晶闸管控制电抗器TCR的仿真分析与设计.doc

《晶闸管控制电抗器TCR的仿真分析与设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《晶闸管控制电抗器TCR的仿真分析与设计.doc（82页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、晶闸管控制电抗器TCR的仿真分析与设计*学院毕业设计(论文) 晶闸管控制电抗器TCR的仿真分析与设计 学 生：* 学 号：* 专 业：* 班 级：* 指导教师：* *学院 二*年*月 摘要 本文对无源和有源两种电力滤波器的原理进行了阐述。混合型有源电力滤波器将无源滤波与并联型有源滤波相结合，克服了无源滤波器和有源电力滤波器的缺点，降低了逆变器容量，能同时补偿变化的无功功率和抑制各次谐波，动态性能好，提高了性价比，有较好的应用前景。 实时、准确地检测出电网中瞬态变化的谐波与无功电流是补偿装置进行精确补偿的前提，基于瞬时无功功率理论的检测法是三相系统中应用最为广泛的一种方法，包括适用于对称无畸变电

2、网的pq检测法及适用于不对称有畸变电网的i,i运检测法。通过MATLAB仿真，验证了这两种方法的有效性。 pq关键词：无功功率；谐波；晶闸管控制电抗器；有源电力滤波器；瞬时无功功率理论；仿真 I Abstract The principium of passive filter(PF) and active power filter(APF) is introduced in detail. Hybrid active power filter(HAPF), which combines APF with PF to decrease the capacity of inverter for

3、reducing the cost of APF, is presented by some researchers.HAPF overcomes the shortages of PF and APF, and will be popular in future. Exact and real-time detection of the instantaneous variable harmonic and reactive current in power system is the premise for compensation of all kind of compensator.t

4、he method based on instantaneous reactive power theory is used widely in tri-phase system than others, and it consists of p-q detection method applied to i,isymmetry power system without distortion, detection method applied to pqasymmetry distortion power system. By means of MATLAB simulated and ana

5、lysed, we verified this two kinds method have been able to check the harmonic and reactive current component from distorted current. Key words Reactive power Harmonic Thyristor controlled reactor Active power filter Instantaneous reactive power theory Simulation II 目录 摘要 . I Abstract . II 第一章 绪论 . 1

6、 1.1 无功功率及其补偿. 2 1.1.1 无功功率的定义 . 2 1.1.2 无功补偿及其研究现状 . 3 1.2 谐波的危害及其治理 . 4 1.2.1 谐波的定义 . 4 1.2.2 谐波的危害 . 6 1.2.3 我国对公用电网谐波的规定. 7 1.2.4 谐波抑制的研究现状 . 8 1.3 无功补偿与谐波抑制的关系 . 9 1.4 配电网无功功率与谐波的综合补偿方案 .10 1.4.1 无功功率与谐波综合补偿方案的提出 .10 1.4.2 无功功率与谐波综合补偿方案的系统结构 . 11 第二章 TCR的工作原理及其特性分析.14 2.1 无功功率动态补偿的原理 .14 2.2 TC

7、R的工作原理 .15 2.2.1 TCR的基本结构与工作原理 .15 2.2.2 TCR补偿特性 .17 2.3 TCR的谐波分析和抑制方式 .19 III 2.3.1 6脉波TCR .20 2.3.2 12脉波TCR .22 2.3.3 TCR与滤波器并联 .23 2.4 FC-TCR型静止无功补偿装二的结构与工作原理 .24 2.5 TCR的控制方法与策略 .26 2.5.1 信号检测 .26 2.5.2 开环控制系统 .27 2.5.3 闭环控制系统 .28 2.6 TCR的MATLAB仿真 .28 2.6.1 单相TCR的仿真 .29 2.7 本章小结 .32 第三章 电力滤波器的结构

8、与原理 .34 3.1 无源滤波器 .34 3.1.1 单调谐滤波器 .35 3.1.2 高通滤波器 .37 3.1.3 无源滤波装置的组合 .39 3.2 有源滤波器 .40 3.2.1 并联型有源电力滤波器的拓扑结构 .40 3.2.2 有源电力滤波器的主电路 .43 3.2.3 有源电力滤波器控制系统 .44 3.2.4 补偿电流的控制方法 .45 3.3 混合型有源电力滤波器 .47 IV 3.3.1 并联有源电力滤波器与LC滤波器的联接方式 .48 3.3.2 并联混合型有源电力滤波器的补偿原理与补偿特性 .49 3.4 本章小结 .53 第四章 基于瞬时无功功率的谐波与无功电流检测

