（电力电子与电力传动专业论文）基于瞬时无功功率理论的dsp型tsc控制器.pdf

西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：d s pc o n t r o l l e ro ft s cb a s e do nl n s l i a n l i a n e o u s p o w e rt h e o r y m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e n a m e ：y o n gy a n g s u p e r v i s o r p r o f g u a n gz e n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： r e a c “ep o w e ri s 眦i m p o r t a n tf a c t o rt ot h ev o l t a g es t a b i l i t y ，a n di ti sa l s or e l a t e dt o s e c u r ea n ds t e a d yo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m s p l e n t yo fl o wp o w e rf a c t o ra n df l u c t u a n tl o a d i nt h ei n d u s t r i a le n t e r p r i s e sc a u s et h eg e n e r a t i o no fal a r g ea m o u n to fv a r w i t hd e v e l o p m e n to f t h ee l e c t r i ca n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g yl a r g e - p o w e re l e c t r i ca n de l e c t r o n i cd e v i c e sw h i c ha l e n o n - l i n e a ra n dg e n e r a t eal a r g ea m o u n to fh a r m o n i cd u r i n gt h er u n n i n ga r ew i d e l yu s e di nt h e i n d u s t r i e s t h e r e f o r e ，h o wt oc o m b i n er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cs u p p r e s s i o n i so n eo ft h ei m p o r t a n ts u b j e c t si nt h ef u t u r es t u d yo ft h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n to fp o w e rt h e o r ya n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n e q u i p m e n ta r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ee m p h a s i si so ni n s t a n t a n e o u sp o w e rt h e o r ya n dt h et s c c o n t r o l l e rb a s e do nt h i st h e o r y i nt h i sd e v i c e ，t h r e em o d u l e sa r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gt h et s cc o n t r o l l e rb a s e do nl f 2 4 0 7 ad s pc h i p ，t h ep e r i p h e r a lc i r c u i ta n dt h em a i n c i r c u i t i nt e r m so fs o f t w a r e ，t h ed a t ac o l l e c t i o ns o f t w a r e ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fs w i t c h c o n t r o la n dt h et r i g g e rc o n t r o ls o f t w a r ea r ed i s c u s s e dw i t hf o c u so nt h ed e s i g no ft h et u l l l - o n w i t h o u ti n r u s hc u r r e n t t h er e s u l t so fs o f t w a r ee