（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的tcr型动态无功补偿器的研究.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fr e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i cp o l l u t i o nh a sb e c o m e s e r i o u sw i t ht h ew i d e l yu s eo fh i g hp o w e re l e c t r o n i ci n s t a l l a t i o ni n p o w e rs y s t e m t h er e s e a r c ho fd y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n a n dh a r m o n i cs u p p r e s s i o nb e c o m e st h eh o t p o ti np o w e rd r i v e sf i e l d t h et r a d i t i o n a l t e c h n o l o g y o fc o m p e n s a t i o ni sd i f f i c u l tt o a n a l y z e r e a l - t i m es i g n a le f f e c t i v e l ya n dt h u si m p a c t st h er e s u l to fc o m p e n s a t i o n b u td s pc a c u l a t e sq u i c k l ya n dc a nr e a l i z e sc o m p l i c a t e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n go rd i g i t a lr e a l t i m ec o n t r o l l i n g i no r d e rt os t a b i l i z ev o l t a g e ， r e d u c ev o l t a g ef l u c t u a t i o n ，d y n a m i ce a rc o m p e n s a t o rb a s e do nd s pi s d e s i g n e di nt h i sp a p e rt oc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e ro ft h em i n ed c e l e v a t o r t h er e s e a r c hg e n e r a ls i t u a t i o nb o t hi na n da b r o a da n dt h et r e n do f d e v e l o p m e n to nr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na r es u m m a r i z e di nt h i s p a p e r b a s e do nm a t l a bs y s t e mh a r m o n i cs o u r c e sa r ea n a l i z e da n d s i m u l a t e d t h et h e o r yo ft c ra n di n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e ra r e i n t r o d u c e da n da n a l y z e d ，t h es y s t e mm a i nc i r c u i ta n dc o n t r o ls y s t e ma r e d e s i g n e d ，a n df i n a l l yt h eo v e r a l ls c h e m ei sd e f i n e di nt h i sp a p e r t m s 3 2 0 f 2 812 c h i p i sc h o s e d a sm a i nc e n t e r p r o c e s s o r ， p e r i p h e r i e sc i r c u i t sa r ed e s i g n e di n c l u d e ds i g n a l si n p u tc i r c u i t ，f i l t e r a m p l i f y i n gc i r c u i ta n ds i g n a la a j u s t m e n tc i r c u i ta n ds oo n w i t hr e g a r d t ot h es o f t w a r ed e s i g n ，f l o wc h a r t sa r ep l o t t e da n ds o m ep r o g r a mc o d e s a r ec o m p i l e d b a s e do nm a t l a bs o f t w a r