某磁性处理主电源系统谐波抑制及无功补偿技术研究

李志新，朱武兵



某磁性处理主电源系统谐波抑制及无功补偿技术研究

李志新，朱武兵

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

某磁性处理主电源系统采用基于晶闸管的相控整流电源，在磁性处理勤务中,电源需输出首脉冲幅值很大、正负交替、幅值逐步衰减的间歇式脉冲电流，这时交流侧谐波含量大、功率因数低，对电网污染严重。针对该电源的特点，为抑制其谐波并补偿无功，本文从优化变压器联接组和增加滤波支路两个方面进行了研究，确定了该电源的谐波抑制及无功补偿方案。研究结果和工程实践均表明，该方案很好地解决了该电源的谐波和无功问题。

磁性处理 谐波抑制 无功补偿 变压器联接组

0 引言

对船舶进行磁性处理时，需在工作线圈中通以首脉冲幅值很大、正负交替、幅值逐步衰减的间歇式脉冲电流[2,3]，某磁性处理主电源系统采用图1所示的基于晶闸管的相控整流电源供电，该电源在工作过程中会产生大量的谐波电流，主要为5、7、11、13等次特征谐波。由于大量谐波的存在，使得交流侧的电压电流波形发生严重畸变，使电网电能质量降低，如增加变压器绕组附加损耗、引发谐波过电压、引起常规变流器控制角的触发脉冲间隔不等甚至损坏换相设备、引起电容器局部放电、对继电保护和自动控制装置产生干扰和造成、降低系统功率因数等。

1 电源主要特性

图1所示电源，采用三相全控整流桥整流，磁性处理勤务中，直流侧最大脉冲电流I=4000 V，变压器一次侧额定电压10 kV，二次侧额定电压646 V。

图1 相控整流式主电源

当直流侧输出最大电流时（设此时整流桥导通角达到最大值），变压器二次侧的电流为[1]:

不采取治理措施时10 kV母线电压电流波形如图2所示，电流（以A相为例）统计结果如表1所示（脉冲电流最大值为几千安培，最小值为几十安培，故基波的最大值和最小值相差很大），可见电压电流波形均与理想正弦波形相去甚远，谐波含量丰富，最大基波电流远大于理想情况下的基波电流，说明功率因数低，约为0.55。

按国标规定，注入公共连接点的谐波电流允许值见表2，可见图1所示的电源未进行谐波治理时产生的5、7、11、13次谐波电流均超出国标允许值，功率因数也很低，应采取措施对该电源进行谐波抑制和无功补偿。

2 优化变压器联接组消除5、7次谐波

图3 采用三绕组变压器的主电源

如图3所示的主电源，用由D/y11,D0联接组的三绕组变压器为两个通过平衡电抗器并联工作的全桥相控整流桥供电，构成的十二脉波整流电源。D/y11,D0变压器联接组如图4所示，以A相为例，主电源工作时，二次侧为星形连接的变压器线电流为:

二次侧为三角形连接的变压器线电流为

根据三角形连接变压器线电流与相电流之间的关系，可得二次侧为三角形连接的变压器的相电流为

则三绕组变压一次侧线电流为

图4 D/y11、d0联接组

由式（5）可知，从理论上讲，10 kV母线的电流中没有5次和7次谐波的，但由于磁性处理主电源工作在脉冲状态以及理想状态与实际状态有差别等原因，10 kV母线的电流是存在一些5次和7次谐波的，记为:

3 滤波支路滤除谐波同时补偿无功

最为通常采用的谐波滤除支路如图5所示，各支路为单星形接线，中性点不接地，上半部分为单调谐支路，即电容器和电抗器按电压谐振原理针对某次谐波串联谐振，下半部分为高通支路，及对频率较高的谐波呈低阻抗，避雷器用于电容器组的操作过压保护，放电线圈在滤波支路退出运行后迅速使电容器两端的残余电压降至安全水平，并兼作电容器的内部故障保护。这种滤波支路适用于比较平稳、稳定的电路。