m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n to fm o d e lm a c h i n eh a v ei n d i c a t e dt h a t t h i st y p eo ft s cp r o v i d e ss u p e r i o rp e r f o r m a n c eo 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 d d e c r e a s i n gi n r u s hc u r r e n t k e yw o r d s ：t s c ；d s p ；r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；t u r n o nw i t h o u ti n r u s hc u r r e n t 独创性、 声明 7 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 j 。 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢寥一 ，_ 十 i j ，一：本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任5 豁支拓妥主童茎丕二复兰i 三勿车。：、1 j 方茜 学位论文使用授权声明 本人物复：i ：在导师的指导下创作完成毕业论文r 本人已通过论文的答辩，、! 并已经在西安理工大学申请博士7 硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，“即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，4 学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为一 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读i 浏览。二、 誓o + 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 主拓喜赴荭；箍：攀i ：| 砌和与万j 第一章 绪论 1绪论 1 1 课题背景及意义 在电网中由于大量感性负载的应用，使线路电压与线路电流在相位上存在一个角度 差，这样就引出了无功功率的概念。无功功率是一个反映电源与负荷间的能量交换的物理 量，它的大小表明了电源与负荷间能量交换的幅度，本身并不消耗能量。同时，无功功率 在系统中的流动对电力系统本身也产生了很大的影响。在工业和生活用电负载中，感性负 载占有很大比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的感性负载。异步电动机和变 压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占很大的比例。电力系统中的电抗 器和架空线等也消耗一些无功功率。感性负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其 本身的性质所决定的。近年来，随着电力系统中非线性用电设备，特别是电力电子装置应 用的日益广泛，而大多数电力电子装置功率因数较低( 如：相控整流器等) ，工作时基波电 流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率，也给电网带来额外负担，并影响供电质量。 无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的。电力系统的网络元件和负载的阻 抗特性主要为感性的，这些元件和负载在运行中消耗有功功率的同时也需要消耗无功功 率，这些元件和负载所需的无功功率必须从电力网络的某个地方获得。这些无功功率如果 不能及时地得到补偿，会对电网安全、稳定运行产生不利影响“：首先，会导致电网总电 流的增大，从而使电力系统设备，如变压器、 启动控制设备、测量仪表等规格、尺寸增大， 电气设备、导线等容量增大，使用户内部的 因而使总投资增大。在输送同样功率的情况 下使设备和线路的损耗增加；其次，无功储备的不足会导致电网电压的降低，影响正常的 生产和生活用电；反之，无功功率过剩，则会造成电网运行电压过高，电压波动率过大； 如果是冲击性的无功功率的负载，还会使电压产生剧烈的波动，例如电弧炉、轧钢机等大 型设备会产生频繁的无功功率冲击，使电网的供电质量更加恶化。再次，对电力系统的发 电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增大励 磁电流。则会使转子绕组温升过重。因此进行无功补偿提高功率因数己成为电力电子技术 和电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。 归纳起来说，无功补偿的作用主要有以下几点“，： ( 1 ) 提高供用电系统和负载的功率因数，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。