ec o m p e n s a t i o ne f f e c t so fr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o ls y s t e ma r cs i m u l a t e da n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a ts y s t e ml i n ev o l t a g e ，l o a dr e a c t i v ep o w e r ，a n dt c r r e a c t i v ep o w e ra r eb a s i c l ys t a b i l i z e da b o u tt w op e r i o da n ds y s t e ml i n e v o l t a g ef l u c t u a t i o ni sl e s st h a nt h r e ep e r c e n ta n do n l yal i t t l eo f5 t h ，7 t h a n dll t hh a r m o n i c sa r er e m a i ni ns y s t e ml i n ev o l t a g ea n ds y s t e ml i n e c u r r e n t 。t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o nm e e t st h eh a r m o n i cs t a n d a r do f p u b l i cg r i d t h i sp r o v i d e st h et h e o r yb a s i so fi t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni n m i n e 。 k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；t c r ；m a t l a b ；d s p 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取锝的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 赵亟匾 日期： 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权 保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印，缩 印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 刊登) 授权黑龙江科技学院研究生处办理。 研究生签名：赵重萌 导师签名：互绺日期：砌 黑龙江科技学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 项目的目的和意义 当今煤矿电力系统中，随者以电力电子装置为代表的各种非线 性元件的大量使用，煤矿电网中的谐波和无功功率污染问题日益严 重，不仅降低了电能质量，还威胁着电力系统的稳定、安全运行， 严重时会损坏设备，甚至造成电力系统事故，所以谐波抑制和无功 补偿技术日益引起人们的关注。 无功补偿对电力系统有着重要意义，概括起来有【卜2 】： ( 1 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 改善系统的稳定性，提高输电能力，并提供一定的系统阻尼。 ( 4 ) 提高发电机有功输出能力。 ( 5 ) 减少线路损失，提高电网的有功传输能力。 ( 6 ) 降低电网的功率损耗，提高变压器的输出功率及运行经济效 益。 ( 7 ) 降低设备发热，延长设备寿命，改善设备的利用率。 ( 8 ) 平衡三相的有功功率和无功功率。 ( 9 ) 避免系统电压崩溃和稳定破坏事故，提高运行安全性。 无功补偿就其补偿方式来说分为高压补偿和低压补偿。高压补 偿通常是在变电所高压侧进行，仅能补偿补偿点前端的无功功率， 对补偿点后的输电线路和负载的无功功率起不到补偿作用；低压补 偿可直接补偿输电线路和负载的无功功率，补偿效果最为理想。但 在低压补偿时，负载具有分散性大、数量多的特点，要求无功补偿 装置成本低、操作方便、易于维护和安装，而且必须能进行动态补 偿。 煤矿中常用的方法是在电网中并联电容器来补偿无功功率3 1 ， 具有结构简单、经济方便等优点，但其阻抗是固定的，由于提升机 黑龙江科技学院硕士学位论文 为短时循环工作制的负载，一个提升机循环分为加速、等速、减速 和休止几个工作状态，各阶段所需功率均不同，而电容器组只能输 出恒定无功功率，故不能实现对无功功率的动态补偿。另外补偿电 容器对谐波具有放大作用，容易导致电容器过载、过热，增加损耗， 长期运行会造成外壳膨胀和放炮，直至破坏。 针对矿井直流提升机的特点，晶闸管控制电抗器+ 滤波器组 ( t c r + f c ) 是目前最理想的补偿方式。在理论上可以较好的解决 矿井提升机的问题，滤波电容器滤捧其自身运行时产生的谐波和负 载的谐波。由于晶闸管的触发角可以连续调节，所以接入的无功补 偿容量可以连续跟踪负载的变化；对各相的导通角分别控制，就可 以对三相不平衡负载进行平衡化补偿，而且这种装置维修方便，损 耗小。 