EAST無功補(bǔ)償與濾波系統(tǒng)分析

1、EAST無功補(bǔ)償與濾波系統(tǒng)分析郭高朋 許留偉 江加福 李?。ㄖ袊茖W(xué)院等離子體物理研究所. 安徽 合肥 230031）摘要 EAST濾波與無功補(bǔ)償系統(tǒng)是用來濾除電源系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流，并對(duì)產(chǎn)生的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)與電網(wǎng)的電磁兼容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明現(xiàn)有的濾波與無功補(bǔ)償系統(tǒng)不能滿足要求，同時(shí)考慮到負(fù)載擴(kuò)容的要求，提出了改造方案。分析表明， 針對(duì)這種沖擊性負(fù)載，該方案能夠滿足濾波與無功補(bǔ)償?shù)囊蟆?關(guān)鍵詞： 無功補(bǔ)償 濾波 TCR 諧波電流 EAST電源系統(tǒng)Analysis of Reactive Compensation and Filter System of EASTAbstract

2、 The reactive power compensation and filter system of EAST is designed to suppress the harmonic current and compensate the reactive power produced by the EAST power system. So the EAST power system can meet the national standard. But unfortunately, the device we have can not meet our requirement. Gi

3、ven the enlargement of the load, the compensation device was put forward. The analysis shows that, the new device can meet our requirement.Keywords： Reactive power compensation, filter, TCR, harmonic current, EAST power system 1 引言EAST是世界上第一個(gè)全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，用磁場(chǎng)來約束高溫的等離子體，為將來的人工可控核聚變提供必要的基礎(chǔ)研究。EAST裝置在運(yùn)行過程中

4、會(huì)產(chǎn)生巨大的諧波電流和無功功率，有必要對(duì)EAST電源系統(tǒng)進(jìn)行分析，并采取有效的措施濾除諧波電流和補(bǔ)償無功功率。2 負(fù)載特性分析 EAST電源系統(tǒng)由母線供電，其中包括：PFPS（極向場(chǎng)電源系統(tǒng)），TFPS（縱場(chǎng)電源系統(tǒng)），F(xiàn)PPS（快控電源系統(tǒng)），AH/CD（波加熱與電流驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)）。各個(gè)電源系統(tǒng)的功率分布如表1所示。從中可以看出極向場(chǎng)電源的容量占據(jù)了電源系統(tǒng)容量的大部分。表1 電源系統(tǒng)峰值功率統(tǒng)計(jì)有功功率P（MW）無功功率Q（MVar）容量S（MVA）備注PFPS28.5/6.514.0/17.331.8/18.5波頭段/平頂段TFPS0.30.40.5連續(xù)FPPC2×2.02&#

5、215;1.02×2.2平頂段AH/CD18.99.221.0平頂段總和28.8/29.714.4/28.932.2/41.4波頭段/平頂段由圖1可知，系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的無功沖擊，最大超過，功率因數(shù)很低，只有0.6左右。大量的無功功率注入電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓大幅下降，實(shí)驗(yàn)中電網(wǎng)的典型電壓波形如圖2所示，當(dāng)EAST投入運(yùn)行時(shí)，電壓有大幅的跌落，甚至低于，在運(yùn)行過程中還伴隨著劇烈的隨機(jī)波動(dòng)。圖1 電源系統(tǒng)的無功功率和視在功率分布圖2 母線電壓隨時(shí)間變化的曲線極向場(chǎng)電源為12脈波整流電路，網(wǎng)側(cè)主要含有次諧波電流。在峰值時(shí)刻，基波電流有效值為：，11次和13次諧波電流分別為：，由于極向場(chǎng)電源（E

