晶閘管控制電抗器TCR的仿真分析與設(shè)計****學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)晶閘管控制電抗器TCR的仿真分析與設(shè)計學(xué)生：******學(xué)號：******專業(yè)：******班級：******指導(dǎo)教師：************學(xué)院二***年**月摘要本文對無源和有源兩種電力濾波器的原理進(jìn)行了闡述?；旌闲陀性措娏V波器將無源濾波與并聯(lián)型有源濾波相結(jié)合，克服了無源濾波器和有源電力濾波器的缺點(diǎn)，降低了逆變器容量，能同時補(bǔ)償變化的無功功率和抑制各次諧波，動態(tài)性能好，提高了性價比，有較好的應(yīng)用前景。實(shí)時、準(zhǔn)確地檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的諧波與無功電流是補(bǔ)償裝置進(jìn)行精確補(bǔ)償?shù)那疤?，基于瞬時無功功率理論的檢測法是三相系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種方法，包括適用于對稱無畸變電網(wǎng)的p—q檢測法及適用于不對稱有畸變電網(wǎng)的i,i運(yùn)檢測法。通過MATLAB仿真，驗(yàn)證了這兩種方法的有效性。pq關(guān)鍵詞：無功功率；諧波；晶閘管控制電抗器；有源電力濾波器；瞬時無功功率理論；仿真IAbstractTheprincipiumofpassivefilter(PF)andactivepowerfilter(APF)isintroducedindetail.Hybridactivepowerfilter(HAPF),whichcombinesAPFwithPFtodecreasethecapacityofinverterforreducingthecostofAPF,ispresentedbysomeresearchers.HAPFovercomestheshortagesofPFandAPF,andwillbepopularinfuture.Exactandreal-timedetectionoftheinstantaneousvariableharmonicandreactivecurrentinpowersystemisthepremiseforcompensationofallkindofcompensator.themethodbasedoninstantaneousreactivepowertheoryisusedwidelyintri-phasesystemthanothers,anditconsistsofp-qdetectionmethodappliedtoi,isymmetrypowersystemwithoutdistortion,detectionmethodappliedtopqasymmetrydistortionpowersystem.BymeansofMATLABsimulatedandanalysed,weverifiedthistwokindsmethodhavebeenabletochecktheharmonicandreactivecurrentcomponentfromdistortedcurrent.KeywordsReactivepowerHarmonicThyristorcontrolledreactorActivepowerfilterInstantaneousreactivepowertheorySimulationII目錄摘要...........................................................................................................................IAbstract.....................................................................................................................II第一章緒論.............................................................................................................11.1無功功率及其補(bǔ)償......................................................................................21.1.1無功功率的定義................................................................................21.1.2無功補(bǔ)償及其研究現(xiàn)狀....................................................................31.2諧波的危害及其治理..................................................................................41.2.1諧波的定義.......................................................................................41.2.2諧波的危害.......................................................................................61.2.3我國對公用電網(wǎng)諧波的規(guī)定.............................................................71.2.4諧波抑制的研究現(xiàn)狀........................................................................81.3無功補(bǔ)償與諧波抑制的關(guān)系......................................................................91.4配電網(wǎng)無功功率與諧波的綜合補(bǔ)償方案..................................................101.4.1無功功率與諧波綜合補(bǔ)償方案的提出............................................101.4.2無功功率與諧波綜合補(bǔ)償方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)....................................11第二章TCR的工作原理及其特性分析.................................................................142.1無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)脑?........................................................................142.2TCR的工作原理.........................................................................................152.2.1TCR的基本結(jié)構(gòu)與工作原理............................................................152.2.2TCR補(bǔ)償特性...................................................................................172.3TCR的諧波分析和抑制方式.....................................................................19III2.3.16脈波TCR........................................................................................202.3.212脈波TCR......................................................................................222.3.3TCR與濾波器并聯(lián)...........................................................................232.4FC-TCR型靜止無功補(bǔ)償裝二的結(jié)構(gòu)與工作原理....................................242.5TCR的控制方法與策略.............................................................................262.5.1信號檢測..........................................................................................262.5.2開環(huán)控制系統(tǒng)...................................................................................272.5.3閉環(huán)控制系統(tǒng)...................................................................................282.6TCR的MATLAB仿真...............................................