TCR型

TCR型（精选6篇）

TCR型 篇1

1 引言

从外特性看,TCR型静止无功补偿装置可以视为一种并联型可控阻抗,通过控制晶闸管的通、断向系统输出相应的无功功率,从而实现对电网特性的影响。所以从电网侧来看,TCR的功能和响应特性,在很大程度上取决于其控制系统[1,2,3]。

在实际应用中,根据控制目标的不同通常采用开环和闭环两种基本控制形式。开环控制具有实现简单、响应速度快的优点,但其稳态控制精度较低;闭环控制稳态控制精度较好,但响应速度稍慢,并且由于TCR本身所具有的非线性特性控制效果往往难以尽如人意[4,5,6];而且TCR主要应用于电弧炉炼钢、轧钢等供电环境较恶劣的场合,系统电压通常会含有大量的2次电压谐波分量,而在系统电压含有2次电压谐波的情况下,TCR正负半波导通电流面积不相等,会产生过多的直流电流分量,这种情况下会对变压器的安全运行及系统的可靠性产生较大的影响[7,8]。

针对以上问题,本文提出了一种用于T C R型静止无功补偿装置,可抑制2次谐波电压影响的控制器,该控制器采用比例控制与传统PI调节相结合的方式,提高了装置的响应速度与控制精度,并且采用平衡控制的方式抑制了系统2次电压谐波对装置的影响,仿真的结果验证的方法的有效性和正确性。

2 TCR型静止无功补偿器结构与工作原理

TCR的工作特性分析,是设计TCR装置参数和制定相应补偿策略的基础。本节对其拓扑及工作特性进行简要分析。

在电力系统中,通常由T C R与滤波装置共同组成补偿支路,对负荷进行补偿,其拓扑结构如图1所示:补偿系统由TCR和无源滤波器组成,无源滤波器在滤除特征谐波的同时提供固定容性无功功率,TCR提供可控的,随负荷变化的感性无功功率,二者配合使用达到实时无功补偿的目的。单相TCR的基本结构,由两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联构成。当晶闸管触发角α=90o时,晶闸管完全导通,导通角δ=180o,与晶闸管串联的电抗器等效于直接接到电网上。当触发延迟角α在90o～180o之间时,晶闸管为部分导通,导通角δ<180o。当α=180o时,晶闸管完全不导通,等效于把电抗器从线路中断开。增大触发延迟角会减少电流中的基波分量,等效于增大补偿器的等效感抗。减小触发延迟角会减少电流中的基波分量,等效于减小补偿器的等效感抗[9,10,11]。

3 2次电压谐波产生的原因及对TCR的影响

3.1 系统2次电压谐波产生的原因

TCR的电流是TCR在导通期间其两端电压的积分,因此,TCR的电流对供电电压的畸变非常敏感。而TCR目前多用于电弧炉、轧钢等负荷的无功补偿,此类负荷供电电压质量通常较差,所以研究TCR在此类供电环境下如何可靠工作具有重要的应用价值。

T C R耦合变压器的供电电压通常由以下原因产生畸变:

(1)在TCR型动态无功补偿装置附近的交流系统发生故障随后被清除时,TCR的耦合变压器会产生相当大的直流偏磁通,会使变压器饱和并产生一个带有很大2次谐波分量的励磁电流注入系统,导致向TCR供电的耦合变压器具有2次谐波的电压畸变。

(2)当一个大电抗器或变压器在TCR附近投入电网时,可能会导致产生一个相当大的直流电流流过电源阻抗,就会使母线电压产生一个直流电压分量,当此直流电压分量出现在T C R耦合供电变压器高压侧端口时,会使变压器饱和并产生一个带有很大2次谐波分量的励磁电流注入系统,导致变压器二次侧出现2次电压谐波畸变。

(3)TCR装置锁相不精确、控制系统或触发系统受噪声影响,会导致装置出现不等间隔触发,TCR的电流在正负半波的导通时间不同,产生直流电流分量,直流电流分量注入到TCR耦合变压器中,使其不均匀饱和并产生一个带有很大2次谐波分量的励磁电流,励磁电流是从交流系统吸取的,因此系统电压就产生了2次谐波电压分量。

(4)TCR多用于电弧炉炼钢等负荷,此类负荷的谐波频谱几乎是连续的,并且由于设计时需考虑滤波器组失谐等因素,会使滤波器组的谐振点有所偏移,所以很难将谐波完全滤除,这样如果2次谐波注入系统,且系统2次谐波阻抗较大就会使系统电压产生2次谐波畸变。

3.2 系统2次电压谐波对TCR的影响

系统电压含2次谐波会导致TCR正负半波电流不对称,产生大量的直流分量,通过耦合变压器注入系统,主要会对变压器及电网产生如下影响:

(1)变压器绕组中有直流电流流过时,励磁电流大幅增加,变压器磁通饱和,变压器绕组、铁心、油箱和夹件等结构件的涡流损耗增加,引起变压器顶层油温升和绕组温升的增加,当直流持续时间较长时导致局部过热。

(2)变压器励磁电流畸变,导致铁心磁滞伸缩加剧噪声增大,并且使漏磁通增加导致绕组电动力增加,在一定程度上使变压器振动加剧。

(3)直流电流流过变压器引起励磁电流增加,增加了变压器的无功消耗,因此会造成系统电压下降。

(4)励磁电流中谐波电流增加,谐波电流流入系统后会引起系统电压波形畸变,严重时可能导致电压谐波含量超标,谐波电流会使继电保护误动,并可能被电容器组放大,损坏电容器组等设备,从而对电网安全运行造成一定的危害。

