（电力系统及其自动化专业论文）基于电网电压定向矢量变换的svc控制与实现.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 无功补偿是提高系统运行电压、减小网损、提高系统稳定水平的有效手段。而晶闸 管控制电抗器( t c r ) 型静止无功补偿装置( s v c ) 由于其对快速波动负荷补偿的良 好效果，成为近年来无功补偿的热点。本文阐述了t c r 型静止无功补偿装置的 控制原理，分析了6 脉冲t c r 的接线形式及其谐波特性，并基于斯坦门茨理论， 在电网电压定向矢量变换的算法基础上，以d s p + c p l d 芯片为核心，开发了一套新的晶 闸管控制电抗器( t c r ) 的控制装置。优良的算法配合功能强大的处理器，使得控制器 能够快速准确的跟踪负荷的变化，实现对波动负荷的无功补偿。 关键词：无功补偿，晶闸管控制电抗器，矢量变换，d s p ，触发脉冲 a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nh a sb e e np r o v e da ne f f e c t i v em e a s u r et or e d u c e e l e c t r i cc i r c u i tl o s sa n dt oi n c r e a s ew o r k i n g s y s t e ms t a b l el e v e l s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ( s v c ) b a s e d o n t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ( t c r ) h a sg o o d c o m p e n s a t i o n p e r f o r m a n c ef o rr a p i dc h a n g i n gl o a d ，s oi th a sb e c o m eah o t s p o ti n r e c e n t y e a r s i n t h i s p a p e r ，t h et h e o r y o ft c r t y p e c o m p e n s a t i o n d e v i c ei s e l a b o r a t e d ，a n d6 - p u l s et c r sc h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i ci ss t u d i e d t h e n ，an e wt y p eo f t c rc o n t r o l l e ri sd e v e l o p e d ，w h o s ec o r ei sc h i p so fd s p + c p l da n dw h i c hi sb a s e d o ns t e i n m e t zt h e o r ya n dt h em e t h o do fo r i e n t e dv o l t a g ev e c t o rt r a n s f o r m a t i o n n i c e c o n t r o lm e t h o da n dm i g h t yp r o c e s s o re n b l et h ec o n t r o l l e rt oc o m p e n s a t ec h a n g i n g l o a da c c u r a t e l y ，r a p i d l ya n dc r e d i b l y z h o n gk e ( e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i uz o n g q i a n dp r o f z h a n gj i a n h u a k e yw o r d s ：r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n ，t h y r i s t o r c o n t r o l l e d r e a c t o r ( t c r ) ，v e c t o rt r a n s f o r m a t i o n ，d s p ，t r i g g e rp u l s e 声明尸州 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文晶闸管控制电抗器( t c r ) 控制方法的 研究及其在a v r 单片机上的实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师 指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力 大学或其他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。 