................................282.6.1單相TCR的仿真.............................................................................292.7本章小結(jié)....................................................................................................32第三章電力濾波器的結(jié)構(gòu)與原理.........................................................................343.1無源濾波器................................................................................................343.1.1單調(diào)諧濾波器...................................................................................353.1.2高通濾波器......................................................................................373.1.3無源濾波裝置的組合.......................................................................393.2有源濾波器................................................................................................403.2.1并聯(lián)型有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)................................................403.2.2有源電力濾波器的主電路...............................................................433.2.3有源電力濾波器控制系統(tǒng)...............................................................443.2.4補(bǔ)償電流的控制方法.......................................................................453.3混合型有源電力濾波器.............................................................................47IV3.3.1并聯(lián)有源電力濾波器與LC濾波器的聯(lián)接方式..............................483.3.2并聯(lián)混合型有源電力濾波器的補(bǔ)償原理與補(bǔ)償特性.....................493.4本章小結(jié)....................................................................................................53第四章基于瞬時無功功率的諧波與無功電流檢測..............................................544.1三相電路瞬時無功功率理論.....................................................................544.2三相電路諧波與無功電流實(shí)時檢測..........................................................574.2.1p-q運(yùn)算方式.....................................................................................574.2.2i-i運(yùn)算方式.....................................................................................59pq4.3本章小結(jié)....................................................................................................61結(jié)論與展望..............................................................................................................62致謝.........................................................................................................................64參考文獻(xiàn).................................................................................................................65V第一章緒論電能是當(dāng)今最重要的能源形式，隨著我國經(jīng)濟(jì)及科技的飛速發(fā)展和人民生活水平的迅速提高，各種復(fù)雜的、精密的、對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備不斷普及，各電力用戶對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行及電能質(zhì)量都提出了更高的要求。理想的電力系統(tǒng)應(yīng)以恒定的頻率(50Hz或60Hz)和正弦波形，按規(guī)定的電壓向用戶供電。在三相交流電力系統(tǒng)中，各相的電壓和電流應(yīng)當(dāng)處于幅度相等、相0位相差的對稱狀態(tài)。但由于系統(tǒng)各元件(發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、輸電線路及負(fù)載)120的參數(shù)并非線性或?qū)ΨQ，加之調(diào)控手段的不完善、負(fù)載變化的隨機(jī)性及運(yùn)行操作、各種故障等原因，這種理想狀態(tài)實(shí)際上是不可能存在的，因此就形成了電能質(zhì)量問題。電能質(zhì)量可以大致定義為：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、暫時或瞬態(tài)過電壓、波形畸變、電壓暫降與短時間中斷以及供電連續(xù)性等。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，諸如半導(dǎo)體整流器、晶閘管調(diào)壓及變頻調(diào)整裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路和家用電器等負(fù)荷迅速發(fā)展，由于其非線性、沖擊性以及不平衡的用電特性，使電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變而引起電壓波動和閃變以及三相不平衡，甚至引起系統(tǒng)頻率波動等，對供電電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的干擾或“污染”。一旦出現(xiàn)電能質(zhì)量問題，輕則造成設(shè)備故障，重則造成整個系統(tǒng)的損壞，由此帶來的損失是難以估量的。電能質(zhì)量的好壞將直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。因此，必須有效的控制電網(wǎng)的電能質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平。改善電能質(zhì)量對于電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障產(chǎn)品質(zhì)量以及人民生活.和生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)均有重大意義。國內(nèi)目前對電能質(zhì)量的研究，主要是諧波抑制和無功補(bǔ)償兩個方面。11.1無功功率及其補(bǔ)償1.1.1無功功率的定義在正弦電路中，負(fù)載是線性的，電路中的電壓和電流都是正弦波。設(shè)電壓和電流可分別表示為u(t),2Usin,t（1.1）(1.2)i,2Isin(,t,,),2Icos,sin,t,2Isin,cos,t,i，ipq,式中U為電壓有效值，I為電流有效值，為角頻率，為電流滯后電壓的相角。,0ii電流i被分解為和電壓同相位的分量和比電壓滯后的分量。90pq電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,電路的無功功率定義為Q,UIsin,（1.4）ui可以看出，Q就是式(1.3)中被積函數(shù)的第2項(xiàng)無功功率分量的變化幅度qui的平均值為零，表示了其有能量交換而并不消耗功率。Q表示了這種能量交q換的幅度。在單相電路中，這種能量交換通常是在電源和具有儲能元件的負(fù)載之間進(jìn)行的。從式(1.3)可看出，真正的功率消耗是由被積函數(shù)的第1項(xiàng)有功功率分iiui量產(chǎn)生的。因此,和分別稱為正弦電路的有功電流分量和無功電流分量。pqP21.1.2無功補(bǔ)償及其研究現(xiàn)狀在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。