另外，在煤矿安装、使用无功就地补偿装置可增加设备出力、 改善电压质量、减少线路功耗、减小谐波对邻近设备的影响、消除 因过补偿引起的附加功耗、减少安装材料资金1 4 1 ，能取得可观的经 济效益。近几年国家颁布了一系列标准、规程，对电网电压质量有 了明确规定。为了保证所有电器设备的正常工作，各工业国家都对 谐波问题开展了深入的研究，并制定了相应的规程标准。我国于1 9 8 4 年颁布了电力系统谐波管理暂行规定，后又于1 9 9 3 年发布了国 家标准电能质量：公用电网谐波 5 1 ，规定了电网谐波的允许值。 我国煤炭工业矿井设计规范第1 6 1 1 3 条规定：“电网中接有非 线性用电设备的矿并，应采取措旌将谐波电流危害限制在允许范围 内。设计滤波电路时，宜结合无功补偿及控制因大容量谐波源所引 起的电压闪变等因素确定”。根据目前国际上的研究成果，谐波电流 允许值应基于电网的电磁兼容性水平，即不可能完全消除谐波，但 应将其限制在一定的水平。电网电压的稳定性是衡量电网电压质量 的一个重要条件，而电压波动的允许值是与其出现的频度有关，国 际电能质量：电压允许波动和阗变【4 l 规定1 0 k v 及以下电网的电 压允许波动为2 。5 。对于矿井提升机这类负载，考虑到技术经济的 具体倩况，其引起的电压波动一般应不大于3 5 。因此，动态补偿 及滤波装置作为一种可靠的高技术设备，在煤矿电网中具有广阔的 应用前景。 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 i 2 国内外研究概况、水平和发展趋势 1 2 1 无功补偿装置发展概况 设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法，目前在国内 外均获广泛应用。在电网上并联电容器补偿无功功率，具有结构简 单、经济方便等优点，但其阻抗是固定的。故不能跟踪负荷无功需 求的变化，即不能实现对无功功率的动态补偿【l 】。 随着电力系统的发展，要求对无功功率进行动态补偿，从而产 生了同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r s c ) 它是专门用来产生无 功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的情况下，能够分别发出不 同大小的容性或感性无功功率。自2 0 世纪二、三十年代以来的几十 年中，同步调相机在电力系统中作为有源的无功补偿曾一度发挥着 主要作用，所以被称为传统的动态无功补偿装置。然而，由于它是 旋转电机，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，而且响 应速度慢，难以满足快速动态补偿的要求。 2 0 世纪7 0 年代以来，同步调相机开始逐濒被静止型无功补偿 装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r s v c ) 所取代，目前有些国家已不再使用 同步调相机。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器 ( s a t u r a t e dr e a c t o r s r ) 型的，1 9 6 7 年英国g e c 公司制成了世界上第 一批该型无功补偿装置。饱和电抗器比之同步调相机具有静止、响 应速度快等优点；但其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声还 是很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以 补偿负荷的不平衡，所以未能占据主流。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将晶闸管的静 止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台。1 9 7 7 年美国g e 公司首次 在实际电力系统中演示运行了晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年 此类装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竟相推出了各 具特色的系列产品。近1 0 多年来，占据了静止无功补偿装置的主导 地位。于是静止无功补偿装置( s v c ) 成了专指使用晶闸管的静止无 功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e d r e a c t o r t c r ) 和晶闸管投切电容器( t h y r i s t o r s w i t c h e d 黑龙江科技学院硕士学位论文 c a p a c i t o r t s c ) ，以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者t c r 与 固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r f c ) 或机械投切电容器( m e c h a n i c a l l y s w i t c h e dc a p a c i t o r m s c ) 混合使用的装置( 即t c r + f c 、t c r + m s c ) 等。 