在长距离的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。 1 2 无功补偿装置的发展 传统无功补偿装置包括并联电容器、调相机等。并联电容器的阻抗是固定的，不 能动态地跟踪负荷无功功率的变化，也就不能实现动态的无功补偿。调相机可以实现 无功功率的动态补偿，由于它属于旋转电机，损耗及噪声很大，运行维护复杂，而且 动态响应慢，很多情况下无法满足快速无功功率控制的要求n 1 。所以7 0 年代以来， 西安理工大学硕士学位论文 同步调相机开始逐渐被静止无功补偿装置( s t a t i cv 甜c o m p e n s a t o r s v c ) 所取代。随着 电力电子技术的的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代以来，一种更加先进的无功补偿装置一 静止同步补偿器( s t a t c o m ) 出j 见了，并且展现了其广阔的应用前景。 无功补偿装黄根据补偿方法可分为调容式( t s c ) 、调感式( t c r ) 与静止无功发 生器( s v g ) 方式，其中调容与调感方式属无源方式，s v g 属有源方式1 。目前市场上出 现的多为无源方式，其中调容方式正逐步成为主要的补偿方式。其主要原因在于调容方式 占地面积小、成本低，且更换电力电子器件后对系统无突变过程。调感方式是采用电抗器 与晶闸管作为支路，通过调节晶闸管的导通角度来达到调节无功补偿的目的，而一般场合 系统需要补偿容性无功电流，因此调感方式需要匹配足够容量的大电容，通过改变电感电 流达到调节电容的目的。此外，调节电感的导通角势必产生电流谐波，需要有滤波装置相 配合；通常调感方式多用于补偿超高压系统的对地杂散电容，以避免末端电压升高问题。 调容与调感属于应用不同场合的两类产品，调容方式更适用于面向于负荷侧，而调感方式 主要面向于大系统的电能传输。s v g 是未来新一代的无功补偿装置，它既可以补偿感性电 流，也可补偿容性电流，是当前无功补偿方式的替代产品，它的市场在未来。 1 2 1 静止无功补偿装置( s v c ) 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饱和电抗器型静止无功补偿装置。此后各国厂家纷纷推出 自己的产品。但是由于铁芯工作在饱和状态，因而损耗和噪声都很大，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，故此未能占据静止无功补偿装 置的主流。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿装置推 上了电力系统无功功率控制的舞台。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 h i 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用。随后各大公司都推出了自己的系列产品。 由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以其应用已经十分普及n 1 。 以至于静止无功补偿器( s v c ) 这个词往往是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括了 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 ) 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 dc a p a c i t o r , t s c ) 以及两者的混合装置( t c r + t s c ) 等。s v c 具有快速的响应， 适中的价格，因此被广泛使用，不足之处在于谐波成分大，受电力系统工况影响较大，而 且需要大电感、大电容等元件。 a 晶闸管控制电抗器( t c r ) t c r 基本原理如图1 - i 所示。其单相基本结构就是两个反并联的晶闸管与一个电抗器 相串联，而三相多采用三角形联接。触发延时角可从9 0 0 一1 8 0 0 连续调节，位移因数始终 为零，即其基波电流都是无功电流。但是单独的t c r 只能吸收无功功率，而不能发出无功 2 第一章绪论 功率。解决办法就是将并联电容器与t c r 配合使用。根据投切电容器的元件不同，又可分 为t c r 与固定电容器配合使用的静止无功补偿器、t c r 与断路器投切电容器配合使用的静 止无功补偿器以及t c r 与晶闸管投切电容器配合使用的静止无功补偿。 图卜1t c r 原理图 f i g 1 一id i a g r a mo f t c r b 晶闸管投切电容器( t s c ) t s c 基本原理如图1 - 2 所示。为了防止在电容器充电时刻出现涌流，只能在电压超前 9 0 0 时投入，并且不能用触发角调节电流，所以图中的两个反并联晶闸管只是起到了将电 容器并入电网或从电网中断开的作用。而串联的电抗器则是用来抑制电容器投入电网运行 时可能产生的冲击电流。在工程中实际一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切， 这样可根据电网的实际无功需求控制投切电容器。