变压器和APF一体化设备的经济运行分析

第４卷第１１期　２０１６年１１月　智能电网　

Ｓｍａｒｔ　Ｇｒｉｄ　Ｖｏ１．４Ｎ０．１１　

ＮＯＶ．２Ｏｌ６　

ＤＯＩ：１０．１４１７１￣．２０９５．５９４４．ｓｇ．２０１６．１１．００７　文章编号：２０９５．５９４４（２０１６）１１．１０９９—０５　中图分类号：ＴＭ　７１　文献标志码：Ａ　

变压器和ＡＰＦ一体化设备的经济运行分析　祁欢欢　，范瑞祥２，周哲　，邓才波２，赵波　ｆ１．全球能源互联网研究院，北京市昌平区１０２２０９，　２．国网江西省电力科学研究院，江西省南昌市３３００９６）　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｅｃｏｎｏｍｉｃ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ＡＰＦ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ＱＩ　Ｈｕａｎｈｕａｎ　，ＦＡＮ　Ｒｕｉｘｉａｎｇ　，ＺＨＯＵ　Ｚｈｅ　，ＤＥＮＧ　Ｃａｉｂｏ　，ＺＨＡＯ　Ｂｏ　（１．Ｇｌｏｂａｌ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｐｉｎｇ　Ｄｉｓｔｒｉｃｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０２２０９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｔａｔｅ　Ｇｒｉｄ　Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００９６，Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ（ＡＰＦ）ｅｑｕｉｐｍｅｒｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｕｓｔ　ｂｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓ．ＡＰＦ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｇｏｖｅｒｎ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕＭｉｔｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ，ｂｕｔ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ＡＰＦ　ｉｓ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ．Ｂｙ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ＡＰＦ，ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｌｏｓｓ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂｙ　ＡＰＦ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ＡＰＦ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ＡＰＦ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ＡＰＦ　ａｒｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ．　

ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ（ＡＰＦ）ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓ　摘要：变压器和有源电力滤波￣（ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ，ＡＰＦ１一体化设备己在实际中示范应用，必须考虑设备的安全经济运行，　尽可能减少设备的损耗。利用ＡＰＦ治理电能质量问题，会减少变压器等设备的损耗；同时，ＡＰＦ工作时自身也会产生损耗。　针对配电变压器和ＡＰＦ一体化设备的典型结构，分析ＡＰＦ治理电能质量带来的变压器节能降损及治理过程中ＡＰＦ产生的自　身损耗，进而提出变压器和ＡＰＦ一体化设备的经济运行状况分析方法。通过算例具体说明变压器和ＡＰＦ一体化设备的经济　运行计算方法，并进行经济效益分析。　

关键词：变压器和有源电力滤波器（ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ，ＡＰＦ１一体化设备；经济运行；损耗　０　引言　有源电力滤波器（ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ，ＡＰＦ）是目　前基于电力电子技术治理电能质量问题的主要装　置之一，特别是三相四桥臂结构ＡＰＦ具备补偿三相　不平衡、谐波、无功的综合补偿功能。目前国内外　的ＡＰＦ多安装于负载侧，进行就地分散方式治理，　独立于配电变压器运行。目前，文献［１，５］提出了电　力电子补偿装置与变压器一体化结构。其中一种典　型的结构为不改变变压器本体结构的变压器和　ＡＰＦ一体化设备，这种设备目前己在典型台区进行　试点应用。　

基金项目：国家电网公司科技项目（５２１８２０１５０００８）。　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　Ｓｔａｔｅ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　ｏｔ　Ｃｈｉｎａ（５２１８２０１５０００８）．　

传统的变压器需满足电力变压器的安全运行　条件，并且为了最大限度降低电能损耗，使变压器　运行在经济运行区间内【ｏＪ。变压器和ＡＰＦ一体化设　备的运行也应该保证变压器运行在经济运行区间　内。目前尚无文献对变压器和ＡＰＦ一体化设备进行　经济运行分析。本文以变压器和ＡＰＦ一体化设备治　理谐波为例，分析这种设备的经济运行。　变压器和ＡＰＦ一体化设备补偿谐波后，能够降　低变压器运行时由于谐波产生的损耗，这样能够达　到节能的效果。但是，ＡＰＦ在治理谐波的同时，自　身会产生通态损耗和开关损耗，这样又会增加设备　的损耗。因此，变压器和ＡＰＦ一体化设备的经济运　行，需要综合考虑治理谐波的变压器节能降损和　ＡＰＦ自身的损耗。因此，本文分析治理谐波后变压　器减少的损耗、ＡＰＦ自身损耗；并以典型台区和三　１１００　祁欢欢等：变压器和ＡＰＦ一体化设备的经济运行分析　Ｖｏ１．４　Ｎｏ．１１　电平模块产品的参数为算例，分析变压器和ＡＰＦ一　体化设备的节能降损效果。　

