周蘊(yùn)花, 王 帥

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院, 上海 200240)

三代核電站棒電源整流電路諧波分析及測(cè)算方法研究

周蘊(yùn)花, 王 帥

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院, 上海 200240)

針對(duì)三代核電站棒電源系統(tǒng)三相半波帶載試驗(yàn)過(guò)程中智能電力儀表和微機(jī)綜保界面的電量顯示存在不一致的問(wèn)題，對(duì)兩種設(shè)備的測(cè)算方法進(jìn)行了分析和研究，得出兩者顯示不同的原因；并利用傅里葉展開對(duì)三相半波整流電路的電流諧波作了分析，推導(dǎo)出各次諧波含量表達(dá)式以及基波電流與總電流之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)證實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)與該推導(dǎo)結(jié)論基本一致。

三相半波; 棒電源; 智能電力儀表; 微機(jī)繼電保護(hù)裝置

Abstract： To solve the problem of inconsistent electric display between intelligent electric meter and microcomputer integrated protection device existing in three-phase half-wave rectifier loading test for RDPS of the third generation nuclear power plant, analytic research was conducted on the measurement of above two devices, during which the causes leading to the inconsistent display were found. Furthermore, Fourier expansion was used to analyze the current harmonic of the three-phase half-wave rectifier, and to derive each harmonic expression as well as the mathematical relationship between the fundamental current and the total current. The derived results were proved to agree well with actual measurements.

Keywords： three-phase half-wave rectifier; RDPS; intelligent electric meter; microcomputer integrated protection device

整流電路中產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備會(huì)造成較大的危害，三相半波整流電路由于中性線含有較高的直流分量，諧波分量大，在實(shí)際應(yīng)用中較少。核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由于特殊的工況要求，需要采用三相半波整流電路驅(qū)動(dòng)三個(gè)高感線圈的提升和下插動(dòng)作。在棒電源系統(tǒng)的整體聯(lián)調(diào)帶載試驗(yàn)中，存在智能電力儀表與微機(jī)保護(hù)設(shè)備電量顯示不一致的現(xiàn)象，為此筆者展開了對(duì)兩種設(shè)備測(cè)算方法的研究，并通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)變換，對(duì)三相半波整流電路的電流波形進(jìn)行諧波分析，找出兩者間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

1 問(wèn)題描述

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是核電站內(nèi)的重要設(shè)備，直接關(guān)系核電站的可靠運(yùn)行?？刂瓢舻奶嵘拖虏鍎?dòng)作需要通過(guò)鉤爪部件和3個(gè)高感線圈配合完成[1]。核電控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱棒電源系統(tǒng))是為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供可靠穩(wěn)定的交流260 V、50 Hz電源的電氣設(shè)備[2]。高感驅(qū)動(dòng)線圈的提升、移動(dòng)和固定必須利用三相半波輸出的紋波特性使線圈按照給定的時(shí)序快速地得電與失電，使對(duì)應(yīng)的電磁鐵按照時(shí)序電流信號(hào)吸合與釋放，以控制核反應(yīng)堆內(nèi)棒束的提升和下插[3-4]。

三代核電站棒電源帶載試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1，2臺(tái)棒電源機(jī)組由兩段母線分別供電，并網(wǎng)后經(jīng)三相半波整流電路拖動(dòng)后續(xù)負(fù)載，每臺(tái)機(jī)組均配置有相應(yīng)的微機(jī)繼電保護(hù)裝置(簡(jiǎn)稱微機(jī)綜保)和智能電力儀表。測(cè)量?jī)x表的電壓取自發(fā)電機(jī)PT，變比為260 V/100 V；微機(jī)綜保的電壓直接取自發(fā)電機(jī)出口。電流取樣采用電流互感器，智能電力儀表采用1 000/5 A的CT，測(cè)量精度為0.5級(jí)；微機(jī)綜保采用1 000/5 A的CT，保護(hù)等級(jí)為5P10，詳細(xì)接線圖見圖2。

圖1 棒電源系統(tǒng)試驗(yàn)配置圖

圖2 電力儀表和微機(jī)綜保接線圖

早期的棒電源系統(tǒng)采用傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置，由獨(dú)立的繼電裝置完成單一保護(hù)功能[5]，不帶程序控制和電量顯示功能，棒電源系統(tǒng)電量?jī)H通過(guò)智能電力儀表顯示，電量顯示問(wèn)題并沒(méi)有受到關(guān)注。三代棒電源系統(tǒng)采用微機(jī)綜保取代傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置，一套綜保裝置可以執(zhí)行多個(gè)保護(hù)，同時(shí)帶電量顯示功能。

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)智能電力儀表界面上顯示的電量和微機(jī)綜保界面顯示的電量不一致，具體表現(xiàn)為：電力儀表的電流值偏大，功率因數(shù)偏小，有功功率和電壓顯示值基本一致。

2 電力儀表電量測(cè)算方法

電力儀表是電力參數(shù)測(cè)量、電能質(zhì)量監(jiān)視和分析、電氣設(shè)備控制提供解決方案的電力測(cè)量及控制設(shè)備。棒電源系統(tǒng)采用帶諧波分量顯示和諧波波形顯示的智能電力儀表，可實(shí)時(shí)測(cè)量相電壓、線電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、視在功率、有功功率、無(wú)功功率等電量，并顯示諧波分量和諧波波形。該儀表基于傅里葉變換計(jì)算各電量，表1為智能電力儀表常用電量計(jì)算公式。