所以t s c 实际上就是断续可调的吸收容 性无功功率的动态无功补偿器，虽然不能实现连续调节，但运行时不产生谐波而且损耗较 小。可是考虑到晶闸管的价格和其他一些原因，并联电容器组数不能太多，所以要实现平 滑的电压、电流特性是不可能的，因而常需要和t c r 配合使用，构成t c r 十t s c 混合型补 偿装置。 u ( t ) 图卜2t s c 原理图 f i g1 - 2d i a g r a mo f t s c 1 2 2 静止同步补偿器 随着电力电子技术的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代以来，出现了一种更为先进的静止 无功补偿器，即基于采用自换相变流电路的静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r , s t a t c o m ) ，也有称之为s v g ( s t a t i cv a tg e n e r a t o r ) 或a s v g ( a d v a n c e ds t a t i c v a rg e n e r a t o r ) 。s t a t c o m 在电力系统中有多种功能，不仅可调节无功，还可用来改善电 力系统稳定性。 利用变流器进行无功补偿的理论早在2 0 世纪7 0 年代就已由美国学者l g y u g y i 提出 到目前为止，国内外对s t a t c o m 的基本原理抽“日妇1 控制策略“1 ，主回路结构n 0 1 和不对称 控制等做了很多的研究，但还有很多理论和实际运用的问题尚待解决。 西安j e _ r - 大学硕士学位论文 在理论研究上，对s t a t c o m 的研究成果主要集中在主电路接线方式及拓扑结构选择、 系统模型的建立、控制器设计以及装置在电力系统中作用等方面，目前国内外投入运行的 s t a t c o m 主电路多采用多重化结构，即使用多个逆变器通过曲折变压器与高压电网联接， 以提高装置容量和改善输出电流波形。多重化结构解决单个逆变器容量限制问题，而且将 多个逆变器输出的方波信号组合成阶梯波的方法来逼近正弦波，可有效抑制谐波，因此多 重化结构在大功率变流器中被广泛应用，但也存在结构复杂、曲折变压器造价高、分相控 制困难等问题。随着大功率器件的不断涌现，上述问题可望得到解决。 在系统建模研究上，在稳态运行的情况下，s t a t c o m 的工作模型是建立在静止的同步 电压源的基础之上，即有一个电压型变流器构成的s t a t c o m 经过一个串联电抗( 包括变压 器的漏抗) 与电网联接，根据输入的无功功率和有功功率指令，变流器如同同步发电机一 样，产生相位与幅值均可迅速调节的基频分量的三相对称的正弦电压接到电力系统，从而 吸收或发出无功功率。由于电力系统具有多种非线性和负荷参数的不确定性，而且， s t a t c o m 会更多地运行在不平衡条件下，因此，这种稳态工作模型存在许多不足。 在研究s t a t c o m 的非线性动态模型的同时，控制策略和控制器设计也是研究的一个热 点。s t a t c o m 的控制器通常有内环控制器和外环控制器两部分。内环控制器的基本任务是 产生一个同步的驱动信号，从而在变流器的输出电流和无功指令之间建立一种线性关系， 外环控制器用于提供内环控制器所需要的无功功率参考值。 用于配电网的中s t a t c o m ，其称为d s t a t c o m ( d i s t r i b u t i o ns t a t c o m ) ，作为“用户 电力”的一个重要设备，应用前景广泛。它可以在电网连接点提供快速的电压和无功控制， 以改善配电网供电质量，也可提高线路的功率因数，以减少线损。其基本原理如图卜3 所示。其主回路是由大功率电力电子器件组成的逆变器和并联电容器构成的。现在 s t a t c o m 己成为静止无功补偿技术的发展方向，是今后柔性交流输电系统的一个重要元 件。 山 1 寸 i c 图卜3s t a t c o m 系统原理图 f i g 1 - 3b a s i cp r i n c i p l eo fs t a t c o m 1 3 论文主要任务和各部分的主要内容 晶闸管投切电容器装置具有优良的动态无功功率补偿性能，特别适合于冲击性负荷及 经常波动性负荷的场所，对提高配电系统的功率因数，稳定系统电压，降低能耗，具有重要 的作用。随着电力电子技术的迅速发展，特别是电力电子器件价格的下降，晶闸管投切电容 器技术更值得进一步深入研究和大力推广应用。 正是针对目前存在的主要问题和发展方向，本文采用晶闸管投切电容器，从控制器设 计和控制投切算法等问题入手，着重对晶闸管投切电容器进行了较为深入的理论和实验研 究。 4 第一章绪论 文章各部分的主要内容如下： 1 论文第二章对晶闸管投切电容器的理论及常见方法进行了介绍，其中重点介绍了 瞬时无功功率理论检测无功电流的知识。 2 论文第三章介绍了晶闸管投切电容器的硬件设计，并对所用的数字信号处理芯片 的主要特性进行了介绍；其中重点设计了过零触发功能电路，理论上误差能做到晶闸管的 导通压降。 3 论文第四章主要是软件系统设计；本章描述了软件系统的各个模块的相互关系和 具体实现的流程。 