某磁性處理主電源系統(tǒng)諧波抑制及無功補(bǔ)償技術(shù)研究

李志新，朱武兵

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某磁性處理主電源系統(tǒng)諧波抑制及無功補(bǔ)償技術(shù)研究

李志新，朱武兵

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

某磁性處理主電源系統(tǒng)采用基于晶閘管的相控整流電源，在磁性處理勤務(wù)中,電源需輸出首脈沖幅值很大、正負(fù)交替、幅值逐步衰減的間歇式脈沖電流，這時(shí)交流側(cè)諧波含量大、功率因數(shù)低，對電網(wǎng)污染嚴(yán)重。針對該電源的特點(diǎn)，為抑制其諧波并補(bǔ)償無功，本文從優(yōu)化變壓器聯(lián)接組和增加濾波支路兩個(gè)方面進(jìn)行了研究，確定了該電源的諧波抑制及無功補(bǔ)償方案。研究結(jié)果和工程實(shí)踐均表明，該方案很好地解決了該電源的諧波和無功問題。

磁性處理 諧波抑制 無功補(bǔ)償 變壓器聯(lián)接組

0 引言

對船舶進(jìn)行磁性處理時(shí)，需在工作線圈中通以首脈沖幅值很大、正負(fù)交替、幅值逐步衰減的間歇式脈沖電流[2,3]，某磁性處理主電源系統(tǒng)采用圖1所示的基于晶閘管的相控整流電源供電，該電源在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，主要為5、7、11、13等次特征諧波。由于大量諧波的存在，使得交流側(cè)的電壓電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，使電網(wǎng)電能質(zhì)量降低，如增加變壓器繞組附加損耗、引發(fā)諧波過電壓、引起常規(guī)變流器控制角的觸發(fā)脈沖間隔不等甚至損壞換相設(shè)備、引起電容器局部放電、對繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生干擾和造成、降低系統(tǒng)功率因數(shù)等。

1 電源主要特性

圖1所示電源，采用三相全控整流橋整流，磁性處理勤務(wù)中，直流側(cè)最大脈沖電流I=4000 V，變壓器一次側(cè)額定電壓10 kV，二次側(cè)額定電壓646 V。

圖1 相控整流式主電源

當(dāng)直流側(cè)輸出最大電流時(shí)（設(shè)此時(shí)整流橋?qū)ń沁_(dá)到最大值），變壓器二次側(cè)的電流為[1]:

不采取治理措施時(shí)10 kV母線電壓電流波形如圖2所示，電流（以A相為例）統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示（脈沖電流最大值為幾千安培，最小值為幾十安培，故基波的最大值和最小值相差很大），可見電壓電流波形均與理想正弦波形相去甚遠(yuǎn)，諧波含量豐富，最大基波電流遠(yuǎn)大于理想情況下的基波電流，說明功率因數(shù)低，約為0.55。

按國標(biāo)規(guī)定，注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值見表2，可見圖1所示的電源未進(jìn)行諧波治理時(shí)產(chǎn)生的5、7、11、13次諧波電流均超出國標(biāo)允許值，功率因數(shù)也很低，應(yīng)采取措施對該電源進(jìn)行諧波抑制和無功補(bǔ)償。

2 優(yōu)化變壓器聯(lián)接組消除5、7次諧波

圖3 采用三繞組變壓器的主電源

如圖3所示的主電源，用由D/y11,D0聯(lián)接組的三繞組變壓器為兩個(gè)通過平衡電抗器并聯(lián)工作的全橋相控整流橋供電，構(gòu)成的十二脈波整流電源。D/y11,D0變壓器聯(lián)接組如圖4所示，以A相為例，主電源工作時(shí)，二次側(cè)為星形連接的變壓器線電流為:

二次側(cè)為三角形連接的變壓器線電流為

根據(jù)三角形連接變壓器線電流與相電流之間的關(guān)系，可得二次側(cè)為三角形連接的變壓器的相電流為

則三繞組變壓一次側(cè)線電流為

圖4 D/y11、d0聯(lián)接組

由式（5）可知，從理論上講，10 kV母線的電流中沒有5次和7次諧波的，但由于磁性處理主電源工作在脈沖狀態(tài)以及理想狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)有差別等原因，10 kV母線的電流是存在一些5次和7次諧波的，記為:

3 濾波支路濾除諧波同時(shí)補(bǔ)償無功

最為通常采用的諧波濾除支路如圖5所示，各支路為單星形接線，中性點(diǎn)不接地，上半部分為單調(diào)諧支路，即電容器和電抗器按電壓諧振原理針對某次諧波串聯(lián)諧振，下半部分為高通支路，及對頻率較高的諧波呈低阻抗，避雷器用于電容器組的操作過壓保護(hù)，放電線圈在濾波支路退出運(yùn)行后迅速使電容器兩端的殘余電壓降至安全水平，并兼作電容器的內(nèi)部故障保護(hù)。這種濾波支路適用于比較平穩(wěn)、穩(wěn)定的電路。