9、 .54 4.1 三相电路瞬时无功功率理论 .54 4.2 三相电路谐波与无功电流实时检测 .57 4.2.1 p-q运算方式 .57 4.2.2 i-i运算方式 .59 pq4.3 本章小结 .61 结论与展望.62 致谢 .64 参考文献 .65 V 第一章 绪论 电能是当今最重要的能源形式，随着我国经济及科技的飞速发展和人民生活水平的迅速提高，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，各电力用户对电网的安全稳定运行及电能质量都提出了更高的要求。 理想的电力系统应以恒定的频率(50Hz或60Hz)和正弦波形，按规定的电压向用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应当处于

10、幅度相等、相0位相差的对称状态。但由于系统各元件(发电机、电动机、输电线路及负载)120的参数并非线性或对称，加之调控手段的不完善、负载变化的随机性及运行操作、各种故障等原因，这种理想状态实际上是不可能存在的，因此就形成了电能质量问题。 电能质量可以大致定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。 随着科技的进步，现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，诸如半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展，由于其

11、非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变而引起电压波动和闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率波动等，对供电电能质量造成严重的干扰或“污染”。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障，重则造成整个系统的损坏，由此带来的损失是难以估量的。电能质量的好坏将直接关系到国民经济的总体效益。因此，必须有效的控制电网的电能质量，提高电网的安全运行水平。改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量以及人民生活.和生产的正常运转均有重大意义。国内目前对电能质量的研究，主要是谐波抑制和无功补偿两个方面。 1 1.1 无功功率及其补偿 1.1.1 无功功率的定义 在正弦电路中，负载

12、是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。设电压和电流可分别表示为 u(t),2Usin,t （1.1） (1.2) i,2Isin(,t,),2Icos,sin,t,2Isin,cos,t,i，ipq,式中U为电压有效值，I为电流有效值，为角频率，为电流滞后电压的相角。 ,0ii 电流i被分解为和电压同相位的分量和比电压滞后的分量。 90pq电路的有功功率就是其平均功率，即 2x2x11P,uid,(t),(ui，ui,)d(t)pd,00,2,22x2x11 （1.3） ,(UIcos,UIcos,2t)d,(t)，(,UIsin,sin,2t)d,(t),002,2,UIcos,电路的无功

13、功率定义为 Q,UIsin, （1.4） ui可以看出，Q就是式(1.3)中被积函数的第2项无功功率分量的变化幅度qui的平均值为零，表示了其有能量交换而并不消耗功率。Q表示了这种能量交q换的幅度。在单相电路中，这种能量交换通常是在电源和具有储能元件的负载之间进行的。从式(1.3)可看出，真正的功率消耗是由被积函数的第1项有功功率分iiui量产生的。因此, 和分别称为正弦电路的有功电流分量和无功电流分量。 pqP2 1.1.2 无功补偿及其研究现状 在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。电力系统无功损耗主要有两个方面，一是输电系统自身吸收的无功，二是负荷

14、消耗的无功。输电系统自身吸收的无功主要是指输配电设备(如高压输电线路、联系不同等级网络的变压器等)在高压输电网络中输送电能时要吸收一定的无功功率;负荷吸收的无功功率主要指感性负载和大量的非线性负荷(如工业生产和日常生活中经常使用的异步电机、日光灯，以及各种变流装置、工业电弧炉等)消耗的无功，这些负载当中有些容量非常大，在启动和正常工作时都要吸收大量的无功功率，常常会引起电压的波动和畸变。 电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，系统中各种无功电源的无功功率输出应能满足系统负载和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电网电压就会偏离额定值。电力系统无功功率平衡的基本要求是:系统中的无功电

15、源可能发出的无功功率应该大于或至少等于负载所需的无功功率和网络中的无功损耗。显然，这些无功功率如果都要由发动机提供并经过长距离输送是不可能的，合理的方法应该是在电力系统中加装其他无功电源，例如同步调相机、并联电容器以及静止补偿器等，这些装置被称为无功补偿装置。电力系统在不同的运行方式下，可能分别出现无功功率不足或过剩的情况，在采取补偿措施时应能统筹兼顾，选用既能发出又能吸收无功功率的补偿设备。 无功补偿的重要性主要表现在以下几点： (1)提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 (2)稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以