4 论文第五章为仿真分析和实验结果分析，包括了瞬时无功功率理论检测无功电流 的可行性分析和进行过零投切的必要性分析，在实验结果分析中重点介绍了所采用的过零 投切方法。 5 论文第六章为全文总结。 西安理工大学硕士学位论文 第2 章t s c 的原理及发展动向 由于f a c t s 技术及其控制器迅猛发展，目前已成为电力系统动态无功补偿的主力军， 现在主要有s v c ，s t a t c o m 两类补偿装置，由于s t a t c o m 目前工程造价偏高，且许多技术问 题尚未解决，所以作为较早出现的s v c 理所当然成为当前应用最广的动态无功补偿装置。 t s c 就是s v c 的典型代表之一。t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) 又称晶闸管投切电容器， 在生产制造上，国外一些电气厂商己形成规格系列化产品，例如a b b 生产的s v c 装置中就 装有l w a 2 4 2 5 8 0 型t s c 。与a b b ，s i e m e n s 等国外大公司相比，我国企业在技术水平和生 产规模上仍有差距n 。 2 1 基本原理及分类 t s c 的典型装置通常由两大部分组成：一部分为t s c 主电路，它包括晶闸管阀( 若干 组) 、补偿电容器( 同样分成若干组) 及阻尼电抗器：另一部分为t s c 控制系统，主要由数据 采集与检测、参数运算、投切控制、触发控制4 个环节组成。 晶闸管阀通常有2 种接线方式：2 个晶闸管反并联和1 个晶闸管与1 个二极管反并联。 两者都是投切电容器的开关，所不同的是，前者晶闸管阀承受最大反向电压低，为电源电 压峰值，但投资较大，控制复杂：后者投资小，控制简单，但晶闸管阀承受最大反向电压 高，为电源电压峰值的2 倍，所以在选择使用哪种连接方式时，应根据技术、经济比较来 确定。在主电路中晶闸管阀还并联有r c 吸收电路用于吸收浪涌电流和抑制过电压，要求比 较高时设置氧化锌压敏电阻以吸收操作过电压保护电容器。为了限制因晶闸管误触发或事 故情况下引起的合闸涌流，抑制高次谐波，限制短路电流，主电路中应加装串联电抗器。当 串联电抗器是以抑制谐波放大为主要目的时，其参数应根据实际存在的谐波情况进行选 择。若选择的电抗值使电容器回路在最低次谐波频率下呈现出感性，则可消除谐波放大现 象。目前，国内并联电容器配置的电抗器其电抗率主要有以下4 种类型：o 5 ，4 5 ，6 和1 2 一1 3 。配置0 5 ( 有时到0 0 1 一0 0 2 ) 电抗率的电抗器，主要目的是限制电容器的 合闸涌流：采用电抗率4 5 或6 的串联电抗器可抑制5 次以上的谐波电流；采用电抗率为 1 2 一1 3 的串联电抗器可抑制3 次以上的谐波电流。由于串联电抗器后，电容器端电压有 所提高，所以应选择电容器的额定电压高于电网的额定电压，以确保并联电容器能够长期 安全运行。由于空心电抗器限流效果好，造价较高，而铁心电抗器限流效果较差，但造价 低，所以在串联电抗器选型时，应通过技术经济比较来确定。 电容器的投切是根据电网负荷变化情况来决定的，当电网无功功率增加，电压下降时， 投入电容器，反之，切除电容器。电容器分组有等容分组和不等容分组2 种 1 2 1 0 前者易 于实现自动控制，但补偿级差大，后者利用较少的分组就可获得较小的补偿级差，但不易 控制。在实际中也有采用两者的折中，例如采用n - 1 个电容值均为c 的电容，和一个电容 值为c 2 的电容，这样系统从零到最大补偿量的调节则有2 n 级。 与机械投切电容器相比，晶闸管的开、关无触点，其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，实现无过渡过程的平稳投入和退出，操作简单。另外，与 6 第二章t s c 的原理及发展动向 t c r 相比，虽然t s c 不能连续补偿无功功率，且只能输出容性无功，但具有成本低，运行 时不产生谐波，自身能耗小，仅相当于整个系统补偿容量1 左右，节能效果十分明显等 优点。在实际中，若要求连续调节无功功率，或者要求能提供感性无功，t s c 可以与t c r 配合使用，构成t c r + t s c 的混合型补偿器。t s c 系统应用形式非常灵活，可按电压等级划 分和按补偿对象划分。 按电压等级划分为： 低压补偿：该补偿方式适用于i k v 及以下电压的补偿：使用单一晶闸管阀即可满足耐压 要求，可直接接入低压系统进行补偿。 高压补偿：即6 - 一3 5 k v 的补偿，关键问题是要解决补偿装置晶闸管阀的耐压，即多个 晶闸管串联的均压及晶闸管触发控制的同步性主电路接线有直接补偿，降压补偿和调压 补偿3 种方式。 按补偿对象划分为：面向系统补偿，该补偿方式是维持系统电压在一定的范围内变化 该补偿方式一般为高压补偿方式：面向负荷补偿，该方式直接针对某负荷进行补偿，可以对 电网中频繁启动的运转负荷进行动态补偿，消除对电网的无功冲击。 2 2 主电路 t s c 的主电路按照晶闸管和电容器的连接方式，可以大致分为4 种类型m 1 ： 星形有中线、星形无中线、角外接法、角内接法。其中前两者统称为星形接法，后两者统 称为三角形接法。三角形接法只适用于三相共补电路，如果三相负荷不平衡、三相的功率 因数角和电流差异较大，t s c 主电路就只能采用星形接法，以满足分相补偿的要求。