学位论文作者签名：垒垒纪 e t 期：旦基：呈：f 2 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 垫垒望 日期：够3 ，口 导师签名： 日期： 华北电力大学硕十学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 电能质量问题 第一章绪论 电能是现代社会最主要的能源，它在国民经济和人民生活中起着及其重要的作 用。理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 和正弦波形，按规定的电压 水平向用户供电。三相交流电力系统中，在理想的状态下，各相的电压和电流应当 处于幅度相等、相位相差1 2 0 。的对称状态。然而，由于各种低功率因数、非线性、 非对称和冲击性负荷的存在，电网的供电质量不可能达到理想的状态，因此便产生 了电能质量的问题。 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。随着经 济及科技的飞速发展，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。而诸如半导体 整流器、各类变频器、电气化铁路、电弧炉以及轧钢机等负荷的大量使用，它们非 线性、冲击性及不平衡等的用电特性对供电质量带来了严重的威胁，会使电网电压 波形发生畸变，引起电压波动和闪变以及三相不平衡等电能质量问题。电能质量的 好坏将直接影响国民经济的总体效益，因此，必须采取有效的措施保证电网的电能 质量，提高电网的安全运行水平。而对负荷进行无功补偿则是改善电网电能质量的 有效手段。 1 1 2 无功功率及无功补偿 无功功率是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁 场的电功率，它是负荷与电源之间能量交换的一种量度。尽管无功功率并不直接转 换为机械能和热能，但是它对供电系统和负载的运行都是十分重要的。电力系统运 行电压的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 功率如果都要由发电机提供并经过长距离输送是不合理的，通常也是不可能的。合 理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率。国际大电网会议( c i g r e ) 华北电力大学硕士学位论文 在1 9 8 6 - - 1 9 8 7 年发表的报告中提出了一些无功补偿的规划设计准则，其中有一条 是：不应远距离传送无功，电网在正常情况下，无功的供需应就地平衡。中国原水 利电力部在1 9 8 3 年及1 9 8 4 年颁发的全国供用电规则及s d l 3 1 电力系统技术 导则中，也规定了类似原则口1 。 无功补偿的作用主要表现在以下几点心1 ： 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。 无功补偿技术已经在电力系统中应用了多年，传统的无功补偿装置包括同步发 电机、同步调相机和并联电容器等。同步调相机能补偿固定的无功功率，对变化的 无功功率也能进行动态补偿，但由于其是旋转设备，运行和维护都很复杂，运行噪 声很大，响应速度也很慢。并联电容器成本较低，运行维护也很方便，但是它只能 补偿固定的无功功率，连续可控性差，并且当系统中有谐波时，还可能产生并联谐 振，将谐波放大，烧毁电容器。 显然，传统的无功补偿技术已经很难满足电网运行的要求。近几十年来，随着 大功率电力电子器件制造水平的不断提高，晶闸管等电力电子器件的耐压水平和载 流能力都有了很大的突破，使得利用高压大容量快速的电力电子开关代替机械开关 成为可能。伴随着直流输电和工业逆变装置的研究和开发工作的开展，在二十世纪 7 0 年代出现了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 ，简称s v c ) ，并在随 后的二十多年的实践中在一些发达国家的电力系统得到了广泛的应用。1 9 9 5 年， h i n g o r a n i 博士提出了用户电力技术( c u s p o w - c u s t o m e rp o w e r ) 这一概念h 1 ，其核心 是在不改变电网结构的情况下，将电力电子技术和现代控制技术相结合，对电网电 压、输电线路阻抗、相位角等参数进行快速和连续地调节控制，最终实现配电网的 灵活实时控制和无瞬时停电，以提高供电的可靠性和电能质量，满足电力工业发展 的需要。 静止型无功补偿器( s v c ) 是属于c u s p o w 技术的一类新型的动态无功补偿装置。 所谓静止是指无旋转机械，动态是指可随运行状况的变化自动调节发出无功。静止 型无功补偿器有很多种类型，如自饱和电抗器( s r ) 、晶闸管投切电容器( t s c ) 、晶闸 管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管控制高抗变压器( t c t ) 等。图i - i 为各种静止无功补偿 器原理图。 