三代核電站棒電源整流電路諧波分析及測算方法研究

周蘊花, 王 帥

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院, 上海 200240)

三代核電站棒電源整流電路諧波分析及測算方法研究

周蘊花, 王 帥

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院, 上海 200240)

針對三代核電站棒電源系統(tǒng)三相半波帶載試驗過程中智能電力儀表和微機綜保界面的電量顯示存在不一致的問題，對兩種設(shè)備的測算方法進行了分析和研究，得出兩者顯示不同的原因；并利用傅里葉展開對三相半波整流電路的電流諧波作了分析，推導(dǎo)出各次諧波含量表達式以及基波電流與總電流之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，經(jīng)驗證實際試驗數(shù)據(jù)與該推導(dǎo)結(jié)論基本一致。

三相半波; 棒電源; 智能電力儀表; 微機繼電保護裝置

Abstract： To solve the problem of inconsistent electric display between intelligent electric meter and microcomputer integrated protection device existing in three-phase half-wave rectifier loading test for RDPS of the third generation nuclear power plant, analytic research was conducted on the measurement of above two devices, during which the causes leading to the inconsistent display were found. Furthermore, Fourier expansion was used to analyze the current harmonic of the three-phase half-wave rectifier, and to derive each harmonic expression as well as the mathematical relationship between the fundamental current and the total current. The derived results were proved to agree well with actual measurements.

Keywords： three-phase half-wave rectifier; RDPS; intelligent electric meter; microcomputer integrated protection device

整流電路中產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)和設(shè)備會造成較大的危害，三相半波整流電路由于中性線含有較高的直流分量，諧波分量大，在實際應(yīng)用中較少。核電站控制棒驅(qū)動機構(gòu)由于特殊的工況要求，需要采用三相半波整流電路驅(qū)動三個高感線圈的提升和下插動作。在棒電源系統(tǒng)的整體聯(lián)調(diào)帶載試驗中，存在智能電力儀表與微機保護設(shè)備電量顯示不一致的現(xiàn)象，為此筆者展開了對兩種設(shè)備測算方法的研究，并通過傅里葉級數(shù)變換，對三相半波整流電路的電流波形進行諧波分析，找出兩者間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

1 問題描述

控制棒驅(qū)動機構(gòu)是核電站內(nèi)的重要設(shè)備，直接關(guān)系核電站的可靠運行。控制棒的提升和下插動作需要通過鉤爪部件和3個高感線圈配合完成[1]。核電控制棒驅(qū)動機構(gòu)電源系統(tǒng)(簡稱棒電源系統(tǒng))是為控制棒驅(qū)動機構(gòu)提供可靠穩(wěn)定的交流260 V、50 Hz電源的電氣設(shè)備[2]。高感驅(qū)動線圈的提升、移動和固定必須利用三相半波輸出的紋波特性使線圈按照給定的時序快速地得電與失電，使對應(yīng)的電磁鐵按照時序電流信號吸合與釋放，以控制核反應(yīng)堆內(nèi)棒束的提升和下插[3-4]。

三代核電站棒電源帶載試驗系統(tǒng)見圖1，2臺棒電源機組由兩段母線分別供電，并網(wǎng)后經(jīng)三相半波整流電路拖動后續(xù)負載，每臺機組均配置有相應(yīng)的微機繼電保護裝置(簡稱微機綜保)和智能電力儀表。測量儀表的電壓取自發(fā)電機PT，變比為260 V/100 V；微機綜保的電壓直接取自發(fā)電機出口。電流取樣采用電流互感器，智能電力儀表采用1 000/5 A的CT，測量精度為0.5級；微機綜保采用1 000/5 A的CT，保護等級為5P10，詳細接線圖見圖2。

圖1 棒電源系統(tǒng)試驗配置圖

圖2 電力儀表和微機綜保接線圖

早期的棒電源系統(tǒng)采用傳統(tǒng)繼電保護裝置，由獨立的繼電裝置完成單一保護功能[5]，不帶程序控制和電量顯示功能，棒電源系統(tǒng)電量僅通過智能電力儀表顯示，電量顯示問題并沒有受到關(guān)注。三代棒電源系統(tǒng)采用微機綜保取代傳統(tǒng)的繼電保護裝置，一套綜保裝置可以執(zhí)行多個保護，同時帶電量顯示功能。

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)智能電力儀表界面上顯示的電量和微機綜保界面顯示的電量不一致，具體表現(xiàn)為：電力儀表的電流值偏大，功率因數(shù)偏小，有功功率和電壓顯示值基本一致。