t s c 采 用三角形接线方式，具有一定的优势钉：可以降低晶闸管阀的电流容量：能够保证电源电 压：避免中线电流。如果采用星形接法，那么晶闸管阀中电流较三角形接法时大，而且在 投切过程中可能有较大的中线电流，将产生较大的电压漂移，影响投入时的准确角度， 可能会产生投切冲击电流 2 2 1 星形有中线 这种接法优点在于，晶闸管电压定额降低，可以进行分相投切；但由于中线存在，对 三倍次谐波无抑制作用，所以晶闸管电流定额增大，因此该接线方式适合系统电压波形畸 变率很小且电网负荷三相不平衡的情况。为了限制涌流和抑制谐波，通常在中线上加装限 流电抗器( 见图2 - i ) 。 2 2 2 星形无中线 与星形有中线相比，该接线方式由于取消了中线，对三倍次谐波有抑制作用，对系统 无污染；但需两相电容才能形成回路，不能进行分相投切，因此，该方式不适合补偿电网 负荷三相不平衡的情况( 见图2 - 3 ) 。 2 2 3 角外接法 晶闸管处于电容器三角形的外部。按照电工理论中的“y 一 变换原理，在电容器 总容量相等的情况下，角外接法和星形无中线对外电路所表现的特性都是一样的。实际中， 7 西安理工大学硕士学位沦文 多采用三角形接法。角外接法对三倍次谐波也有抑制作用：与角内接法相比，体积小，但 不易控制，投切时暂态过程较长 1 5 1 。适合于三相平衡负载( 见图2 2 ) 。 2 2 4 角内接法 晶闸管处于电容器三角形的内部。该接法对系统无污染，相对另外3 种接法，晶闸管 电流定额小，只有相电流的5 8 ，但晶闸管电压定额较大( 见图2 4 ) 。 当有较大不平衡负载时，三角形接法的电容器组也可令各相电容值不等，根据各相负 荷大小作分相补偿，三相不平衡负载的补偿装置也可以使用角内接法的t s c 与t c r 组合 方式n 盯。 c a b c ，罕- - c 2 竿c 竿 图2 - 1 星形有中线 f i g 2 - 1yf o r mw i t hn e u t r a l d 。 字孥堂 誊 f 移浒 图2 - 2 角外接法 f i g 2 2o u t s i d e t r i a n g l ef o r m 图2 - 3 星形无中线图2 4 角内接法 f i g 2 - 3yf o r mw i t h o u tn e u t r a lf i g 2 - 4i n s i d e t r i a n g l ef o r m 另外，在低压实际应用中，也出现了一些其他形式的主电路。采用二极管与晶闸管反 并联方式的晶闸管阀，特点是每次切除电容器时，电容电压总是保持电源电压峰值。这样， 晶闸管投入时，只要脉冲序列从系统电压峰值开始触发就可以保证平稳过渡。其缺点是第 一次送电时仍会发生电流冲击。主回路中设置预充电回路，可解决这个问题。采用两个晶 闸管阀实现对一组三角接线电容器的投切。为了提高运行的可靠性，防止电容器和晶闸管 阀损伤，晶闸管投入时有过零检测，当晶闸管两端的电压过大时，该晶闸管的触发信号被闭 锁。在晶闸管阀端电压过零点附近触发晶闸管，电流有一个暂态过渡过程。如果电源的等 值电抗和串联电抗等参数配合较为合理，则这个暂态过程的持续时间不长、幅值也不大。 并且很快过渡到稳定状态。 2 3 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测 文献 1 7 提出一种基于瞬时无功功率理论的信号检测方法。该方法由三相的电压、 8 第二章t s c 的原理及发展动向 电流瞬时值快速、有效地计算出电压、电流有效值、瞬时无功功率等，进而可以计算 得到功率因数。这种方法与传统的检测方法核心区别在于，它突破了传统功率理论中 用平均值定义功率量的局限，是对传统功率理论的拓展l i b l 。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，在许多方面得到了成功的应用。该理论突破了传统的 以平均值为基础的功率定义，系统的定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率 量。以该理论为基础，可以得出无功电流实时检测的方法1 1 9 。下面首先论述瞬时无功 功率理论，然后介绍基于该理论的无功电流实时检测方法。 2 3 1 三相电路瞬时无功功率理论 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由赤木泰文提出，此后该理论经不断研究逐 渐完善。下面将要介绍的是以瞬时有功电流f 。和瞬时无功电流f 。为基础，经过a b c - - 相转 为口一两相的变换后，在口一平面上将矢量巩、厅口和之、乙分别合成为( 旋转) 电压 矢量露和电流矢量7 u 2 + u 口= 甜么吼 i 2 + = i z q ，j ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中，甜、f 分别为u 、i 的模，纸、仍分别为矢量云、i 的相角。 