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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流EAST无功补偿与滤波系统分析.精品文档.EAST无功补偿与滤波系统分析郭高朋 许留伟 江加福 李俊（中国科学院等离子体物理研究所. 安徽 合肥 230031）摘要 EAST滤波与无功补偿系统是用来滤除电源系统产生的谐波电流，并对产生的无功功率进行补偿，以实现电源系统与电网的电磁兼容。实验结果表明现有的滤波与无功补偿系统不能满足要求，同时考虑到负载扩容的要求，提出了改造方案。分析表明， 针对这种冲击性负载，该方案能够满足滤波与无功补偿的要求。关键词： 无功补偿 滤波 TCR 谐波电流 EAST电源系统Analysis of Reactive
2、Compensation and Filter System of EASTAbstract 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 d
3、evice we have can not meet our requirement. Given 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是世界上第一个全超导核聚变实验装置，用
4、磁场来约束高温的等离子体，为将来的人工可控核聚变提供必要的基础研究。EAST装置在运行过程中会产生巨大的谐波电流和无功功率，有必要对EAST电源系统进行分析，并采取有效的措施滤除谐波电流和补偿无功功率。2 负载特性分析 EAST电源系统由母线供电，其中包括：PFPS（极向场电源系统），TFPS（纵场电源系统），FPPS（快控电源系统），AH/CD（波加热与电流驱动电源系统）。各个电源系统的功率分布如表1所示。从中可以看出极向场电源的容量占据了电源系统容量的大部分。表1 电源系统峰值功率统计有功功率P（MW）无功功率Q（MVar）容量S（MVA）备注PFPS28.5/6.514.0/17.331
5、.8/18.5波头段/平顶段TFPS0.30.40.5连续FPPC22.021.022.2平顶段AH/CD18.99.221.0平顶段总和28.8/29.714.4/28.932.2/41.4波头段/平顶段由图1可知，系统产生了很大的无功冲击，最大超过，功率因数很低，只有0.6左右。大量的无功功率注入电网会导致电网电压大幅下降，实验中电网的典型电压波形如图2所示，当EAST投入运行时，电压有大幅的跌落，甚至低于，在运行过程中还伴随着剧烈的随机波动。图1 电源系统的无功功率和视在功率分布图2 母线电压随时间变化的曲线极向场电源为12脉波整流电路，网侧主要含有次谐波电流。在峰值时刻，基波电流有效值
6、为：，11次和13次谐波电流分别为：，由于极向场电源（EAST电源的主要部分）有12台整流变压器，每台变压器产生的各次谐波的相位不可能完全相同，所以谐波电流的实际值会小于以上的计算值。另外EAST电源系统还会产生非特征谐波电流，但是含量一般会比较小。图3为EAST装置在实际运行时，电源系统的频谱分布图，可以看到11次，13次，23次，25次谐波比较大，远远超过了国标的允许值，而其它次谐波都未超过。图3 负载电流频谱由以上分析可知，电源系统产生大量的谐波电流和无功功率，如果不采取滤波和无功补偿措施，所产生的谐波电流和无功功率将全部注入电网，污染电力网络，影响电力网络中其他的用电设备，甚至不能工作
7、或损坏。所以有必要增加滤波与无功补偿装置，抑制注入电网的谐波电流，补偿无功功率。2 现有滤波与补偿装置效果分析现有的滤波与无功补偿装置以滤波为主，兼顾无功补偿。它由两组单调谐滤波器组成，每组滤波器含有5次、7次、11次滤波支路，滤波器的安装容量为，能够提供的基波无功功率。2.1 滤波效果分析实验中运行数据见表2示，由此得到注入电网的11次和13次谐波电流（这些数据在只有一组滤波器投入使用的情况下测得的），n次谐波电流的允许值可以通过式(1)来计算 （1）表2 EAST运行时的相应数据无功功率（MVar）电网电压（kV）负载电流（A）滤波支路电流（A）放电时放电后基波11次13次基波11次13次