電力系統(tǒng)無功損耗主要有兩個方面，一是輸電系統(tǒng)自身吸收的無功，二是負(fù)荷消耗的無功。輸電系統(tǒng)自身吸收的無功主要是指輸配電設(shè)備(如高壓輸電線路、聯(lián)系不同等級網(wǎng)絡(luò)的變壓器等)在高壓輸電網(wǎng)絡(luò)中輸送電能時要吸收一定的無功功率;負(fù)荷吸收的無功功率主要指感性負(fù)載和大量的非線性負(fù)荷(如工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中經(jīng)常使用的異步電機(jī)、日光燈，以及各種變流裝置、工業(yè)電弧爐等)消耗的無功，這些負(fù)載當(dāng)中有些容量非常大，在啟動和正常工作時都要吸收大量的無功功率，常常會引起電壓的波動和畸變。電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓水平取決于無功功率的平衡，系統(tǒng)中各種無功電源的無功功率輸出應(yīng)能滿足系統(tǒng)負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)損耗在額定電壓下對無功功率的需求，否則電網(wǎng)電壓就會偏離額定值。電力系統(tǒng)無功功率平衡的基本要求是:系統(tǒng)中的無功電源可能發(fā)出的無功功率應(yīng)該大于或至少等于負(fù)載所需的無功功率和網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗。顯然，這些無功功率如果都要由發(fā)動機(jī)提供并經(jīng)過長距離輸送是不可能的，合理的方法應(yīng)該是在電力系統(tǒng)中加裝其他無功電源，例如同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器以及靜止補(bǔ)償器等，這些裝置被稱為無功補(bǔ)償裝置。電力系統(tǒng)在不同的運(yùn)行方式下，可能分別出現(xiàn)無功功率不足或過剩的情況，在采取補(bǔ)償措施時應(yīng)能統(tǒng)籌兼顧，選用既能發(fā)出又能吸收無功功率的補(bǔ)償設(shè)備。無功補(bǔ)償?shù)闹匾灾饕憩F(xiàn)在以下幾點(diǎn)：(1)提高供用電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗。(2)穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線中合適的地點(diǎn)設(shè)置動態(tài)無功補(bǔ)償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力。(3)在電氣化鐵道等三相負(fù)載不平衡的場合，通過適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償可以平衡三相的有功及無功負(fù)載。從電力系統(tǒng)誕生開始，無功補(bǔ)償技術(shù)就開始在電力系統(tǒng)中應(yīng)用。同步發(fā)電機(jī)可以看作是最早的并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，各種補(bǔ)償裝置不斷涌現(xiàn)。早期無功補(bǔ)償裝置的典型代表是同步調(diào)相機(jī)(synchronouscondenser)，同步3調(diào)相機(jī)可以平滑調(diào)節(jié)無功功率，而且既可以吸收也可以發(fā)出無功功率，因此具有較強(qiáng)的補(bǔ)償控制功能。但同步調(diào)相機(jī)，由于是旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運(yùn)行維護(hù)都很復(fù)雜，響應(yīng)速度也較慢，且隨著負(fù)荷中心地區(qū)對環(huán)境要求的提高，旋轉(zhuǎn)設(shè)備帶來的噪聲問題也比較嚴(yán)重，己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電力技術(shù)的發(fā)展。并聯(lián)電容器與同步調(diào)相機(jī)相比，具有運(yùn)行靈活、有功損耗小、維護(hù)方便、投資少等優(yōu)點(diǎn)。因此，并聯(lián)電容器的迅速發(fā)展幾乎取代了輸電系統(tǒng)中的同步調(diào)相機(jī)。但是，和同步調(diào)相機(jī)相比，并聯(lián)電容器只能補(bǔ)償固定的無功功率，當(dāng)系統(tǒng)中有諧波時，還有可能發(fā)生并聯(lián)諧振，使諧波放大，造成電容器的燒毀。靜止無功補(bǔ)償裝置(StaticVarCompensator-SVC)近年來獲得了很大發(fā)展，己被廣泛用于輸電系統(tǒng)波阻抗補(bǔ)償及長距離輸電的分段補(bǔ)償，也大量用于負(fù)載無功補(bǔ)償。SVC的重要特性是它能連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的無功功率，由于具有連續(xù)調(diào)節(jié)的性能且響應(yīng)迅速，因此SVC可以對無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，使補(bǔ)償點(diǎn)的電壓接近維持不變。SVC的典型代表是晶閘管控制電抗器(ThyristorControlledReactor-TCR)。TCR最重要的性質(zhì)是它能維持其端電壓不變，具有快速響應(yīng)性、可頻繁動作性、以及分相補(bǔ)償能力，可應(yīng)用于對大型沖擊性、快速周期波動變化、不平衡、非線性負(fù)荷(如電弧爐、軋鋼機(jī)、城市二級變電站、遠(yuǎn)距離電力傳輸、電力機(jī)車供電等)的動態(tài)無功補(bǔ)償領(lǐng)域。它能有效抑制這些負(fù)荷所引起的電壓波動問題，顯著地解決電壓畸變、波動和閃變問題，起著改善電能質(zhì)量的作用。因TCR裝置采用相控原理，在動態(tài)調(diào)節(jié)無功功率時，也產(chǎn)生大量的諧波，所以，通常把濾波裝置與TCR并聯(lián)，以濾除TCR工作時產(chǎn)生的諧波。1.2諧波的危害及其治理1.2.1諧波的定義在電力系統(tǒng)中，理想的電壓和電流應(yīng)該是恒定頻率(50Hz或60Hz)的正弦波形。正弦電壓可表示為u(t),2Usin(,t，,)（1.5）M,,式中U為電壓有效值，TN為初相角，為角頻率。M4正弦電壓施加在線性無源元件上，其電流仍為同頻率的正弦波。但當(dāng)正弦電壓施加在非線性電路上時，電流就變?yōu)榉钦也?。對于周期T,2,,。的非正弦電壓，一般滿足狄里赫利條件，可分解為式（1.2）所示的傅立葉級數(shù)：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,,u(t)cos,ntd,(t)n,0,2,1b,u(,t)sinn,td(,t)n,0,在式（1.2）的傅立葉級數(shù)中，頻率為1/T的分量稱為基波，頻率為大于1的整數(shù)倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。HRUn次諧波電壓含有率以表示為nUnHRU,，100%（1.7）nU1UU式中為第n次諧波電壓有效值（方均根值），為基波電壓有效值。同n1HRI理n次諧波電流含有率以表示為nInHRI,，100%（1.8）nI1UI諧波電壓含量和諧波電流含量分別定義為HH,2（1.9）U,U,Hnn,2,2（1.10）I,I,Hnn,2THD電壓諧波總畸變率分別定義為iUHTHD,，100%(1.11)MU15IHTHD,，100%(1.12)iI11.2.2諧波的危害電網(wǎng)中的諧波主要是由各種大容量整流或換流裝置以及其他非線性負(fù)載產(chǎn)生的，他們向電網(wǎng)輸入大量高次諧波電流，在電網(wǎng)的阻抗上產(chǎn)生高次諧波電壓降，使公用電網(wǎng)電壓的正弦波形發(fā)生畸變，造成諧波污染。隨著各種電力電子裝置在生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域的廣泛使用，電力電子裝置成為最主要的諧波源，如整流裝置、交流調(diào)壓裝置等，這其中，整流裝置所占的比例最大，它幾乎都是采用帶電容濾波的二極管整流或晶閘管相控整流，它們產(chǎn)生的諧波污染和消耗的無功功率是眾所周知的;除整流裝置外，斬波和逆變裝置的應(yīng)用，其輸入直流電源也來自整流裝置，因此其諧波問題也很嚴(yán)重，尤其是由直流電壓源供電的斬波和逆變裝置，其直流電壓源大多是由二極管整流后經(jīng)電容濾波得到的，這類裝置對電網(wǎng)的諧波污染日益突出。變壓器、電抗器、各種旋轉(zhuǎn)電機(jī)都含有鐵心，鐵心具有磁飽和性，鐵心飽和后是非線性的。變壓器鐵心常工作在磁通密度較高的區(qū)段，磁化曲線更陡，更易產(chǎn)生諧波。冶金用大功率交流電弧爐，因?yàn)殡娀》烹娋哂胸?fù)伏安特性，必須在電路中串入電感性阻抗才能限制電弧電流，有的電弧爐是用給電感線圈的鐵心加直流偏磁的方法來改變電抗值，以調(diào)節(jié)電弧電流的大小，這就使電感線圈的磁化曲線嚴(yán)重非線性，導(dǎo)致電源輸入電流的波形嚴(yán)重畸變。故大功率交流電弧爐也是公用電網(wǎng)很大的諧波源。此外，普通用戶家中大量使用的家用電子電器、公共照明系統(tǒng)中熒光照明負(fù)荷也正逐漸成為配電系統(tǒng)中重要的諧波源?？梢哉f在這些新技術(shù)成功解決實(shí)際生活環(huán)境中原有污染問題的同時，如不加防范則會造成電力系統(tǒng)中新的污染問題。電力系統(tǒng)存在的大量諧波嚴(yán)重地降低了電能質(zhì)量，給系統(tǒng)帶來眾多危害，其危害主要表現(xiàn)在：61)諧波電流使輸電線路損耗增大，輸電能力降低，并使線路絕緣加速老化，泄漏電流增大，嚴(yán)重的甚至引起放電擊穿。2)使電動機(jī)損耗增大，發(fā)熱增加，過載能力、壽命和效率降低，甚至造成設(shè)備損壞。