14MW水冷磁體電源無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)*

陳曉勇宋敏慧?胡向陽(yáng)

1.中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心,強(qiáng)磁場(chǎng)安徽省實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026

1 引言

作為國(guó)家大科學(xué)裝置之一,強(qiáng)磁場(chǎng)為科學(xué)的發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇,提供了極端科學(xué)實(shí)驗(yàn)條件.為滿(mǎn)足強(qiáng)光磁關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目42 T水冷磁體供電需求,需要新建一套14 MW電源.水冷磁體電源由于獨(dú)特的工作特性,因此需要配備無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備,而結(jié)合現(xiàn)有的電源無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)備,擬采用高壓SVG補(bǔ)償方案,提供總?cè)菪詿o(wú)功約7 Mvar,使電源在全時(shí)段運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)大于0.9,以實(shí)現(xiàn)無(wú)功輸出的連續(xù)、平滑、動(dòng)態(tài)、快速調(diào)節(jié).目前現(xiàn)有的磁體電源無(wú)功補(bǔ)償裝置采用的是定電容補(bǔ)償,該方案的最主要的缺點(diǎn)是設(shè)備體積大,并且容易造成過(guò)補(bǔ)償,功率因數(shù)不高.對(duì)此本文提出了一套新的無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆桨?并引入鏈?zhǔn)酱?lián)結(jié)構(gòu).

鏈?zhǔn)酱?lián)SVG,相對(duì)于變壓器多重化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),省去升壓變壓器,裝置的成本與占地面積得到優(yōu)化;采用N個(gè)模塊串聯(lián),各個(gè)模塊結(jié)構(gòu)完全一致,最大程度利于制造與維護(hù);易實(shí)現(xiàn)N-1冗余設(shè)計(jì),故障鏈節(jié)可自動(dòng)退出,不影響裝置的連續(xù)運(yùn)行;可以降低IGBT的開(kāi)關(guān)頻率,使成套裝置的運(yùn)行損耗減小;與優(yōu)化的高頻脈寬調(diào)制技術(shù)相組合,N個(gè)鏈節(jié)移相疊加,輸出波形更逼近正弦波[1].基于鏈?zhǔn)酱?lián)SVG的優(yōu)點(diǎn),本文提出利用高壓SVG靜止動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆桨?文中對(duì)整體的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵器件的計(jì)算進(jìn)行了說(shuō)明,利用PSCAD構(gòu)建模型,最終仿真結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求,證明了方案的可行性.

2 高壓SVG的應(yīng)用

2.1 簡(jiǎn)介

下圖1為引入鏈?zhǔn)酱?lián)SVG的水冷磁體電源無(wú)功補(bǔ)償拓?fù)鋱D,其在10 k V母排上接入高壓SVG,按照水冷磁體掃場(chǎng)和穩(wěn)場(chǎng)的需要,在無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中,既能保證快速投切,也能動(dòng)態(tài)調(diào)整.

圖1 14 MW水冷磁體電源方案主拓?fù)鋱D

2.2 基本原理

鏈?zhǔn)酱?lián)SVG相比較于其他拓?fù)浞绞窖b置的成本和面積更小,易于組合,冗余性較好,降低了IGBT開(kāi)關(guān)頻率,使運(yùn)行損耗降低,另外,N個(gè)鏈接相疊加,輸出波形更接近正弦.同時(shí)控制策略上采用單極倍頻載波移相調(diào)制,在變流器單元數(shù)為N的級(jí)聯(lián)型逆變器中,各逆變器單元采用共同的調(diào)制波信號(hào)us(ωs),其頻率為ωs,各逆變器單元的三角載波頻率為kcωs,將各三角載波的相位互相錯(cuò)開(kāi)三角載波周期一半的1/N[2],則第L個(gè)逆變器三角載波的相角φL=φc+πL/N,將各逆變器單元輸出疊加,就能得到電平數(shù)為(2N+1)的級(jí)聯(lián)逆變器總的輸出電壓[3].采用級(jí)聯(lián)策略使開(kāi)關(guān)管工作在低頻率下得到高頻的效果,完成電壓品級(jí)與開(kāi)關(guān)頻率之間平衡,降低了成本,也較好降低了輸出諧波含量,提升了波形品質(zhì)[4].

