某磁性處理主電源系統諧波抑制及無功補償技術研究

李志新，朱武兵

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某磁性處理主電源系統諧波抑制及無功補償技術研究

李志新，朱武兵

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

某磁性處理主電源系統采用基于晶閘管的相控整流電源，在磁性處理勤務中,電源需輸出首脈沖幅值很大、正負交替、幅值逐步衰減的間歇式脈沖電流，這時交流側諧波含量大、功率因數低，對電網污染嚴重。針對該電源的特點，為抑制其諧波并補償無功，本文從優化變壓器聯接組和增加濾波支路兩個方面進行了研究，確定了該電源的諧波抑制及無功補償方案。研究結果和工程實踐均表明，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 無功補償 變壓器聯接組

0 引言

對船舶進行磁性處理時，需在工作線圈中通以首脈沖幅值很大、正負交替、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產生大量的諧波電流，主要為5、7、11、13等次特征諧波。由于大量諧波的存在，使得交流側的電壓電流波形發生嚴重畸變，使電網電能質量降低，如增加變壓器繞組附加損耗、引發諧波過電壓、引起常規變流器控制角的觸發脈沖間隔不等甚至損壞換相設備、引起電容器局部放電、對繼電保護和自動控制裝置產生干擾和造成、降低系統功率因數等。

1 電源主要特性

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

圖1 相控整流式主電源

當直流側輸出最大電流時（設此時整流橋導通角達到最大值），變壓器二次側的電流為[1]:

不采取治理措施時10 kV母線電壓電流波形如圖2所示，電流（以A相為例）統計結果如表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，諧波含量豐富，最大基波電流遠大于理想情況下的基波電流，說明功率因數低，約為0.55。

按國標規定，注入公共連接點的諧波電流允許值見表2，可見圖1所示的電源未進行諧波治理時產生的5、7、11、13次諧波電流均超出國標允許值，功率因數也很低，應采取措施對該電源進行諧波抑制和無功補償。

2 優化變壓器聯接組消除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聯接組的三繞組變壓器為兩個通過平衡電抗器并聯工作的全橋相控整流橋供電，構成的十二脈波整流電源。D/y11,D0變壓器聯接組如圖4所示，以A相為例，主電源工作時，二次側為星形連接的變壓器線電流為:

二次側為三角形連接的變壓器線電流為

根據三角形連接變壓器線電流與相電流之間的關系，可得二次側為三角形連接的變壓器的相電流為

則三繞組變壓一次側線電流為

圖4 D/y11、d0聯接組

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以及理想狀態與實際狀態有差別等原因，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補償無功

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，中性點不接地，上半部分為單調諧支路，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，放電線圈在濾波支路退出運行后迅速使電容器兩端的殘余電壓降至安全水平，并兼作電容器的內部故障保護。這種濾波支路適用于比較平穩、穩定的電路。

由于磁性處理主電源為晶閘管相控整流電源，且帶快速沖擊性負荷，因而在工作過程中除了會產生大量頻率為工頻（基波頻率）整數倍的諧波成分外（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立電站或容量很小的電網，電源工作時，頻率波動可能會比較頻繁。根據以上實際情況，設計由5、7、11次三個濾波支路組成的濾波支路（13次及以上的諧波電流往往較小），并將5、7、11支路均設計為帶通濾波器，如圖6所示，電抗器兩端均并聯電阻。使用該帶通濾波器的主要優點有：①帶通濾波器頻帶加寬，不但可以濾除特征諧波電流，同時還對諧振點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，不會使濾波器失諧；③帶通濾波器并聯電阻器后，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發生并聯諧振。

圖5單調諧支路和高通支路

磁性處理主電源的負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致電流滯后電壓，再加上整流電路本身的特點，致使電源消耗較多的無功，功率因素較低，需進行無功補償[5-6]。

圖6 帶通濾波支路

針對主電源消耗感性無功的特點，充分利用圖6所示帶通濾波支路中的電容進行無功補償。我們通常所指的無功均為基波無功，故設計圖6所示電容時，考慮濾除諧波的同時補償基波無功。對基波而言，5、7、11次支路的電感影響均不大，故可近似認為三條支路的電容并聯為主電源補償無功，據此三條支路電容的總容值，再根據期望的帶通濾波器的中心頻率、通帶計算各電容、電抗的值，則圖6所示帶通濾波支路能同時濾除諧波和補償無功。

4 小結

優化后的主電源如圖7所示，通過采用合適聯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，通過在交流側增加5、7、11次帶通濾波支路，濾除諧波的同時補償無功。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，電流統計（以A相為例）結果如表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，說明功率因數大大提高，取得了很好的效果：①考核點10 kV母線電壓諧波畸變率滿足國標要求、各次諧波電流值都在標準限定值以內；②負荷側功率因數提高，可達0.9以上（約0.915），無功輸送減少；③濾波器通過加裝適當的阻尼電阻，避免了諧波電流放大和與系統發生并聯諧振的可能；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進行諧波和無功治理后，改善了供電系統的電能質量，提高了功率因數，穩定了系統運行水平。特別是對獨立的柴油機發電系統，其發電容量及穩定性較市電電網要小的多，保障了發電機組帶突變負荷時的安全、可靠運行。

圖7 優化后的主電源

[1] 陳堅. 電力電子學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002: 151-156.

[2] 何明. 艦船消磁控制系統原理與設計[M]. 武漢: 海軍工程大學，2006: 1-58.

[3] 郭小程. 消磁直流脈沖發電機控制系統的仿真與設計[D]. 武漢：海軍工程大學圖書館，2008.

[4] 辜承林, 陳喬夫, 熊永前. 電機學[M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 2001: 39-110.

[5] 尉冰娟, 王明渝, 張淑國. 基于MATLAB的感應電機矢量控制系統的仿真[J]. 計算機仿真, 2006, 23(4): 326-329.

[6] 盛義發, 洪鎮南. MATLAB在電力系統仿真中的應用[J]. 計算機仿真, 2004, 21(11): 197-199.

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。