16、改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 (3)在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。 从电力系统诞生开始，无功补偿技术就开始在电力系统中应用。同步发电机可以看作是最早的并联无功补偿装置，随着电力系统的发展，各种补偿装置不断涌现。早期无功补偿装置的典型代表是同步调相机(synchronous condenser)，同步3 调相机可以平滑调节无功功率，而且既可以吸收也可以发出无功功率，因此具有较强的补偿控制功能。但同步调相机，由于是旋转设备，运行维护都很复杂，响应速度也较慢，且随着负荷中心地区对环境要求的提高，旋转设备带来的噪声问题也比较严重，己经不能满

17、足现代电力技术的发展。 并联电容器与同步调相机相比，具有运行灵活、有功损耗小、维护方便、投资少等优点。因此，并联电容器的迅速发展几乎取代了输电系统中的同步调相机。但是，和同步调相机相比，并联电容器只能补偿固定的无功功率，当系统中有谐波时，还有可能发生并联谐振，使谐波放大，造成电容器的烧毁。 静止无功补偿装置(Static Var Compensator-SVC)近年来获得了很大发展，己被广泛用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。SVC的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率，由于具有连续调节的性能且响应迅速，因此SVC可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压

18、接近维持不变。SVC的典型代表是晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor-TCR)。TCR最重要的性质是它能维持其端电压不变，具有快速响应性、可频繁动作性、以及分相补偿能力，可应用于对大型冲击性、快速周期波动变化、不平衡、非线性负荷(如电弧炉、轧钢机、城市二级变电站、远距离电力传输、电力机车供电等)的动态无功补偿领域。它能有效抑制这些负荷所引起的电压波动问题，显著地解决电压畸变、波动和闪变问题，起着改善电能质量的作用。因TCR装置采用相控原理，在动态调节无功功率时，也产生大量的谐波，所以，通常把滤波装置与TCR并联，以滤除TCR工作时产生的谐波。 1.2 谐波

19、的危害及其治理 1.2.1 谐波的定义 在电力系统中，理想的电压和电流应该是恒定频率(50Hz或60Hz)的正弦波形。正弦电压可表示为 u(t),2Usin(,t，,) （1.5） M,式中U为电压有效值，TN为初相角，为角频率。 M4 正弦电压施加在线性无源元件上，其电流仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波。对于周期T,2,。的非正弦电压，一般满足狄里赫利条件，可分解为式（1.2）所示的傅立叶级数： u(,t),u(t),a，(a,cosnt，b,sinnt),0nn,n1,21a,u(,t)d(t)0,0,2式中 （n=1、2、3） （1.6） ,21a

20、,u(t)cos,ntd,(t)n,0,2,1b,u(,t)sinn,td(,t)n,0,在式（1.2）的傅立叶级数中，频率为1/T的分量称为基波，频率为大于1的整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。 HRUn次谐波电压含有率以表示为 nUnHRU,，100% （1.7） nU1UU式中为第n次谐波电压有效值（方均根值），为基波电压有效值。同n1HRI理n次谐波电流含有率以表示为 nInHRI,，100% （1.8） nI1UI谐波电压含量和谐波电流含量分别定义为 HH,2 （1.9） U,U,Hnn,2,2 （1.10） I,I,Hnn,2THD电压谐波总畸变率

21、分别定义为 iUHTHD,，100% (1.11) MU15 IHTHD,，100% (1.12) iI11.2.2 谐波的危害 电网中的谐波主要是由各种大容量整流或换流装置以及其他非线性负载产生的，他们向电网输入大量高次谐波电流，在电网的阻抗上产生高次谐波电压降，使公用电网电压的正弦波形发生畸变，造成谐波污染。 随着各种电力电子装置在生产生活各个领域的广泛使用，电力电子装置成为最主要的谐波源，如整流装置、交流调压装置等，这其中，整流装置所占的比例最大，它几乎都是采用带电容滤波的二极管整流或晶闸管相控整流，它们产生的谐波污染和消耗的无功功率是众所周知的;除整流装置外，斩波和逆变装置的应用，其输