随着电力电子技术的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代以来，种 更为先进的静止型无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电 路的无功补偿，有人称为静止无功发生器( s t a t i cv a r g e n e r a t o r s v o ) ，也有人称其为高级静止无功补偿器( a d v a n c e d s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r a s v c ) 或静止调相器( s t a t i c c o n d e n s e r s t a t c o n ) 。最近，日本和美国已分别有数台s v g 装置 投入实际运行。 目前，除对s v c 和s v g 的无功补偿进步的探讨外，人们还 研究用于动态无功补偿的其他各种形式的静止变流器，包括赌流型 自换相桥式电路，交一交变频电路以及交流斩波电路等，直至最近， 美国电力研究院还提出统一潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o w c o n t r o l l e r - u p f c ) 。事实上。s v c 、s v g 和u p f c 都是柔性交流输电 系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m f a c t s ) 中的器件。所谓柔性 交流输电系统，是2 0 世纪8 0 年代以来由美国电力研究院提出的一 个崭新概念，其本质就是将高压大功率的电力电子技术应用于电力 系统中，以增强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输电 能力。 1 2 2t c r 的研究现状及存在的问题 目前中国电科院、西电公司，鞍山荣兴公司仅针对大型用户进 行t c r 的研制，针对中小用户和低压电网开发的产品则较少。主要 原因一是国内高压晶闸管的制造工艺无法与国外同类产品相比，晶 闸管的耐压和导通一致性差；二是控制器的核心技术不被国内厂家 掌握，加之产品硬件成本相对较高，所以只有大型钢铁企业和煤矿 以及部分电气化铁路使用高压t c r 。而电网用电负荷一般由异步电 动机、同步电动机、电热电炉、整流和照明设备等组成，其中异步 电动机占的比例最大( 电气原动力中占9 0 ，用电量占6 0 以上) 。因 此高( 低) 压电动机动态无功补偿装置的研制具有更广阔的市场。 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 目前国际上只有德国的s i m e n s 、瑞士的a b b 、美国的c a n a 公司、日本的f u j i 公司与乌克兰的国家变流器科学研究院及乌克兰 扎巴罗熟变流器厂等少数国家的公司和企业能掌握该项技术并批量 生产t c r ，而国内一些科研单位与生产企业研究开发的该项技术与 装置，因受国内大功率晶闸管器件水平及高电压，大电流的电力电 子技术与数字化的微电子技术互相结合的技术限制，至今没有批量 生产s v c 的单位1 4 j 。 国外的无功补偿系统主要用静补装置和电容器组成，并积累了 广泛的运行经验，取得了良好的效果。国内引进的十余套s v c 装置， 安装于5 0 0 k v 变电站及几个大型的冶金企业。经过近年来的消化吸 牧，我国已研究开发了多种使用于不同场合的改善电压波形、抑制 冲击无功的动态无功补偿装置，但在功能上、实用化方面还不够理 想，还存在许多问题1 6 - 8 l ： ( 1 ) 近几年，在0 4 k v - 1 0 k v 电网中推行的动态补偿，实质上是晶 闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r t s c ) ，没有平滑调节 功能，实时性差； ( 2 ) 基于单片机或可编程序控制器( p l c ) 设计的无功补偿装置，运 算速度较慢，很难满足复杂控制算法的要求及具有快速的响应速度， 已不能很好地适应电力系统的要求，致使电力系统的高精度测量、 实时监控和先进算法的运用受到了限制； 、 ( 3 ) 直接引入国外技术模块的一些产品，功能较强，可是价格较 高且不完全适合我国市场，目前主要集中在钢厂等大型项目应用； ( 4 ) 无通讯和控制输出功能的产品，不满足电力系统网络化、自 动化的发展方向。 1 3 本文研究的主要内容和主要工作 提高电力系统供电质量、抑制谐波、保持网络节点电压稳定已 经成为电力系统急需解决的重要问题，而d s p 的出现，为人们解决 谐波和无功问题提供了新的途径。针对矿并直流提升机整流装置， 本文设计了一种基于d s p 的t c r 型动态无功补偿器。主要工作如下： 1 、对系统谐波源的谐波成分进行理论分析，并利用m a t l a b 黑龙江科技学院硕士学位论文 对其进行建模仿真及其谐波分析。 2 、综合性能比较几种静止无功补偿器( s v c ) ，确定系统的无 功补偿器的类型；研究t c r 的补偿原理及瞬时无功理论；对无功补 偿系统的主电路和控制系统进行设计，提出系统的总体方案。 3 ，对d s p 控制系统相应的外围硬件电路进行设计，给出各部 分的硬件电路。 4 、对软件程序进行模块化设计，绘出各部分软件程序流程图， 基于t i 公司的c o d e c o m p o s e 3 1 集成开发环境，利用c 语言和汇编 语言编写程序。 