新型平衡变压器和谐波抑制变压器理论与应用研究

论文摘要

本论文围绕电力系统负序和谐波两大热点问题，从电力系统重要装备-变压器本身原理和结构出发，就如何利用变压器潜能解决负序和谐波问题，展开了一系列理论和应用研究。本论文的研究具有重大的理论意义和工程实用价值，并有广阔的工程应用背景。本论文结合教育部重点研究项目“新型变压装置及应用”（102174）和湖南省“十五”重大科技专项“高压直流输电新型换流变压器研制”（05GK1001-2），开展了大量的研究工作。本文的主要研究工作包括以下几个方面。本文系统性地分析了电力系统负序和谐波及其抑制方法，阐述了现有各种平衡变压器的主要技术特点和应用范围，指出了其使用的局限性。分析了无源滤波器、有源滤波器和混合滤波器的主要拓扑结构及其特点，指出了实现有源滤波器的三个技术关键。本文探索了平衡变压器的内在规律，系统性地分析了Scott-Teaser变压器、Le Blanc变压器、Wood Bridge变压器、阻抗匹配平衡变压器、多功能平衡变压器、YN／A平衡变压器、YN／>／-V平衡变压器、四相四柱式变压器等现有平衡变压器的运行原理，形成了较为完整的平衡变压器的理论构架，为平衡变压器的分析、计算和运行提供了理论依据。本文提出了新型平衡变压器的理论构想，发明了三种新型平衡变压器，即“星形-双梯形接线三相变四相或三相变两相平衡变压器”，“星形-梯形接线三相变两相平衡变压器”以及“星形-三角形接线三相变两相和三相变三相平衡变压器”。提出了三种新型平衡变压器的接线方案，建立了新型平衡变压器的数学模型，形成了新型平衡变压器较为完整的理论体系。提出了以绕组短路阻抗作为平衡条件和解耦条件的构想，并导出了绕组短路阻抗所应满足的关系式。这些理论成果是新型平衡变压器设计、制造和运行的理论指导和依据。本文首创的三种新型平衡变压器具有结构简单、设计制造方便、综合性能优良，材料利用率高等特点，可消除零序电流，并对负序电流具有十分显著的抑制作用，特别适合于需要单相或两相或三相负荷的应用场合。对于星形-双梯形接线平衡变压器和星形-梯形接线平衡变压器，其材料利用率可达100％，具有十分广阔的应用前景。三种新型平衡变压器已申请国家发明专利。本文提出了谐波抑制变压器的基本概念和拓扑结构，阐述了感应型谐波抑制变压器和自耦型谐波抑制变压器的基本原理，给出了基于无源滤波器、有源滤波器和混合滤波器等多种谐波抑制变压器的结构形式，说明了谐波抑制变压器的技术特点。这些理论成果为今后进一步研究指明了方向。本文分析了多功能平衡变压器、谐波屏蔽变压器和新型换流变压器等多种实用的谐波抑制变压器之基本结构、技术特点、工作原理和应用场合。研制了三种变压器模型，并完成了模型的型式试验。提出了基于谐波抑制变压器的滤波器设计方法，阐述了基于变压器谐波磁势安匝平衡机理的滤波器设计原理，给出了滤波器设计实例和参数。本文完成了基于新型换流变压器的直流输电试验平台的设计工作，分析了系统结构和组成原理，阐述了控制系统各部分功能框图及控制特性，给出了滤波方案和滤波器结构及参数，为该试验平台投入运行做好了理论准备。本文对谐波抑制变压器进行了应用与试验研究，提出了基于多功能平衡变压器和谐波屏蔽变压器的滤波方案和试验方案，模拟了现场运行的多种工况，测取了大量的试验数据，分析了试验结果，证实了谐波抑制变压器的原理是正确的，且具有很好的滤波效果。本文研制了多功能平衡变压器样机，解决了多功能平衡变压器工程应用中的许多关键技术难题，实现了多功能平衡变压器样机及其配套滤波器的现场挂网运行，实施了该变压器的基本功能和高次谐波滤波、无功补偿和提供变电所用电源等多项辅助功能。通过现场测试数据，研究了该变压器的各种运行方式。现场试验结果证实了该变压器的运行原理和滤波效果，为该变压器的推广应用积累了宝贵的现场运行经验。该项成果已通过上海铁路局组织的技术鉴定，同意在铁路上推广应用。新型平衡变压器和谐波抑制变压器适应了电力系统抑制负序和谐波的迫切要求，它们利用变压器本身的磁势平衡原理，构造出适应不同应用领域的结构形式，充分利用了变压器的多项潜能，使之具有综合效应，符合节能、省材、简单等基本要求，具有十分广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 电力平衡变压器应用领域及研究现状
• 1.2 非线性负荷产生的谐波对电力系统及变压器运行的影响
• 1.3 谐波抑制的方法与研究现状
• 1.3.1 无源电力滤波器（PF）
• 1.3.2 有源电力滤波器（APF）
• 1.3.3 混合型滤波器
• 1.4 本论文研究的目的和意义
• 1.5 本文概要
