TSCTCR综合性无功补偿器.docx
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TSCTCR综合性无功补偿器
摘要
本文阐述为TSC+TCR综合性无功补偿器,运用多路晶闸管投切电容器TSC和一路晶闸管控制电抗器TCR的组合,提高系统功率因数至额定值(本方案为0.9)。
TSC投入系统可补偿系统无功,控制投入系统的TSC支路,多路TSC以阶跃方式补偿,因此导致无功补偿断续。
增加TCR电抗器补偿,控制晶闸管导通角度,抵消TSC可能导致的补偿过度,使补偿连续。
本方案为4路TSC与1路TCR的组合无功补偿器,目标功率因数0.9,当负载功率因数小于0.9,则启动系统进行补偿,当功率因数大于等于0.9,则维持原样不变。
本文从TSC何TCR基本电路开始说明,阐述系统总的运作流程和电路原理,然后分点阐述方案运行子模块,其中包括检测电路,触发电路和控制电路。
最后进行设计仿真,给出仿真波形,分析波形和系统误差等。
所有方案设计均用MATLAB软件实现,包括Simulink画电路图仿真,编程等。
关键字:
TSCTCR无功补偿功率因数晶闸管
绪论
通过长期的实践,人们已经普遍认识到,通过一定方式可增强线路的稳定输送功率,线路的电压波形也可通过并联合适的无功补偿器得到控制,无功补偿器的目的就是改变输电线路的自然电气特性,使之能够满足需求。
在轻载条件下,一般采用各种并联、固定或机械开关连接的电抗器来减小路过电压;而在重载条件下,同样也可以采用并联、固定或机械开关连接的电容器来维持电压幅值。
在早期的交流功率的传输中,机械开关已用于粗略的控制无功的产生和吸收。
对于无功功率的产生和吸收的连续暂态补偿系统,最初是由过励磁或欠励磁同步旋转电机来实现,后来则由饱和电抗器加上固定电容共同来实现。
自20世纪80年代开始,与电容器和电抗器串联的大功率线性换流晶闸管就已用于各种补偿电路之中,它可以产生可变的无功输出,从效果上看,它比机械开关更可控且方便,因此越来越受到人们的重视。
1、方案原理说明
1.1晶闸管控制电抗器TCR
1.1.1基本组成
如图1-1所示,即为最基本的单相晶闸管控制电抗器的原理图。
它由固定电感L和双向晶闸管开关电路组成。
目前可利用的晶闸管的阻断电压大约是4~9kV,导通电流可达3~6kA。
在实际应用中,由于电压等级较高,常常是许多晶闸管串联起来组成一个开关阀,一般有10~20个晶闸管进行串联,以满足给定功率下不同的电压等级对阻断电压的要求。
图1-1:
单相TCR
1.1.2控制原理
此开关阀通过晶闸管控制导通和关断以及导通角度。
当晶闸管承受正向电压,且门极有触发电流时,晶闸管导通,这样就有了一个触发延迟角α;一旦导通,门极即失去控制,不论门极触发电流是否存在晶闸管都一直导通;当交流电过零时,开关阀能立刻自动关断,然后重新触发这个开关阀,使其导通。
通过以上阐述,则由对触发延迟角α的控制,可使电抗器中的电流从晶闸管开关阀完全导通的最大值到晶闸管开关阀完全关断的零电流之间变化。
晶闸管的触发导通是以在半周期中的电压峰值作为参考点,以控制电流导通的持续区间,触发脉冲如图1-2所示,因此触发延迟角α的有效移相范围为00~900。
其位移因数始终为0,即基波电流都是无功电流。
α=00时,晶闸管完全导通,导通角θ=1800,与晶闸管串联的电抗相当于直接接到电网上,这时其吸收的基波电流都是无功功率最大。
当触发延迟角在00~900之间只,晶闸管图1-2:
TCR触发脉冲
α=300
α=00
U
为部分区间导通,导通角θ<1800,且导通角和触发角之间的关系为
IL
θ=1800-2*α。
如右图1-3对比α=00和300时TCR电抗器两端波形。
增大触发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,或者说减小其等效电纳,因而减少了其吸收的无功功率。