3)容易使電網(wǎng)與用作補(bǔ)償電網(wǎng)無功功率的并聯(lián)電容器發(fā)生諧振，造成過電壓或過電流，使電容器絕緣老化甚至燒壞。4)諧波電流流過變壓器繞組，增大附加損耗，使繞組發(fā)熱，加速絕緣老化，并發(fā)出噪聲。5)使大功率電動機(jī)的勵磁系統(tǒng)受到干擾而影響正常工作。6)若移相電容器配置不當(dāng)時，可能在某高次諧波的作用下引起諧振。7)影響電子設(shè)備的正常工作，如:使某些電氣測量儀表受諧波的影響而造成誤差，導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，非整數(shù)和超低頻諧波會使一些視聽設(shè)備受到影響，使計算機(jī)自動控制設(shè)備受到干擾而造成程序運(yùn)行不正常等。1.2.3我國對公用電網(wǎng)諧波的規(guī)定由于電網(wǎng)中的諧波對工業(yè)生產(chǎn)及電網(wǎng)本身都會造成很大危害，世界許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，以限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流，把系統(tǒng)內(nèi)的諧波電壓控制在允許的范圍內(nèi)。我國國家技術(shù)監(jiān)督局于1993年發(fā)布了中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》。對于不同電壓等級的公用電網(wǎng)，允許電壓諧波畸變率也不相同。電壓等級越高，諧波限制越嚴(yán)。另外，對偶次諧波的限制也要嚴(yán)于奇次諧波。1)電網(wǎng)電壓波形畸變的限制表1.1所示為公用電網(wǎng)諧波電壓畸變率限值。2)注入公用電網(wǎng)的諧波電流允許值7公用電網(wǎng)的任何用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流分量不應(yīng)超過表1.2規(guī)定的允許值。表1.1公共電網(wǎng)諧波電壓限值電網(wǎng)電壓電壓總諧波畸變率各次電壓含有率（%）（KV）（%）奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.6104.03.21.6353.02.41.2663.02.41.21102.01.60.8表1.2注入公共網(wǎng)絡(luò)的諧波電流允許值供電電壓諧波次數(shù)及諧波電流允許值（KV）23456789101112130.38786239622644192116281324643342134142411118.5167.11310262013208.5156.46.85.19.34.37.93515127.7125.18.83.84.13.15.62.64.76616138.1135.49.34.14.33.35.92.75.0110129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.71.2.4諧波抑制的研究現(xiàn)狀抑制諧波干擾的傳統(tǒng)方法是在諧波源處裝設(shè)LC調(diào)諧型無源濾波器(PassiveFilter-PF)。這種方法既可以補(bǔ)償諧波，又可以補(bǔ)償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛使用，但是其主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，另外它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不甚理想。8目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器(ActivePowerFilter-APF)。有源電力濾波器是隨著脈沖寬度調(diào)制(PulseWidthModulation-PWM)控制技術(shù)的進(jìn)步和基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出而迅速發(fā)展起來的。其基本原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)中只含基波分量。該濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)阻抗影響，目前己經(jīng)廣泛使用。有源電力濾波器按照PWM逆變電路直流側(cè)電源的性質(zhì)可以分為電壓型和電流型，目前實(shí)際應(yīng)用的裝置中，90%以上的是電壓型。從與補(bǔ)償對象的連接方式來看，又可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型，目前運(yùn)行的裝置幾乎都是并聯(lián)型。有源電力濾波器雖能克服無源濾波器存在的缺陷，但其安裝容量受開關(guān)器件容量的限制。將無源濾波器和有源濾波器相結(jié)合構(gòu)成的混合型有源電力濾波器(HybridActivePowerFilter-HAPF)，取兩者之長，補(bǔ)其之短，可以有效降低有源濾波器的容量，從而有效降低成本，提高性能價格比，達(dá)到APF實(shí)用化及諧波抑制的目的。1.3無功補(bǔ)償與諧波抑制的關(guān)系無功功率問題和諧波問題對電力系統(tǒng)和電力用戶都是十分重要的問題，也是近年來各方面關(guān)注的熱點(diǎn)之一。無功補(bǔ)償與諧波抑制是兩個相對獨(dú)立的問題，但兩者之間又有非常緊密的聯(lián)系，主要表現(xiàn)在：(1)在沒有諧波的情況下，無功功率有其固定的概念和定義。而在含有諧波的情況下，無功功率的定義和諧波有密切的關(guān)系，諧波除其本身的問題之外，也影響負(fù)載和電網(wǎng)的無功功率，影響功率因數(shù)。(2)無功補(bǔ)償與諧波抑制都與電力電子技術(shù)有密切的關(guān)系，而各種電力電子裝置目前已成為供用電系統(tǒng)最為主要的諧波源，同時其功率因數(shù)也很低，消耗大量的無功功率。9(3)補(bǔ)償諧波的裝置通常也都是補(bǔ)償基波無功功率的裝置，如LC濾波器、有源電力濾波器中的許多類型都可以補(bǔ)償無功功率，高功率因數(shù)整流器既限制了諧波，也提高了功率因數(shù)。(4)很多無功補(bǔ)償裝置，如晶閘管控制電抗器(TCR)在正常運(yùn)行時會產(chǎn)生大量的特征諧波注入電網(wǎng)，因此必須采取措施將這些諧波濾除或減弱。1.4配電網(wǎng)無功功率與諧波的綜合補(bǔ)償方案隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速，接入電網(wǎng)的非線性負(fù)載的的數(shù)量和容量正迅速增加，電網(wǎng)中的諧波污染越來越嚴(yán)重。另外，大多數(shù)負(fù)載的功率因數(shù)很低，也給電網(wǎng)帶來了額外負(fù)擔(dān)，影響了供電質(zhì)量。因此，無功補(bǔ)償與諧波抑制已成為電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨的一個重大課題。為了解決電能質(zhì)量的問題，國內(nèi)外正在積極研究用于配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)的電能質(zhì)量控制技術(shù)。它是將電力電子技術(shù)、微處理機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)等高新技術(shù)運(yùn)用于中、低壓配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)中，以減小諧波畸變，消除電壓波動和閃變、各相電壓的不對稱和供電的短時中斷，從而提高供電可靠性和電能質(zhì)量的新型綜合技術(shù)。1.4.1無功功率與諧波綜合補(bǔ)償方案的提出當(dāng)配電網(wǎng)負(fù)載變化頻繁時，對于無功電流的補(bǔ)償，通常晶閘管控制電抗器(TCR)，TCR可以有效補(bǔ)償容性負(fù)載產(chǎn)生的容性電流，但TCR本身是一個諧波源，它在補(bǔ)償容性電流的同時產(chǎn)生了諧波電流，加重了系統(tǒng)的諧波污染。因此，TCR必須與濾波裝置配合使用，通常是LC無源濾波器，但無源濾波器本身存在一些固有的缺點(diǎn)。目前，有源電力濾波器(APF)越來越受到用戶及研究人員的廣泛關(guān)注，其基本原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，然后由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個與諧波電流大小相等、極性相反的補(bǔ)償電流，使電網(wǎng)的電流只含基波。APF能夠?qū)ψ兓闹C波進(jìn)行快速地動態(tài)地補(bǔ)償，性能不受電網(wǎng)阻抗的影響，但APF基于新型的電力半導(dǎo)體器件，采用高頻PWM逆變方式，單獨(dú)使用并聯(lián)式APF能夠補(bǔ)償系統(tǒng)的諧波和無10功電流，但中壓配電系統(tǒng)的功率要求一般使純并聯(lián)式APF的初期投資很大、運(yùn)行效率較低，而APF與PF的混合系統(tǒng)能發(fā)揮APF與PF的優(yōu)勢，消除各自的弊端，是將來的發(fā)展趨勢，適合中壓配電系統(tǒng)的需要。諧波主要由無源濾波器補(bǔ)償，有源電力濾波器的作用是改善LC濾波器的濾波特性，它只需補(bǔ)償LC濾波器未能補(bǔ)償?shù)闹C波。該拓?fù)洳粌H大大改善了濾波效果，而且APF的容量通常占負(fù)載容量的2%—5%，在中壓配電系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)濾波性能與成本的結(jié)合，是近年來頗受關(guān)注的諧波和無功功率補(bǔ)償?shù)男滦脱b置。