4 TCR附加平衡控制器的研究

由上面的分析可以看出,当系统电压含有2次谐波分量时,会使T C R电流产生过量直流分量注入电网,对电网产生不利影响,因而在这样情况下,通常在工程中会在控制系统中加入附加平衡控制功能来消除此类影响。

TCR附加平衡控制器的工作原理就是当装置检测到TCR电流含有直流分量时,控制器通过调节触发角使在反并联的晶闸管桥臂正方向和负方向导通时间不同,最终将直流电流分量减少到0。TCR附加平衡控制器的控制框图如图2所示:控制器首先对TCR电流的瞬时值在每半个周期内积分求解平均值,然后再将两个半个周期的电流平均值相加就得出了一个周期的平均电流,再通过PI调节器结合系统电压的极性就可以得出平衡调节器的控制量αD。

5 含附加平衡控制能力的比例-PI控制器

由于T C R本身是一个非线性系统,所以采用传统的PI控制,控制效果很难令人满意,因而本文在TCR控制中结合了比例控制与PI控制的优点,使控制器在具有较快响应速度的同时,具有较高的精度。并且同时考虑了二次电压谐波对装置的影响,在控制器中附加了平衡控制能力,使装置可以在恶劣的供电环境下工作。具有平衡控制能力的比例-PI控制框图如图3所示。

本文设计了这种在论域内用不同控制方式分时段实现控制的控制器。即当偏差绝对值|e|≥|e1|时采用比例控制,以提高响应速度加快响应过程;当偏差绝对值|e|≤|e1|时采用PI控制,提高控制精度。并且由于此控制方式在系统运行的过程中是分段切换使用的,因此不会同时出现而相互影响,可以分别设计和调试,减少了设计难度。

综上所述,比例-PI控制器与常规PID控制器相比,提高了系统的响应速度及控制精度,同时抑制了2次电压谐波对系统的不良影响,所以其相较于传统的控制模式进一步提高了控制性能,具有一定的实用价值。

6 仿真分析

本节以某轧钢厂无功补偿项目数据为基础,对所设计的具有平衡能力的比例-PI控制器利用MATLAB仿真软件进行仿真验证。

变压器型号SFZ9-31500/110,容量31500KVA,电压变比121/6.3KV,依据现场电流谐波次数及含量,在满足负荷无功补偿的需求情况下,确定各组滤波器及TCR参数如表1所示。

设AB相间电压在0.06秒时叠加了基波线电压幅值30%且与基波线电压同相位的2次谐波电压,仿真波形如图4所示:

由图可见在基波电压含有2次谐波电压时,基波电压波形明显产生了正负半波不对称的波形畸变,最终导致TCR支路电流波形的不对称畸变。

AB相间电压在0.06秒时叠加了基波线电压幅值30%且与基波线电压同相位的2次谐波电压,且触发角度为120o,AB相TCR支路电流波形变化如图5所示:

由图可见当2次谐波电压与基波电压同相位时,TCR支路电流正半波面积小于负半波面积,直流分量为负。

AB相间电压含有与基波线电压同相位且幅值为基波线电压30%的2次谐波电压,且触发角度为120o时,AB相TCR支路电流直流含量如图6所示。

由图可见当2次谐波电压与基波电压同相位时会产生一个负的直流电流分量。

在AB相间电压含有基波线电压幅值30%且与基波线电压同相位的的2次谐波电压,且触发角度为120o时,TCR附加平衡控制器动作,AB相TCR支路电流直流分量调节过程如图7所示:

由图可见TCR平衡控制器相对于主控制器具有较大的时间常数,因此它的运行不会与主控制器的快速调节相冲突。

在AB相间电压含有基波线电压幅值30%且与基波线电压同相位的的2次谐波电压,触发角度为120o时,TCR附加平衡控制器动作,AB相TCR支路电流分量调节过程如图8所示:

由图可见,在0.05秒时TCR附加平衡控制器动作,0.15秒调节过程结束,此时TCR支路正负半波电流面积相等,不含有直流分量,同时电流的基波分量对系统无功功率进行补偿。

在0.2秒时将纯感性负荷减少1.5Mvar,系统出现了过补偿,比例-PI控制器动作,系统侧无功变化波形如图9所示。

由图可见,0.2秒时系统出现较大无功缺额,此时控制器快速动作,由TCR的基波电流对系统无功进行补偿,使系统侧无功恢复平衡。

并且可见引入比例-PI控制后,控制效果有了进一步的改善,超调量减少,响应速度也有所提高,仿真验证了该控制策略的有效性。

平衡控制器也与主控制器形成了较好的配合,在与主控制器配合提供补偿无功的同时消除了由于2次谐波电压引起的直流电流分量。避免了向系统注入直流电流分量。

7 结束语

本章首先对TCR型静止无功补偿装置的各种控制方式进行了分析、比较,针对目前控制器所存在的不足,提出了一种在论域内用不同控制方式分时段实现控制且含有平衡控制功能的比例-PI控制器,此控制器综合了比例、比例积分控制的优点,使系统克服了TCR本身所具有的非线性环节的影响,具有较快的响应速度,提高了稳态控制精度与跟踪性能,并且由于具有附加的平衡控制功能使其能够在系统电压含有2次谐波时正常工作,从而较好的提高了控制性能。并且利用MATLAB仿真软件以某轧钢厂无功补偿项目数据为基础,对所设计的控制器进行了仿真,仿真结果验证了方案的正确性和可行性。

摘要：为解决系统电压含有2次谐波电压分量时,TCR正负半波导通电流面积不相等,向系统注入过多直流电流分量的问题,本文提出了一种用于TCR型静止无功补偿装置,可抑制2次谐波电压影响的复合控制器,该控制器采用对TCR电流的瞬时值在每半个周期内积分求解平均值,再通过PI调节器结合系统电压的极性得出平衡调节器的控制量,控制器通过调节触发角以达到在反并联的晶闸管桥臂正方向和负方向导通时间不同,最终将直流电流分量减少到零。仿真结果验证了该方法的准确性,表明该方法能够减少补偿器向系统注入的直流电流分量,并同时完成无功补偿功能,具有一定的理论及应用价值。

关键词：无功补偿,2次谐波电压,平衡控制

参考文献

[1]N.G.HINGORANI,L.GYUGYI.UnderstandingFACTS[M].IEEE Press,New York,1999:65-73.