2 华北电力大学硕士学位论文 i ) b ) ( c )( d ) 图1 - i 静止型无功补偿器 ( a ) s r( b ) t s c ( c ) t c r ( c ) t c t 自饱和电抗器( s r ) 依靠自身的饱和特性对负荷进行补偿，不需要附加的控制器， 结构简单，响应速度快；但自饱和电抗器不能进行分相平衡化补偿，噪音大，有时 要专门为其建造一个隔音室，而且在额定电压时电抗器铁芯需要工作于饱和状态， 损耗大，目前已较少应用。 晶闸管投切电容器( t s c ) 是由电容器、双向导通晶闸管( 或反并联晶闸管) 和阻抗值很小的限流电抗器组成，补偿方式为分级补偿，优点是效率高( 9 9 5 9 9 7 ) ，不产生谐波，多用于低压配电系统。缺点是不能连续调节，同时因为电容 应在系统电压与电容残压相等时才能投入，所以响应速度较慢。 晶闸管控制高抗变压器( t c t ) 是一种特殊类型的t c r ，它是将变压器设计成具有 很高的漏抗，次级绕组通过控制器控制的晶闸管进行短接，同时在初级绕组侧并联 电容器，对负载进行无功补偿及滤波。t c t 的优点是可以直接接入高压电网，但由 于其高漏抗变压器的漏磁大，对漏磁屏蔽和无磁性夹件的技术措施要求较高，而且 变压器一、二次绕组损耗都很大，效率比t c r 低得多，动态响应的时间也较长，噪 声很大，因此t c t 的实际应用不多。 目前，晶闸管控制电抗器+ 固定电容器( t c r + f c ) 是最理想的s v c 补偿方式。 t c r 支路采用品闸管触发延迟控制，能形成连续可控的感性电抗，所以接入的补偿 容量可以连续跟踪负荷的变化；对各相晶闸管的导通角可以分别控制，因此可以对 三相不平衡负载进行平衡化补偿；固定电容器( f c ) 支路产生所需要的容性无功功 率，并且在特定频段内表现为低阻抗晦1 ，不仅能将t c r 支路产生的谐波滤除，而且 还能将负荷波动产生的谐波滤除，具有较好的滤波效果。而且这种装置还具有维修 方便，损耗小的特点。由于其具有连续调节的性能且响应迅速，使得它在校正动态 无功负荷的功率因数、改善电压调整、提高电力系统的静态和动态稳定性、阻尼功 率振荡、降低过电压、阻尼次同步振荡、减少电压和电流的不平衡方面都有较好的 作用。 华北电力人学硕士学位论文 1 2 课题的发展现状和研究意义 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其使用晶闸管的静止无 功补偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力研究院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的支持下，西屋电气公司( w e s t i n g - h o u s ee l e c t r i cc o r p ) 制造的使用晶闸管的 静止无功补偿装置投入实际运行。到2 0 世纪9 0 年代，基于t c r 的s v c 装置在国外 电力系统中得到相当广泛的应用。最大补偿容量已达1 0 0 0 m v a r 以上，应用的最高 系统电压为7 6 5 k v 。至今，全世界已有超过4 0 0 套、总容量约为6 0 g v a r 的s v c 在输 配电系统中运行；超过6 0 0 套、总容量约为4 0 g v a r 的s v c 在工业部门使用。 我国在2 0 世纪8 0 年代初期就开始引进t c r 型s v c 动态无功补偿技术，至1 9 9 0 年总共有五个5 0 0 k v 变电站( 广东的江门、湖南的云田、湖北的凤凰山( 两套) 、 河南的小刘以及辽宁的沙岭) 采用了6 套进口$ 7 c 装置，容量在1 0 5 1 7 0 m v a r 之间， 型式为t c r + t s c 或者固定电容器组( f c ) 3 。但早期的s v c 装置自动化程度和可靠性 较低，因此没有得到广泛使用。进入9 0 年代后，随着电力电子技术的不断发展和 控制技术的不断提高，a b b 、s i e m e n s 、东芝、三菱等大公司的全数字化大容量t c r 型s v c 装置进入了实用化阶段，装置的可靠性和无功补偿的效果得到了明显提高， s v c 在工业领域和输配电领域得到了前所未有的高速发展。目前，在西方国家，s v c 己是一种技术相对比较成熟的产品了。在国内，很多高等院校和研究机构也已经开 展了这方面的研究工作，并且很多生产厂家如鞍山荣信公司、中国电力科学院、西 安整流器厂等都推出了自己的t c r 型s v c 产品。2 0 0 1 年河南南阳局东郊变电站s v c 装置的挂网运行填补了s v c 国内工程化应用的空白，而2 0 0 4 年9 月辽宁省鞍山红 旗堡2 2 0 k v 变电所的t c r 型s v c 工程的正式投入运行，更开创了国产大容量、高电 压、高技术水平s v c 装置在电网应用中的新纪元。 现在，国内外对s v c 的研究仍在继续，研究的重点集中在控制策略上。借助大 功率电力电子器件技术的高速发展，应用有源滤波器来进行谐波控制，以及应用柔 性交流输电系统技术进行无功功率补偿，必将成为今后电力系统自动化发展的方 向。因此，提高s v c 的设计水平，提供更加可靠、性能更加优越的国产化s v c 对改 善我国配电网的电能质量，提高配电网的经济运行水平具有重要的价值，这也是推 动我国电力工业技术进步的要求。 