5 、利用m a t l a b 软件以矿井直流提升机整流装置为负载建立 无功补偿系统仿真模型，对无功补偿系统进行计算机仿真，并针对 仿真结果进行无功补偿、电压波动和谐波分析。 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 第二章系统谐波源的谐波分析及仿真 矿井直流提升机普遍采用晶闸管整流装置，设备在调速运行过 程中会对电网造成严重的无功冲击，同时产生大量谐波，导致电网 电压波动和畸变，直接影响电能质量，必须加以治理。谐波源除了 矿井直流提升机整流装置外，还有无功补偿器t c r ，t c r 相当于电 感负载的交流调压电路，也会产生谐波，对矿井直流提升机整流装 置和t c r 进行仿真及谐波分析可以给无功补偿和谐波抑制提供理论 依据。同时，大功率变流装置又是f a c t s 技术的核心，为了对它进 行合理的控制和使用，必须对其工作特性有深入的了解。对其进行 模拟或仿真也成为设计前必不可少的步骤。 本章及后面的系统仿真都是在m a t l a b 7 0 环境下完成的，将运 用s i m u l i n k 中的s i m p o w e r s y s t e m s 工具箱通过各模块的建立、连接、 参数调试进行系统仿真和谐波分析。本章的主要工作就是进行基于 m a t l a b 的矿井直流提升机整流装置模型和t c r 模型的仿真及其 谐波分析，这为后面无功补偿和谐波抑制的研究工作提供了理论依 据。 2 1 矿井直流提升机的谐波分析及仿真 本节建模仿真按以下类型进行讨论分析： 1 、忽略换相过程和直流侧电流脉动； 2 、考虑换相过程但忽略直流侧电流脉动； 3 、其他非理想条件时的情况。 按负载性质分为阻感负载整流电路和带滤波电容器的整流电 路，由于煤炭行业中大都采用阻感负载整流电路，所以本文不对带 滤波电容器的整流器进行分析。 以下讨论的内容都是基于下面的理想条件进行的： l 、交流侧电源电压是三相平衡的纯正弦电压； 2 、各相的交流侧阻抗完全相等； 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 3 、直流侧平均电流恒定且没有受到直流侧负载的调制； 4 、三相脉冲触发对称，间隔相等 2 1 1 忽略换相过程和直流侧电流脉动 目前在工矿企业中最基本应用电路就是三相桥式整流电路 i a ? d 9 ，矿井直流提升机相当于三相桥式整流电路的反电动势阻感负 载。矿井直流提升机仿真电路图如图2 1 所示。 设交流侧电抗为l b 为零，直流电感l 为足够大。设三相电源 为 ， 乞= 兹s i n ( 脚f + 口) 铲皿s 蚴+ 口一詈石) q = q e e s i n ( + 口+ ；万) ( 2 1 ) 图2 - 1 矿井直流提升机仿真电路图 f i g 2 is i m u l a t i o nc i r c u i to fm i n ed ce l e v a t o r 以a ；3 0 。为例，交流侧电流和负载电压波形如图2 2 和图2 3 所示。此时交流侧电流为正负半周各1 2 0 。的方波，三相电流波形相 同，且依次相差1 2 0 。，其有效值与直流电流的关系为 i = 延i d 8 ( 2 2 ) 黑龙江科技学院硕士学位论文 一日一一一一一一 ij 一一1 1 一一一 - 。 一一一一一1 1 【二 地 图2 - 2 交流侧电流波形图 f i g 2 - 2e l e c t r i cc u r r e n tw a v e f o r ma ta cs i d e 图2 - 3 负载电压波形图 f i g 2 - 3l o a dv o l t a g ew a v e f o r m 以a 相电流为例，将电流波形分解为傅立叶级数，以电流负、 正两半波的中点作为时间零点，则有 屯= 兰笋l 【s i n 研一 幽5 研一三7 s i n 7 耐+ 三1 1s m l l 耐+ 去s 缸1 3 耐一】 万， 】3 。 = 2 万x 3 1 ds i n c o t + 警l 互w 丢咖槲 = a f 2 i , i n c o t + ( 一1 ) 4 互i s i n n e a t( 2 3 ) z 制一 由式2 3 可得电流基波和各次谐波有效值分别为 ( 2 4 ) 由此可得出以下结论：电流中仅含6 k 士1 ( k 为正整数) 次谐波， 各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波 次数的倒数交i g 傻, j 电流的谐波特性如图2 - 4 所示，由图可以看出 仿真结果与理论分析完全吻合。 9 3 2 = 毒酤 = 玎 l 拓了拓磊 i i = 黑龙江科技学院硕士学位论文 f 删由f m n 皤c 5 0 ，- 1 呻t h 弘2 1 5 州 l 一一一一r 一一一一一一i 一一一一一一1 一一。一。 一一l 一一一一一j 一一一一一li lil 一一一一一r 一一一一一一i 一一一一一1 一一一一一一 一一一一一一一一一j 一一一一一一j 一一一一一一li t ii 一一一一一r j 一一? 一i 一一j 一一：一一j 。 h t r r 砖a d l 图2 4 交流侧电流的谐波特性图 f i g 2 4e l e c t r i cc u r r e n th a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i cc h a r t 2 1 2 考虑换相过程忽略直流侧电流脉动 设交流侧电感为l b ，以触发角处为计时起点，则交流侧a 相 电流表达式为 式中x a f w l s ，y 为换相重叠角。 