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40T混合磁体外超导磁体电源柔性无功补偿的研究与设计

陈思明  
【摘要】:稳态强磁场是现代基础科学研究不可或缺的极端条件。目前中国科学院强磁场科学中心已完成40万高斯稳态混合磁体装置的建设,磁场强度位居世界第二。该装置由外超导磁体和嵌套其中的内水冷磁体组成,由两套独立的电源系统供电。其中外超导磁体电源采用双反星形可控硅整流结构,为典型的非线性负载,电源大电流输出时,会向电网注入大量的谐波。超导模型线圈的“零电阻”及大电感特性,使得装置运行时消耗大量无功功率。需要对无功和谐波加以补偿。论文全面的介绍了外超导磁体电源的结构,对电源的各个组成部分进行了设计分析。结合实际现场,对相关参数给出了详细推导。针对电源运行可能出现的各种非理想情况,分析电源的特征谐波与可能产生的非特征谐波。依据外超导磁体模型线圈的励磁特性,全面分析了无功功率的动态特性。从电源的反馈控制调节角度,阐述了电源对50Hz输出电压纹波抑制过程中电源所消耗的无功功率的动态变化。以此确定无功补偿及谐波滤除装置的所要满足的性能指标。论文对三种补偿方案的进行对比分析,解释了 SVG (Static Var Generator)作为选定方案的原因。探究了传统功率理论的不足,对有源补偿装置的原理进行了分析,为柔性补偿装置的研制提供了理论依据。以装置工程实现为目标,对三电平SVG的关键技术展开研究,对主回路拓扑、交流滤波结构、电压同步、参考电流计算、数字滤波设计以及电流反馈控制等技术细节进行了分析。选定了合适的技术方案。研制了实验样机,详细阐述控制系统的实现,验证了理论分析的可行性。工程实现了外超导磁体电源的动态无功补偿及谐波抑制,目前装置运行良好。为强磁场28MW大电源的无功补偿及滤波装置的升级改造提供了有力的理论依据。


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