[2]徐政.基于晶闸管的柔性交流输电控制装置[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]王兆安,杨军,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2006:59-64.

[4]L.GYUGYI.Power electronics in electric utilities:static VAR compensators[J].Proc.of the IEEE.1988,76(4):154-156.

[5]T.J.E.Mi1ler.电力系统无功功率控制[M].胡国根(译).北京:水利电力出版社,1990:63-80.

[6]时鑫.晶闸管控制电抗器函数关系研究[J].电子测量与仪器学报,2002增刊:101-105.

[7]R.M.MATHUR,R.K.VARMA.基于晶闸管的柔性交流输电控制装置.徐政(译)[M].北京:机械工业出版社,2005:363-380.

[8]张爱枫,赵宏伟,冯裕钊.无功补偿中的谐波问题分析[J].电力系统及其自动化学报,2002,(5):53-55.

[9]S.LEFEBVRE,L.GERIN.A Static CompensatorModel for the EMTP[J].IEEE Trans.on Power Systems.1992,7(2):477-482.

[10]C.SCHAUDER,H.MEHTA.Vector Analysis andControl of Advanced Static Var Compensators[J].IEEProceedings.1993,140(4):299-306.

[11]N.VASCONCELOS,A.J.P.RAMOS et al.DetailedModeling of An Actual Static Var Compensator for Elec-tromagnetic Transient Studies[J].IEEE Trans.on PowerSystems.1992,7(1):11-19.

TCR型 篇2

山东石横特钢集团有限公司现有110 kV变电站2座,其中1#变电站主要负荷为炼钢及轧钢负荷,轧钢厂高线、棒材生产线均为轧机整流机组,为冲击性负荷,其运行过程中快速的无功波动会在电网中产生电压波动和闪变。另外,轧机整流机组在运行过程中还会产生各种高次谐波,污染电网,对电网中其他机电设备造成危害。受运行负荷性质影响,石横特钢供电系统功率因数较低、谐波量大,主变利用率低,输电设备供电率低,系统无功损耗较高。

2010年,山东石横特钢集团有限公司决定采用TCR型SVC进行无功补偿。晶闸管控制电抗器型(称TCR型)SVC用晶闸管控制线性电抗器实现较快、连续的无功功率调节,具有反应快(5～20 ms),运行可靠,无级补偿、分相调节,能平衡有功,适用范围广和价格便宜等优点。

2 TCR+FC型SVC系统简介

2.1 系统组成

简单来讲,TCR+FC型SVC系统主要分为2部分:无源单调谐滤波器,简称FC装置;晶闸管投切电抗器型静止无功补偿装置,简称TCR装置。

FC回路由电容器和电抗器组成,在谐振频率下,XCn=XLn,可对相关谐波形成近似短路回路,以达到抑制高次谐波和无功补偿的作用。FC装置以其结构简单、成本低、运行维护方便等特点被广泛应用于负荷冲击不大的有污染的供电系统中,具有吸收电网谐波和补偿无功功率2个功能。其安装于母线或设备侧,设备组合方便,性能稳定。

TCR是晶闸管投切电抗器型静止无功补偿装置,单独的TCR只能吸收感性的无功功率,因此往往与并联电容器配合使用。并联电容器后,使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率。

2.2 系统控制原理

设定QC为电容器功率,QL为负载感性无功功率,QLS为补偿器所提供的感性无功功率。负载工作在不同的状态所产生的无功功率也是不同的,例如当负载启动时,所消耗的无功功率很大,功率因数很低,补偿器无功功率QLS降为0,此时容性无功功率QC全部用于补偿负载无功功率QL。当负载进入等速运行阶段后,所需的无功功率减小,电容器会产生过补偿,TCR的控制器提供一部分感性无功功率QLS,以补偿容性无功功率的多余部分。当负载停止时,补偿器全部容量投入,用于补偿过剩的容性无功功率QC。

3 TCR+FC型SVC系统在石横特钢应用的效果分析

山东石横特钢集团有限公司采用35 kV系统供电方式。1#变电站为110 kV变电站,在此点接入电网。1#变电站有2台参数相同的主变,每台主变的额定电压均为110/35/10 kV,额定容量均为63 000/63 000/63 000 kVA;短路电压:高—中为10.88%;高—低为18.7%;中—低为6.79%。最终运行方式为1台主变备用,35 kV和10 kV侧母联闭合SVC系统(包括TCR和3、4、5次滤波支路及水机),另挂接LF炉、棒材、供轧机和水处理站等其他动力负荷。110 kV侧最小短路容量为1 091 MVA,推算出35 kV侧最小短路容量为378 MVA,10 kV侧最小短路容量为257 MVA。

