14MW水冷磁体电源无功补偿装置的设计*

陈晓勇宋敏慧†胡向阳

1.中国科学院强磁场科学中心,强磁场安徽省实验室,安徽 合肥 230031;2.中国科学技术大学,安徽 合肥 230026

1 引言

作为国家大科学装置之一,强磁场为科学的发展带来新的机遇,提供了极端科学实验条件.为满足强光磁关键技术预研项目42 T水冷磁体供电需求,需要新建一套14 MW电源.水冷磁体电源由于独特的工作特性,因此需要配备无功补偿设备,而结合现有的电源无功补偿装置的优缺点设备,拟采用高压SVG补偿方案,提供总容性无功约7 Mvar,使电源在全时段运行时的功率因数大于0.9,以实现无功输出的连续、平滑、动态、快速调节.目前现有的磁体电源无功补偿装置采用的是定电容补偿,该方案的最主要的缺点是设备体积大,并且容易造成过补偿,功率因数不高.对此本文提出了一套新的无功补偿的方案,并引入链式串联结构.

链式串联SVG,相对于变压器多重化拓扑结构,省去升压变压器,装置的成本与占地面积得到优化;采用N个模块串联,各个模块结构完全一致,最大程度利于制造与维护;易实现N-1冗余设计,故障链节可自动退出,不影响装置的连续运行;可以降低IGBT的开关频率,使成套装置的运行损耗减小;与优化的高频脉宽调制技术相组合,N个链节移相叠加,输出波形更逼近正弦波[1].基于链式串联SVG的优点,本文提出利用高压SVG静止动态补偿的方案.文中对整体的设计与关键器件的计算进行了说明,利用PSCAD构建模型,最终仿真结果达到设计要求,证明了方案的可行性.

2 高压SVG的应用

2.1 简介

下图1为引入链式串联SVG的水冷磁体电源无功补偿拓扑图,其在10 k V母排上接入高压SVG,按照水冷磁体扫场和稳场的需要,在无功补偿过程中,既能保证快速投切,也能动态调整.

图1 14 MW水冷磁体电源方案主拓扑图

2.2 基本原理

链式串联SVG相比较于其他拓扑方式装置的成本和面积更小,易于组合,冗余性较好,降低了IGBT开关频率,使运行损耗降低,另外,N个链接相叠加,输出波形更接近正弦.同时控制策略上采用单极倍频载波移相调制,在变流器单元数为N的级联型逆变器中,各逆变器单元采用共同的调制波信号us(ωs),其频率为ωs,各逆变器单元的三角载波频率为kcωs,将各三角载波的相位互相错开三角载波周期一半的1/N[2],则第L个逆变器三角载波的相角φL=φc+πL/N,将各逆变器单元输出叠加,就能得到电平数为(2N+1)的级联逆变器总的输出电压[3].采用级联策略使开关管工作在低频率下得到高频的效果,完成电压品级与开关频率之间平衡,降低了成本,也较好降低了输出谐波含量,提升了波形品质[4].

为了便于分析比较,如下图为单相两级串联模式:

图2 两个H桥逆变单元串联拓扑

图3 载波与调制波波形

脉冲序列工作过程:(1)uc1与us比较,当us＞uc1时,s1=1,s2与s1互补,则s2=0,当-us＞uc1时,s3=1,s4与s3互补,则s4=0;(2)uc2与us比较,当us＞uc2时,s5=1,s6与s5互补,则s6=0,当-us＞uc2时,s7=1,s8与s7互补,则s8=0;

上图中uc1与uc2是上下两个H桥功率单元的载波信号,两组三角载波的相位差是90°,幅值频率相等,两组调制波,相位差180°[5].

3 样机参数计算

考虑水冷磁体电源运行要求,对高压SVG进行参数设计.其主要的设计如下:

表1 设计指标

3.1 连接方式以及级联个数选择

三角形接线SVG的相电压等于电网线电压10 k V,即每相级联模块最高需承受14.14 k V的电压,设定调制比为m=0.85,电容电压稳定值为Udc=850 V.

N为子模块数,Usab.max为电网线电压最大值14.14 k V;m为逆变器调制比.计算出三角形接线SVG级联数为20.

星形接线SVG每一相级联模块承受的电压为电网相电压,不再是10 k V,而是10/3 k V.

其中,Usa.max为电网相电压幅值,计算得到星形接线SVG每一相级联模块中串联的H桥单元个数约为12个.