1.4.2無功功率與諧波綜合補(bǔ)償方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文從經(jīng)濟(jì)性和補(bǔ)償性能兩方面綜合考慮，采用晶閘管控制電抗器(TCR)+混合型有源電力濾波器(HAPF)的方式來同時進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波抑制。此綜合補(bǔ)償方案的單相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示，該系統(tǒng)主要由TCR,LC無源濾波器和有源濾波器等部分組成，其中LC無源濾波器和有源電力濾波器串聯(lián)構(gòu)成混合型電力濾波器與TCR并聯(lián)接入配電網(wǎng)。負(fù)載電網(wǎng)LCCC57hTCRTTPF12LLLRh57LAPF圖1.1配電網(wǎng)無功功率與諧波綜合補(bǔ)償裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)TCR與混合型電力濾波器的LC無源濾波器部分共同組成一個靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC)，作為傳統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償器，以平衡負(fù)載和校正功率因數(shù)。通過對11TCR的有效控制，該系統(tǒng)可以抑制母線的電壓波動(閃變)，防止無源濾波器與系統(tǒng)間的諧振，通過動態(tài)地調(diào)節(jié)裝置的無功輸出，還可以使系統(tǒng)始終保持在合理的功率因數(shù)。由于TCR自身也是一個諧波源，在正常工作時會產(chǎn)生大量的諧波，此系統(tǒng)裝置中與TCR并聯(lián)的HAPF能對其進(jìn)行有效地濾除和減弱。HAPF同時能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)的負(fù)載諧波和無功電流進(jìn)行有效的補(bǔ)償，且只需要很小的容量就可以達(dá)到完美的諧波補(bǔ)償效果。本方案對電網(wǎng)諧波和無功進(jìn)行綜合補(bǔ)償，既可保證無功功率的補(bǔ)償，又能有效地抑制補(bǔ)償系統(tǒng)裝置自身的諧波和系統(tǒng)負(fù)載的諧波，因此能夠更好地降損節(jié)能。通過理論分析和仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明所選方案和控制方法是正確的、可行的，對電網(wǎng)諧波污染和無功損耗均有很好的抑制和補(bǔ)償作用，具有較高的推廣價值。1.5本文的主要研究內(nèi)容本文對無功補(bǔ)償及諧波抑制的相關(guān)理論進(jìn)行了深入的研究，結(jié)合晶閘管控制電抗器(TCR),LC無源濾波器(PF)及有源電力濾波器(APF)的工作原理，提出一種用于配電網(wǎng)的無功功率與諧波綜合補(bǔ)償?shù)慕鉀Q方案，并以MATLAB/Simulink軟件對其進(jìn)行仿真分析，在理論上驗(yàn)證此系統(tǒng)的合理性和有效性。論文的主要研究內(nèi)容包括：(1)本文首先分析了無功功率和諧波的概念和來源，論述無功補(bǔ)償和諧波抑制的重要性以及它們目前的發(fā)展?fàn)顩r。(2)對TCR的工作原理進(jìn)行深入的研究，分析其諧波特性、三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法，并使用MATLAB建立TCR的單相模型，分析晶閘管控制角、觸發(fā)脈沖與基波電流以及諧波含量之間的關(guān)系。(3)系統(tǒng)介紹無源濾波器和有源電力濾波器的工作原理和類型，并詳細(xì)論述有源電力濾波器的電路結(jié)構(gòu)及控制方法。重點(diǎn)分析并聯(lián)混合型有源電力濾波器(HAPF)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、等效模型及濾波原理。12(4)論述瞬時無功功率理論，并分析基于瞬時無功功率理論的兩種諧波和無i,i功電流檢測方法:p-q運(yùn)算方式檢測法和運(yùn)算方式檢測法。pq13第二章TCR的工作原理及其特性分析傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置如并聯(lián)電容器等，其阻抗是固定的，不能跟蹤負(fù)載無功需求的變化，因而也就不能實(shí)現(xiàn)對無功功率的動態(tài)補(bǔ)償。而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對無功功率進(jìn)行快速動態(tài)補(bǔ)償?shù)男枨笠苍絹碓酱?。靜止無功補(bǔ)償器(StaticVarCompensator-SVC)是目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用最多、最為成熟的并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備之一。SVC能跟蹤負(fù)載無功需求的變化，可以連續(xù)迅速地對無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，使補(bǔ)償點(diǎn)的電壓接近維持不變。常用的SVC主要包括晶閘管控制電抗器(ThyristorControlledReactor-TCR)、晶閘管投切電抗器(ThyristorSwitchedReactor-TSR)、飽和電抗器(SaturatedReactor-SR)、晶閘管投切電容器(ThyristorSwitchedCapacitor-TSC)和晶閘管控制變壓器(ThyristorControlledTransformer-TCT)等。其中，TCR是目前應(yīng)用最廣泛，最具代表性的一類靜止無功補(bǔ)償器。本章將主要介紹TCR的工作原理、諧波特性以及工程設(shè)計中的問題。2.1無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)脑硐旅嬉愿纳齐妷赫{(diào)整的基本功能為例，對無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)脑碜骱喴榻B。UU0CBZ=R+jXU0AQ系統(tǒng)電壓UQQLrQQLr負(fù)載補(bǔ)償器QQA0(a)單相電路（b）動態(tài)補(bǔ)償原理圖2.1無功功率動態(tài)補(bǔ)償原理圖2.1(a)所示為系統(tǒng)、負(fù)載和補(bǔ)償器的單相等效電路圖。其中U為系統(tǒng)線電壓，R和X分別為系統(tǒng)電阻和電抗。設(shè)負(fù)載變化很小，故有U<<U，則假定R<<,X時，反映系統(tǒng)電壓與無功功率變化的特性曲線如圖2.1(b)中所示，由于系統(tǒng)電14壓變化不大，其橫坐標(biāo)也可以換為無功電流?？梢钥闯?，該特性曲線是向下傾斜的，即隨著系統(tǒng)供給的無功功率Q的增加，系統(tǒng)電壓下降。由電力系統(tǒng)分析可知，系統(tǒng)的特性曲線可近似用下式表示Q(1)（2.1）U,U,0Ssc,U,Q或者寫為（2.2）,,US0scS式中U。為無功功率為零時的系統(tǒng)電壓，為系統(tǒng)短路容量。SC由式(2.1)和式(2.2)可知，無功功率的變化將引起系統(tǒng)電壓成比例地變化。投入補(bǔ)償器后，系統(tǒng)供給的無功功率為負(fù)載和補(bǔ)償器無功功率之和，Q,Q，Q（2.3）lrQ因此，當(dāng)負(fù)載無功功率變化時，如果補(bǔ)償器的無功功率Q能隨Q反方向變化，lrL以使得Q保持不變，即Q=0，則U也將為0，從而供電電壓保持恒定。,,2.2TCR的工作原理TCR是目前應(yīng)用最為廣泛的靜止無功補(bǔ)償裝置，具有快速響應(yīng)性、可頻繁動作性以及分相補(bǔ)償能力，可應(yīng)用于對大型沖擊性、快速周期波動變化、不平衡、非線性負(fù)荷(如電弧爐、軋鋼機(jī)、城市二級變電站、遠(yuǎn)距離電力傳輸、電力機(jī)車供電等)的動態(tài)無功補(bǔ)償領(lǐng)域。它能有效抑制這些負(fù)荷所引起的電壓波動問題，顯著地解決電壓畸變、波動和閃變問題，起著改善電能質(zhì)量的作用。2.2.1TCR的基本結(jié)構(gòu)與工作原理TCR的基本結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。其單相基本結(jié)構(gòu)是由兩個反并聯(lián)的晶閘管T、T與一個固定電抗器(通常是鐵心的)L串聯(lián)而成。反并聯(lián)的一對晶閘管就像12一個雙向開關(guān)，分別在電源電壓的兩個半周內(nèi)導(dǎo)通。15ITT12UL圖2.2TCR的基本結(jié)構(gòu)TCR正常工作時，在電壓的每個正負(fù)半周的后1/4周波中，即從電壓峰值到電壓過零點(diǎn)的間隔內(nèi)觸發(fā)晶閘管，此時承受正向電壓的晶閘管將導(dǎo)通，使電抗器,進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。一般用觸發(fā)延遲角來表示晶閘管的觸發(fā)瞬間，它是從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度。0,圖2.3所示為TCR電壓和電流波形，如果<，則會產(chǎn)生含直流分量的不對9000,稱電流，所以觸發(fā)延遲角的可調(diào)范圍為90—180，由于電抗器幾乎是純感性0負(fù)荷，因此電抗器中的電流滯后于施加于其兩端的電壓約90，為純感性無功電0,流。當(dāng)為90時，晶閘管全導(dǎo)通，與晶閘管串聯(lián)的電抗器相當(dāng)于直接接在電網(wǎng)上，電抗器中電流為連續(xù)的正弦波，這時其吸收的基波電流和感性無功功率最大。000,,當(dāng)在90-180之間時為部分導(dǎo)通，電抗器中電流呈非連續(xù)脈沖形。