• 第2章 平衡变压器的主要接线方案与原理
• 2.1 斯科特（Scott—Teaser）接线变压器
• 2.2 李布兰克（Le Blanc）接线变压器
• 2.3 伍德桥（Wood Bridge）接线变压器
• 2.4阻抗匹配平衡变压器
• 2.5 多功能平衡变压器
• 2.6 YN/A接线平衡变压器
• /^—V接线平衡变压器'>2.7 YN/>/^—V接线平衡变压器
• 2.8 四相四柱式变压器
• 2.9 本章小结
• 第3章 新型平衡变压器接线方案与原理研究
• 3.1 星形—双梯形接线三相变四相或三相变两相平衡变压器原理
• 3.1.1 星形—双梯形接线平衡变压器接线方案
• 3.1.2 星形—双梯形接线平衡变压器数学模型
• 3.1.3 星形—双梯形接线平衡变压器的两相运行方式
• 3.1.4 星形—双梯形接线平衡变压器的四相运行方式
• 3.1.5 星形—双梯形接线平衡变压器的性能指标
• 3.2 星形—梯形接线三相变两相平衡变压器原理
• 3.2.1 星形—梯形接线平衡变压器接线方案
• 3.2.2 星形—梯形接线平衡变压器的基本方程
• 3.2.3 星形—梯形接线平衡变压器的平衡条件和解耦条件
• 3.2.4 星形—梯形接线平衡变压器的全短路阻抗
• 3.2.5 星形—梯形接线平衡变压器的材料利用率
• 3.3 星形—三角形接线三相变两相和三相变三相平衡变压器原理
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 星形—三角形接线平衡变压器接线方案
• 3.3.3 星形—三角形接线平衡变压器的电磁关系
• 3.3.4星形－三角形接线平衡变压器两相负载下的基本方程
• 3.3.5 星形－三角形接线平衡变压器三相负载下的平衡条件
• 3.3.6 星形—三角形接线平衡变压器两相及三相负载下的电流
• 3.4 本章小结
• 第4章 谐波抑制变压器原理研究
• 4.1 谐波抑制变压器的原理
• 4.1.1 谐波抑制变压器的基本拓扑
• 4.1.2谐波抑制变压器的基本原理
• 4.1.3 谐波抑制变压器的技术特点
• 4.2 谐波抑制变压器的类型
• 4.2.1 谐波抑制平衡变压器
• 4.2.2 谐波屏蔽变压器
• 4.2.3 谐波抑制换流变压器
• 4.3 本章小结
• 第5章 谐波抑制变压器配套滤波器设计方法
• 5.1 电力滤波器设计方法综述
• 5.2 基于谐波抑制平衡变压器的滤波器设计原理
• 5.2.1 谐波抑制方案
• 5.2.2 谐波抑制原理
• 5.3 基于谐波屏蔽变压器的滤波器设计原理
• 5.3.1 滤波方案
• 5.3.2 滤波器设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 新型直流输电系统试验平台设计与分析
• 6.1 新型直流输电系统试验平台结构设计
• 6.1.1 新型直流输电系统试验平台结构框图
• 6.1.2 新型直流输电系统试验平台功能设计
• 6.2 新型直流输电系统试验平台交流滤波系统设计
• 6.2.1 概述
• 6.2.2 滤波方案
• 6.3 新型直流输电系统试验平台控制系统分析
• 6.3.1 直流输电系统稳态模型及基本控制措施
• 6.3.2 直流输电系统基本控制方式
• 6.3.3 新型直流输电系统试验平台控制系统结构
• 6.3.4 新型直流输电系统试验平台控制系统功能
• 6.3.5 直流输电试验平台控制系统的稳态和动态性能要求
• 6.4 本章小结
• 第7章 谐波抑制变压器的试验研究
• 7.1 多功能平衡变压器模型运行试验研究
• 7.1.1 运行试验方案
• 7.1.2短路及负载运行试验
• 7.1.3 谐波抑制试验
• 7.2 谐波屏蔽变压器模型运行试验研究
• 7.2.1 谐波对比试验方案
• 7.2.2 试验结果分析
• 7.3 本章小结
• 第8章 谐波抑制平衡变压器的工程应用研究
• 8.1 工程应用背景
• 8.2 样机及其配套滤波器设计和制造中的关键技术
• 8.3 试验方案
• 8.4 运行方式研究
• 8.4.1 两相系统运行方式研究
• 8.4.2 三相系统运行方式研究
• 8.4.3 两相系统和三相系统同时运行方式研究
• 8.4.4 运行效果分析
• 8.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 攻读博士学位期间所发表的主要学术论文目录
• 附录 B 攻读博士学位期间所申请的专利
• 附录 C 攻读博士学位期间所承担的主要科研项目
• 附录 D 攻读博士学位期间的获奖情况
• 致谢