3.1 110 kV进线及35 kV系统测试数据

测量时电能质量测试仪输入信号取35 kV母线PT电压、1#变压器35 kV侧总进线(1#变)CT电流信号,测量了母线谐波电压、三相电压不平衡度、进线谐波电流、电压波动和闪变、功率因数等电能质量数据。在SVC系统投入且电弧炉等设备运行的工况下对35 kV系统进行测试,下面是测试数据和分析结果。

3.1.1 35 kV系统谐波电压

当SVC系统投入后,35 kV母线A、B、C三相电压总畸变率95%概率值分别为1.00%、0.99%、0.99%,均没有超过国家标准3%的允许值。表1为35 kV母线A、B、C相谐波电压。

3.1.2 35 kV系统谐波电流

SVC系统投入后,分别对35 kV进线谐波电流进行测试,测试结果如表2、3所示(取A、C相电流测试数据)。由此可以看出,当SVC系统投入时,注入35 kV母线的谐波电流有所改善,特别是3、4、5次谐波电流改善效果更为明显,有效抑制了谐波电流对电网的影响。

3.1.3 35 kV系统电压波动、闪变

当SVC系统投入时,对35 kV系统的电压波动有明显改善,对电压闪变也有所改善。表4为SVC投入后35 kV主进线的电压波动和电压闪变情况。

3.2 投入后对系统电能质量的改善情况

(1)谐波电压总畸变率。SVC投入后,35 kV母线电压总畸变率95%概率值最大为2.12%,有明显改善。(2)谐波电流。SVC系统投入后,在轧机运行过程中,注入系统的各次谐波电流都明显低于国家标准。(3)电压波动、闪变。SVC系统投入后,电压波动和闪变很小,满足国家标准。

4 结论

从以上分析结果可以看出,SVC系统的TCR和3、4、5次滤波支路投入运行后,对35 kV系统中谐波电压、谐波电流、电压的不平衡度、电压的波动和闪变都有较大的改善。对3、4、5次谐波电流的改善尤为明显,同时对110 kV进线侧功率因数有较大提高。

摘要：大型轧钢机、炼钢电弧炉等冲击负荷、非线性负荷容量的不断增加,会使电力网发生电压波形畸变、电压波动和闪变、三相不平衡等,产生电能质量和电网功率因数降低、网络损耗增加等不良影响。鉴于此,在山东石横特钢采用TCR+FC型SVC系统,对其组成和控制原理进行了介绍,并分析了应用效果。

关键词：电能质量,功率因数,谐波电压,TCR+FC型SVC

参考文献

[1]吴竞昌.供电系统谐波[M].北京:中国电力出版社,1998

[2]钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册[M].北京:冶金工业出版社,1996

TCR型 篇3

随着电力工业的顺猛发展,越来越多的高能非线性电力装置以及现代家庭的电力电子器件的广泛应用,如电解槽,电弧炉,整流器,开关电源等,对电网构成严重危害,如低功率因数,电压波形畸变。现在能源问题是世界范围都迫切面对的,对于有限的能源供给,在做到高效的利用就是一种极大的节约方式。具体到电力能源上,也就是要电网电能的功率因数高,电压波形畸变小,保证电能高效高品质。

过去通常的作法是固定电容器补偿,其优点是装置简单,投入成本小。但由于阻抗恒定,电容只能提供恒定的容性无功来平衡电网的感性无功,不能适应负载瞬时变化需要功率不同的特点,也就不能实现无功功率的动态补偿。而且系统谐波容易被补偿电容放大,导致如过载,过热及损耗过大现象。因此,在本论文里,设计用TCR+FC方式的SVC装置来解决电网无功功率的补偿问题,SVC系统的提供无功范围定为-300kvar到+300kvar。用三相不控整流带L-R(阻抗负载)模拟三相对称电路,用晶闸管投切负载模拟瞬时扰动。

2 SVC系统工作原理

图1为T C R+F C型S V C主电路图。a、b、c为三相市电,经整流后接阻感负载,FC为容性无功功率补偿装置及滤波器组,滤波器在滤除5、7、11…等次谐波的同时对基波提供容性无功功率。

以A、B相间T C R为例,双向反并联晶闸管按相控方式互成180度触发,设晶闸管的控制触发角为α,由TCR的工作原理知,当α在90°到180°之间变化时,电抗器L中电流的基波分量I1与α之间的关系为:

式中Umab—A、B相电压峰值;X L—与晶闸管串联电抗器感抗值。

α=90°时,晶闸管完全导通,I1最大;α=180°时,晶闸管完全关断,I1为0。因此,通过改变晶闸管的触发角就可以控制电抗器L中的电流的大小。即α在9 0°到180°之间变化时,TCR向系统提供的滞后电流基波无功分量是动态可调的[1]。

由于电网系统中负载是在不断变化的,设负载的无功功率变化量为△Q load,瞬时改变TCR的触发角α就可以维持系统的无功功率为恒定值,此时,只需要使T C R提供的无功的变化量与负载的变化量是等值反向就可以了,甚至通过改变α可以维持电网电压为恒定值。

3 TCR的控制策略

控制系统的目标有:

1:当电网中负载发生扰动时,能够控制电网电压为给定值。

2:L在保证电网电压为给定值的同时,要使系统的功率因数≥0.95。

T C R控制系统的控制原理如图2所示。

根据控制的要求,要得到恒定的电压,需引入电压闭环控制。电压环内为导纳补偿环,其目的就是系统应对负载扰动时能够得到更高的响应速度。当负载发生扰动,瞬时检测到负载的无功导纳的变化量,TCR根据检测到的无功导纳的变化计算出触发角α,改变T C R的输出瞬时抵消由于负载无功导纳的变化,同时由于负载有功导纳也发生变化,电压调节器输出来改变导纳的给定值,来维持系统的电压不变。此时,由于调节器输出的给定值发生了变化,系统的功率因数也随之发生变化,在设计时使其功率因数在0.95～1的范围内变化。