為了便于分析比較,如下圖為單相兩級(jí)串聯(lián)模式:

圖2 兩個(gè)H橋逆變單元串聯(lián)拓?fù)?/p>

圖3 載波與調(diào)制波波形

脈沖序列工作過(guò)程:(1)uc1與us比較,當(dāng)us＞uc1時(shí),s1=1,s2與s1互補(bǔ),則s2=0,當(dāng)-us＞uc1時(shí),s3=1,s4與s3互補(bǔ),則s4=0;(2)uc2與us比較,當(dāng)us＞uc2時(shí),s5=1,s6與s5互補(bǔ),則s6=0,當(dāng)-us＞uc2時(shí),s7=1,s8與s7互補(bǔ),則s8=0;

上圖中uc1與uc2是上下兩個(gè)H橋功率單元的載波信號(hào),兩組三角載波的相位差是90°,幅值頻率相等,兩組調(diào)制波,相位差180°[5].

3 樣機(jī)參數(shù)計(jì)算

考慮水冷磁體電源運(yùn)行要求,對(duì)高壓SVG進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì).其主要的設(shè)計(jì)如下:

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

3.1 連接方式以及級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)選擇

三角形接線SVG的相電壓等于電網(wǎng)線電壓10 k V,即每相級(jí)聯(lián)模塊最高需承受14.14 k V的電壓,設(shè)定調(diào)制比為m=0.85,電容電壓穩(wěn)定值為Udc=850 V.

N為子模塊數(shù),Usab.max為電網(wǎng)線電壓最大值14.14 k V;m為逆變器調(diào)制比.計(jì)算出三角形接線SVG級(jí)聯(lián)數(shù)為20.

星形接線SVG每一相級(jí)聯(lián)模塊承受的電壓為電網(wǎng)相電壓,不再是10 k V,而是10/3 k V.

其中,Usa.max為電網(wǎng)相電壓幅值,計(jì)算得到星形接線SVG每一相級(jí)聯(lián)模塊中串聯(lián)的H橋單元個(gè)數(shù)約為12個(gè).

三角形接線SVG需要級(jí)聯(lián)的H橋單元更多,星形接線SVG所需要的級(jí)聯(lián)H橋較少,就經(jīng)濟(jì)性與性?xún)r(jià)比而言,星形接線SVG更適合.

3.2 電抗的選擇

電抗器感量的選擇十分重要的.感量過(guò)大,則系統(tǒng)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢,如果感量過(guò)小,則不能夠達(dá)到濾除高頻諧波的目的,電流沖擊較大[6].根據(jù)下式確定電感值為:

取電抗率K=6%時(shí),才能補(bǔ)償支路的5次以上諧波電抗呈感性,才能有效地抑制高次諧波,并將合閘涌流限制在5倍額定電流左右[7],計(jì)算得L為2.73 m H.

綜合考慮實(shí)際工況,確定連接電抗器電感量為3 m H,額定電流為630 A,額定電壓為10 k V.

3.3 輸出電容的選擇

設(shè)備容量7 Mvar,主電路采用H橋多單元級(jí)聯(lián),每相采用12單元.主電路輸出采用星型接線,IGBT開(kāi)關(guān)頻率選取為1 k Hz,輸出電壓10 k V,每單元直流側(cè)電壓設(shè)置850 V,波動(dòng)允許為85 V,額定相電流為404 A.

每相選定12個(gè)單元,即N=12;直流側(cè)電壓設(shè)定850 V.取ΔU=85 V

DC-LINK電容的選取:

得出:C=1.97 m F,所以總共電容選取為C*36=70.92 m F.

3.4 控制策略

經(jīng)綜合比較,采用跟蹤型PWM技術(shù)對(duì)電流波形的瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制,其中采用三角波比較方式的跟蹤型PWM技術(shù).其以瞬時(shí)電流無(wú)功分量的參考值iQref為主,根據(jù)SVG對(duì)有功的需求,對(duì)iQref的相位進(jìn)行修正來(lái)得到總的瞬時(shí)電流參考值iref[8].其中,瞬時(shí)電流無(wú)功分量的參考值由滯后電源電壓90°的正弦波與無(wú)功電流參考值IQref相乘得到,而SVG對(duì)有功的需求,可以由直流側(cè)電壓的反饋控制來(lái)體現(xiàn)[9].