由于磁性处理主电源为晶闸管相控整流电源，且带快速冲击性负荷，因而在工作过程中除了会产生大量频率为工频（基波频率）整数倍的谐波成分外（以11、13等次为主），还伴随有大量间谐波（指非整数倍基波频率的谐波）存在[4]。虽然主电路采用多相整理方式，理论上消除了5、7次等谐波，但实际工作过程中仍然存在一定量的5、7次谐波。此外，若给磁性处理电源供电的为独立电站或容量很小的电网，电源工作时，频率波动可能会比较频繁。根据以上实际情况，设计由5、7、11次三个滤波支路组成的滤波支路（13次及以上的谐波电流往往较小），并将5、7、11支路均设计为带通滤波器，如图6所示，电抗器两端均并联电阻。使用该带通滤波器的主要优点有：①带通滤波器频带加宽，不但可以滤除特征谐波电流，同时还对谐振点附近的非特征谐波有一定的滤波功能；②带通滤波器对频率变化不是很敏感，不会使滤波器失谐；③带通滤波器并联电阻器后，增加了滤波支路的阻尼，可以有效防止谐波谐振放大和与系统发生并联谐振。

图5单调谐支路和高通支路

磁性处理主电源的负载为磁性处理工作绕组，电感较大，相控整流桥换向角等因素将导致电流滞后电压，再加上整流电路本身的特点，致使电源消耗较多的无功，功率因素较低，需进行无功补偿[5-6]。

图6 带通滤波支路

针对主电源消耗感性无功的特点，充分利用图6所示带通滤波支路中的电容进行无功补偿。我们通常所指的无功均为基波无功，故设计图6所示电容时，考虑滤除谐波的同时补偿基波无功。对基波而言，5、7、11次支路的电感影响均不大，故可近似认为三条支路的电容并联为主电源补偿无功，据此三条支路电容的总容值，再根据期望的带通滤波器的中心频率、通带计算各电容、电抗的值，则图6所示带通滤波支路能同时滤除谐波和补偿无功。

4 小结

优化后的主电源如图7所示，通过采用合适联接组的三绕组变压器，大幅减小整流电路中比重最大的5、7次谐波，通过在交流侧增加5、7、11次带通滤波支路，滤除谐波的同时补偿无功。采取治理措施后，磁性处理主电源的电压电流波形如图8所示，电流统计（以A相为例）结果如表3所示，可见电压电流波形均与正弦波形基本接近，基波电流接近理想情况下的基波电流，说明功率因数大大提高，取得了很好的效果：①考核点10 kV母线电压谐波畸变率满足国标要求、各次谐波电流值都在标准限定值以内；②负荷侧功率因数提高，可达0.9以上（约0.915），无功输送减少；③滤波器通过加装适当的阻尼电阻，避免了谐波电流放大和与系统发生并联谐振的可能；④大量谐波、无功电流消除后，母线谐波电压也随之降低。综上所述，磁性处理主电源系统进行谐波和无功治理后，改善了供电系统的电能质量，提高了功率因数，稳定了系统运行水平。特别是对独立的柴油机发电系统，其发电容量及稳定性较市电电网要小的多，保障了发电机组带突变负荷时的安全、可靠运行。

图7 优化后的主电源

[1] 陈坚. 电力电子学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002: 151-156.

[2] 何明. 舰船消磁控制系统原理与设计[M]. 武汉: 海军工程大学，2006: 1-58.

[3] 郭小程. 消磁直流脉冲发电机控制系统的仿真与设计[D]. 武汉：海军工程大学图书馆，2008.

[4] 辜承林, 陈乔夫, 熊永前. 电机学[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2001: 39-110.

[5] 尉冰娟, 王明渝, 张淑国. 基于MATLAB的感应电机矢量控制系统的仿真[J]. 计算机仿真, 2006, 23(4): 326-329.

[6] 盛义发, 洪镇南. MATLAB在电力系统仿真中的应用[J]. 计算机仿真, 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，硕士，讲师。研究方向：电工理论与新技术。