1 3 论文的工作 本文将从无功补偿的目的和基本原理出发，介绍t c r 型动态无功补偿装置的工 作原理、补偿方式和基于电网电压定向矢量变换的算法，并用p s c a d 软件搭建系统 模型对该算法进行仿真；在理论分析的基础上采用d s p + c p l d 平台设计新型t c r 静 止无功补偿装置。论文的主要研究工作分为以下几个部分： 4 华北电力大学硕士学位论文 1 阐明t c r 型s v c 装置的工作原理、控制方法和多脉冲t c r 的补偿方式并分 析其谐波特性； 2 深入研究基于电网电压定向矢量变换的算法，并用p s c a d 软件对算法进行 仿真，确定基本的控制策略，设计出具体的控制流程； 3 研究d s p 和c p l d 的硬件功能模块，根据确定的控制流程设计实现具体控 制功能的硬件电路，包括d s p 的控制电路以及晶闸管的触发电路； 4 根据设计的硬件电路，在d s p 的开发环境c c s 2 0 0 0 下利用c 语言编写控 制程序，从而准确、快速的实现既定的控制策略； 5 对t c r 装置进行调试，最后利用r t d s 平台对装置进行仿真测试，检测整 个t c r 装置的性能，从而检验控制器动作的准确性、快速性以及可靠性。 华北电力大学硕+ 学位论文 第二章t c r 型动态无功补偿装置的基本原理 2 1 无功功率动态补偿的原理乜1 早期的无功补偿装置不能跟踪负载无功需求的变化，而随着电力系统的发展， 对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。对电力系统中的无功功率进行快速 的动态补偿，可以实现对动态无功负荷的功率因数的校正、改善电压调整、提高电 力系统的静态和动态稳定性、阻尼系统振荡、降低过电压、减少电压闪烁、阻尼次 同步振荡、减少电压和电流的不平衡。应当指出的是，以上这些功能虽然是相互关 联的，但实际的静止无功补偿装置往往只是对其中某一条或者某几条为直接控制目 标，其控制策略亦因此而不同。因此，这些功能有的属于对一个或者几个在一起的 负载的补偿效果( 负载补偿) ，有的则是以整个输电系统性能的改善和传输能力的 提高为目的( 输电补偿) ，而改善电压调整，提高电压稳定度，则可以看作是两者 的共同目标。 下面以改善电压调整的基本功能为例，对无功功率动态补偿的原理作简要的介 绍。 载 图2 一l 无功功率动态补偿原理图 ( a ) 单相电路简图( b ) 动态补偿原理 图2 1 ( a ) 所示为系统、负载和补偿器的单相等效电路图。其中，为系统电压， 刀和j 分别为系统电阻和电抗。设负载变化很小，故有【， u ，则假定尺 彳， 反映系统电压与无功功率变化的特性曲线如图2 - 1 ( b ) 中实线所示，由于系统电压变 化不大，其横坐标也可以换为无功电流。可以看出，该特性曲线是向下倾斜的，即 随着系统供给的无功功率9 的增加，系统电压下降。由电力系统中的分析可知，系 统的特性曲线可近似用下式表示： 【，：f1 粤1 c2 _ 1 ) 6 华北电力大学硕十学位论文 或者写为 一a u ：一鲤( 2 - 2 )一= 一一 ， u o s 。 式中砜无功功率为零时的系统电压； s 。系统短路容量。 由上式可见，无功功率的变化将引起系统电压成比例的变化。 投入补偿器之后，系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即 q = q + q ( 2 3 ) 因此，当负载无功功率q 变化时，如果补偿器的无功功率q ，总能弥补骁的变 化，从而使q 维持不变，即q ：0 ，则【厂也将为0 ，供电电压保持恒定。这就是 对无功功率进行动态补偿的原理。 2 2s v c 的定义及分类 静止无功补偿器s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 是为了解决由电弧炉引起的闪 变而开发出来的，是一种并联联接的静止无功发生器或吸收器，可调节其输出交换 的容性或感性电流，以便保持或控制电力系统的一些特定参数( 典型的是母线电 压) 。它是目前应用最广泛、技术最成熟的一类并联补偿设备，也是一类较早得到 应用的f a c t s 装置。其主要功能是保证动态无功功率的快速调节，并可兼有事故时 的电压支持作用，维护电压水平、消除电压闪变、平息系统振荡等。s v c 包括与负 载并联的电抗器或者电容器，或者二者的组合，且具有可调或者可控部分。其基本 结构类型有饱和电抗器( s r ) 、晶闸管控制电抗器( t c r ) 、晶闸管投切电容器( t s c ) 和 晶闸管控制高抗变压器( t c t ) 等。以下对各种s v c 装置做一说明。 ( 1 ) 饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) 饱和电抗器可分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种。自饱和电抗器是在电 力系统中较早得到发展和成功应用的一种并联补偿设备，它不需要调节器而依靠电 抗器自身固有的能力来稳定电压。自饱和电抗器利用铁心的饱和特性，使无功功率 随端电压的升降而增减。