6、AST電源的主要部分）有12臺(tái)整流變壓器，每臺(tái)變壓器產(chǎn)生的各次諧波的相位不可能完全相同，所以諧波電流的實(shí)際值會(huì)小于以上的計(jì)算值。另外EAST電源系統(tǒng)還會(huì)產(chǎn)生非特征諧波電流，但是含量一般會(huì)比較小。圖3為EAST裝置在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電源系統(tǒng)的頻譜分布圖，可以看到11次，13次，23次，25次諧波比較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國標(biāo)的允許值，而其它次諧波都未超過。圖3 負(fù)載電流頻譜由以上分析可知，電源系統(tǒng)產(chǎn)生大量的諧波電流和無功功率，如果不采取濾波和無功補(bǔ)償措施，所產(chǎn)生的諧波電流和無功功率將全部注入電網(wǎng)，污染電力網(wǎng)絡(luò)，影響電力網(wǎng)絡(luò)中其他的用電設(shè)備，甚至不能工作或損壞。所以有必要增加濾波與無功補(bǔ)償裝置，抑制注入電網(wǎng)的

7、諧波電流，補(bǔ)償無功功率。2 現(xiàn)有濾波與補(bǔ)償裝置效果分析現(xiàn)有的濾波與無功補(bǔ)償裝置以濾波為主，兼顧無功補(bǔ)償。它由兩組單調(diào)諧濾波器組成，每組濾波器含有5次、7次、11次濾波支路，濾波器的安裝容量為，能夠提供的基波無功功率。2.1 濾波效果分析實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2示，由此得到注入電網(wǎng)的11次和13次諧波電流（這些數(shù)據(jù)在只有一組濾波器投入使用的情況下測(cè)得的），n次諧波電流的允許值可以通過式(1)來計(jì)算 （1）表2 EAST運(yùn)行時(shí)的相應(yīng)數(shù)據(jù)無功功率（MVar）電網(wǎng)電壓（kV）負(fù)載電流（A）濾波支路電流（A）放電時(shí)放電后基波11次13次基波11次13次127.89.1710.4198816313553313

8、897227.39.3210.49185213599548101783249.4310.481987173136549142102427.59.2710.491963150125538142985249.4510.48195012411253811478623.69.4510.471730109875387865726.49.3310.45195012398541115728249.4310.451963163138538148102923.99.4110.42188813875538122561024.19.3810.4197516312553213898式中：公共連接點(diǎn)的最小短路容量（），

9、在此系統(tǒng)中為； 基準(zhǔn)短路容量（），假定為； 當(dāng)短路容量為時(shí)，第n次諧波電流允許值（）； 短路容量為時(shí)，第n次諧波電流允許值（）。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和上式可得到11次和13次諧波電流允許值分別為和，又由表2得到實(shí)際運(yùn)行中注入電網(wǎng)的11次和13次諧波電流值如表3所示：表3 注入電網(wǎng)的11、13次諧波電流及允許值12345678910允許值11次25343181031815162530.413次3821342734222636192725.8由表3可以看出，11次電流基本上低于允許值了。而13次電流有時(shí)候還會(huì)超過國家所規(guī)定的允許值，這只是在投入一組濾波器的情況下測(cè)得的數(shù)據(jù)。若兩組單調(diào)諧濾波器全部投入，并假

10、設(shè)兩組濾波器的阻抗相等，則此時(shí)的等效電路圖如圖4所示，其中為電網(wǎng)的等效阻抗，為單組濾波器的等效阻抗；電源裝置可以認(rèn)為是一個(gè)諧波電流源，在這里等效為；投入一組濾波器時(shí)，濾波器的電流為，注入電網(wǎng)的電流為；投入兩組濾波器時(shí)，濾波器的電流為，注入電網(wǎng)的電流為；由電路分析可知 （2）根據(jù)式(2)計(jì)算表3中的十組數(shù)據(jù)可以得出如表4所示的結(jié)果。表4 投入兩組濾波器時(shí)注入電網(wǎng)諧波值12345678910允許值11次13.5419.45174.115.2118.074.137.868.4913.5430.413次22.111.751915.120.012.615.020.710.8815.125.8圖4 n次諧