控制环节还包括线性化处理和六脉冲触发器。由(1)式知道,TCR中电流的基波分量I1与晶闸管触发角α之间呈非线性关系,为了使PI的输出与TCR中电流I1呈线性关系,需要引入线性化环节,在本文中采用的是MATLAB中SIMULINK中的LOOKUP TABLE模块来实现的。图为M A T L A B中的仿真模型中的控制环节和非线性处理环节。

TCR主回路中,三相反并联晶闸管的触发在MATLAB中采用的是六脉冲发生器,(如图4)采三角形接法晶闸管管的触发顺序为:

本文中设计TCR的总容量为600Kvar,则每相需要消耗无功200 Kvar,以ab相为例,由

得:Lab=0.00231094H

系统采用ode23t仿真算法。

4 瞬时无功功率信号的检测

快速、准确检测出在SVC系统中所需要的电压、电流是决定其动态补偿的前提。考虑瞬时值,设传输线的三相电压分别为:ua、ub、uc,电流为ia、ib、ic,FC的三相电流为isa、isb、isc,TCR(三角形联结)的电流分别为iTab,iTbc,iTca。

设用于计算的三相电压为正弦波,且分别为

式中E m——电压的幅值。

将(1)式转化为α、β坐标系得

三相电流为ia、ib、ic,则根据三相电路瞬时无功功率理论得出

将三相电流ia、ib、ic进行3/2变换得

将式(5)代入(4)得

由于流通电容器组中的电流IF C主要是无功电流,认为IFC=iq,则

同样认为流入TCR的电流ITCR全部为无功分量,并考虑到T C R为三角形联接,得

作进一步推广,用ua、ub、uc代替(6)式ia、ib、ic得线电压Uline为

式(7)、(8)、(9)中的IFC、ITCR、ULine检测时提取的是为直流分量,分别对应于三相交流电流、电压的基波分量[2]。

5 FC和滤波器的设计

FC中,每个电容器都串联一个小电感,将L、C调谐到针对某次谐波的频率,此时,电感和电容器提供的此次谐波的无功刚好是感性无功功率等于容性无功功率。而对基波来说,提供的容性无功大于感性无功,总的对基波提供的是容性无功。

由于用户用电,其特性多为阻感负载[3],在本文中用三相不控整流带阻感负载模拟,在M A T L A B中,用F F T分析得到其主要次谐波为5、7、11、13…(6k±1),同时,TCR的电流谐波成分也为5、7、11、13…(6k±1)次(图2为三相不控整流的电流波形以及F F T分析结果),所以在设计滤波器时就需要滤除针对这几次谐波,利用单调谐滤波器滤除5、7、11、13、19次,而20次以后采用二阶高通滤波器。

在本设计中,电容器组需要提供的总的无功为-300Kvar,则每一相需要提供-100Kvar的无功功率。在实际应用中,为了使各次滤波器的电容承受谐波电压基本一致,通常采用下列公式进行无功补偿容量分配:

式中:Qc为系统总的无功补偿量,

Qcn为n次滤波器的无功补偿量电容器参数C的确定可用式(11):

式中:U p为系统相电压

根据谐振频率求电感L

对于用二阶高通滤波器中,R的确定则由(13)式

其中qH=m1工程应用中一般取(0.5﹤m﹤1)

运用以上公式,结合本次设计总的容性无功容量为-300Kvar的要求,以a相为例算得:

6 滤波效果和动态过程仿真

图2所示是补偿前系统相电流及F F T频谱分析结果,在没有投入补偿装置前,系统相电流中谐波污染较为严重;图6所示是经过SVC补偿器后,系统相电流及其FFT频谱分析,其谐波电流值小于用户注入电网的谐波电流的允许值。可见,系统的FC参数设计合理,能够很好地滤除负载及T C R补偿电路产生的谐波。

系统在0.1秒时候投入TCR,在0.2秒时候由晶闸管在直流侧投入一个阻感负载,来观看本系统应对负载扰动时的动态响应。

在0.1秒时,系统加入TCR,母线电压波形7(a)黑线所示。可以看出,系统电压迅速由电容器抬高的电压值降落到控制系统的给定值,所需时间约为1～2个周期。系统电流(7(a)红线)的相位由超前变为滞后,同时功率因数达到≧0.95的要求。

在0.2秒时,直流侧由晶闸管投入阻感负载,此时,系统电压几乎没发生变化,系统电流增大,系统的无功功率减小到接近于0,此时系统的功率因数接近1。同时可以看到T C R的触发角在增大,消耗的感性无功在减小。从图7可以得出:当投入TCR以后,系统的功率因数达到了≧0.95的预期目标,同时系统的母线电压在应对负载扰动时具有较理想的动态响应效果。

7 结束语

在基于瞬时无功功率理论的基础上,本文针对电网用户设计出实用型SVC系统,具有结构简单、动态响应效果好,能够有效抑制电网系统中电压的突变,并使系统的功率因数满足不低于0.9 5的要求,通过系统的MATLAB仿真,还可以得出本系统有效地减少了电网系统中谐波含量,并达到了谐波含量小于电力部门规定的允许值。本文的仿真也对进一步开发基于D S P控制的S V C装置的研制提供了一定的理论指导。

参考文献

[1]R.Mohan Mathur,Rajiv k.Varma.“thyristor-basedfacts controllers for electrical transmission systems”[M]Beijing,China Machine Press,2004.

[2]王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1998.