进行傅立叶分解后得基波和各次谐波的表达式如下 = j 面3 e 【r s m 2 卜耖s i n ，c o s ( 2 口+ 力+ y 2 辛 = 誓【s 毒卜2 y 如厂c o s ( 缸+ 力+ 门；，脚。岱一。 + 朋( 2 6 ) f3 e 2 面 押一l 8 m r ， 刀一1 + 1 如丁， ”+ 1 1 0 s q 舭誓i r 幡鳅一 狄 篱辫 1 叻 门肚且 p 口 习 吒 + h d 酬删 酞 恻 0 o 瑰一3谚一叫争 咐 孵 甜 如抽 卅 势葺嘶一亟 黑龙江科技学院硕士学位论文 一2 学 譬卜了 图2 - 5 交流侧电流波形图 f i g 2 5e l e c t r i cc u r r e n tw a v e f o r ma ta cs i d e n ba 8 10 8 2n 8 3 t s 图2 - 6 负载电压波形图 f i g 2 - 6l o a dv o l t a g ew a v e f o r v a 2 1 3 其他非理想条件时的情况 直流侧电感为有限值即考虑直流侧电流脉动时谐波的计算比较 复杂，有忽略换相过程的d o b i n s o n 法和考虑换相过程的 g r a h a m s c h o n h o l z e r 法等，它们依据的都是这些情况下交流侧电流 的近似波形，结果存在一定误差，用计算机时域仿真可以得到比较 精确的数值解，但无法写出解析表达式。 在前面所假设的理想条件下，矿井直流提升机整流装置产生的 是特征谐波。实际工程中，这些理想条件往往不能完全满足，这时 |曾擎鞋杈 黑龙江科技学院硕士学位论文 交流侧电流中还会产生除特征谐波外的非特征谐波，而且特征谐波 的大小也会和前面分析的结果不完全样。 2 2t c r 的谐波分析及仿真 t c r 就是电感负载的交流调压电路，交流调压电路最常见的联 结方式有星形联结和支路控制的三角形联结，由图2 7 可以看出， 三角形联结时输入电流各次谐波谐波含量小于星形联结时输入电流 各次谐波谐波含量，且可以使所有的三次谐波序列的谐波电流都在 闭合三角形中流通，而线电流中不出现这些谐波。 t c r 的电流基波和谐波有效值表达式如下 ：掣s i n 2 a - 2 岱+ 2 7 r( 2 8 ) 幽i ，；鱼。! 堂! 毖二! ! 塑s i n ( n - i x a , - a - 2 ) “ 越l 以+ l1 - 1 ( 2 9 ) 其中：u 为线电压有效值，n = 6 k + l ，k 为正整数。 由式2 9 可知，谐波电流大小与触发延迟角a 有关，a 角增大则 电流波形畸变率增加。在d 角完全对称的情况下，t c r 产生的主要 谐波是奇次谐波。反并联触发延迟角不完全对称时则会产生偶次谐 波。 ( a ) 星形联结 黑龙江科技学院硕士学位论文 ( b ) 三角形联结 ( b ) d e l t ac o n n e c t i o n 图2 7 星形联结和三角形联结两种接线方式 电路输入电流基波和各次谐波的含量 f i g 2 - 7f u n d a m e n t a lw a v ea n de a c hh a r m o n i co fc o n t e n t o ns t a ra n dd e l t ac o n n e c t i o n t c r 的仿真电路图如图2 8 所示。以a 相电源电压过零点为计 时起点，触发延迟角a 的移相范围为9 0 0 1 8 0 0 。 f g n e m 幛r 图2 - 8 t c r 的仿真电路图 f i g ，2 - 8s i m u l a t i o nc i r c u i to ft c r 黑龙江科技学院硕士学位论文 图2 - 9 至图2 1 1 分别为触发延迟角o f , 在1 2 0 0 、1 3 5 0 、1 6 0 0 时的 a 相线电流波形图及其谐波频谱图。由图中可以看出，t c r 含有5 、 7 、1 1 等奇次谐波，且a 角越大，电流波形畸变越严重，谐波含有 率越高，验证了理论分析。 呈 1 0 o f i o51 01 62 0 h m o l 雠a f 畸百 图2 - 9a = 1 2 0 4 时a 相线电流的波形图和谐波频谱图 f i g ，2 - 9w a v e f o r ma n dh a r m o n i cs p e c t r o g r a mo fap h a s el i n ec u r r e n t ( a = 1 2 0 。) f 图2 - 1 0a = 1 3 5 。时a 相线电流的波形图和谐波频谱图 f i g 2 1 0w a v e f o r ma n dh a r m o n i cs p e c t r o g r a mo f ap h a s el i n ec u r r e n t ( n = 1 3 5 。) o ；： ： 。 ： ： ；i ；j 。 0 5l o1 5 h 础e m i r 图2 - 1 la = 1 6 0 0 时a 相线电流的波形图和谐波频谱图 f i g 2 1lw a v e f o r ma n dh a r m o n i cs p e c t r o g r a mo f ap h a s el i n ec u r r e n t ( a = 1 6 0 。) 