22、入直流电源也来自整流装置，因此其谐波问题也很严重，尤其是由直流电压源供电的斩波和逆变装置，其直流电压源大多是由二极管整流后经电容滤波得到的，这类装置对电网的谐波污染日益突出。 变压器、电抗器、各种旋转电机都含有铁心，铁心具有磁饱和性，铁心饱和后是非线性的。变压器铁心常工作在磁通密度较高的区段，磁化曲线更陡，更易产生谐波。 冶金用大功率交流电弧炉，因为电弧放电具有负伏安特性，必须在电路中串入电感性阻抗才能限制电弧电流，有的电弧炉是用给电感线圈的铁心加直流偏磁的方法来改变电抗值，以调节电弧电流的大小，这就使电感线圈的磁化曲线严重非线性，导致电源输入电流的波形严重畸变。故大功率交流电弧炉也是公用电网

23、很大的谐波源。 此外，普通用户家中大量使用的家用电子电器、公共照明系统中荧光照明负荷也正逐渐成为配电系统中重要的谐波源。可以说在这些新技术成功解决实际生活环境中原有污染问题的同时，如不加防范则会造成电力系统中新的污染问题。 电力系统存在的大量谐波严重地降低了电能质量，给系统带来众多危害，其危害主要表现在： 6 1)谐波电流使输电线路损耗增大，输电能力降低，并使线路绝缘加速老化，泄漏电流增大，严重的甚至引起放电击穿。 2)使电动机损耗增大，发热增加，过载能力、寿命和效率降低，甚至造成设备损坏。 3)容易使电网与用作补偿电网无功功率的并联电容器发生谐振，造成过电压或过电流，使电容器绝缘老化甚至烧坏

24、。 4)谐波电流流过变压器绕组，增大附加损耗，使绕组发热，加速绝缘老化，并发出噪声。 5)使大功率电动机的励磁系统受到干扰而影响正常工作。 6)若移相电容器配置不当时，可能在某高次谐波的作用下引起谐振。 7)影响电子设备的正常工作，如:使某些电气测量仪表受谐波的影响而造成误差，导致继电保护和自动装置误动作，对邻近的通信系统产生干扰，非整数和超低频谐波会使一些视听设备受到影响，使计算机自动控制设备受到干扰而造成程序运行不正常等。 1.2.3 我国对公用电网谐波的规定 由于电网中的谐波对工业生产及电网本身都会造成很大危害，世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，以限制谐波源注入电网的谐波电流，

25、把系统内的谐波电压控制在允许的范围内。我国国家技术监督局于1993年发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549-93电能质量公用电网谐波。对于不同电压等级的公用电网，允许电压谐波畸变率也不相同。电压等级越高，谐波限制越严。另外，对偶次谐波的限制也要严于奇次谐波。 1)电网电压波形畸变的限制 表1.1所示为公用电网谐波电压畸变率限值。 2)注入公用电网的谐波电流允许值 7 公用电网的任何用户向电网注入的谐波电流分量不应超过表1.2规定的允许值。 表1.1 公共电网谐波电压限值 电网电压 电压总谐波畸变率 各次电压含有率（%） （KV） （%） 奇次 偶次 0.38 5.0 4.0 2.0 6

26、 4.0 3.2 1.6 10 4.0 3.2 1.6 35 3.0 2.4 1.2 66 3.0 2.4 1.2 110 2.0 1.6 0.8 表1.2 注入公共网络的谐波电流允许值 供电电压 谐波次数及谐波电流允许值 （KV） 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 0.38 78 62 39 62 26 44 19 21 16 28 13 24 6 43 34 21 34 14 24 11 11 8.5 16 7.1 13 10 26 20 13 20 8.5 15 6.4 6.8 5.1 9.3 4.3 7.9 35 15 12 7.7 12 5.1 8.8 3.8

27、4.1 3.1 5.6 2.6 4.7 66 16 13 8.1 13 5.4 9.3 4.1 4.3 3.3 5.9 2.7 5.0 110 12 9.6 6.0 9.6 4.0 6.8 3.0 3.2 2.4 4.3 2.0 3.7 1.2.4 谐波抑制的研究现状 抑制谐波干扰的传统方法是在谐波源处装设LC调谐型无源滤波器(Passive Fil ter-PF)。这种方法既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用，但是其主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，另外它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。 8 目前，谐波抑

28、制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器(Active Power Filter-APF)。有源电力滤波器是随着脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-PWM)控制技术的进步和基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出而迅速发展起来的。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网中只含基波分量。该滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿性能不受电网阻抗影响，目前己经广泛使用。有源电力滤波器按照PWM逆变电路直流侧电源的性质可以分为电压型和电流型，目前实际应用的装置中，90%以上的是电压型。从与补