定义2 1 将电流矢量7 向电压矢量面及其法线上投影，得到乙和乏，分别称为三相电路瞬 时有功电流和无功电流，如图2 2 所示： 有： 式中妒= 纯一仍 9 j | 亭 0 ，埘 、- 、 刁 ； ， | fi 图2 - 5 口一夕坐标系中的电压电流矢量 f i g 2 5v o l t a g e - c u r r e n tv e c t o ro f 口一 l p2z c o s 簟o 2l s i n 缈 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 定义2 2 把电压矢量历的模与f p 的乘积称为三相电路瞬时有功功率，把电压矢量厅的模 与i 。的乘积称为三相电路瞬时无功功率。即： p2 铆尹 ( 2 5 ) 9 西安理工大学硕士学位论文 q = 甜 ( 2 6 ) 式中妒= 纯一仍 把式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 及伊= 纯一仍代入( 2 5 ) 、 ( 2 6 ) 中有 ； = 之：! ：乏 乏 = c 朋 芝 c 2 7 ， p = 材。i o + u 6 + 列。 ( 2 8 ) g = 专。一甜。) f 。+ q 。一“。k + 0 。一“。，。】 ( 2 9 ) 定义2 3 将三相瞬时功率电流在口一轴上的投影称把式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 代入( 2 7 ) 式 中可得到p 、q 对于三相电压、电流的表达式 为口、相的瞬时功率电流，即： i a p = i pc o s 纯2 百h at ，2 丽u a p ( 2 1 0 ) i p p = i t , s i n 纯2 i u pt ，_ 一蕊u p p ( 2 1 1 ) k = 归纹2 i u p 。2 蕊u b g ( 2 1 2 ) k 一归s 仍一鲁一彘g ( 2 1 3 ) 如图2 一l 所示，0 、访称为口、夕相的瞬时有功电流；i 婵、i a q 称为口、夕相的瞬时 无功电流。 定义2 4 称口、相的瞬时功率分别为该相瞬时电压和瞬时电流的乘积，即： 凡2 2 希夕 ( 2 1 4 ) p 芦：“卢p ：j p ( 2 1 5 ) p 芦2 “卢声p2 衣p 。z 1 ) 7 g 口：o g(216)-gtalaq g 口2 荷留 “ q # = u a 锄2 一l f a 2 盟+ u a 2 曰 ( 2 1 7 ) z 肋2 一。曰 、厶17 从以上四个表达式得： 仇+ p 口= p ( 2 1 8 ) 吼+ 勤- - - 0 ( 2 1 9 ) 下面介绍口一卢坐标系中的各量与a b c 三相坐标系中各电量之间的关系。通过进行 口一口两相向a b c 三相的变换( a b c 三相转为口一两相变换的逆过程) ，0 - - i 以由两相功率 1 0 第二章t s ( ：的原理及发展动向 电流得到三相电路各相的功率电流，即： 医卜捌 嘞m i a q 式中c 2 3 = 磊 把( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 代入( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 得： 式中a = ( u a l o p - = 3 专 l 。b p = 3 u b p 以 咄夤 2 ( 一心) 暑 l 。b q2 ( u c - u , ，) q 进一步可以得出a b c 三相的瞬时功率： p a = u a l 。a p 嘲焉 胪u b l 。b p = 3 名专 , p c ：u c l c p 地学 g 。= z 02 u o ( u 6 一u c ) q q b u b k5 ( u 。- - u o ) q 留。= 材。k2 材。( u o - u 6 ) q ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 传统理论中的有功功率，无功功率等都是在平均值基础上或向量的意义上定义的， 1j ：仞：细：切 。l 小 嗟叫 砒 舶咆订 。 圹“ p 西安理工大学硕士学位论文 它们只适用于电压电流均为正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬 时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况呦1 f 2 l 】r 2 2 l 0 下面分析三相电压和电流均为正弦波时的情况。设三相电压、电流分别为 则有： 甜。= 、- 2 u s i n w t “。：何s i n ( w ，+ 娶) ， “。：而s i n ( w ，- 娶) - ， 屯= x f 2 i s i n ( c o t 一妒) = 压，s i n ( 纠+ 塾3 一纠 f c ：压心n ( 彩，_ 娶一妒) ， 盼厨 竺三 ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 阡痂 芸：， 汜3 7 ， 把上面方程代入( 2 2 5 ) ( 2 。2 6 ) ( 2 2 7 ) 得： ；：3 s i n ； q 3 8 ) 由上面的分析不难看出，瞬时无功理论包含了传统的无功理论，比传统理论有更大的 适用范围。 2 3 2 无功电流的实时检测 现在，以瞬时无功功率理论为基础的无功电流的检测在实际中得到了广泛的应用，在 计算中只用了一系列的基本运算模块，检测无功电流的计算不存在延时问题，实时性非常 好踟。 