1 4 l普嚣瓣 墙罾髫雩 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 3 小结 本章详细分析了矿井直流提升机整流装置和t c r 中电流的谐 波，并利用m a t l a b 对其进行了建模仿真，给出了它们在典型触发 角下的波形和谐波频谱。 通过理论分析及仿真，得出以下主要结论： 1 、理想条件下，矿井直流提升机整流装置交流侧电流中只含 6 k + l ( k 为正整数) 次谐波。 2 、在a 角完全对称的情况下，t c r 产生的主要谐波是奇次谐波， 即6 k ：t ：l ( k 为正整数) 次谐波。 根据上述两个结论可知，理想条件下系统中主要含有6 k + l c k 为 正整数) 次谐波，这为后面滤波器组的确定提供了理论依据。 3 、t c r 在三角形联结时输入电流各次谐波谐波含量小于星形联 结时输入电流各次谐波谐波含量。因此在后面的无功补偿系统主电 路设计和仿真时t c r 选为三角型联结形式。 黑龙江科技学院硕士学位论文 第三章系统总体方案的确定 3 1 静止无功补偿器( s v c ) 的基础理论 3 1 1 基本概念 静止无功补偿器( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r s v c ) 孙，是指其输出随 电力系统特定的控制参数而变化的并联连接的静止无功功率发生装 置或无功功率吸收装置。“静止”是专指s v c 没有运动或旋转部件。 但它的补偿过程是动态的，即可根据系统无功功率的需求或电压的 变化自动跟踪补偿。s v c 的一个重要特征是主要依靠晶闸管等电力 电子器件完成调节或投切功能，它可以频繁地调节和投切，其动作 速度是毫秒级的。远比机械设备的动作速度要快。 s v c 的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，并通过发出或 吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。因此，s v c 的显著特点是能快速、平滑调节容性或感性无功功率，实现动态补 偿。静止无功功率补偿系统中的各种无功功率补偿器都是用无功功 率器件( 电容器和电抗器) 产生无功功率，并且根据需要调节容性 或感性电流，这种调节可以采用连续调节或投切的方法进行。s v c 具有两大特点：一是静止型，其主要部件是无旋转部分；二是动态 补偿，其反应速度很快，能及时跟踪无功功率快速变化做出变化 目前，由于它具有上述两大特点使得它能达到所设计的各种目标， 应用范围极为广泛， 3 1 2s v c 的类型 静止无功功率补偿器在近l o 多年来因其优良的性能占据了动态 无功功率补偿装置的主导地位。常见的s v c 有四种形式【1 5 1 ：s r ( s a t u r a t e d r e a c t o r 自饱和型电抗器型) 、t c r ( 晶闸管控制电抗器) 、 t c t ( 晶闸管控制高漏抗变压器) 、t s c ( 晶闸管投切电容器) 。图 3 1 给出了s v c 的几种配置类型【2 卯，其中晶闸管控制变压器t h y r i s t o r 1 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 c o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r ( t c t ) 是t c r 装置的一种交型。 ( a ) t c r( b ) t s c( c ) t c r + t s c( d ) t c t( e ) s r 图3 - 1s v c 的配置类型 f i g 3 - 1s v ct y p e s 将以上四种型式的静止无功补偿器进行综合性能比较，如表l 所示。 表1 目前常用的几种s v c 性能比较 t a b ip e r f o r m a n c e sc o m p a r i s o no fs o m ec o m m o nu s e d $ v ct y p e s s v c 类型 项目 s r t c rt c t t s c 吸收无功连续连续连续分级 响应速度 约l o m s约i o m s约l o r e s约1 0 2 0 m s 分相调节 不能能能 能 限制过电压能力 根好 依靠设计依靠设计无 自生谐波量小 有 有无 吸收谐波能力 好 好好无 嗅音大 较小辅丈根小 损耗率约0 。7 一1 豹0 5 一0 7 约0 7 一1 约0 3 - - 0 5 直接接入超高压 不可不可 可以 不可 控翩灵活性差好好好 运行维护简单较复杂较复杂较复杂 通过比较可以看出已经实用且效果较好的s v c 装置为f c + t c r 。针对矿井直流提升机的特点，本文采用t c r 型无功补偿装置。 t c r 具有反应时间短，运行可靠，相对于t s c 可实现无级、分 1 7 矗常蠡m 黑龙江科技学院硕士学位论文 相调节，能平衡有功和适用范围广等优点，而且t c r 装置还具有很 大的灵活性，占地面积相对较小，产生的高次谐波和噪音较小。t c r 可以有效治理闪变，减小谐波电流，更具有实用价值【9 刖l 。 3 1 3t c r 补偿原理 t c r 型s v c 由一个可调节电感量的电感元件( t c r ) 和几组l c 滤波回路组成( 见图3 2 ) ，它能够跟踪电网或负荷的波动无功，进 行随机性实时补偿，从而维持电压稳定【25 1 。 