三角形接线SVG需要级联的H桥单元更多,星形接线SVG所需要的级联H桥较少,就经济性与性价比而言,星形接线SVG更适合.

3.2 电抗的选择

电抗器感量的选择十分重要的.感量过大,则系统电流环的动态响应速度较慢,如果感量过小,则不能够达到滤除高频谐波的目的,电流冲击较大[6].根据下式确定电感值为:

取电抗率K=6%时,才能补偿支路的5次以上谐波电抗呈感性,才能有效地抑制高次谐波,并将合闸涌流限制在5倍额定电流左右[7],计算得L为2.73 m H.

综合考虑实际工况,确定连接电抗器电感量为3 m H,额定电流为630 A,额定电压为10 k V.

3.3 输出电容的选择

设备容量7 Mvar,主电路采用H桥多单元级联,每相采用12单元.主电路输出采用星型接线,IGBT开关频率选取为1 k Hz,输出电压10 k V,每单元直流侧电压设置850 V,波动允许为85 V,额定相电流为404 A.

每相选定12个单元,即N=12;直流侧电压设定850 V.取ΔU=85 V

DC-LINK电容的选取:

得出:C=1.97 m F,所以总共电容选取为C*36=70.92 m F.

3.4 控制策略

经综合比较,采用跟踪型PWM技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制,其中采用三角波比较方式的跟踪型PWM技术.其以瞬时电流无功分量的参考值iQref为主,根据SVG对有功的需求,对iQref的相位进行修正来得到总的瞬时电流参考值iref[8].其中,瞬时电流无功分量的参考值由滞后电源电压90°的正弦波与无功电流参考值IQref相乘得到,而SVG对有功的需求,可以由直流侧电压的反馈控制来体现[9].

图4 控制模型图

4 仿真分析

根据实际工程情况,计算和分析了无功补偿装置的主要参数和选择,并利用PSCAD软件搭建了实验模型.如下为电源系统的PSCAD仿真模型图,由于磁体电源负载为感性.因此设定7 Mvar感性负载模拟磁体电源运行的时的负载,其中6 Mvar感性负载为直接投入10 k V母排上,在SVG在1 s后投入母排上,1 Mvar感性负载5 s后投入母排上,以模仿负载突然变动时,SVG的动态响应.

结合图5和图6可以观察和分析到,第一在SVG投入母排前,由于6 Mvar感性负载的存在,造成母排电压低于远10 k V,低于电网的标准;第二在投入SVG后,母排电压随即升高至10 k V,与此同时负载也达到设定值6 Mvar,而此时SVG提供6 Mvar容性无功,电网中无功基本为零;第三在5 s时负载增加1 Mvar感性无功时,母排电压轻微波动,保持稳定,SVG能够快速响应,跟随负载无功的变化,使母排电压保持稳定,电网中无功功率基本为零.电流畸变小,在突加负载扰动后,正弦形态同样保持稳定.

图5 电源系统的PSCAD感性负载仿真模型图

图6 感性负载无功功率状态图

图7 感性负载时10 k V母排电压变化图

图8 感性负载时10 k V母排电流变化图

由于现运行磁体电源无功补偿装置为定电容,容易形成过补偿,为了后期与现有28 MW磁体电源进行系统集成工作,因此在设计时考虑补偿容性无功.因此设定7 Mvar容性负载模拟磁体电源运行时无功造成的过补偿负载,其中6 Mvar容性负载为直接投入10 k V母排上,SVG在1 s后投入母排上,1 Mvar容性负载5 s后投入母排上,以模仿负载变动时,SVG的动态响应.

图9 容性负载时无功功率状态图

图10 容性负载时10 k V母排电压变化图

图11 容性负载时10 k V母排电流变化图

从波形上可以分析出,在投入SVG后,SVG能够快速响应,随着负载的变化提供相应的无功,其次保证母排电压维持相对稳定,电流畸变小,满足设定的要求,符合磁体实验时对电源系统的要求.

5 结论

本文根据强光磁场预研项目的要求,制定了无功补偿装置的设计方案,并分析了级联H桥模式的工作原理以及对主要的器件进行了参数计算,最后通过利用仿真软件PSCAD对设计的参数和级联控制模式进行仿真,模拟了磁体电源在实际实验中母排和负载无功功率的变化情况,最后通过设计的无功补偿装置解决了母排电压低和电网功率因数低等问题,为后续装置建设提供了理论和实验依据.