自饱和电抗器对电压波动的响应速度较好，但由于运行时 电抗器的硅钢片将达到饱和状态，因而使铁心损耗增大，并伴有振动和噪声。可控 饱和电抗器则是通过调节晶闸管的导通角以改变饱和电抗器控制绕组中电流的大 小来控制电抗器铁心的工作点磁通密度，进而改变绕组的电感值，及相应的补偿的 无功功率。和自饱和电抗器相比，它能够更好地适应母线电压变化较大的情况，但 仍具有振动和噪声大的缺点。 ( 2 ) 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 dr e a c t o r ，t c r ) 7 华北电力大学硕十学位论文 t c r 是目前应用最为广泛的静止无功补偿装置，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，显著地解决电压 畸变、波动和闪变的问题，对改善电能质量起着明显的作用。 ( 3 ) 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 ) 晶闸管投切电容器由一对相反极性并联的晶闸管( 串) 与电容器以及一电抗器 串联而成。电抗的作用是防止电容器突然投入时电流变化率d i d t 在晶闸管可以接 受的程度以内。在晶闸管两端电压为零时刻给予晶闸管触发脉冲，使其导通，电容 器被投入；停止发出脉冲，晶闸管在电流过零时自然关断，电容器被切除。因此， 控制了晶闸管触发脉冲的发出，即控制了支路容性无功是否输出。和早期的机械投 切电容器相比，晶闸管的操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确 控制，适当的触发时刻可大大降低合闸涌流和合闸过电压。另外，与t c r 相比，t s c 虽然不能连续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点。但是， 在负荷产生的谐波电流很大的场合，如冶金企业、电气化铁道等，t s c 的运行将是 不可靠的，因为谐波的注入可能会使得并联电容器出现过流、过压及过热情况而导 致电容器击穿、“鼓肚甚至爆炸事件。 ( 4 ) 晶闸管控制高抗变压器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r ，t c t ) 晶闸管控制变压器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r ，t c t ) 是一种特殊设 计的高漏抗变压器( 漏抗典型值为1 0 0 ) ，其二次绕组通过反并联的晶闸管对来组 成回路，通过控制晶闸管的触发角就能提供连续变化的无功功率。t c t 型s v c 实际 上是将常规t c r 中的耦合变压器和电抗器合二为一，其基本工作原理和t c r 相同， 同样需要固定的电容支路提供容性无功并兼作滤波器。由于高阻抗变压器次级电压 可以取得较低，如l k v 左右，在单个晶闸管器件的工作电压以内，所以主电路和门 极电路的绝缘均变得简单，安装容易。t c t 型s v c 的主要缺点是制造特种变压器的 投资成本很高，而且当容量增大时，由于变压器二次电流增大，使其经济性很差， 再加上大电流引起的干扰和损耗问题，所以t c t 现在在电力系统中已经不太适用。 迄今为止，各种静止无功补偿装置都已经应用于实际工程当中。在实际选用时， 应该根据具体的系统需求，选择技术、经济综合指标最佳的补偿设备或者它们的组 合来构成静止无功补偿器。表2 - 1 列出了不同结构的s v c 以及传统的同步调相机的 性能比较。 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 1 各种无功补偿设备的性能比较 s v c 类型同步调相机s rt c r + f ct s ct c t 无功输出连续连续连续级差连续 响应时间 约2 0 0 m s 约1 0 m s 5 l o m sl o 2 0 m s约1 0m s 分相调节不能不能 能 能能 自身谐波量无 小有 无有 噪声大大 较小很小较大 损耗率较小较小小小 较小 控制灵活性差差好 好好 限制过电压能力 好很好依靠设计 无依靠设计 运行维护复杂简单较复杂 较复杂较复杂 随着电子技术的发展，补偿器的控制调节器性能大大提高，s v c 的平衡化补偿 以及快速响应问题也进一步得到解决。而s v c 装置中的t c r + f c 型动态无功补偿器 则以其优异的性价比及良好的实用效果得到了广泛的应用。 2 3t c r 型8 v c 动态无功补偿器 2 3 1 t c r 基本原理 t c r 是s v c 中最重要的组成部件之一，i e e e 将晶闸管控制电抗器( t c r ) 定义为 一种并联型晶闸管控制电抗器，通过控制晶闸管的导通时间，它的有效电抗可以连 续变化口1 。如图2 - 2 所示，基本的单相t c r 由反并联的一对晶闸管阀与一个线性的 空心电抗器相串联组成，每个晶闸管在电源电压的正负半周轮流导通。晶闸管的触 发角以其两端之间电压的过零点时刻作为计算的起点。 