TCR型 篇4

关键词：谐波,无功补偿,TCR控制系统,动态补偿

1 TCR型SVC工作原理

SVC是静止型动态无功补偿器的简称, 它用于补偿用户母线上的无功功率, 并通过连续调节装置无功功率来实现。我们用QS来表示供电系统总无功功率, QF来表示负荷的无功功率, QL来表示可控硅控制电抗器 (简称TCR) 的无功功率, QC来表示电容器无功功率, 可以用公式来表达如下:

QS=QF+QL-QC=常数=0

如图1所示, A是系统的工作点。当负荷工作时就产生了感性无功QF, 装置中的电容器组提供容性的无功QC是固定的, 通常情况下QC大于QF, QC的多余部分容性无功由TCR来平衡。当负荷QF变化时, 补偿装置 (SVC) 控制系统调节TCR电流从而改变了QL值以跟踪, 实时抵消了负荷无功功率, 从而动态保持系统的无功平衡。

TCR装置的构成和工作原理如图2所示:

TCR是两个反并联的可控硅和电抗器串联构成。可控硅在电源电压的正负半周轮流导通, 当可控硅的控制角α在90°到180°之间变化时, 可控硅受控导通 (即可控硅在控制角为90°时完全导通, 控制角为180°时完全截至) 。当电网压基本不变的情况下, 增大可控硅控制角就减小了TCR电流, 并且减小装置的感性无功;反之减小可控硅控制角将增大TCR电流, 同时也增大装置的感性无功功率。它的电压-电流曲线特性如图2 (b) 所示, 其中任一曲线是TCR在导通角为特定角度下的伏安特性。分析电流的基波分量, TCR装置可描述为一个可调电纳。即等效电纳如下:

其中, L为电抗器电感值, α为可控硅导通角, w为电网电压的角频率。

而不对称负荷, 可采用分相调节方式进行。STEINMETZ理论是TCR分相调节的理论基础, 以此理论指导, SVC装置能够把负荷补偿成纯有功的三相平衡系统。

目前三相平衡负荷的无功补偿方式通常采用平衡调节算法, 三相不平衡负荷常采用分相调节方式, 能较好地解决电能质量。

2 SVC控制系统构成

SVC控制系统通常由控制柜、脉冲柜和功率器件三部分构成。控制柜采集现场的实时电压、电流信号, 经计算处理发出触发脉冲信号, 并实时监测可控硅运行。脉冲柜把触发脉冲转换成合适的脉冲信号。功率器件则由可控硅、阻容吸收、脉冲变压器、散热器、BOD板和击穿检测板等六部分构成, 串接至电抗器回路, 并在脉冲信号控制下调节可控硅通断状况, 并使电抗器流过预设的补偿电流。它的基本结构如图3所示:

另外, 为方便用户随时查看SVC设备运行状况, 厂方安装工控机和SVC监控软件, 可实时、详细的了解设备各部分性能和运行参数。

3 控制柜

3.1控制柜构成控制柜由监控单元、数显表、主控单元、采样单元、整流单元、以及输入输出单元等构成, 如下图所示:

4 选用SVC原因及应用效果

我矿原来35KV临时变电所电网中, 采用分级投切电容器组的方式来补偿系统无功, 改善功率因数, 这种方式只能向系统提供容性无功, 并且不能随负载变化而实现快速精确调节, 在保证母线功率因数的同时, 容易造成向系统倒送无功, 抬高母线电压, 危害用电设备及系统稳定性。

目前, 矿井占主导负荷为感性负荷, 还有直流负荷及交直交负荷。对电网质量影响较大。

其中主要问题是:产生电网三相不平衡电流, 产生高次谐波, 造成电网电压波形畸变, 功率因数降低。若彻底解决以上问题的重要手段之一是用户安装使用具有快速响应的无功补偿装置。响应时间控制在10ms以内, 即向10KV配电系统快速输送无功电流并起到稳定母线电压的作用, 从而增大了有功输出, 提高了效率。滤波装置过滤了高次谐波分量, 同时向配电系统提供了容性无功从而提高了功率因数。目前, 望峰岗井110KV变电所采用TCR型SVC装置, 稳定了10KV母线电压, 改善了电压波形, 提高了功率因数。

SVC可以明显提高电力系统输配电性能。 (1) 改善和稳定系统电压; (2) 减少电网传输损耗; (3) 提高传输能力。

参考文献

[1]王漪, 于继荣, 王永刚, 柳焯, 王世祯.基于运行模式的无功电压优化调度的研究 (.电力系统自动化) 199916期CNK1:SUN:DLXT.O.1999-16-00.

[2]黄纯, 鼓建春, 江辉, 左辰.谐波滤波、电压、无功综合控制装置的研制. (电网技术) 2000年03期.CNK1:SUN:DWJS.0.2000-03-013.

TCR型 篇5

在对电力系统中的无功进行补偿的方式中,由于晶闸管控制电抗器(TCR)并联补偿方式具有接入和切除都很方便的优点,是众多补偿方式中最常使用的一种。它包括可调固定电容器与可控电抗器两部分。电容器则通常包括与谐波滤波器电路结合成一体的固定的或机械投切的电容器,或在需要对电容进行高速或非常频繁投切时所采用的晶闸管投切电容器(TSC)等形式。对于晶闸管控制电抗器部分的控制算法决定了无功补偿的准确性与实时性,如果控制不当就会产生不期望的直流分量,进而会导致TCR的隔离变压器磁通饱和,降低元件的使用效率[1]。本文对现有的控制算法进行适当的优化来解决上述问题,进一步优化TCR的性能,以达到节能降耗的目的。