综上所述,控制系统包括以下三部分电路:
(1)检测电路:
检测控制所需的系统变量和补偿器变量。
图1-3:
α=00和α=300TCR电抗器两端波形
(2)控制电路:
为获得所需的稳态和动态特性对检测信号和给定输入量进行处理。
(3)触发电路:
根据控制电路输出的控制信号产生相应触发延迟角的晶闸管触发脉冲。
1.2晶闸管投切电容器TSC
1.2.1基本组成
如图1-4所示,为单相晶闸管投切电容器TSC原理图。
它由电容器、双向晶闸管和一个很小的用于限制冲击电流的电抗器组成。
当出现异常操作时,例如当暂态投切条件不具备时的“错误时刻”投入了电容,此时电抗器就能用来限制冲击电流,以避免电流对晶闸管开关阀造成破坏。
当系统出现特殊频率的谐波时,这个电抗器也可用来预防交流系统产生该频率的谐振。
图1-4:
单相TSC
1.2.2控制原理
同TCR,TSC仍通过两个双向晶闸管进行控制,在稳态条件下,当晶闸管开关阀导通后,TSC支路就与正弦交流电压相连;将晶闸管开关阀的门极触发脉冲去除后,晶闸管随之关断,TSC支路的电流降为0,则TSC支路就与系统断开。
总的来说,电容的投切遵循两个原则:
1、如果电容的初始电压已与交流电压峰值,即Uc0
1.3晶闸管投切电容器TSC与晶闸管控制电抗器TCR组成的无功发生器
为实现TSC支路电流的连续变化,选择将几个TSC支路并联起来使用,但电容的增加是按阶跃方式变化的;因此采用TSC支路和TCR支路的组合,得到近似连续变化的无功电流调节。
如下图1-5所示,为单相TSC+TCR所组成的合成补偿器的基本结构。
由给定的负载计算所需补偿无功,投入TSC,再计算TCR晶闸管导通角抵消富余无功。
图1-5:
TSC+TCR基本组合型无功发生补偿器
总的容性输出分成n个区间,在第一区间,无功发生器的输出在0~QCmax/n范围内可控。
在该区间只有一组电容器投入运行,例如触发晶闸管开关阀SW1,同时通过适当的触发延迟角α设置TCR的输出电流,使TSC输出的无功与TCR输出的无功之差与所要求的容性输出相等。
当系统要求无功发生器输出更多的容性无功时,可再触发SW2、SW3、…和SWn等开关阀,使之工作在第2、第3…和第n个无功补偿区间,对应的容性无功输出可在QCmax/n到2QCmax/n、2QCmax/n到3QCmax/n、(n-1)QCmax/nd到QCmax的范围内可控,然后通过控制TCR的触发延迟角α来抵消少许富余的容性无功。
为将电容器组在一个交流电压周期中投入到电网或从电网中切除,应使无功发生器总输出无功中的最大容性富余容量限制在一个电容器组的容量之内。
TSC+TCR综合性无功补偿器的控制原理如图1-6所示。
为了完成补偿任务,它的控制应具备3个主要功能:
(1)确定需要投入的TSC支路的数量,使补偿电流近似等于所需的容性输出电流,但应保留一定的富余,然后再计算感性电流幅值,使之能够抵消富余的容性电流。
(2)根据“无瞬间”过渡过程的原理,投入相应的TSC支路。
(3)
计算上述感性电流所对应的触发延迟角α,并在该触发延迟角下控制TCR之路的运行。
图1-6:
TSC+TCR静止无功发生器的功能控制原理
1.4总原理图
1.4.1原理框图
如下图1-7所示,为总设计方案原理框图,由于负载的改变,功率因数不满足要求,方案目的在于补偿无功功率,提高系统功率因数λ,目标功率因数λ=0.9;若投入负载λ大于0.9,则不加补偿。
反馈回路分别对TSC支路的投入路数和晶闸管开通时间即投入时间进行控制,对TCR支路控制晶闸管脉冲触发延迟角来抵消容性TSC的富余补偿。
图1-7:
原理框图
1.4.2原理电路图
方案采用相同的4路TSC支路和1路TCR的组合补偿方式,参数设置:
(1)TSC支路:
C1=C2=C3=C4=0.15mF;每路TSC支路补偿的无功
QTSC=U2*W*C=2280.796267Var;