當(dāng)為l80時，晶閘管不投入運(yùn)行，基波電流最小(幾乎為0)，吸收的感性無功功率最小。16u,i,3i(,),u2,i(,,,,)2,2,20,,t,,圖2.3TCR的電壓和電流波形通過控制晶閘管的觸發(fā)延遲角，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流在0(晶閘管阻斷)和最大值(晶閘管全導(dǎo)通)之間變化，相當(dāng)于改變電抗器的等效電抗值。增大觸發(fā)延遲角的效果就是減少電流中的基波分量，相當(dāng)于增大補(bǔ)償器的等效感抗，或者說減少其等效電納，因而減少了其吸收的感性無功功率。2.2.2TCR補(bǔ)償特性設(shè)接入點(diǎn)電壓為標(biāo)準(zhǔn)電壓的正弦信號，即u(t),Usin,t（2.4）mU,式中為電源電壓的峰值，為所加電壓的角頻率。則有mdiL,u(t),0（2.5）dt式中L為電抗器的電感值。所以，電抗器中的電流為,tU,mi(t),sin,td(,t)，C(,,,,)（2.6）,,,L2i,0X,,L由邊界條件，并令（即：電抗器的基波電抗值），可得到,t,,L,Umi(t),(cos,,cos,t)(,,,,)（2.7）X2L對式（2.7）進(jìn)行傅里葉分解，可以得到電抗器中的基波分量為,,,2sin2Um,(),(2,,)(,,,,)（2.8）I1X,,2L17如果采用導(dǎo)通角的概念，定義導(dǎo)通角為，則式（2.7）改寫為,,2,,2,,,,sinUm,,()()（2.9）(0,,,,)I1X,L,可見，支路電流的基波分量是或的函數(shù)。,,I,根據(jù)式(2.8)和式(2.9)可繪出TCR基波電流(標(biāo)么值)隨觸發(fā)延遲角或?qū)?通角變化的曲線，如圖2.3所示。,0,()180150120906030010.90.80.7(%)0.6,I1I0.50.40.30.20.10901651051201351501800,(),圖2.4TCR基波電流與觸發(fā)延遲角和導(dǎo)通角的關(guān)系曲線,由式(2.8)和式(2.9)可得TCR的基波等值電納為,,,,()122sinI1,(),,(2,,)(,,,,)(2.10)BLUX,,2mL,,,,,sin,sinB,B(),,(0,,,,)或（2.11）LLmax,,XL18B,1X其中，等效電納最大值為?？梢?，觸發(fā)延遲角,和導(dǎo)通角與,LmaxLTCR等效電納之間是非線性關(guān)系。從式(2.10)和式(2.11)可以看出，TCR的作用就像一個可變電納，改變觸發(fā)延遲角就可以改變電納值，進(jìn)而改變基波電流，從而使電抗器吸收的感性無功功率發(fā)生變化。2.3TCR的諧波分析和抑制方式從圖2.3可知，當(dāng)觸發(fā)延遲角時，流過電抗器的電流是非正弦波，會,,0產(chǎn)生諧波，因?yàn)閮蓚€晶閘管在正半波和負(fù)半波對稱觸發(fā)，所以諧波中只含有奇次,諧波。對式(2.7)進(jìn)行傅里葉分解，可以得到電抗器各次諧波分量與的關(guān)系為4Usin(,1)sin(1,)cos,sin,，，n，n,,n,m（2.12）(,,,,,n,3、5、7......)I,,，,,,n2(1)2(1)2Xn，n,n,，，L,式（2.12）中當(dāng)n=1時，即為電抗器電流基波分量。各次諧波幅值隨的變化曲線如圖2.5所示I0.1430.12(%)0.1II,n0.08I50.060.04I11I7I130.02I90901051351651801201500,()19圖2.5TCR電流各次諧波含量與觸發(fā)延遲角的關(guān)系曲線由圖2.5可得，TCR運(yùn)行時電流的各次諧波的含量及最大值出現(xiàn)所對應(yīng)的不同觸發(fā)角如表2.1所示。357911130.13780.05450.02570.01560.01050.0078000000,1201081021009896由此可見TCR自身也是一個諧波源，在正常工作時會產(chǎn)生大量的諧波，主要是3,5,7,9,11和13次。TCR在補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率的同時，也會加重系統(tǒng)的諧波污染，因此，必須采取措施將其消除或減弱，主要有以下幾種方式。2.3.16脈波TCR在三相交流電力系統(tǒng)中，通常將三個單相TCR按照三角形(?)方式聯(lián)接起來，如圖2.6所示。三個單相TCR用6組觸發(fā)脈沖來控制晶閘管的導(dǎo)通，故稱為6脈波TCR。如果各相TCR參數(shù)一致，三相電壓平衡，晶閘管在電壓正半周期和負(fù)半周期的觸發(fā)延遲角相等，那么通過電抗器的電流除基波電流外只含有奇次諧波，其中6k+1(k=1,2,3,…)次(即7,13次等)稱為正序諧波，6k-3(k=1,2,3,…)次(即3，9，15次等)稱為零序諧波，6k-1(k=1，2，3…)次(即5,11次等)稱為負(fù)序諧波。ABCiiiCABiiBCABiCA20圖2.6TCR的三相接線形式iiiii設(shè)、、分別為三相TCR各支路中的n次諧波相電流，、、BnABnBCnCAnAni為對應(yīng)的n次諧波線電流。則各次諧波電流的傅里葉級數(shù)可表示為Cn,,iIsin(nt),，ABnnn,2，，,,（2.13）iIsinn(t),,，,,BCnnn3，，,2，，iIsinn,(t),,，，CAnnn,,3，，由上式可以看出，對于零序諧波，以三次諧波為例，有i,i,i,Isin(3,t，,)（2.14）AB3BC3CA333i,i,i,0則（2.15）AB3BC3CA3i,i,0同理（2.16）B3C3所以零序諧波電流在接成三角形的TCR內(nèi)可以相互抵消，不會進(jìn)入電網(wǎng)。對于負(fù)序諧波，以5次諧波為例，有,,i,Isin(nt，)AB555,4（2.17）,,i,Isin(5t，,)BC5n53,4,,i,Isin(5t，，)CAnn53對正序諧波，以7次諧波為例，有i,Isin(7,t，,)AB777,2i,Isin(7,t，,,)（2.18）BC7773,2i,Isin(7,t，,，)CA7773i,i,i由式(2.17)和式(2.18)可知，即正序諧波和負(fù)序諧波在線電流AB5(7)BC5(7)CA5(7)中不能相互抵消，他們將會注入電網(wǎng)。所以，3相TCR的特征諧波為6k士1(k=1,2,3,…)次，即5,7,11等次。212.3.212脈波TCRABC圖2.712脈沖波TCR接線形式0由供電電壓相差相角的兩組參數(shù)相同的6脈波TCR可以組成12脈波30TCR。如圖2.7所示，TCR通過降壓變壓器連接到系統(tǒng)母線上，一組TCR接入變壓器二次側(cè)的三角形聯(lián)接繞組，另一組TCR接入變壓器二次側(cè)的星形聯(lián)接繞組。這種接線形式可以完全從一次側(cè)線電流中消除了5次和7次諧波。這種利用多重化技術(shù)的12脈波TCR，最低次特征諧波是11次，特征諧波次數(shù)為12k1(k=1,,2,3,…)同時，特征諧波幅值也大大減小。這種接線方式的另一個突出優(yōu)點(diǎn)就是，當(dāng)一組故障時，另一半仍能繼續(xù)正常工作。更復(fù)雜的，可以將二個甚至更多的聯(lián)接TCR通過變壓器繞組禍合，在適,當(dāng)?shù)囊葡鄺l件下，消去更多次的諧波分量。但是，采用多脈沖方式來消除TCR諧波的做法增加了晶閘管閥及其控制裝置，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且經(jīng)濟(jì)性也較差，所以通常僅用于大容量的無功補(bǔ)償裝置中。同時上面的分析是基于三相對稱假設(shè)的，但實(shí)際系統(tǒng)中，電壓可能不平衡，電抗器參數(shù)也不會完全相同，尤其當(dāng)電抗22器正負(fù)半周觸發(fā)不對稱時，電抗器電流將包含包括直流分量在內(nèi)的所有頻譜的諧波，直流分量可能使變壓器飽和，這會進(jìn)一步增大諧波含量和損耗。因此，在實(shí)際中超過12脈波的TCR很少投入應(yīng)用。2.3.3TCR與濾波器并聯(lián)以上兩種方法，都是在理想狀況下分析的結(jié)果，然而，在電力系統(tǒng)中存在諸多因素導(dǎo)致TCR產(chǎn)生大量的非特征諧波，如(1)TCR端電壓幅值與相位不平衡；(2)電抗器參數(shù)的差異；(3)觸發(fā)角的不對稱；(4)每相在正負(fù)半波內(nèi)觸發(fā)角不對稱等。此時，采用前述方法將難以達(dá)到濾波要求，因此可以考慮配置無源或有源濾波器進(jìn)行消除。工程中考慮成本和晶閘管同步觸發(fā)的問題，通常采用6脈波TCR的接線形式。對于三相6脈波TCR,TCR線電流中的3次及3的倍數(shù)次諧波分量基本消除，但是仍然含有6k1(k=1,2,3,…)次，即5,7,11等次諧波，必須裝設(shè)并聯(lián)的濾波,器，它通常由串聯(lián)LC或LCR電路構(gòu)成，通過一定的參數(shù)配置，形成針對5,7,11等次諧波通道，從而減少注入到系統(tǒng)的諧波電流。對裝設(shè)于三相電力系統(tǒng)中的TCR型靜止無功補(bǔ)償裝置而言，由于系統(tǒng)諧波含量相對較少而且比較穩(wěn)定，主要諧波源也就是補(bǔ)償裝置本身，因此設(shè)計起來相對簡單，一般只需裝設(shè)5次以上的單調(diào)諧濾波器即可，必要時裝設(shè)高通濾波器。但對應(yīng)用于補(bǔ)償沖擊性負(fù)載的補(bǔ)償裝置，在設(shè)計濾波器時，不僅要考慮裝置本身產(chǎn)生的諧波，還需考慮負(fù)載側(cè)產(chǎn)生的大量非特征諧波和偶次諧波。近年來隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源濾波器得到了越來越廣泛的應(yīng)用，而綜合了無源濾波器可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、造價低和有源濾波器可以有效消除多次23諧波，同時對系統(tǒng)參數(shù)不產(chǎn)生影響的優(yōu)點(diǎn)的混合型濾波器正在得到越來越廣泛的關(guān)注。