2 检测原理

对于TCR控制信号的检测主要采用基于瞬时无功功率理论的p-q算法。它相对于其它算法而言没有原理误差,可以提高无功补偿的精度[2]。

需检测出负载的三相电压与电流的瞬时值,利用变换矩阵式(1)把三相转化到两相上,然后再根据瞬时无功功率理论对有功与无功的定义式(2)和式(3),就可以得出式(4),其中“-”表示取直流分量[2]。得出基波有功与无功分量之后,再对其反变换到三相即可得到三相参考基波电流,如果在反变换之前先令有功值为零,就可以单独把无功参量提取出来,为TCR控制器提供参考值。

TCR要方面,也是控制器所有算法的归宿,触发角与电感感抗之间的关系如式(5):

上式可以简化为：

其中V为系统电压的最大值。

通过对电抗的设定可以得出相应的触发角,实现对系统无功的动态补偿。

3 控制策略的研究

由于在式(7)中电抗B与触发角α之间存在非线性的关系,所以在实际中的控制效果往往不尽人意。通常采用的方法是B-α对曲线插值拟合,此时若α在150°~180°之间变化时,曲线的斜率很大,电抗的变化很小,当电网中出现连续变化的无功负荷时,触发角会在短时间内从最大值(180°)跳变到某一值,然后又迅速跳变到最大值。这种现象可能会引起TCR回路的某一相出现只有一个晶闸管导通的情况,如图1所示,如果长时间不进行相应的处理,其产生的直流分量会使隔离变压器磁饱和,降低了TCR的有效容量,这是不希望出现的。因此,控制器除了能够动态地对系统进行无功补偿,也应相应地考虑到触发角的稳定与直流分量的消除等方面。

4 软件设计

控制器的选择主要以能快速处理浮点数据为前提,其实现的主要功能如下[3]:

(1)三相线电压与三相负载电流及三相TCR电流的采集;

(2)系统的频率锁相;

(3)瞬时无功功率的计算;

(4)触发角的求解与稳定;

(5)PI控制算法;

(6)直流分量的消除算法等。

控制器主要采集外部的电压与各部分的电流信号,应用瞬时无功功率理论可以得出各部分的瞬时无功功率,控制程序框图[4]如图2所示。

在对B-α曲线进行插值线性化的同时,加入了对TCR模块输出功率的PI调节,进一步提高了控制的精度。当设备刚投入运行时,通过控制算法关闭PI模块使系统能快速确定触发角,达到一定条件时再启动。这样可以减小曲线拟合时的误差,同时又不影响系统的响应速度;当负载无功出现瞬变时,同样先关闭PI模块以保证系统对电网无功的实时响应。

为了能够消除TCR所产生的直流分量,还需对TCR的线电流进行积分。有四种情况,积分值为正时,表示正向电流的脉冲幅值大于负向电流的脉冲,与此同时,α角在不断的变化,这时控制器就要根据电流积分值的大小和触发角的变化方向来决定先触发哪个晶闸管,具体关系如下:

(1)积分值>0,且α增大,则先触发正向晶闸管;

(2)积分值<0,且α增大,则先触发负向晶闸管;

(3)积分值>0,且α减小,则先触发负向晶闸管;

(4)积分值<0,且α减小,则先触发正向晶闸管。

同周期内的另外一只晶闸管则保持当前不变,在下次触发来临时再行更改。这样做除了可以消除直流分量的目的外,还有一个好处就是当第一种情况出现时,正向触发角增大,负向触发角不变;如果在正向触发周期内又出现了第一种或第四种情况的话,则改变的都是正向的触发角,负向的角度一直保持不变,因此可以大大提高TCR补偿无功的动态稳定性,抑制触发角的突变。

5 仿真实验研究

为了验证上述算法的有效性,采用PSCAD对系统进行仿真实验,以三相电动机为无功负载,补偿前的功率因数约为0.894。由图3、4、5可以看出,在触发角瞬变时所产生的单相激磁电流可以很快衰减为零,并在一定范围内波动调节;同时也可以快速补偿无功,稳定后功率因数基本为1。

6 结语

静止无功补偿器(SVC)研究的重点主要集中在控制策略上,本文提出的改进的TCR控制算法,采用简单逻辑判断与传统的PI控制相结合的方法,在不影响原控制精度与响应速度的前提下,解决传统控制造成隔离变压器磁通饱和而导致能耗增加等问题,最后对系统进行建模仿真,结果证明此方法能有效改善TCR对隔离变压器的影响,为以后控制策略的发展奠定基础。

参考文献

[1]李勇,罗隆福,尚荣艳,等.新型直流输电系统阀侧绕组无功补偿特性分析[J].电力系统自动化,2007,8(31):52-66.

[2]刘涤尘,钱薇,王静.基于数字信号处理的谐波和无功电流的检测[J].电力系统及其自动化学报,2007,4(19):50-54.

[3]杨琳霞,付周兴,刁宇清.基于DSP的并联型电力有源滤波器的研究[J].工矿自动化,2008(1):22-23.

[4]Sameh K.M.Kodsi,Claudio A.Canizares,Mehrdad Kazerani.Reactive current control through SVC for load power factor correction[J].Electric Power Systems Research,2006(6):701-708.