11、波等效電路由表4可以得到，當(dāng)有兩組濾波器投入時(shí)，注入電網(wǎng)的11次和13次諧波電流可以滿足國標(biāo)要求。2.2 無功補(bǔ)償效果分析由圖1可知，在峰值時(shí)刻，負(fù)載的功率因數(shù)為：。投入了濾波器補(bǔ)償裝置后，此時(shí)無功補(bǔ)償容量為，若負(fù)載的感性無功為，則注入電網(wǎng)的感性無功為，可以計(jì)算出母線的視在功率約為，因此補(bǔ)償后功率因數(shù)為，所以補(bǔ)償后功率因數(shù)仍然不能滿足供電系統(tǒng)的要求?？蛰d時(shí)，六個(gè)濾波支路依次投入使用時(shí)，電網(wǎng)電壓的變化曲線如圖5所示，當(dāng)兩組濾波器全部投入使用時(shí)，電網(wǎng)電壓被抬高到，對(duì)于電網(wǎng)，允許的偏移值為， 濾波補(bǔ)償裝置的投入使電網(wǎng)電壓抬升，超過了允許值，這就是在平時(shí)做實(shí)驗(yàn)時(shí)只投入一組濾波器的原因。 圖5 六個(gè)濾波

12、支路依次投入時(shí)的電壓變化 圖6 加入一組濾波器時(shí)電網(wǎng)電壓在實(shí)驗(yàn)過程中，若只投入一組濾波支路，電網(wǎng)的電壓如圖6所示，則此時(shí)電網(wǎng)電壓最低值為，因此電壓的負(fù)偏移不滿足國標(biāo)的要求，若兩組濾波支路在放電前已經(jīng)全部投入，則電壓的負(fù)偏移為： （3）由式（3）可知，如果兩組濾波支路全部投入，則電壓的負(fù)偏移可以滿足要求。但由圖5可知，負(fù)載空載時(shí)電網(wǎng)電壓的正偏移會(huì)超出國標(biāo)的允許值。由于負(fù)載隨時(shí)間快速變化，而濾波支路中使用的是機(jī)械開關(guān)，其投切延時(shí)難以滿足EAST負(fù)載隨時(shí)間快速變化的要求。綜上所述：現(xiàn)有裝置能夠有效抑制注入電網(wǎng)的諧波；但是無功補(bǔ)償容量不夠；也不能滿足EAST負(fù)載快速變化的要求。3 極向場(chǎng)擴(kuò)容后濾波與無

13、功補(bǔ)償?shù)慕鉀Q方案根據(jù)運(yùn)行要求，極向場(chǎng)的容量將要增加，考慮到最壞的情況，可以認(rèn)為的負(fù)載功率要增加，產(chǎn)生諧波和無功功率也相應(yīng)的增加約。二期工程的目標(biāo)是：1，抑制注入電網(wǎng)的諧波，使其滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。2，的母線的功率因數(shù)提高到0.9以上。3，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償產(chǎn)生的無功功率，抑制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。3.1 無功補(bǔ)償?shù)姆治鲇蓤D2可以看出，在極向場(chǎng)電源擴(kuò)容前，電源系統(tǒng)的無功功率和視在功率的峰值分別為：和，極向場(chǎng)擴(kuò)容后，電源的無功功率和有功功率有相應(yīng)的擴(kuò)大。令擴(kuò)容后有功功率，無功功率為，則視在功率為，功率因數(shù)，要使功率因數(shù)提高到0.9以上，則需要提供的無功補(bǔ)償容量，其中一期工程已經(jīng)安裝的基波武功容量為，同時(shí)考慮到要留