8、127.89.1710.4198816313553313897227.39.3210.49185213599548101783249.4310.481987173136549142102427.59.2710.491963150125538142985249.4510.48195012411253811478623.69.4510.471730109875387865726.49.3310.45195012398541115728249.4310.451963163138538148102923.99.4110.42188813875538122561024.19.3810.419751631
9、2553213898式中：公共连接点的最小短路容量（），在此系统中为； 基准短路容量（），假定为； 当短路容量为时，第n次谐波电流允许值（）； 短路容量为时，第n次谐波电流允许值（）。根据国家标准和上式可得到11次和13次谐波电流允许值分别为和，又由表2得到实际运行中注入电网的11次和13次谐波电流值如表3所示：表3 注入电网的11、13次谐波电流及允许值12345678910允许值11次25343181031815162530.413次3821342734222636192725.8由表3可以看出，11次电流基本上低于允许值了。而13次电流有时候还会超过国家所规定的允许值，这只是在投入一组滤
10、波器的情况下测得的数据。若两组单调谐滤波器全部投入，并假设两组滤波器的阻抗相等，则此时的等效电路图如图4所示，其中为电网的等效阻抗，为单组滤波器的等效阻抗；电源装置可以认为是一个谐波电流源，在这里等效为；投入一组滤波器时，滤波器的电流为，注入电网的电流为；投入两组滤波器时，滤波器的电流为，注入电网的电流为；由电路分析可知 （2）根据式(2)计算表3中的十组数据可以得出如表4所示的结果。表4 投入两组滤波器时注入电网谐波值12345678910允许值11次13.5419.45174.115.2118.074.137.868.4913.5430.413次22.111.751915.120.012.
11、615.020.710.8815.125.8图4 n次谐波等效电路由表4可以得到，当有两组滤波器投入时，注入电网的11次和13次谐波电流可以满足国标要求。2.2 无功补偿效果分析由图1可知，在峰值时刻，负载的功率因数为：。投入了滤波器补偿装置后，此时无功补偿容量为，若负载的感性无功为，则注入电网的感性无功为，可以计算出母线的视在功率约为，因此补偿后功率因数为，所以补偿后功率因数仍然不能满足供电系统的要求。空载时，六个滤波支路依次投入使用时，电网电压的变化曲线如图5所示，当两组滤波器全部投入使用时，电网电压被抬高到，对于电网，允许的偏移值为， 滤波补偿装置的投入使电网电压抬升，超过了允许值，这就
12、是在平时做实验时只投入一组滤波器的原因。图5 六个滤波支路依次投入时的电压变化 图6 加入一组滤波器时电网电压在实验过程中，若只投入一组滤波支路，电网的电压如图6所示，则此时电网电压最低值为，因此电压的负偏移不满足国标的要求，若两组滤波支路在放电前已经全部投入，则电压的负偏移为： （3）由式（3）可知，如果两组滤波支路全部投入，则电压的负偏移可以满足要求。但由图5可知，负载空载时电网电压的正偏移会超出国标的允许值。由于负载随时间快速变化，而滤波支路中使用的是机械开关，其投切延时难以满足EAST负载随时间快速变化的要求。综上所述：现有装置能够有效抑制注入电网的谐波；但是无功补偿容量不够；也不能满