2.4FC-TCR型靜止無功補(bǔ)償裝二的結(jié)構(gòu)與工作原理單獨(dú)的TCR的基波電流總是滯后電壓的，只能吸收感性無功功率，因此在實(shí)際應(yīng)用中通常是將TCR與固定電容器(FixedCapacitor-FC)并聯(lián)配合使用，這樣可將無功功率的補(bǔ)償擴(kuò)展到超前范圍，使補(bǔ)償裝置既能向供電系統(tǒng)吸收感性無功功率也能吸收容性無功功率。固定電容器—晶閘管控制電抗器(FC-TCR)型靜止無功補(bǔ)償裝置的單相結(jié)構(gòu)原理如圖2.8所示。其中，電容支路為固定連接，TCR支路采用晶閘管觸發(fā)延遲控制，形成連續(xù)可控的感性電抗，通常TCR的容量大于固定電容器的容量，以保證既能吸收容性無功又能吸收感性無功。iQi(,)iLCUC圖2.8FC—TCR的單向結(jié)構(gòu)原理實(shí)際應(yīng)用中，常用一個濾波器(LC或LCR)來取代單純的電容支路，濾波器在基頻下等效為容性阻抗，產(chǎn)生需要的容性無功，而在特定頻段內(nèi)表現(xiàn)為低阻抗，從而能對TCR產(chǎn)生的諧波分量起濾波作用。FC-TCR總的無功輸出(以吸收感性無功功率為正)為TCR支路和FC支路的無功輸出之和，即Q,Q,Q(2.19)LC24圖2.9所示為無功輸出與系統(tǒng)無功需求之間的關(guān)系曲線?？v坐標(biāo)為無功輸出，橫坐標(biāo)為無功需求，最下面的平行線表示FC輸出的容性無功(假設(shè)輸入電壓有效值不變)，最上面的斜線表示TCR的無功輸出，中間的斜線表示FC-TCR的合成無功輸出。QQ,Ui(,)LLFQQ感性容性C需求L需求Q,Q,QLCQC,UIC圖2.9FC—TCR的無功輸出與系統(tǒng)無功需求之間的關(guān)系當(dāng)需要最大容性無功輸出時，將TCR支路斷開，即令晶閘管觸發(fā)延遲角0,=即可。逐漸減少觸發(fā)延遲角，則TCR輸出的感性無功增加。在零無功功180率輸出點(diǎn)上，F(xiàn)C輸出的容性無功和TCR輸出的感性無功正好互相抵消。進(jìn)一步,,減小，則TCR輸出的感性無功超過FC輸出的容性無功。當(dāng)觸發(fā)延遲角減0小到時，TCR支路全導(dǎo)通，裝置輸出的感性無功最大。如此，即可實(shí)現(xiàn)從容90性無功到感性無功輸出的平滑調(diào)節(jié)。并聯(lián)固定電容器后，補(bǔ)償裝置的總等效補(bǔ)償電納與TCR的晶閘管觸發(fā)延遲,角的關(guān)系變?yōu)椋築,B(,)，B(2.20)STCRC252.5TCR的控制方法與策略TCR的控制系統(tǒng)應(yīng)能檢測系統(tǒng)的有關(guān)變量，并根據(jù)檢測量的大小以及給定(參考)輸入量的大小，產(chǎn)生相應(yīng)的晶閘管觸發(fā)延遲角，以調(diào)節(jié)補(bǔ)償器吸收的無功功率。因此，其控制一般應(yīng)包括以下三部分電路：(1)檢測電路:檢測控制所需的系統(tǒng)變量和補(bǔ)償器變量；(2)控制電路：為獲得所需的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，對檢測信號和給定(參考)輸入量進(jìn)行處理；(3)觸發(fā)電路：根據(jù)檢測電路輸出的控制信號，產(chǎn)生相應(yīng)觸發(fā)延遲角的晶閘管觸發(fā)脈沖。檢測電路取哪些量作為被測對象，以及采取什么樣的控制策略和控制電路，取決于用戶對補(bǔ)償器功能的要求。但總體來講，TCR的控制策略可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。開環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速，適用于波動負(fù)荷及干擾大的場合，尤其在抑制電壓閃變方面有很好的效果;而閉環(huán)控制系統(tǒng)比開環(huán)控制系統(tǒng)增加了一個反饋網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)點(diǎn)是精確，穩(wěn)定性高，對于輸電補(bǔ)償，特別是那些離負(fù)荷和電源都較遠(yuǎn)的輸電線的中間點(diǎn)，以及負(fù)荷干擾不大、控制質(zhì)量要求較高的場合，則更適用于閉環(huán)控制。不論是開環(huán)控制，還是閉環(huán)控制，控制電路輸出的控制信號一般是期望補(bǔ)償器所具有的等效電納，也就是補(bǔ)償器等效B電納參考值。當(dāng)然，也有某些設(shè)計，其控制算法直接得到觸發(fā)脈沖而未出現(xiàn)refB代表的顯式信號。ref2.5.1信號檢測根據(jù)對補(bǔ)償器所期待的功能，被檢測的信號應(yīng)包含下列物理量中的一個或幾個(1)系統(tǒng)電壓；(2)流過傳輸線或補(bǔ)償器本身的無功功率；(3)傳輸線輸送的有功功率或其變化率；26(4)電壓相角偏差；(5)系統(tǒng)頻率及其導(dǎo)數(shù)等。應(yīng)當(dāng)注意的是，控制當(dāng)中需要的信號是反映以上這些量有效值或幅度大小的直流信號，因此往往需要對傳感器所得的信號作進(jìn)一步處理。最近，根據(jù)瞬時無功功率理論進(jìn)行無功功率和諧波檢測的方法已廣泛應(yīng)用于SVC控制系統(tǒng)中。2.5.2開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制即無反饋的控制系統(tǒng)，它根據(jù)被控對象的性質(zhì)和控制目標(biāo)，實(shí)時監(jiān)視被控對象的特性變量，然后以一定的規(guī)律得出控制量并實(shí)施，圖2.8所示為TCR開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。ULoadBBLLoad,觸發(fā)脈線性化,,B(,sin)-Lmax電網(wǎng)SC沖形式環(huán)節(jié)I,LoadBref觸發(fā)電路TCR主電路控制電路圖2.10TCR的開環(huán)控制系統(tǒng)其控制原理如下：(1)首先由一個稱為電納計算器的功能模塊(SC)，通過測量負(fù)載上的電壓和B電流，經(jīng)計算得到負(fù)載的等效電納。loadB(2)控制電路輸出的控制信號一般是補(bǔ)償器等效電納的參考值。refB(3)從式(2.10)可知，導(dǎo)通角與TCR等效電納之間是非線性關(guān)系，為了,L克服這種非線性的影響，通常在觸發(fā)電路的輸入端與觸發(fā)脈沖形成環(huán)節(jié)之間插入一個線性化環(huán)節(jié)，以補(bǔ)償導(dǎo)通角與實(shí)際等效電納之間的非線性。線性化環(huán)節(jié)的插BB入實(shí)現(xiàn)了等效電納的參考值與實(shí)際值之間的線性關(guān)系。refL27開環(huán)前饋控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速，但精確性較差，而且對于系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的控制偏差沒有校正能力。因此開環(huán)前饋控制方法通常僅用于需要快速響應(yīng)且精度要求不高的負(fù)載補(bǔ)償。2.5.3閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)控制理論的基本原理，要得到穩(wěn)定的電壓，必須引入電壓的負(fù)反饋控制，以前述的開環(huán)控制為基礎(chǔ)構(gòu)造的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2.9所示。UULoadLB線性化觸發(fā)TCRLoad-電網(wǎng)SC環(huán)節(jié)主電路ILoadBrefUPIref控制器-UL圖2.11TCR的閉環(huán)控制系統(tǒng)UU通過檢測系統(tǒng)母線電壓與系統(tǒng)電壓參考值作比較，其差值按照一定refLB的控制規(guī)律(如PI控制規(guī)律)，由PI控制器調(diào)節(jié)補(bǔ)償器等效電納的參考值，ref從而改變負(fù)載母線上總的無功電流大小，調(diào)節(jié)線路和變壓器上的壓降，直到被檢測點(diǎn)電壓誤差減少到可接受的水平為止。閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是精確度高、穩(wěn)定性好，閉環(huán)控制的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性是由閉環(huán)系統(tǒng)得的開環(huán)放大倍數(shù)和時間常數(shù)共同決定的。更高性能的的控制系統(tǒng)中通常將前饋控制與反饋控制結(jié)合起來，利用前饋控制的快速響應(yīng)特性和反饋環(huán)節(jié)的精確調(diào)節(jié)特性，達(dá)到最優(yōu)的補(bǔ)償效果。2.6TCR的MATLAB仿真MATLAB是由美國Mathworks公司于1984年推出的一種工程計算軟件，由于其強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算能力和開放靈活的應(yīng)用界面而在科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，Simulink是在MATLAB環(huán)境下用于動態(tài)建模和仿真應(yīng)用最廣泛軟件包之一。SIMULINK是MATLAB中的一種圖形化模型輸入與仿真28工具，它含有多種定義模塊供用戶使用，利用它可以方便地建立各種仿真模型。它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣速率的多速率系統(tǒng)。