１　配电变压器和ＡＰＦ一体化设备原理结构　配电变压器和ＡＰＦ一体化设备的基本结构如　图１所示。图１是三相四线制系统，－－，ｇ四桥臂结　构的ＡＰＦ连接于３８０Ｖ线路上，位于１０ｋＶ／０．４ｋＶ　变压器的低压侧，与变压器形成一体化设备。　

１０　ｋＶ／ｏ　４　ｋＶ　电源配电变压器３８０ｖ线路负载　

图１　配电变压器和ＡＰＦ一体化设备基本结构　Ｆｉｇ．１　Ｂａｓｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ＡＰＦ　

ＡＰＦ由二极管箝位式三电平模块组成，每个桥　臂包括ＩＧＢＴ、续流二极管、箝位二极管等电力电　子开关。如ａ相桥臂中，ＩＧＢＴ包括ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３、　ＶＴ４，续流二极管包括ＶＤ１、ＶＤ２、ＶＤ３、ＶＤ４，箝　位二极管包括ＶＤ５、ＶＤ６。　ＡＰＦ用于治理负载线路的谐波，从而减少变压　器的谐波，同时也减少了１０　ｋＶ线路的谐波；从而　实现了节能降损，然而ＡＰＦ治理谐波时自身也产生　损耗。　

２　ＡＰＦ治理谐波的节能降损分析　变压器的谐波损耗尸Ｔ１与谐波电流和谐波电压　有关，有以下关系＿７Ｊ．　

ｎ　＝２　２　薹　去≈　＿＝Ｚ　—Ｉ　（　Ｒｈ，仃，２　＋　１

门【，２　（１）　

式中：　和厶分别为电压和电流的ｎ次谐波分量；　Ｕｌ为基波电压；Ｒ　为　次谐波铜损电阻；　为短路　损耗；Ｐｏ为基波空载有功损耗；　和　分别为电　压和电流的总谐波畸变系数：Ｒｈ为等效谐波阻抗。　由于啪相对较小，即使取ｎ＝３也会使谐波铁损　很小【　。　式（１）中，等效谐波阻抗为　

∑　（　／　）　＝竖，－一　∑（　／１１）　ｎ＝２　其中，　

＝，／ｎＲ，　总谐波电流为　

，ｈ＝　当负载线路中含有谐波，ＡＰＦ治理谐波后，通　过变压器和线路中的电流不含或含很少谐波，则减　少的谐波不在变压器和线路中产生损耗，即ＡＰＦ　治理谐波达到节能降损的效果。ＡＰＦ治理减小的损　耗为　＝　１　（５）　式中　为减少ＡＰＦ治理后变压器的节能降损。　

３　ＡＰＦ治理谐波的自身损耗分析　ＡＰＦ治理谐波时，电力电子开关导通时会产　生通态损耗，控制开关的导通和关断也会产生开关　损耗。ＡＰＦ的自身损耗主要来自于通态损耗和开　关损耗。　３．１通态损耗分析　采用正弦脉宽调制（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＳＰＷＭ）调制时，以ａ相上桥臂为例　Ｊ，　计算通态损耗，ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＤ３／ＶＤ４、ＶＤ５的平均　通态损耗为　

＝　（１＋ｃｏｓ０　［　ｃｏｓ０＋ｓｉｎＯ］４ｒｅ　Ｏ丁ｃ　

ＰｖＴ２＝

（ＲｖＴ　２Ｘ￣ｍ

一＋　ＭＲ

６ｖ

兀

￣Ｉ２ｍ（１－ｃｏｓ０　（０ｃｏｓ０－ｓｉｎ０）