13、足EAST负载快速变化的要求。3 极向场扩容后滤波与无功补偿的解决方案根据运行要求，极向场的容量将要增加，考虑到最坏的情况，可以认为的负载功率要增加，产生谐波和无功功率也相应的增加约。二期工程的目标是：1，抑制注入电网的谐波，使其满足国家标准的规定。2，的母线的功率因数提高到0.9以上。3，动态补偿产生的无功功率，抑制电网电压的波动。3.1 无功补偿的分析由图2可以看出，在极向场电源扩容前，电源系统的无功功率和视在功率的峰值分别为：和，极向场扩容后，电源的无功功率和有功功率有相应的扩大。令扩容后有功功率，无功功率为，则视在功率为，功率因数，要使功率因数提高到0.9以上，则需要提供的无功补偿容量
14、，其中一期工程已经安装的基波武功容量为，同时考虑到要留有裕量，可以增加约的基波无功容量。由于负载的无功功率是快速变化的，要动态的补偿其产生的无功功率，抑制电压波动，可以增加装置。滤波器组提供基波容性无功，组成无功补偿系统，通过调节的导通角动态的调节无功补偿系统输出的无功功率，的响应时间小于，可以跟踪负载中快速变化的无功功率。当负载为空载或轻载时，可以调节输出的感性无功，使其与滤波器提供的容性无功功率相互抵消，使注入电网的无功功率很小或是为零，因此电网电压正偏移为零。当负载达到峰值时，导通角调到最小，由式（3）可知，注入电网的无功功率导致的电压降为：。电网电压的负偏移小于国家规定的。另外，由于轻
15、载或空载时需要使提供的感性无功和滤波器组提供的容性无功功率抵消，所以，的容量应该是。3.2 谐波分析会产生一定的谐波，因此在分析改造后的滤波效果时，必须要考虑对谐波的抑制情况，它采用三角形连接方式接入母线，注入电网的谐波电流为 次，表5给出了容量为的各次特征谐波电流的含量及具体的值。表5 TCR基波与各次特征谐波的含量基波5次7次11次13次电流（）1005.0462.5861.0490.752电流（）83342.03321.5418.7386.264比较表5和表2可知， 产生的11次、13次特征谐波远小于电源源系统产生谐波，可忽略不计。至于5次和7次谐波，由于负载是12脉波整流电路，在理想情
16、况下只产生次谐波，在非理想条件下会有5次和7次谐波产生，含量比较小。同时考虑到滤波器组中的5次和7次调谐滤波器各有两组，所以产生的5次和7次谐波电流可以不考虑。在极向场容量扩容后，投入两组滤波器的情况下可以将表4中的数据乘以1.3作为参考值，如表6所示。表6 极向场扩容后注入电网谐波的参考值谐波次数123456789允许值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由上表可以看出在极向场电源扩容后11次谐波电流可以满足国家标准，但是13次
17、谐波电流已经超标，因此建议装设13次调谐滤波器。在频率较低时，滤波器组呈容性，它与变压器漏感以及输电线路电感会构成并联谐振电路，当的基波无功功率由13次调谐滤波器提供时，母线上的阻抗频率特性如图8所示：图8 母线上的阻抗频率特性曲线从图8中可以看出在三次谐波附近可能产生并联谐振，因此有必要装设三次高通滤波器，用以抑制可能出现的三次谐波并联谐振。因为高通滤波器的损耗比较大，所以建议3次高通滤波器提供的基波无功功率，13次调谐滤波器提供的基波无功功率。综上所述：1，增加3次高通滤波器和13次调谐滤波器，提供的基波无功容量；2，增加容量为的TCR装置。参考文献1 王兆安 杨君 刘进军 王跃. 谐波抑
18、制和无功功率补偿. 北京：机械工业出版社（第二版）. 20052 R. Mohan Mathur(加拿大) Rajiv K. Varma(印度) 徐政 译. 基于晶闸管的柔性交流输电控制装置. 北京：机械工业出版社. 20043 曲学基 曲敬铠 于明扬等. 电力电子滤波技术及其应用. 北京：电子工业出版社. 20084 何仰赞 温增银. 电力系统分析(第三版). 武汉：华中科技大学出版社. 20025 谢小荣 姜齐荣. 柔性交流输电系统的原理与应用. 北京：清华大学出版社. 20066 陶骏 刘正之. HT-7U高功率电源中SVC的控制. 高压电气. Vol.37 No.3 2001.6:39-42作者简介：郭高朋 男，1984年，硕士研究生，研究方向为无功功率补偿。许留伟 男，1967年，研究员，目前从事高功率脉冲电源、电工理论与新技术、无功补偿理论与控制、超导储能等方面的研究