(2)TCR支路:
L=50mH;
(3)其他:
目标功率因数:
λ=0.9;电源电压:
U=220V。
电路显示说明:
y1、y2、y3、y4显示1或0,1表示此TSC支路投入补偿,0表示不投入;另三路显示分别为功率因数cosα、需投入支路数n和QC/QTSC。
图1-8:
总电路图
2、各子模块设计原理
2.1脉冲发生电路
2.1.1TSC脉冲发生电路
如图2-3所示,TSC支路的作用是投入和切出,一旦投入就不需要切除,因此设计的脉冲电路如下图所示,仅用来控制触发延迟角,即电容器投入时刻。
图2-3:
TSC脉冲发生电路
图2-4:
TSC触发脉冲
2.1.2TCR脉冲发生电路
三角波
如图所示,为达到与交流电源同步,采用由交流电源产生脉冲的方法,首先将正弦电源变为方波,然后对其进行积分,叠加方波和积分后的三角波,即可得可控角度的触发脉冲。
以上电路图的实现如下图:
方波
图2-1:
TCR脉冲发生电路
图2-2:
TCR脉冲发生实现过程
2.2投切控制电路
2.2.1TSC控制电路
如下图2-3所示,为TSC控制电路,本次设计选用4路TSC支路,每路仅有投入和不投入之分,一旦投入则一直导通,且设计思路为:
当功率因数小于0.9时进行补偿;大于等于0.9时不动作。
功率表测量负载两端电压和电流,计算负载有功功率P和无功功率QL,通过负载有功功率P与所要求的0.9功率因数,计算实际所需无功功率Q0,即图中f(u)计算公式为:
目标无功功率:
Q0=P*tan(arccos(0.9))。
则TSC投入支路数计算如下:
负载功率=P-jQL;①
补偿后功率=P-jQL+jQC;②
λ=0.9时的功率=P-jQ0③
理论上,若使②=③,则功率因数即为所需的α=0.9,即:
P-jQL+jQC=P-jQ0→QL-QC=Q0→QC=QL-Q0;QC即TSC需投入功率,因此TSC需投入支路数n=(QC/QTSC)往上取整。
图2-3:
TSC控制电路
TSC有最佳投入时刻,否则会出现较大的暂态扰动,但本次设计时,没有解决这个问题,因此所有TSC均选择交流电源峰值时投人,思路即是在计算出n值后进行1/4周期的延时,使n路TSC同时在900投入。
计算出n值后,通过一个简单的程序将触发信号给晶闸管,导通TSC。
程序如下:
functiony=fcn(u)endy
(1)=1;
%#emlif(u==2)y
(2)=1;
y=ones(1,4);y
(1)=1;y(3)=1;
if(u==0)y
(2)=1;y(4)=1;
y
(1)=0;y(3)=0;end
y
(2)=0;y(4)=0;
y(3)=0;end
y(4)=0;if(u==3)
endy
(1)=1;
if(u==1)y
(2)=1;
y
(1)=1;y(3)=1;
y
(2)=0;y(4)=0;
y(3)=0;end
y(4)=0;if(u==4)
2.2.2TCR控制电路
如图2-4所示,为TCR控制电路。
仅一路TCR支路,而TSC支路仅能以整数路投入,为阶跃式补偿,因此设计思路为:
当TSC补过时,通过控制TCR的晶闸管触发角来减少TSC的补偿程度;当负载功率因数大于等于0.9时不补偿。
图2-4:
TCR控制电路
QTCR=(n-QC/QTSC)*QTSC;①
TCR支路电流IL:
Q=U*I②
晶闸管导通角θ:
I=(θ-sinθ)*U/∏/XL,此过程由程序完成,如下:
functiony=fcn(u)y
(2)=y(3);
%#emly(3)=abs(a-sin(a)-u);