图2 - 2t c r 基本结构 t c r 正常工作时，在电压的每个正负半周的后1 4 周波中，即从电压峰值到电 压过零点的间隔内，触发晶闸管，此时承受正向电压的晶闸管将导通，使电抗器进 入导通状态。一般用触发延迟角( f i r i n gd e l a ya n g l e ) 口束表示晶闸管的触发瞬 间，它是从晶闸管丌始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度，决定了电 9 华北电力大学硕士学位论文 抗器中电流i 的有效值大小。图2 - 3 所示为t c r 工作时的电压电流波形。 图2 - 3t c r 的电压和电流波形 t c r 的触发延迟角一般在9 0 。1 8 0 。的范围内调节，如果口 9 0 0 时，将会产 生直流分量的不对称电流。当触发角为9 0 。时，晶闸管全导通，与晶闸管串联的电 抗器相当于直接接在电网上，电抗器中的电流为连续的正弦波形，这时吸收的基波 电流和感性无功功率最大。当触发角在9 0 。1 8 0 。之间变化时，晶闸管部分导通， 电抗器中的电流呈非连续脉冲形，对称分布于正半周波和负半周波。当触发延迟角 为1 8 0 。时，晶闸管不投入运行，电抗器中的电流减小到零，此时吸收的感性无功 功率最小。因此通过控制晶闸管的触发延迟角口，可以连续调节流过电抗器的电流 在零( 晶闸管阻断) 到最大值( 晶闸管全导通) 之间变化，相当于改变了电抗器的 等效电抗值。增大触发延迟角的效果就是减少电流中的基波分量，相当于增大补偿 器的等效感抗，或者说减少其等效电纳，因而减少了其吸收的感性无功功率。 设接入点电源电压为标准的正弦信号，即 “( f ) = s i n c o t ( 2 4 ) 式中，【，。电源电压的峰值；缈为所加电压的角频率。则电抗器电流的微分方程如下： 三妄叫沪o ( 2 - 5 ) 式中为电抗器的电感值。所以可得电抗器电流为： 雄) = t s i n c o t d ( c o t ) + c ( z l 2 a 5 万) ( 2 6 ) 令丘= c o l ( 即电抗器基波电抗值) ，根据边界条件f l 纠。= 0 可得 f ( ，) = 尹( c o s a - c o s c o t )( 万2 口7 ) ( 2 - 7 ) 工 通过傅罩叶分析，可以导出电抗器中电流的基波分量为 “咖- - ( 2 2 a 警) ( 栊口万) ( 2 删 l 7 r 定义导通角万= 2 z 一2 e z ，将( 2 - 8 ) 式改写为 l o 华北电力大学硕士学位论文 1 1 ( 8 ) = 笔( 半) ( 唧万) ( 2 - 9 ) 由式( 2 - 8 ) 和( 2 9 ) 可绘出t c r 的基波电流r ( 标么值) 随触发延迟角口或 导通角万变化的曲线，如图2 - 4 所示。 、 摹 、 、 k 二- 万( o ) 1 3 01 5 01 2 09 06 03 00 i i i r l i ! ， 图2 4t c r 基波电流与触发延迟角口和导通角万的关系曲线 同时，由式( 2 - 8 ) 和( 2 - 9 ) 可求得t c r 的基波等值电纳为 b l ( 咖哿= 麦等一半，2 万) ( 2 - 1 0 ) 或 b l ( a ) ：8 - s f i n 8 ：b l 一8 - s i n 8 ( o 6 万) ( 2 1 1 ) 7 l al 7 l 其中，等效电纳最大值为统一= 1 五。从式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 可以看出，t c r 的作用 就像一个可变电纳，改变触发角就可以改变电纳值，因为所加的交流电压是恒定的， 改变电纳值就可以改变基波电流，从而导致电抗器吸收的无功功率的变化。 单独的t c r 的基波电流总是滞后电压的，只能吸收感性无功功率，因此在实际 应用中通常是将t c r 与固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r - f c ) 并联配合使用，这样，并 联上电容器后，使得总的无功功率为t c r 与并联电容器无功功率抵消后的净无功功 率，因而可以将补偿器的总体无功电流偏置到可以吸收容性无功的范围内。当t c r 与固定电容器配合使用时，被称为t c r + f c 型s v c ，有时也简称s v c 。 2 3 2t c r 的特征谐波分析 从式( 2 - 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 可知，当口9 0 。时，流过电抗器的电流为非正弦电流，通 华北电力大学硕十学位论文 过傅立叶分析得到电抗器电流各次谐波分量幅值与口的关系，如下式所示： 厶( 口) = 4u ms i no rc o s ( n o r ) 一nc o so rs i n ( n o r ) 冗x l n ( n 2 - 1 ) ( 2 1 2 ) 式中，以= 2 k + l ，k = 1 ，2 ，3 ，由此可得t c r 的特征谐波电流最大值与导通角的 关系如表2 - 2 所示。 表2 2t c r 的特征谐波电流最大值与导通角 谐波次数3579l l1 31 51 7 谐波幅值0 1 3 7 80 0 5 4 50 0 2 5 7 0 0 1 5 6o 0 1 0 5 o 0 0 7 80 0 0 2 7o 0 0 2 2 导通角1 2 0 。 