2 電力儀表電量測算方法

電力儀表是電力參數(shù)測量、電能質(zhì)量監(jiān)視和分析、電氣設(shè)備控制提供解決方案的電力測量及控制設(shè)備。棒電源系統(tǒng)采用帶諧波分量顯示和諧波波形顯示的智能電力儀表，可實時測量相電壓、線電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、視在功率、有功功率、無功功率等電量，并顯示諧波分量和諧波波形。該儀表基于傅里葉變換計算各電量，表1為智能電力儀表常用電量計算公式。

表1 智能電力儀表常用電量計算公式

其中無功功率計算采用對電流信號進行移相+90°的算法得到，對于含有諧波的波形此方法是不真實的[6]。

3 微機綜保電量測算方法

微機綜保通常采用算法對各種電氣量進行濾波處理，基于傅里葉的濾波算法眾多，常用的保護算法有：序分量的濾序算法，基于正弦函數(shù)模型的算法，基于非正弦函數(shù)模型的算法[7-10]。其中基于非正弦函數(shù)模型算法中又包括全波傅里葉算法和半波傅里葉算法等[11]。但各種算法間存在著差異，只有選取合理的算法才能快速、靈敏、可靠、有選擇地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除。

筆者采用的微機綜保選用的測算方式為基于基頻分量的真有效值計算方法，不考慮諧波分量。因此界面上顯示的電量均為基頻電流I1、基頻電壓U1、基頻有功功率P1等，常用計算公式見表2。

表2 微機綜保常用電量計算公式

4 三相半波整流電路理論分析

基于以上分析能判斷出試驗中電力儀表和微機綜保顯示電量不一致的原因為：電力儀表顯示的為總電流值，微機綜保只顯示其中基波電流成分。為了驗證兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，下面對三相半波整流電路中的電流進行傅里葉級數(shù)展開，進而對電流諧波和功率因數(shù)進行分析。圖3為三相半波整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖3 三相半波整流電路共陰接法主電路圖

圖4 三相半波整流電路α=60°時負載波形圖

根據(jù)文獻[12]，周期為T=2π/ω非正弦電流i(ωt),一般滿足狄里赫利條件，可分解為如下形式的傅里葉級數(shù)：

(1)

或

(2)

帶阻感負載的三相半波整流電路忽略換相過程和電流脈動，假設(shè)交流電抗為零，直流電感L為足夠大，則每相電流為正的120°方波，三相電流波形相同，依次相差120°，其有效值與直流電流的關(guān)系為：

(3)

利用傅里葉級數(shù)分解和計算，將每相電流滯后120°作為時間零點，得到：

(4)

根據(jù)選取的時間零點，使i(ω t)為偶函數(shù)，即滿足i(-ω t)=i(ω t)，正弦項系數(shù)bn為零[13]。則

當n≥1時，

故

(5)

得電流直流分量、基波和各次諧波分別為：

(6)

式中：k=1,2,3,…。

由上面的計算結(jié)果可得以下結(jié)論：三相半波整流電路感性負載時電流含有直流分量和3k±1(k為整數(shù))次的諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。根據(jù)功率因數(shù)λ定義為有功功率P和視在功率S的比值：

(7)

得基波因數(shù)：

(8)

(9)

功率因數(shù)λ為：

(10)

圖5為功率因數(shù)λ控制在0.3(根據(jù)式(10)，則α≈91.1°)時，在不同負載下，智能儀表和微機綜保的電流實測值以及兩者的關(guān)系圖。

圖5 智能儀表和微機綜保實測電流及兩者關(guān)系圖

從圖5可以看出：兩者顯示的電流量基本成線性關(guān)系，由于實際每相電流均存在一定的有功分量，并且基波成分隨有功分量增加而增大，且感抗值相對于阻值并非無窮大量，得到的相電流波形并不是理想的方波，故試驗值與理論值存在一定的偏差，但綜保電流與智能電力儀表電流的比值仍接近于理論計算值0.675。

5 結(jié)語

智能電力儀表和微機綜保因設(shè)計用途不同對諸如三相半波這種諧波含量高的非正弦電路電量顯示會有差異。智能電力儀表以功耗計量需求而設(shè)計，需捕捉總電量；微機綜保需要提取電網(wǎng)中的故障特征量，主要考慮基波成分。筆者通過對三相半波整流電路進行傅里葉分析，得出了三相半波電路的各次諧波表達式，為計量、保護設(shè)備選型和實際應(yīng)用提供了有力的理論基礎(chǔ)。

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HarmonicAnalysisandMeasurementforRDPSRectifierCircuitoftheThirdGenerationNuclearPowerPlant

Zhou Yunhua, Wang Shuai

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

2016-12-27；

2017-02-08

大型先進壓水堆重大專項資金資助項目(2014ZX06002004-002)

周蘊花(1979—)，女，工程師，從事高壓變頻器設(shè)計和核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)電源系統(tǒng)研究。

E-mail: yunhua.zhou@speri-keda.com

TL362.6

A

1671-086X(2017)05-0340-04