表1 智能電力儀表常用電量計(jì)算公式

其中無(wú)功功率計(jì)算采用對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行移相+90°的算法得到，對(duì)于含有諧波的波形此方法是不真實(shí)的[6]。

3 微機(jī)綜保電量測(cè)算方法

微機(jī)綜保通常采用算法對(duì)各種電氣量進(jìn)行濾波處理，基于傅里葉的濾波算法眾多，常用的保護(hù)算法有：序分量的濾序算法，基于正弦函數(shù)模型的算法，基于非正弦函數(shù)模型的算法[7-10]。其中基于非正弦函數(shù)模型算法中又包括全波傅里葉算法和半波傅里葉算法等[11]。但各種算法間存在著差異，只有選取合理的算法才能快速、靈敏、可靠、有選擇地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除。

筆者采用的微機(jī)綜保選用的測(cè)算方式為基于基頻分量的真有效值計(jì)算方法，不考慮諧波分量。因此界面上顯示的電量均為基頻電流I1、基頻電壓U1、基頻有功功率P1等，常用計(jì)算公式見表2。

表2 微機(jī)綜保常用電量計(jì)算公式

4 三相半波整流電路理論分析

基于以上分析能判斷出試驗(yàn)中電力儀表和微機(jī)綜保顯示電量不一致的原因?yàn)椋弘娏x表顯示的為總電流值，微機(jī)綜保只顯示其中基波電流成分。為了驗(yàn)證兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，下面對(duì)三相半波整流電路中的電流進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開，進(jìn)而對(duì)電流諧波和功率因數(shù)進(jìn)行分析。圖3為三相半波整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖3 三相半波整流電路共陰接法主電路圖

圖4 三相半波整流電路α=60°時(shí)負(fù)載波形圖

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，周期為T=2π/ω非正弦電流i(ωt),一般滿足狄里赫利條件，可分解為如下形式的傅里葉級(jí)數(shù)：

(1)

或

(2)

帶阻感負(fù)載的三相半波整流電路忽略換相過(guò)程和電流脈動(dòng)，假設(shè)交流電抗為零，直流電感L為足夠大，則每相電流為正的120°方波，三相電流波形相同，依次相差120°，其有效值與直流電流的關(guān)系為：

(3)

利用傅里葉級(jí)數(shù)分解和計(jì)算，將每相電流滯后120°作為時(shí)間零點(diǎn)，得到：

(4)

根據(jù)選取的時(shí)間零點(diǎn)，使i(ω t)為偶函數(shù)，即滿足i(-ω t)=i(ω t)，正弦項(xiàng)系數(shù)bn為零[13]。則

當(dāng)n≥1時(shí)，

故

(5)

得電流直流分量、基波和各次諧波分別為：

(6)

式中：k=1,2,3,…。

由上面的計(jì)算結(jié)果可得以下結(jié)論：三相半波整流電路感性負(fù)載時(shí)電流含有直流分量和3k±1(k為整數(shù))次的諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。根據(jù)功率因數(shù)λ定義為有功功率P和視在功率S的比值：

(7)

得基波因數(shù)：

(8)

(9)

功率因數(shù)λ為：

(10)

圖5為功率因數(shù)λ控制在0.3(根據(jù)式(10)，則α≈91.1°)時(shí)，在不同負(fù)載下，智能儀表和微機(jī)綜保的電流實(shí)測(cè)值以及兩者的關(guān)系圖。

圖5 智能儀表和微機(jī)綜保實(shí)測(cè)電流及兩者關(guān)系圖

從圖5可以看出：兩者顯示的電流量基本成線性關(guān)系，由于實(shí)際每相電流均存在一定的有功分量，并且基波成分隨有功分量增加而增大，且感抗值相對(duì)于阻值并非無(wú)窮大量，得到的相電流波形并不是理想的方波，故試驗(yàn)值與理論值存在一定的偏差，但綜保電流與智能電力儀表電流的比值仍接近于理論計(jì)算值0.675。

5 結(jié)語(yǔ)

智能電力儀表和微機(jī)綜保因設(shè)計(jì)用途不同對(duì)諸如三相半波這種諧波含量高的非正弦電路電量顯示會(huì)有差異。智能電力儀表以功耗計(jì)量需求而設(shè)計(jì)，需捕捉總電量；微機(jī)綜保需要提取電網(wǎng)中的故障特征量，主要考慮基波成分。筆者通過(guò)對(duì)三相半波整流電路進(jìn)行傅里葉分析，得出了三相半波電路的各次諧波表達(dá)式，為計(jì)量、保護(hù)設(shè)備選型和實(shí)際應(yīng)用提供了有力的理論基礎(chǔ)。

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HarmonicAnalysisandMeasurementforRDPSRectifierCircuitoftheThirdGenerationNuclearPowerPlant

Zhou Yunhua, Wang Shuai

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

2016-12-27；

2017-02-08

大型先進(jìn)壓水堆重大專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014ZX06002004-002)

周蘊(yùn)花(1979—)，女，工程師，從事高壓變頻器設(shè)計(jì)和核電廠控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源系統(tǒng)研究。

E-mail: yunhua.zhou@speri-keda.com

TL362.6

A

1671-086X(2017)05-0340-04