1 0 8 。 1 0 2 。1 0 0 。 9 8 。 9 6 。 9 5 09 5 。 由上表可见，t c r 运行时的主要谐波是3 、5 、7 、9 、1 1 和1 3 等次谐波，当进 行无功补偿时，这些特征谐波也会注入到电网中，因此必须采取措施将其消除或减 弱，而采取合理的t c r 接线形式就是抑制这些谐波的一个有效手段。 2 4t c r 的主要接线形式 2 4 16 脉冲t c r 在三相交流电力系统中，t c r 的接线形式大都采用三角形联结，因为这种接线 形式比其他形式线电流中的谐波含量要小。运行时，用6 组触发脉冲来分别控制晶 闸管的导通，因此这种接线形式称为6 脉冲t c r 。在实际工程中还常常将每一相的 电抗分成如图2 5 所示的两部分，分别接在晶闸管对的两端。这样可以使晶闸管在 电抗器损坏时能得到额外的保护。 一 图2 - 56 脉冲t c r 接线 在6 脉冲t c r 的接线形式中，如果三相电压平衡，三相电抗参数相同，各个晶 闸管触发角相同，6 个晶闸管对称触发，则流过电抗器的电流中将只含基波和各次 1 2 华北电力大学硕士学位论文 奇次谐波电流。其中，6 七+ l ，k = 1 ，2 ，3 次( 7 ，1 3 次等) 为正序谐波电流，而 6 七一l ，k = 1 ，2 ，3 次( 5 ，1 1 次等) 为负序谐波电流，6 k 一3 ，k = l ，2 ，3 次( 3 ，9 ，1 5 次等) 为零序谐波电流。 设砌、k 、乞。分别为三相t c r 各支路中的n 次谐波相电流，。、i b n 、i 。c n 为 对应的1 1 次谐波线电流。各次谐波电流可表示为： 砌= 厶s i i l ( 疗研+ 纯) 凸：ls i n 【n ( r o t 一娶) + 纯】 ( 2 1 3 ) j 屯。：ls i n 甩( r o t + 孥) + 仍】 对6 七一3 次零序谐波电流，以3 次谐波电流为例： 鼻3 = c 3 = 屯3 = 厶s i n ( 3 r o t + 仍) ( 2 1 4 ) 则有 3 = 矗3 一屯3 = o 3 = i b c 3 - - 矗3 = 0 ( 2 1 5 ) 毛3 一l c a 3 一c 3 = 0 可以看出，对于3 次谐波电流来说，三个电流同相位并在三角形中循环，构成 了一个零序系统，线电流中的3 次谐波电流就变为零。其他更高次的零序谐波电流 也将在接成三角形的t c r 中循环，不会注入系统。 对6 七一1 次负序谐波电流，以5 次谐波电流为例： 雪5 = 厶s i n ( 5 r o t + 纺) c 5 ：1 5s i n ( 5 r o t + 0 5 一_ 4 l ) ( 2 1 6 ) 屯5 ：厶s i n ( 5 r o t + 红+ 挈) j 此时，k 5 i 麟屯5 。 对6 尼+ 1 次正序谐波电流，以7 次谐波电流为例： 口7 = 厶s i n ( 7 r o t + 仍) i b c 7 - = 厶s i n ( 7 缈h 仍一了2 7 ) ( 2 - 1 7 ) i c a 7 枷n ( 7 纠+ 仍+ 等) 同样，c ，屯，因此负序电流谐波分量和j 下序电流谐波分量将不能相互抵消， 华北电力大学硕士学位论文 这些谐波分量将会注入系统。所以，6 脉冲t c r 的特征谐波为6 七1 ，k = 1 ，2 ，3 。 以上的分析是在三相对称的前提下进行的，而实际上，三相电路参数不可能完 全相同，三相供电电压不一定完全平衡。这时就会导致非特征谐波的产生，包括3 倍数次的谐波将会扩散到线路中。正常情况下，非特征谐波的数值是非常小的。但 在严重扰动的情况下，正负半波的触发角可能不同，这就会导致直流分量的产生， 并足以引起耦合变压器的饱和，从而产生更大的谐波扩散。所以通常还会采用并联 滤波器和将主t c r 分割成n ( n 2 ) 个并联t c r 的办法来抑制谐波。并联滤波器通常 由串联l c 或l c r 电路构成，一般被调谐到5 次和7 次的主导谐波频率，有时，也 使用1 1 次和1 3 次滤波器或者只使用一个高通滤波器。而将主t c r 分割成n 个并联 联接的t c r 时，每个分段t c r 的容量为整个t c r 的1 n ，n 个分段t c r 中只有一个 t c r 的触发角是受控的，其他t c r 根据补偿容量的需要要么完全导通，要么完全关 断。这样，由于受控分段t c r 的电感增加了1 1 倍，产生的谐波电流相对于额定基波 电流就减小了n 倍。 2 4 212 脉冲t c r 图2 6 为1 2 脉冲t c r 的接线形式。在这种结构中，通过变压器的耦合，2 组参 数相同的6 脉冲t c r 由相位相差3 0 。的2 组三相电压供电。其中的一组t c r 接入变 压器二次侧的三角形联结绕组，另一组t c r 接入变压器二次侧的星形联结绕组。 图2 - 61 2 脉冲t c r 的接线形式 假如三相电路参数对称，则在这种接线形式中，两组6 脉冲t c r 在变压器一次 侧产生幅值相等、相位相同的基波电流。