由图3 2 可得稳态下无功功率和谐波电流平衡方程 q s = q l + q ，一q c ( 3 1 ) ih = i m + l m l c b q 2 ) 图中q 厂表示负载无功功率( 随机的) ，q 为补偿电抗器的感性 无功功率，q c 为固定电容器组提供的容性无功功率，q s 为系统无功 功率，如为谐波电流。 t c r 如图3 2 接入系统中，电容器提供固定的容性无功q c ，t c r 的电流决定了t c r 输出感性无功q 工的大小，感性无功和客性无功 相抵消，只要使系统无功q s = 吼+ q ，q c = 常数( 或0 ) ，则能实现电 网功率因数= 常数，电压几乎不波动。 器 t c r 游波回路直流提升机 图3 2t c r 单相等效接线图 f i g 3 2s i n g l e p h a s ee q u i v a l e n tw i r i n gd i a g r a mo ft c r 黑龙江科技学院硕士学位论文 图3 - 3 是t c r 无功功率补偿原理曲线。q ，表示负载无功负荷曲 线，纨为电抗器吸收的无功功率曲线。q c 为固定电容器组( 或滤波 器组) 提供的容性无功功率曲线，q s 为系统无功功率曲线。从图中 可以看出，负载中的无功功率变化是随机的，不可控制的。q z 是可 以控制的，随劣变化而变化，最终控制系统中的无功功率q s 为一恒 定值，从而维持其端电压实际上不发生变化。由于电容器c 为固定 值，所以超前的无功功率q c 为固定值，当负载滞后而无功功率9 变 化时，可以连续控制滞后无功功率q 二，使得( 踟一骁) 变化。例如， 当9 增大时，则晶闸管控制的电抗器消耗的无功功率吼减小；而 缈减小时，则q 增大。即不管负荷的无功功率9 如何变化，总要 使得系统提供的无功功率盔= 仇+ 9 一幻为一常数，以限制电压的 闪变。 q ， 一一一 百r 7 甜 卜，一7 1 r f 甜 百r 1 _ 一。_ 。_ 。- _ 。- 。，。- 。- 。 q 卉 百p 1 图3 - 3t c r 无功功率补偿曲线 f i g 3 3r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc u r v e so ft c r 3 1 4 瞬时无功功率理论 各种静止无功补偿器( s v c ) 一般都以负载或系统的无功功率 作为其控制系统的输入参数。由于现在电力系统中非线性负荷大量 增加，使得电压电流畸变比较严重，一般的基于正弦波形的无功定 义在非正弦情况下出现了困难，不能对补偿器提供准确的信息。因 此，近年来基于瞬时值定义的瞬时无功功率理论有很大发展，在定 1 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 义上可以看作是原有定义的延伸。 电力系统动态过程往往发生在几个甚至一个周波内，对供电质 量要求的提高对无功补偿和谐波抑制设备的瞬态反应能力的要求也 随之提高。经过不断研究和实际检验，p 留法，i ，k 法和自适应法已 成为主流算法。但是在谐波和无功电流的实时检测中运用最多以及 最成功的就是基于瞬时无功功率的谐波检测方法。本设计中仿真和 实际系统中采用的就是基于瞬时无功功率理论的方法。 三相电路瞬时无功功率理论自2 0 世纪8 0 年代提出以来，经过 不断研究和完善，在谐波和无功电流的检测领域占有重要地位。其 基本理论如下i ij 。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为、和i 。、如、 站。首先将三相瞬时电压电流由静态的、e 。和屯，如、站交换 到静止的a 芦正交坐标变量作为分析基础，可得到口，卢两相瞬时 电压e 。、印和两相瞬时电流i 。、妇，其变换公式为 州| ； 叫朝 q ：周爱立 t = t 。+ i b = l 厶p i ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 矢量e a 、e p 和i , 、缸分别可以合成为 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 黑龙江科技学院硕士学位论文 式中，e 、j 为矢量p 、i 的模，纯、仍为矢量f 、珀q 幅角。 三相瞬时有功电流知和瞬时无功电流毛分别定义为矢量f 在矢量p 及其法线上的投影，即 = “s 缈 。f s m 妒 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 式中矿= 钆- 仍。 a - p 平面中的和如图3 - 4 所示。三相电路瞬时有功功率p ( 瞬时 无功功率g ) 的定义为电压矢量p 的模和三相电路瞬时有功电流扫( 三 相电路瞬时无功电流i g ) 的乘积，即 式中 p 。e l p q 2 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 把式3 8 、式3 9 代入式3 1 0 、式3 1 1 ，并写成矩阵的形式得出 蝌乏 = 巴 嘲 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 把式3 4 、式3 5 代入上式，可得出p 、g 对于三相电压、电流的表 达式 p = e j o + 矗+ 巳( 3 1 4 ) g ；【( 一巳) +