29、偿对象的连接方式来看，又可分为并联型和串联型，目前运行的装置几乎都是并联型。 有源电力滤波器虽能克服无源滤波器存在的缺陷，但其安装容量受开关器件容量的限制。将无源滤波器和有源滤波器相结合构成的混合型有源电力滤波器(Hybrid Active Power Filter-HAPF)，取两者之长，补其之短，可以有效降低有源滤波器的容量，从而有效降低成本，提高性能价格比，达到APF实用化及谐波抑制的目的。 1.3 无功补偿与谐波抑制的关系 无功功率问题和谐波问题对电力系统和电力用户都是十分重要的问题，也是近年来各方面关注的热点之一。无功补偿与谐波抑制是两个相对独立的问题，但两者之间又有非常紧密的联系，

30、主要表现在： (1)在没有谐波的情况下，无功功率有其固定的概念和定义。而在含有谐波的情况下，无功功率的定义和谐波有密切的关系，谐波除其本身的问题之外，也影响负载和电网的无功功率，影响功率因数。 (2)无功补偿与谐波抑制都与电力电子技术有密切的关系，而各种电力电子装置目前已成为供用电系统最为主要的谐波源，同时其功率因数也很低，消耗大量的无功功率。 9 (3)补偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置，如LC滤波器、有源电力滤波器中的许多类型都可以补偿无功功率，高功率因数整流器既限制了谐波，也提高了功率因数。 (4)很多无功补偿装置，如晶闸管控制电抗器(TCR)在正常运行时会产生大量的特征谐波

31、注入电网，因此必须采取措施将这些谐波滤除或减弱。 1.4 配电网无功功率与谐波的综合补偿方案 随着全球工业化进程的不断加速，接入电网的非线性负载的的数量和容量正迅速增加，电网中的谐波污染越来越严重。另外，大多数负载的功率因数很低，也给电网带来了额外负担，影响了供电质量。因此，无功补偿与谐波抑制已成为电力电子技术、电力系统研究领域所面临的一个重大课题。 为了解决电能质量的问题，国内外正在积极研究用于配电系统和用电系统的电能质量控制技术。它是将电力电子技术、微处理机技术、自动控制技术等高新技术运用于中、低压配电系统和用电系统中，以减小谐波畸变，消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断，

32、从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。 1.4.1 无功功率与谐波综合补偿方案的提出 当配电网负载变化频繁时，对于无功电流的补偿，通常晶闸管控制电抗器(TCR)，TCR可以有效补偿容性负载产生的容性电流，但TCR本身是一个谐波源，它在补偿容性电流的同时产生了谐波电流，加重了系统的谐波污染。因此，TCR必须与滤波装置配合使用，通常是LC无源滤波器，但无源滤波器本身存在一些固有的缺点。 目前，有源电力滤波器(APF)越来越受到用户及研究人员的广泛关注，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，然后由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流，使电网的电流只含基波。APF能够对变化的

33、谐波进行快速地动态地补偿，性能不受电网阻抗的影响，但APF基于新型的电力半导体器件，采用高频PWM逆变方式，单独使用并联式APF能够补偿系统的谐波和无10 功电流，但中压配电系统的功率要求一般使纯并联式APF的初期投资很大、运行效率较低，而APF与PF的混合系统能发挥APF与PF的优势，消除各自的弊端，是将来的发展趋势，适合中压配电系统的需要。谐波主要由无源滤波器补偿，有源电力滤波器的作用是改善LC滤波器的滤波特性，它只需补偿LC滤波器未能补偿的谐波。该拓扑不仅大大改善了滤波效果，而且APF的容量通常占负载容量的2%5%，在中压配电系统中能够实现滤波性能与成本的结合，是近年来颇受关注的谐波和无功功率补偿的新型装置。 1.4.2 无功功率与谐波综合补偿方案的系统结构 本文从经济性和补偿性能两方面综合考虑，采用晶闸管控制电抗器(TCR)+混合型有源电力滤波器(HAPF)的方式来同时进行无功补偿和谐波抑制。此综合补偿方案的单相系统结构框图如图1.1所示，该系统主要由TCR, LC无源滤波器和有源滤波器等部分组成，其中LC无源滤波器和有源电力滤波器串联构成混合型电力滤波器与TCR并联接入配电网。 负载电网