而对于5 、7 次谐波，两组t c r 在一次侧 所产生的谐波电流幅值大小相等，但却相位相反，这样，5 、7 次的谐波电流在变压 器一次侧将互相抵消，同样，6 ( 2 k + 1 ) + 1 ，k = o ，l ，2 ，等更高次的谐波电流也不会出 现在变压器的一次侧，因此，1 2 脉冲t c r 的特征谐波电流次数为1 2 k + l ，k = 1 ，2 ，3 。 1 4 华北电力大学硕十学位论文 1 2 脉冲t c r 中谐波含量的大量减少，大大减轻了对滤波器的要求。因而不需要 像6 脉冲t c r 那样采用5 次和7 次单独调谐的滤波器，而只要采用高通滤波器就足 够了。1 2 脉冲t c r 的另外一个优点是增加了可靠性。如果其中的一个6 脉冲t c r 单元故障，另一个t c r 单元可以继续运行，尽管只有一半无功容量。而且1 2 脉冲 t c r 比6 脉冲t c r 具有更高的过载能力。 更复杂的，可以将两个甚至更多形联接的t c r 通过变压器绕组耦合，在适当 的移相条件下，消去更多次的谐波分量。但是，采用多脉冲方式来消除t c r 谐波的 做法增加了晶闸管阀及其控制装置，使得t c r 的结构和控制更加复杂而且经济性也 较差，所以通常仅用于大容量的无功补偿装置中。同时上面的分析是基于三相对称 假设的，但实际系统中，三相电路的参数也不可能完全相同，尤其当电抗器正负半 周触发不对称时，电抗器电流将包含包括直流分量在内的所有频谱的谐波，直流分 量可能使变压器饱和，这会进一步增大谐波含量和损耗。因此，在实际应用中，超 过1 2 脉冲的t c r 很少投入应用。 2 5 本章小结 本章从无功功率动态补偿的原理开始，介绍了静止无功补偿器( s v c ) 的定义 以及各种s v c 装置，并对各种s v c 装置的性能进行了粗略的比较。随后重点介绍了 t c r 型s v c 装置的结构和原理，分析了t c r 的特征谐波并详述了抑制特征谐波的措 施之一_ - - 相t c r 的多脉冲接线方式。在多脉冲t c r 中详细讨论了6 脉冲和1 2 脉冲t c r 的构造和特点，分析了它们的谐波特性。 华北电力大学硕+ 学位论文 第二章t c r 型动态无功补偿装置的基本原理 2 1 无功功率动态补偿的原理乜1 早期的无功补偿装置不能跟踪负载无功需求的变化，而随着电力系统的发展， 对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。对电力系统中的无功功率进行快速 的动态补偿，可以实现对动态无功负荷的功率因数的校正、改善电压调整、提高电 力系统的静态和动态稳定性、阻尼系统振荡、降低过电压、减少电压闪烁、阻尼次 同步振荡、减少电压和电流的不平衡。应当指出的是，以上这些功能虽然是相互关 联的，但实际的静止无功补偿装置往往只是对其中某一条或者某几条为直接控制目 标，其控制策略亦因此而不同。因此，这些功能有的属于对一个或者几个在一起的 负载的补偿效果( 负载补偿) ，有的则是以整个输电系统性能的改善和传输能力的 提高为目的( 输电补偿) ，而改善电压调整，提高电压稳定度，则可以看作是两者 的共同目标。 下面以改善电压调整的基本功能为例，对无功功率动态补偿的原理作简要的介 绍。 载 图2 一l 无功功率动态补偿原理图 ( a ) 单相电路简图( b ) 动态补偿原理 图2 1 ( a ) 所示为系统、负载和补偿器的单相等效电路图。其中，为系统电压， 刀和j 分别为系统电阻和电抗。设负载变化很小，故有【， u ，则假定尺 彳， 反映系统电压与无功功率变化的特性曲线如图2 - 1 ( b ) 中实线所示，由于系统电压变 化不大，其横坐标也可以换为无功电流。可以看出，该特性曲线是向下倾斜的，即 随着系统供给的无功功率9 的增加，系统电压下降。由电力系统中的分析可知，系 统的特性曲线可近似用下式表示： 【，：f1 粤1 c2 _ 1 ) 6 华北电力人学硕十学位论文 第三章晶闸管控制电抗器( t c r ) 的控制策略研究 各种静止无功补偿器( s v c ) 一般都是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不平衡、非线性负荷的大量出现，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就出现了困难， 不能对补偿器提供准确的信息。而t c r 所补偿的是基波无功，因此针对t c r 的控制 特点，找出一种快速、准确、有效的测量基波分量和无功功率的方法，是研制t c r 装置所要解决的首要问题。 3 1i c r 的控制算法 3 1 1 斯坦门茨理论呻1 电力系统中存在大量不对称冲击性负荷如电弧炉等，这些负荷不但会从电网中 吸收大量的无功功率，造成严重的电压波动及电压闪变，还会产生负序电流，对电 网造成严重的污染，因此必须对这些不对称冲击性负荷进行平衡化补偿，即不但能 补偿这些负荷所吸收的无功功率，也能补偿它们所产生的负序电流。s v c 属于阻抗 型补偿装置，s v c 平衡化补偿的实质就是通过改变补偿器的阻抗间接地控制其吸收 的电流，从而实现对冲击性负荷的无功功率补偿和负序电流补偿。斯坦门茨 ( c p s t e i n m e t z ) 建立了通过阻抗调节实现平衡化补偿的理论基础。在斯坦门茨 ( c p s t e i n m e