1998年底，Mathworks公司在MATLAB仿真軟件最新版本5.2中添加了電力系統(tǒng)模塊(PowerSystemBlocket-PSB)，該模塊使電力系統(tǒng)工程師們從復(fù)雜的電力系統(tǒng)計算中解脫出來，把電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真推向新的領(lǐng)域。2.6.1單相TCR的仿真,使用MATLAB/Simulink中的PSB對單相TCR的觸發(fā)脈沖角與流過電抗器L電流的關(guān)系進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證前面所推導(dǎo)的結(jié)論，仿真模型如圖2.10所示。圖2.12單相TCR仿真模型仿真模型中，選取有效值220V，頻率50Hz的交流電壓源作為電源，電抗器電感L=20mH，電感的測量選擇窗口中選中“Branchcurrent"，這樣電抗器電流可以通過多路測量器(Multimeter)觀測。示波器Scopel用來觀測兩個觸發(fā)脈沖，示波器Scope2用來觀測電感電流。兩個脈沖發(fā)生器(PGl和PG2)分別用來產(chǎn)生晶閘管VT1和VT2的觸發(fā)脈沖，所以脈沖周期T必須與電源電壓相同，脈沖幅度為1，脈沖寬度為脈沖周期的,,5%。脈沖延遲時間t與晶閘管觸發(fā)脈沖角的關(guān)系為t=T/360。為了觀測觸290000發(fā)脈沖角,分別為、、和時的電抗器電流波形，所以脈沖發(fā)生90120150180器的脈沖延遲時間如表2.2所示，仿真結(jié)果如圖2.13所示。0(a),,900(b),,1200(c),,150300(d),,180,圖2.13在,2~,之間變化時單相TCR的電抗器電流波形表2.2單相TCR晶閘管觸發(fā)脈沖延遲時間0000,90120150180PG1脈沖延遲時間(s)0.0050.006670.008830.01PG2脈沖延遲時間(s)0.0150.016670.018830.110從圖2.13所示的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)時，晶閘管全導(dǎo)通，電抗器,,90,中電流為完整的正弦波，且電流幅度最大。隨著增大，晶閘管部分區(qū)間導(dǎo)通，0電流幅度逐漸減小，電流波形也變得不規(guī)則，即產(chǎn)生了大量諧波。當(dāng)時，,,180晶閘管不投入運(yùn)行，電抗器中電流幾乎為0。此結(jié)果驗(yàn)證了通過改變TCR的觸,發(fā)脈沖角，可以改變TCR上的感性電流，從而改變TCR所吸收的容性無功。00考慮當(dāng)時的情況，設(shè)，觸發(fā)脈沖分別為周期的5%和25%時，,,90,,60電抗器電流仿真結(jié)果如圖2.14所示(a)觸發(fā)脈沖為周期的5%31(b)觸發(fā)脈沖為周期的25%0圖2.13時單相TCR的電抗器電流波形,,600分析可知，在的情況下，當(dāng)晶閘管VT1的觸發(fā)脈沖到達(dá)時，由于電,,90,t,,2流仍為負(fù)值，VT2仍在導(dǎo)通，VT1不可能導(dǎo)通，直到時，i=0，電壓仍為正，VT1在其觸發(fā)信號的作用下才開始導(dǎo)通，形成正向電流。同理，當(dāng)?shù)竭_(dá)時，VT2的觸發(fā)信號不能及時使VT2導(dǎo)通，直到,t,3,2,i=0，電,t,,，,0壓仍為負(fù)值，VT2的觸發(fā)信號才能使VT2導(dǎo)通形成負(fù)半波電流。因此，當(dāng),,90000時，電路的導(dǎo)通情況與時一樣，導(dǎo)通角恒為。另外，當(dāng)，為,,90180,,90,t,,2,t,3,2了和時，VT1和VT2能開始導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖寬度應(yīng)增加900，寬度增大為周期的25%。0由圖2.14可知，當(dāng)時，電流波形己經(jīng)偏離X軸，沿Y軸正向平移了,,90,一段距離，即電流中產(chǎn)生了一定的直流分量。所以觸發(fā)脈沖角的有效調(diào)節(jié)范圍00只能是90,180。2.7本章小結(jié)本章首先介紹了TCR的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了TCR的諧波特性，并介紹了6脈波TCR和12脈波TCR的結(jié)構(gòu)、特性以及TCR與固定電容器并聯(lián)組成的FC-TCR型靜止無功補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理，F(xiàn)C-TCR能將無功功率的補(bǔ)償擴(kuò)展到超前范圍，既能吸收感性無功功率也能吸收容性無功功率。然后簡要論述了TCR的開環(huán)和閉環(huán)控制策略。最后，通過對單相TCR和6脈波TCR進(jìn)32行MATLAB/Simulink仿真分析，驗(yàn)證了通過調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)延遲角就能夠調(diào)節(jié)TCR支路電流，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率，以及采用三相6脈波TCR能夠有效消除零序諧波，改善TCR的補(bǔ)償性能。33第三章電力濾波器的結(jié)構(gòu)與原理第三章電力濾波器的結(jié)構(gòu)與原理目前治理諧波的裝置主要有兩類：無源濾波器(PassiveFilter-PF)和有源電力濾波器(ActivePowerFilter-APF)。無源濾波器是抑制諧波的傳統(tǒng)方法，目前仍是應(yīng)用最多的方法，但它存在較難克服的缺點(diǎn)。有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償，克服了無源濾波器的缺點(diǎn)，目前已被廣泛使用。將無源濾波器和有源濾波器相結(jié)合構(gòu)成的混合型有源電力濾波器(HybridActivePowerFilter-HAPF)，取兩者之長，補(bǔ)其之短，有助于減少諧波補(bǔ)償系統(tǒng)的初期投資，提高性價比，達(dá)到APF實(shí)用化及諧波抑制的目的。3.1無源濾波器無源濾波器也稱作LC濾波器，是由電感、濾波電容、電阻經(jīng)適當(dāng)組合而成的濾波裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備投資少、運(yùn)行可靠性高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，至今仍是應(yīng)用最多的一種諧波治理方法。將無源濾波器與諧波源相并聯(lián)，除可以濾除諧波外，還兼起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。無源濾波器又可分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器。實(shí)際應(yīng)用中常將幾組單調(diào)諧濾波器和一組高通濾波器組成功能更強(qiáng)大的復(fù)合無源濾波裝置。343.1.1單調(diào)諧濾波器Zfn012,n,1(a)電路原理圖（b）阻抗頻率特性圖3.1單調(diào)諧濾波器原理及阻抗頻率特性單調(diào)諧濾波器為R、L、C串聯(lián)組成，三相可接成星形或三角形。如圖3.1(a),,n,,所示是單調(diào)諧濾波器的電路原理圖。濾波器對n次諧波(，為基波角NSS頻率)的阻抗為1Z,R，j(,nL,)（3.1）fnfnSnC,S式中，下標(biāo)戶表示第n次單調(diào)諧濾波器。由式(3.1)可畫出濾波器阻抗隨頻率變化的關(guān)系曲線，如圖3.1(b)所示。單調(diào)諧濾波器是利用串聯(lián)L,C諧振原理構(gòu)成的，諧波次數(shù)n為1,（3.2）n,LCSRRZ,R在諧振點(diǎn)處，,因很小，n次諧波電流主要由分流，很少流入電網(wǎng)fnfnfnfnZ,,R中。而對于其他次數(shù)的諧波,濾波器分流很少。因此，簡單地說，只要fnfn將濾波器的諧振次數(shù)設(shè)定為需要濾除的諧波次數(shù)一樣，則該次諧波將大部分流入濾波器，從而起到濾除該次諧波的目的。35第三章電力濾波器的結(jié)構(gòu)與原理,電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中工頻角頻率對額定工頻總有一定的偏差，這將,S1使各次諧波頻率發(fā)生相應(yīng)的偏移。這樣，當(dāng)取濾波器的諧振頻率與系統(tǒng)額定頻率下的某次諧波頻率相等時，在系統(tǒng)頻率發(fā)生偏移時兩者將不相等。這時濾波器阻抗最小值偏離該次諧波，使濾波效果變差，這利情況稱為濾波器的失諧。,,,,,,令電網(wǎng)角頻率偏差為，則其相對偏差為,S1,,,S1,,(3.3),1將式（3.3）代入（3.1），得，，1（3.4）Z,R，jn(1，,),L,fnfn1,,n(1，,),C1，，設(shè)濾波器的品質(zhì)因數(shù)為Q，則LC,nL11（3.5）Q,,,Rn,CRRfn1fnfn2因?yàn)?，所以，由式?.5）和式（3.5）可得,,0,,,11Z,R(1，j2,Q),X(，j2,)（3.6）fnfn0Q1,,,式中。XnL01n,C122,22Z,R1，4,Q,XQ，4,所以(3.7)fnfn0Z如果不考慮濾波器連接處系統(tǒng)阻抗的影響，則諧波電壓僅由,確定。顯然，QfnQ,12,Z值越大越小，濾波效果越好。一般情況下，單調(diào)諧濾波器在時有最fn好的濾波效率，注入電網(wǎng)的諧波電流最小。由式(3.7)可以繪出濾波器濾波效率與濾波器品質(zhì)因數(shù)Q和角頻率相對偏差的關(guān)系曲線，如圖3.2所示。,365Q=1004Q=503Q=302Q=2010-0.04-0.0200.020.04,(%)圖3.2濾波效率與品質(zhì)因數(shù)Q和角頻率相對偏差的關(guān)系曲線,由圖3.2可知，單調(diào)諧濾波器的濾波效率與和Q有直接關(guān)系。Q越大，曲,線越尖銳，但越容易失諧，濾波效率下降越快;Q過小時，濾波效率在較大范圍內(nèi)不大，但效率較低，此時損耗也比較大。所以，Q