晶闸管控制电抗器TCR的仿真分析与设计.docx
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晶闸管控制电抗器TCR的仿真分析与设计
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:
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学号:
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专业:
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班级:
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指导教师:
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******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网的p—q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
Theprincipiumofpassivefilter(PF)andactivepowerfilter(APF)isintroduced
indetail.Hybridactivepowerfilter(HAPF),whichcombinesAPFwithPFtodecrease
thecapacityofinverterforreducingthecostofAPF,ispresentedbysome
researchers.HAPFovercomestheshortagesofPFandAPF,andwillbepopularin
future.
Exactandreal-timedetectionoftheinstantaneousvariableharmonicandreactive
currentinpowersystemisthepremiseforcompensationofallkindof
compensator.themethodbasedoninstantaneousreactivepowertheoryisusedwidely
intri-phasesystemthanothers,anditconsistsofp-qdetectionmethodappliedto
i,isymmetrypowersystemwithoutdistortion,detectionmethodappliedtopqasymmetrydistortionpowersystem.BymeansofMATLABsimulatedandanalysed,
weverifiedthistwokindsmethodhavebeenabletochecktheharmonicandreactive
currentcomponentfromdistortedcurrent.
KeywordsReactivepowerHarmonicThyristorcontrolledreactorActive
powerfilterInstantaneousreactivepowertheorySimulation
II
目录摘要...........................................................................................................................I
Abstract.....................................................................................................................II
第一章绪论.............................................................................................................1
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
2.2TCR的工作原理.........................................................................................15
2.2.1TCR的基本结构与工作原理............................................................15
2.2.2TCR补偿特性...................................................................................17
2.3TCR的谐波分析和抑制方式.....................................................................19
III
2.3.16脉波TCR........................................................................................20
2.3.212脉波TCR......................................................................................22
2.3.3TCR与滤波器并联...........................................................................232.4FC-TCR型静止无功补偿装二的结构与工作原理....................................24
2.5TCR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...................................................................................282.6TCR的MATLAB仿真...............................................................................28
2.6.1单相TCR的仿真.............................................................................292.7本章小结....................................................................................................32
第三章电力滤波器的结构与原理.........................................................................343.1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.......................................................................393.2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.......................................................................453.3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..............................................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
4.2.1p-q运算方式.....................................................................................57
4.2.2i-i运算方式.....................................................................................59pq
4.3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,,00,2,2
2x2x11(1.3),(UIcos,,UIcos,2t)d,(t),(,UIsin,sin,2t)d,(t),,002,2,
UIcos,
电路的无功功率定义为
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。
pqP
2
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(synchronouscondenser),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(StaticVarCompensator-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
压接近维持不变。
SVC的典型代表是晶闸管控制电抗器(ThyristorControlled
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
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- 关 键 词:
- 晶闸管 控制 电抗 TCR 仿真 分析 设计