以瞬时无功功率理论为基础，以计算p 、q 或f p 、i g 为出发点可以得到两种常用的无 功电流检测方法，分别称为p 、q 运算方式和f p 、i q 运算方式n 。由于本设计采用i p 、i 。 运算方式，所以，仅对其做简要介绍。下面是基于i p 、i 。运算方式的无功电流实时检测。 a 公式推导； 由瞬时无功理论得： 1 2 第二章t s c 的原理及发展动向 乞p22丝,5孺notcos(pe p p27 口2 7 ，5 j r 了p i p p - i p s i n 纯2 i u p ，。虿u 可# i p 纯2 _ ，。j = 了 驴s i n 仍2 等2 焘q 乞叮20 仍2 _ = ，02 j 奇 t o q - - _ s i n 鲠2 一丝u 2 一蕊n o r g 电压电流为正弦波情况下时： 材。= 玩s i n c o t =乙sin(cotla 1 s i n ( c o t 一缈) 5 。 一缈) 则经过旋转变换后得： 阱, - - - 2 - 毛i - l - s i nc o t 阡佩e 蕊乙) 由 乏地 得： p = 3 2 e m i m e o s c p 。 q = 3 2 e , i ms i n g 由( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) 得： 屯。= 4 3 2 i c o s c p s i n c o t p = 一4 3 2 i c o s 口o c o s c o t 乞口= 4 3 2 1 s i n ( o c o s c o t i p q = 4 3 2 1 , s i n 擘o s i n c o t 由 毛十磊= 弓 艺p 十易p = f ； 得： ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 ，4 4 ) ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) 1 3 i p - - 4 3 2 x 。c o s 6 p 岛= 打弘s i n 9 s i w t - - c o s w ，t 即 阱锄豳 其中巳：= 11 1 22 0 矗西 22 1 2 压 2 p i oc o s c o t + 徊s c 卅争徊s c 褂铡 眩5 3 ， 将无功电流投影到口一坐标轴： 时 二茹m s i n w t ， 将口一夕坐标轴的无功转换为三相无功： 即： z 凹 j 鲫 l 钾 k l 珥 l 2 1 2 c o s c 卅争 c o s ( 卅等) i a q ( 2 5 4 ) ( 2 5 5 ) ( 2 5 6 ) b 以此检测方法为基础的检测步骤： ( 1 ) 采集a 相电压“。，通过使用一个锁相环节获取a 相电压“。的相角，并由它产生与”。 同相位的正弦信号s i nw t 和对应的余弦信号c o sw t ： 7 ( 2 ) 采集负荷侧的三相电流，并进行a b c = 相坐标转变为口一两相坐标的变换，求 出在口、坐标下对应的值。 1 4 ) ) ) 0 1 2 9 5 5 2 2 2 ( ( ( 0如k l一2扫一2 一l 22 1j 研 饼吣m c s 一 一 研 洌 蠹 一 。l = c 1j0 _ 。l 1j w 町 ? 5 | 一 一 告丁笪2 一 一 第二章t s c 的原理及发乒动向 ( 3 ) 利用下面的公式求出两相坐标f 电流的有功分量和无功分量 竺篆氅嘲 眨5 7 ， 由于本文只研究无功电流检测，所以只需求出i 。的值。 ( 4 ) 将步骤( 3 ) 中的结果作为输入量再做一次( 2 5 7 ) 的计算即可得到口一坐标 下的无功分量电流f 凹、i 厨。因为不考虑有功功率，所以在输入量的位置上将f ，用零代替， 即： 醐i a q _ i 卜s i n c o t , - p c o 锄sc o t 搬 泣5 8 ， ( 5 ) 利用( 2 2 1 ) 式得到相应的三相坐标的无功电流分量7 矿k 、，即所需的无 功电流。 利用i 口、i q 运算方式获得无功电流的原理图如下： 4 i 凹 k l 钾 图2 q 无功电流检测框图 f i g 2 - 6s k e t c hm a po fr e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o n 对于三相四线制电路，在负载不平衡时，电流中包含零序分量。图2 3 中的检测方法 中3 2 变换要求三相电流之和为零，即电流中不含零序分量。解决该问题的方法是，在3 2 变换得到的相的基础上，再增加一个加法器和3 个减法器即可 三相四线制电路，f 。、i 。、i c 电流中所含零序分量相等，且为： f 0 ：( i o + i b + f c ( 2 5 9 ) 将此零序分量电流从各电流中剔除： 一 i a2l 口+ l o 2 - i - l o 020 + b ( 2 6 0 ) ( 2 6 1 ) ( 2 6 2 ) 即可用图2 3 中的检测方法。 2 4 控制系统 t s c 的控制系统应能检测系统的相关变量，并能根据无功量的大小以及投切算法，产 生相应的晶闸管触发脉冲，以投切相应的电容器组。因此，其控制系统一般应包括三部分： 1 5 西安理工大学硕士学位论文 检测、控制及触发部分。检测无功