14、有裕量，可以增加約的基波無功容量。由于負(fù)載的無功功率是快速變化的，要?jiǎng)討B(tài)的補(bǔ)償其產(chǎn)生的無功功率，抑制電壓波動(dòng)，可以增加裝置。濾波器組提供基波容性無功，組成無功補(bǔ)償系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)的導(dǎo)通角動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償系統(tǒng)輸出的無功功率，的響應(yīng)時(shí)間小于，可以跟蹤負(fù)載中快速變化的無功功率。當(dāng)負(fù)載為空載或輕載時(shí)，可以調(diào)節(jié)輸出的感性無功，使其與濾波器提供的容性無功功率相互抵消，使注入電網(wǎng)的無功功率很小或是為零，因此電網(wǎng)電壓正偏移為零。當(dāng)負(fù)載達(dá)到峰值時(shí)，導(dǎo)通角調(diào)到最小，由式（3）可知，注入電網(wǎng)的無功功率導(dǎo)致的電壓降為：。電網(wǎng)電壓的負(fù)偏移小于國家規(guī)定的。另外，由于輕載或空載時(shí)需要使提供的感性無功和濾波器組提供的容性無功

15、功率抵消，所以，的容量應(yīng)該是。3.2 諧波分析會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，因此在分析改造后的濾波效果時(shí)，必須要考慮對(duì)諧波的抑制情況，它采用三角形連接方式接入母線，注入電網(wǎng)的諧波電流為 次，表5給出了容量為的各次特征諧波電流的含量及具體的值。表5 TCR基波與各次特征諧波的含量基波5次7次11次13次電流（）1005.0462.5861.0490.752電流（）83342.03321.5418.7386.264比較表5和表2可知， 產(chǎn)生的11次、13次特征諧波遠(yuǎn)小于電源源系統(tǒng)產(chǎn)生諧波，可忽略不計(jì)。至于5次和7次諧波，由于負(fù)載是12脈波整流電路，在理想情況下只產(chǎn)生次諧波，在非理想條件下會(huì)有5次和7次諧波產(chǎn)生

16、，含量比較小。同時(shí)考慮到濾波器組中的5次和7次調(diào)諧濾波器各有兩組，所以產(chǎn)生的5次和7次諧波電流可以不考慮。在極向場(chǎng)容量擴(kuò)容后，投入兩組濾波器的情況下可以將表4中的數(shù)據(jù)乘以1.3作為參考值，如表6所示。表6 極向場(chǎng)擴(kuò)容后注入電網(wǎng)諧波的參考值諧波次數(shù)123456789允許值11次17.6025.2822.135.346.7723.495.3710.2211.0430.413次28.7515.2715.2619.6726.0516.3719.4826.9114.1425.8由上表可以看出在極向場(chǎng)電源擴(kuò)容后11次諧波電流可以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，但是13次諧波電流已經(jīng)超標(biāo)，因此建議裝設(shè)13次調(diào)諧濾波器。在頻率

17、較低時(shí)，濾波器組呈容性，它與變壓器漏感以及輸電線路電感會(huì)構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，當(dāng)?shù)幕o功功率由13次調(diào)諧濾波器提供時(shí)，母線上的阻抗頻率特性如圖8所示：圖8 母線上的阻抗頻率特性曲線從圖8中可以看出在三次諧波附近可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振，因此有必要裝設(shè)三次高通濾波器，用以抑制可能出現(xiàn)的三次諧波并聯(lián)諧振。因?yàn)楦咄V波器的損耗比較大，所以建議3次高通濾波器提供的基波無功功率，13次調(diào)諧濾波器提供的基波無功功率。綜上所述：1，增加3次高通濾波器和13次調(diào)諧濾波器，提供的基波無功容量；2，增加容量為的TCR裝置。參考文獻(xiàn)1 王兆安 楊君 劉進(jìn)軍 王躍. 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社（第二版）. 20052 R. Mohan Mathur(加拿大) Rajiv K. Varma(印度) 徐政 譯. 基于晶閘管的柔性交流輸電控制裝置. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 20043 曲學(xué)基 曲敬鎧