TCR型 篇6

随着经济的发展, 电力系统的规模越来越大, 输电电压等级越来越高, 网络结构也越来越复杂, 因此对电能质量的要求必将越来越高。电网中的电力负荷大部分是感性负载, 运行过程需要提供相应的无功功率。无功不平衡, 将会使线路总电流增大, 从而增大输电线路的损耗, 使电压下降, 恶化电能质量。无功和有功一样, 是维护电力系统稳定保证电能质量和安全运行必不可少的, 因此需要在电网中安装无功补偿设备。

静止无功补偿器 (SVC) 一般由电容器和电抗器组成, 可提供连续变化的感性和容性无功, 跟踪补偿电网中的无功负荷, 快速调节无功功率, 实现平稳的电压控制。文献[1]主要介绍了可控电抗器的现状及其发展。TCR在无功补偿中应用广泛, MCR是国内外SVC研究的热点, 比较有发展前途。本文主要对这2种无功补偿装置进行各方面的比较并进行仿真分析。

1 TCR和MCR特性比较

1.1 结构特点

TCR结构相对简单, 由一对反并联的晶闸管和一个固定电抗器相串联组成。其控制晶闸管的触发角, 改变导通角的大小, 进行全波整流, 可以连续改变等效感抗, 在输入电压不变的情况下, 就可以连续地控制流经TCR的电流。

MCR的结构相对复杂, 然而新颖紧凑。4个绕组匝数均为N/2, 不同铁芯的上下2个绕组交叉连接后, 并联至电网电源;同一铁芯上下2个绕组通过抽头 (抽头比为δ=Nk/N) 经可控硅连接, 铁芯的横截面积和长度都相等, 其中有一小段截面段起到磁阀的作用;二极管则横跨在交叉端点间, 起到续流的作用[2]。

1.2 应用范围

TCR中晶闸管需要承受系统的全电压, 对耐压等性能要求很高, 而现在晶闸管的工艺水平还不能够把单个晶闸管的耐压容量做到很大, 高压、超高压大容量的场合, 只能采取多个晶闸管串联或者并联的方法, 因而存在均压均流的问题, 增加了制造成本。再者, 由于电力电子器件的应用, TCR调节时会产生大量的谐波, 需要专门的消谐装置。文献[3]中对TCR所暴露的问题也做了具体的介绍。以上这些限制了TCR的大面积推广, 从而限制了其在高压和超高压电网中的应用。

MCR的控制绕组是工作绕组的一部分, 通过抽头组成一个自耦变压器, 提供内部电源, 控制可控硅的触发角α可以改变铁芯小截面段的磁饱和度, 达到连续控制工作电流的目的, 从而平滑调节电抗器的容量。晶闸管只需要承受极小的直流控制电压, 不存在均流均压的问题, 可以顺应发展在高压、超高压电网中应用, 起到改善电能质量的作用。

1.3 工作电流比较

1.3.1 TCR工作电流

设U=Umsin wt, 可得流经TCR的电流:i (t) =-Im (cos wtcosα) , 触发角α不同 (90°~180°) , 得到的输出电流波形也不同, 如图1所示。

1—α=90°2—α=120°3—α=150°

1.3.2 MCR工作电流

铁芯的磁饱和度β可以在0~2π之间变化。以Im=Bml/ (Nμ0) 为基准值, 当β取不同的值时, 可以得到不同的输出电流波形, 如图2所示。

1—β=2π2—β=4π/3 3—β=π4—β=2π/3 5—β=π/3

1.4 谐波比较

1.4.1 TCR的谐波分析

设输入电压为U=Vcos wt, 以Im=V/wL为基准值可得TCR谐波分量:

1.4.2 MCR的谐波分析

对MCR的工作电流进行傅立叶谐波分析, 以Im=Bml/ (Nμ0) 为基准值, 可以得到各次谐波与导通角的关系:

图3为TCR各次谐波含量与触发角的关系曲线, 图4为MCR各次谐波含量与触发角的关系曲线。

1.4.3 TCR和MCR各次谐波含量比较

由图3、图4比较可知, MCR的谐波含量远小于TCR, 约为TCR的50%。

2 MCR无功补偿的Matlab仿真

基于MCR的无功补偿仿真模型如图5所示。图中RL1、RL2、RL3为感性负载, C、Cb、Cc为固定电容, La、Lb、Lc为可控电抗器。

表1为仿真数据及计算结果, 其中第1组数据表示系统正常工作的状态;第2组数据为系统无功负载变为原来的2倍时, 不触发电抗器, 负载两端电压由180V降为171.4V, 系统无功消耗由101var增加到183var;第3组数据为触发调节电抗器, 使系统无功消耗不变, 电抗值由0.676 H变为2.012 H, 电压恢复到正常状态;第4组数据为无功负载变为原来的一半, 负载两端电压上升到185.3V, 系统无功只有53var严重不足;第5组数据为调节电抗器维持系统发出无功Q不变, 此时电抗值为0.509H, 电压亦回落达到稳定。以上说明, 不管系统无功过剩还是不足, 调节MCR都可以达到平衡无功、稳定电压的目的。

3 结语

由上述分析可知, TCR的结构特点限制了其在高压场合的应用, 而且谐波含量大, 无功补偿时需专门的滤波装置, 造价高。MCR结构紧凑, 谐波含量比TCR少了一半, 而且控制绕组只是工作绕组的一小部分, 控制电源小, 因此可以实现小功率控制大功率的目的, 更加易于在高压电网中应用。通过仿真分析可知, 磁阀式可控电抗器可用于电网的无功补偿中, 起到了平衡无功和稳定电压的作用, 改善了电能质量。随着国家高压和超高压输电工程的发展, 谐波小、适合用于高压场合的磁阀式可控电抗器具有极大的发展潜力和市场。

参考文献

[1]牟宪民, 王建赜, 纪延超, 等.可控电抗器现状及其发展[J].电气应用, 2006 (4)

[2]陈柏超.新型可控饱和电抗器理论及应用[M].武汉:武汉水利电力大学出版社, 1999