由于磁性處理主電源為晶閘管相控整流電源，且?guī)Э焖贈(zèng)_擊性負(fù)荷，因而在工作過程中除了會(huì)產(chǎn)生大量頻率為工頻（基波頻率）整數(shù)倍的諧波成分外（以11、13等次為主），還伴隨有大量間諧波（指非整數(shù)倍基波頻率的諧波）存在[4]。雖然主電路采用多相整理方式，理論上消除了5、7次等諧波，但實(shí)際工作過程中仍然存在一定量的5、7次諧波。此外，若給磁性處理電源供電的為獨(dú)立電站或容量很小的電網(wǎng)，電源工作時(shí)，頻率波動(dòng)可能會(huì)比較頻繁。根據(jù)以上實(shí)際情況，設(shè)計(jì)由5、7、11次三個(gè)濾波支路組成的濾波支路（13次及以上的諧波電流往往較?。?，并將5、7、11支路均設(shè)計(jì)為帶通濾波器，如圖6所示，電抗器兩端均并聯(lián)電阻。使用該帶通濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)有：①帶通濾波器頻帶加寬，不但可以濾除特征諧波電流，同時(shí)還對諧振點(diǎn)附近的非特征諧波有一定的濾波功能；②帶通濾波器對頻率變化不是很敏感，不會(huì)使濾波器失諧；③帶通濾波器并聯(lián)電阻器后，增加了濾波支路的阻尼，可以有效防止諧波諧振放大和與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。

圖5單調(diào)諧支路和高通支路

磁性處理主電源的負(fù)載為磁性處理工作繞組，電感較大，相控整流橋換向角等因素將導(dǎo)致電流滯后電壓，再加上整流電路本身的特點(diǎn)，致使電源消耗較多的無功，功率因素較低，需進(jìn)行無功補(bǔ)償[5-6]。

圖6 帶通濾波支路

針對主電源消耗感性無功的特點(diǎn)，充分利用圖6所示帶通濾波支路中的電容進(jìn)行無功補(bǔ)償。我們通常所指的無功均為基波無功，故設(shè)計(jì)圖6所示電容時(shí)，考慮濾除諧波的同時(shí)補(bǔ)償基波無功。對基波而言，5、7、11次支路的電感影響均不大，故可近似認(rèn)為三條支路的電容并聯(lián)為主電源補(bǔ)償無功，據(jù)此三條支路電容的總?cè)葜?，再根?jù)期望的帶通濾波器的中心頻率、通帶計(jì)算各電容、電抗的值，則圖6所示帶通濾波支路能同時(shí)濾除諧波和補(bǔ)償無功。

4 小結(jié)

優(yōu)化后的主電源如圖7所示，通過采用合適聯(lián)接組的三繞組變壓器，大幅減小整流電路中比重最大的5、7次諧波，通過在交流側(cè)增加5、7、11次帶通濾波支路，濾除諧波的同時(shí)補(bǔ)償無功。采取治理措施后，磁性處理主電源的電壓電流波形如圖8所示，電流統(tǒng)計(jì)（以A相為例）結(jié)果如表3所示，可見電壓電流波形均與正弦波形基本接近，基波電流接近理想情況下的基波電流，說明功率因數(shù)大大提高，取得了很好的效果：①考核點(diǎn)10 kV母線電壓諧波畸變率滿足國標(biāo)要求、各次諧波電流值都在標(biāo)準(zhǔn)限定值以內(nèi)；②負(fù)荷側(cè)功率因數(shù)提高，可達(dá)0.9以上（約0.915），無功輸送減少；③濾波器通過加裝適當(dāng)?shù)淖枘犭娮?，避免了諧波電流放大和與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振的可能；④大量諧波、無功電流消除后，母線諧波電壓也隨之降低。綜上所述，磁性處理主電源系統(tǒng)進(jìn)行諧波和無功治理后，改善了供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，提高了功率因數(shù)，穩(wěn)定了系統(tǒng)運(yùn)行水平。特別是對獨(dú)立的柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電容量及穩(wěn)定性較市電電網(wǎng)要小的多，保障了發(fā)電機(jī)組帶突變負(fù)荷時(shí)的安全、可靠運(yùn)行。

圖7 優(yōu)化后的主電源

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Study on Harmonic Suppression and Reactive Power Compensation Technology in A Main Deperming Power Supply System

Li Zhixin, Zhu Wubing

(College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033,China)

TM46

A

1003-4862（2018）05-0040-04

2018-02-15

李志新(1981-)，男，碩士，講師。研究方向：電工理論與新技術(shù)。