y=ones(1,3);if(y(3) (2)) y (1)=1;y (1)=a; y(3)=1;end fora=0.0001: 0.001: piend③ 晶闸管触发延迟角: α=∏-θ/2;④ 增益: Gain=100*∏/α,将求得增益给TCR脉冲发生电路即可。 2.3功率因数λ求解电路 如图所示,电路总功率因数求解过程,用公式表示即为: λ=P/√(P2+Q2)=P/S, 图2-5: 功率因数λ求解 3、仿真 3.2λ<0.9,n路TSC补偿 3.1.11路TSC补偿 负载: R=4Ω,L=10.049mH 补偿前功率因数: λ0=R/√(R2+XL2)=0.785 理论计算: 投入0.15mH电容补偿即可达到λ=0.9,即投入1路TSC。 (1)TSC支路 由电路自动计算需投入1路TSC支路,如下为TSC投入触发脉冲,但第2条支路在第1条支路投入时有些波动,这说明投入时刻暂态影响较大。 图3-1: 1路TSC触发脉冲 图3-2: 投入TSC支路电容两端电压 (2)TSC支路 由理论计算得需投入1路TSC即可补偿到目标功率因数0.9,则希望TCR不补偿,仿真结果如下,TCR触发角接近900,误差范围内相当于没有参与补偿。 图3-3: TCR触发脉冲 (3)功率因数 补偿后功率因数: λ1=0.8972,如图 误差分析: E=(λ-λ1)=(0.9-0.8972)/0.9*100%=0.311% 3.1.23路TSC补偿 负载: R=2Ω,L=7.15mH 补偿前功率因数: λ0=R/√(R2+XL2)=0.665 理论计算: 投入0.45mH电容补偿即可达到λ=0.9,即投入3路TSC。 (1)TSC支路 由电路自动计算需投入3路TSC支路,如下为TSC投入触发脉冲,但第4条支路在前3条支路投入时有些波动,这说明投入时刻暂态影响较大。 图3-4: 3路TSC触发脉冲 (2)TCR支路 同1路TSC投入时,有很大的触发角,误差范围内相当于没有参与补偿。 (3)功率因数 补偿后功率因数: λ1=0.8972,如图 误差分析: E=(λ-λ1)=(0.9-0.8966)/0.9*100%=0.378% 总结: 当负载所需无功可以仅由TSC支路补偿即可到达目标功率因数时,系统自动计算支路数并在同一时间在电源峰值处投入,而TCR支路则有很大的触发延迟角,在误差范围相当与没有参与补偿,符合设计要求。 3.2λ<0.9,n路TSC补偿+TCR补偿 3.2.12路TSC补偿+TCR补偿 参数: 负载: R=5.8Ω,L=25.8mH 补偿前功率因数: λ0=R/√(R2+XL2)=0.582 理论计算: 投入0.3mH电容补偿,则系统功率因数将达到λ=0.977,则TCR有一定角度触发。 (1)TSC支路 由系统自动计算投入2路TSC支路,功率因数上升为0.977,等待TCR支路触发,抵消富余。 图3-5: 2路TSC触发脉冲 (2)TCR支路 系统显示,TCR脉冲发生电路增益为166.7,即触发延迟角为17.980,如下图所示,补偿后系统功率因数由电容补偿后的0.977开始下降。 图3-6: TCRα为17.980触发脉冲 (3)功率因数 补偿后功率因数: λ1=0.8972,如图 误差分析: E=(λ-λ1)=(0.9158-0.9)/0.9*100%=1.755% 3.2.23路TSC补偿+TCR补偿 负载: R=2.4Ω,L=9.8mH 补偿前功率因数: λ0=R/√(R2+XL2)=0.615 理论计算: 投入0.3mH电容补偿将达到λ=0.933,则TCR有一定角度触发。 (1)TSC支路 由系统自动计算投入2路TSC支路,功率因数生生为0.933。 图3-7: 3路TSC触发脉冲 (2)TCR支路 系统显示,TCR脉冲发生电路增益为146.2,即触发延迟角为33.120,如下图所示,补偿后系统功率因数由电容补偿后的0.933开始下降。 图3-8: TCRα为33.120触发脉冲 (3)功率因数 补偿后功率因数λ1=0.8972,如图 误差分析: E=(λ-λ1)=(0.9-0.8869)/0.9*100%=1.455% 3.3λ>=0.9系统补偿 3.3.1λ>0.9 参数: 负载: R=10Ω,L=10.46mH 补偿前功率因数: λ0=R/√(R2+XL2)=0.95 理论计算: TSC不投入,TCR没有触发。 