圖4 控制模型圖

4 仿真分析

根據(jù)實(shí)際工程情況,計(jì)算和分析了無(wú)功補(bǔ)償裝置的主要參數(shù)和選擇,并利用PSCAD軟件搭建了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?如下為電源系統(tǒng)的PSCAD仿真模型圖,由于磁體電源負(fù)載為感性.因此設(shè)定7 Mvar感性負(fù)載模擬磁體電源運(yùn)行的時(shí)的負(fù)載,其中6 Mvar感性負(fù)載為直接投入10 k V母排上,在SVG在1 s后投入母排上,1 Mvar感性負(fù)載5 s后投入母排上,以模仿負(fù)載突然變動(dòng)時(shí),SVG的動(dòng)態(tài)響應(yīng).

結(jié)合圖5和圖6可以觀察和分析到,第一在SVG投入母排前,由于6 Mvar感性負(fù)載的存在,造成母排電壓低于遠(yuǎn)10 k V,低于電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn);第二在投入SVG后,母排電壓隨即升高至10 k V,與此同時(shí)負(fù)載也達(dá)到設(shè)定值6 Mvar,而此時(shí)SVG提供6 Mvar容性無(wú)功,電網(wǎng)中無(wú)功基本為零;第三在5 s時(shí)負(fù)載增加1 Mvar感性無(wú)功時(shí),母排電壓輕微波動(dòng),保持穩(wěn)定,SVG能夠快速響應(yīng),跟隨負(fù)載無(wú)功的變化,使母排電壓保持穩(wěn)定,電網(wǎng)中無(wú)功功率基本為零.電流畸變小,在突加負(fù)載擾動(dòng)后,正弦形態(tài)同樣保持穩(wěn)定.

圖5 電源系統(tǒng)的PSCAD感性負(fù)載仿真模型圖

圖6 感性負(fù)載無(wú)功功率狀態(tài)圖

圖7 感性負(fù)載時(shí)10 k V母排電壓變化圖

圖8 感性負(fù)載時(shí)10 k V母排電流變化圖

由于現(xiàn)運(yùn)行磁體電源無(wú)功補(bǔ)償裝置為定電容,容易形成過(guò)補(bǔ)償,為了后期與現(xiàn)有28 MW磁體電源進(jìn)行系統(tǒng)集成工作,因此在設(shè)計(jì)時(shí)考慮補(bǔ)償容性無(wú)功.因此設(shè)定7 Mvar容性負(fù)載模擬磁體電源運(yùn)行時(shí)無(wú)功造成的過(guò)補(bǔ)償負(fù)載,其中6 Mvar容性負(fù)載為直接投入10 k V母排上,SVG在1 s后投入母排上,1 Mvar容性負(fù)載5 s后投入母排上,以模仿負(fù)載變動(dòng)時(shí),SVG的動(dòng)態(tài)響應(yīng).

圖9 容性負(fù)載時(shí)無(wú)功功率狀態(tài)圖

圖10 容性負(fù)載時(shí)10 k V母排電壓變化圖

圖11 容性負(fù)載時(shí)10 k V母排電流變化圖

從波形上可以分析出,在投入SVG后,SVG能夠快速響應(yīng),隨著負(fù)載的變化提供相應(yīng)的無(wú)功,其次保證母排電壓維持相對(duì)穩(wěn)定,電流畸變小,滿(mǎn)足設(shè)定的要求,符合磁體實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)電源系統(tǒng)的要求.

5 結(jié)論

本文根據(jù)強(qiáng)光磁場(chǎng)預(yù)研項(xiàng)目的要求,制定了無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)方案,并分析了級(jí)聯(lián)H橋模式的工作原理以及對(duì)主要的器件進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算,最后通過(guò)利用仿真軟件PSCAD對(duì)設(shè)計(jì)的參數(shù)和級(jí)聯(lián)控制模式進(jìn)行仿真,模擬了磁體電源在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中母排和負(fù)載無(wú)功功率的變化情況,最后通過(guò)設(shè)計(jì)的無(wú)功補(bǔ)償裝置解決了母排電壓低和電網(wǎng)功率因數(shù)低等問(wèn)題,為后續(xù)裝置建設(shè)提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù).