆变器换相失败和减振降噪等方面的技术优势。(3)提出新型十二脉波感应滤波整流系统谐波抑制理论。在现有的12脉波感应滤波整流变压器基础上,提出了采用12脉波感应滤波整流变压器的滤波绕组并联接线的新方案,可有效清除5、7、17、19等次数的谐波电流,并在滤波绕组并联线上连接调谐滤波器对11和13次谐波电流实施滤除。在理论方面,根据傅里叶级数的电流表达式,揭示了新型12脉波感应滤波整流系统的谐波抑制机理;在仿真方面,根据标准模型和某实际HVDC工程的基本参数,搭建了双极双12脉动HVDC系统的PSCAD/EMTDC仿真模型,对整流侧换流站分别采用传统网侧滤波方案和采用新型感应滤波方案的仿真案例进行对比,说明了新型12脉波感应滤波方案显著的谐波治理效果。此外,搭建了相关原理样机的实验平台,对新型12脉波感应滤波整流系统的谐波治理效果进行实验验证。(4)提出非正交解耦与滤波电抗集成理论。本论文提出了非正交解耦理论及其实现方法,实现了滤波电抗器与变压器的集成化设计,可有效降低变压器和滤波器装备的总占地面积。叙述了非正交解耦绕组匝数相等、相互并联、绕向相反的二段式子绕组结构,还分析了其主、漏磁场以及解耦特性。基于非正交解耦理论,构建了滤波电抗与变压器集成的方法,推导了集成滤波电抗的电感值计算公式,给出了2种集成滤波电抗绕组解耦系数的测定方法。介绍了集成滤波电抗变压器的基本结构,在理论分析方面,通过其等效模型和耦合电感电路方程组来分析集成滤波电抗的解耦特性;在仿真方面,以1台集成滤波配电变压器为案例,搭建了基于Ansys/Maxwell的三维有限元模型,通过仿真所得电感矩阵和磁耦合系数矩阵分析了集成滤波电抗的解耦特性,并对该配电变压器的谐波治理效果进行仿真研究。为验证理论和仿真分析的正确性,研制了集成滤波电抗变压器的原理样机并开展相关实验测试。(5)提出十二脉波整流变压器集成感应滤波理论和技术。基于新型12脉波感应滤波技术和集成滤波电抗技术,进一步提出了12脉波整流变压器集成感应滤波的谐波治理新方法。在理论分析方面,基于12脉波集成感应滤波整流系统的等效阻抗电路,结合傅里叶分析方法对其谐波抑制机理进行阐述。在仿真分析方面,利用Ansys/Maxwell和Ansys/Maxwell Circuit搭建了12脉波集成感应滤波整流系统的场路耦合模型,对该系统的谐波抑制效果进行仿真验证。在实验验证方面,研制了12脉波集成感应滤波整流变压器的原理样机,通过搭建的12脉波集成感应滤波整流系统实验平台验证了所述集成感应滤波方案显著的谐波治理效果。本论文通过理论分析、仿真分析以及原理样机研制和实验的方法,对12脉波整流变压器集成感应滤波理论和应用展开了系统的研究,构建了12脉波集成感应滤波整流系统的谐波抑制理论与应用研究体系,有利于12脉波整流变压器集成感应滤波技术的推广和应用。
【图文】：

示意图,脉波,整流系统,拓扑结构

(1.9)（2）十二脉波整流系统的运行特性如图1.2所示的12脉波整流系统由两个6脉波单元并联而成，设该12脉波系统的整流变压器组变比关系为1 1 2 2: : : 1:1:1: 3A a A aN N N N = 。采用与上述6脉波整流电路4

示意图,整流变压器,拓扑结构,屏蔽变压器

博士学位论文系统侧的电能质量。滤波器组同时也对整流桥进行容性无功补偿，，提高交流系统的功率因数。如图2.1(b)所示，自耦型谐波屏蔽变压器的二次绕组（阀侧绕组）采用延边三角形的联结方式，其中延边绕组（阀侧绕组）与整流桥相连，三角形接法的公共绕组（滤波绕组）与延边绕组的连接处引出抽头，并与LC滤波器组联接，对系统具有谐波抑制和无功补偿作用。(a) 感应型谐波屏蔽变压器(b) 自耦型谐波屏蔽变压器图 2.1 感应滤波整流变压器的两种拓扑结构示意图如图2.2(a)所示，无论哪种形式的感应滤波变压器，其滤波绕组必须排列于网侧绕组和阀侧绕组之间，这样才能实现感应滤波绕组的零等值阻抗设计。结合图2.2(b)所示的变压器等效电路，可以计算各绕组在工频下的等值阻抗：( )( )( )1 12 13 232 23 12 133 13 23 12121212k k kk k kk k kZ Z Z ZZ Z Z ZZ Z Z Z = + ′ =′ ′+ =′ + ′ (2.1)式中
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM40

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