仿真结果: TSC不投入,TCR触发角接近900,功率因数如图。 误差分析: E=(λ-λ1)=(0.9519-0.95)/0.95*100%=0.2% 3.3.2λ=0.9 参数: 负载: R=10Ω,L=15.42mH 补偿前功率因数: λ0=R/√(R2+XL2)=0.9 理论计算: TSC不投入,TCR没有触发。 仿真结果: TSC不投入,TCR触发角接近900,功率因数如图。 误差分析: E=(λ-λ1)=(0.9025-0.9)/0.9*100%=0.278% 实验感想 本次课程设计历时三个星期,接到课题的时候很担心,虽然学过电力电子技术,但真正进行实验只是在于连线而非理解原理,很多东西都浮于理论。 虽然我们只是被要求完成一份仿真,但对于在原来电力电子学习不扎实,自学能力有限的我来说,这是一个不小的考验,事实也证明我一开始的担心是对的。 第一个星期,我在研究理论中渡过,将柔性交流输电的第五章反复研究,但自学能力着实有限,也没能研究出太多东西,以至于在第二周找老师的时候仍处于什么都不知道的状态,这在我是很大的责任和懈怠。 虽然我没有想拿原本就不会也不懂来当借口,可事实就是这样摆在眼前,心有余而力不足是这3个星期来或者说这1年来最深的体会。 第二个星期,我们开始使用Multism软件试验晶闸管,但晶闸管的角度控制没办法实现,因此开始着手MATLAB软件。 对我来说,上手一个新的软件不是一件简单的事,什么都是从头开始学起,这浪费了我们很大的时间和精力而收效甚微,我们很急,可是急也解决不了问题。 第二个星期的最后几天在参加全国电子设计大赛,心有余而力不足的状态越来越明显,就是我们真的很想做好,会做,可是结果往往不是你想的那样。 前两个星期的耽误,导致在第三个星期我们做出结果再去找老师的时候走错了方向,比如晶闸管的触发脉冲,TSC的投入时刻,都是很严重的偏差。 所以我们又得重头再来一遍,所幸对于软件越来越熟悉,算法的解决也开始入门,进展随不快,但正常有序,偶尔会卡在某个地方大半天是很痛苦的事。 至今,我们做出了大致符合要求的方案,还有很多不足的地方仍需要改进,这个我想可以在后续的时间里继续去了解。 这次的课程设计给了我太深刻的印象,不是课题的难易或时间的长短问题,而是在于处理这件事上。 我是中庸的,大学的学习很早之前我就对自己定义过,只是能考得好而非学得好,我也想努力改善这样的自己,但我总觉得每个人的能力都是有限度的,而我恰好限度是有那么一点。 想要提高想要好是谁都期待的,但只是想而已,并不一定真能实现,我也恼这样的自己,为什么就不能强大一点,什么都会,什么都是大神。 我也认知自己不是一个很有追求的人,从小到达也没想过将来要怎么样的轰轰烈烈,就像高考,就像念研究生,我一向都随遇而安。 可能我想的有些多了,最近有些神神叨叨的,先是有些委屈在办公室就哭了,老师说我心理素质不好,我解释原来我是很好的,也是真的,只是那天有些累了,有些难过,有时候就是这么神经质的。 在这次课程设计中,学习到了很多,不只是知识,还有一些做人做事的道理,是在标志着自己的长大和成熟,对我来说,未免不是一件很好的事。 所以该感谢老师的严格,但我终究是心理素质不高的,所以也期待老师的鼓励和支持。 参考文献 [1]《柔性交流输电系统》程汉湘编著,北京: 机械工业出版社,2009.1 [2]《谐波抑制和无功功率补偿》王兆安等编著,北京,机械工业出版社,1998.9 [3]《电力电子技术》王兆安黄俊主编,北京: 机械工业出版社,2000 [4]《电力电子计数计算机仿真实验》李传琦主编,北京,电子工业出版社,2006.2 [5]《电力电子计数计算机仿真实验》李传琦主编,北京,电子工业出版社,2006.2 附录总原理图
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