晶閘管控制電抗器TCR的仿真分析與設計****學院畢業設計(論文)晶閘管控制電抗器TCR的仿真分析與設計學生：******學號：******專業：******班級：******指導教師：************學院二***年**月摘要本文對無源和有源兩種電力濾波器的原理進行了闡述。混合型有源電力濾波器將無源濾波與并聯型有源濾波相結合，克服了無源濾波器和有源電力濾波器的缺點，降低了逆變器容量，能同時補償變化的無功功率和抑制各次諧波，動態性能好，提高了性價比，有較好的應用前景。實時、準確地檢測出電網中瞬態變化的諧波與無功電流是補償裝置進行精確補償的前提，基于瞬時無功功率理論的檢測法是三相系統中應用最為廣泛的一種方法，包括適用于對稱無畸變電網的p—q檢測法及適用于不對稱有畸變電網的i,i運檢測法。通過MATLAB仿真，驗證了這兩種方法的有效性。pq關鍵詞：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無功功率及其補償......................................................................................21.1.1無功功率的定義................................................................................21.1.2無功補償及其研究現狀....................................................................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我國對公用電網諧波的規定.............................................................71.2.4諧波抑制的研究現狀........................................................................81.3無功補償與諧波抑制的關系......................................................................91.4配電網無功功率與諧波的綜合補償方案..................................................101.4.1無功功率與諧波綜合補償方案的提出............................................101.4.2無功功率與諧波綜合補償方案的系統結構....................................11第二章TCR的工作原理及其特性分析.................................................................142.1無功功率動態補償的原理.........................................................................142.2TCR的工作原理.........................................................................................152.2.1TCR的基本結構與工作原理............................................................152.2.2TCR補償特性...................................................................................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...........................................................................232.4FC-TCR型靜止無功補償裝二的結構與工作原理....................................242.5TCR的控制方法與策略.............................................................................262.5.1信號檢測..........................................................................................262.5.2開環控制系統...................................................................................272.5.3閉環控制系統...................................................................................282.6TCR的MATLAB仿真...............................................................................282.6.1單相TCR的仿真.............................................................................292.7本章小結....................................................................................................32第三章電力濾波器的結構與原理.........................................................................343.1無源濾波器................................................................................................343.1.1單調諧濾波器...................................................................................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并聯型有源電力濾波器的拓撲結構................................................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...............................................................443.2.4補償電流的控制方法.......................................................................453.3混合型有源電力濾波器.............................................................................47IV3.3.1并聯有源電力濾波器與LC濾波器的聯接方式..............................483.3.2并聯混合型有源電力濾波器的補償原理與補償特性.....................493.4本章小結....................................................................................................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時檢測..........................................................574.2.1p-q運算方式.....................................................................................574.2.2i-i運算方式.....................................................................................59pq4.3本章小結....................................................................................................61結論與展望..............................................................................................................62致謝.........................................................................................................................64參考文獻.................................................................................................................65V第一章緒論電能是當今最重要的能源形式，隨著我國經濟及科技的飛速發展和人民生活水平的迅速提高，各種復雜的、精密的、對電能質量敏感的用電設備不斷普及，各電力用戶對電網的安全穩定運行及電能質量都提出了更高的要求。理想的電力系統應以恒定的頻率(50Hz或60Hz)和正弦波形，按規定的電壓向用戶供電。在三相交流電力系統中，各相的電壓和電流應當處于幅度相等、相0位相差的對稱狀態。但由于系統各元件(發電機、電動機、輸電線路及負載)120的參數并非線性或對稱，加之調控手段的不完善、負載變化的隨機性及運行操作、各種故障等原因，這種理想狀態實際上是不可能存在的，因此就形成了電能質量問題。電能質量可以大致定義為：導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、暫時或瞬態過電壓、波形畸變、電壓暫降與短時間中斷以及供電連續性等。隨著科技的進步，現代電力系統中用電負荷結構發生了重大變化，諸如半導體整流器、晶閘管調壓及變頻調整裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路和家用電器等負荷迅速發展，由于其非線性、沖擊性以及不平衡的用電特性，使電網的電壓波形發生畸變而引起電壓波動和閃變以及三相不平衡，甚至引起系統頻率波動等，對供電電能質量造成嚴重的干擾或“污染”。一旦出現電能質量問題，輕則造成設備故障，重則造成整個系統的損壞，由此帶來的損失是難以估量的。電能質量的好壞將直接關系到國民經濟的總體效益。因此，必須有效的控制電網的電能質量，提高電網的安全運行水平。改善電能質量對于電網和電氣設備的安全、經濟運行，保障產品質量以及人民生活.和生產的正常運轉均有重大意義。國內目前對電能質量的研究，主要是諧波抑制和無功補償兩個方面。11.1無功功率及其補償1.1.1無功功率的定義在正弦電路中，負載是線性的，電路中的電壓和電流都是正弦波。設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)中被積函數的第2項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載之間進行的。從式(1.3)可看出，真正的功率消耗是由被積函數的第1項有功功率分iiui量產生的。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無功補償及其研究現狀在正常情況下，用電設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。電力系統無功損耗主要有兩個方面，一是輸電系統自身吸收的無功，二是負荷消耗的無功。輸電系統自身吸收的無功主要是指輸配電設備(如高壓輸電線路、聯系不同等級網絡的變壓器等)在高壓輸電網絡中輸送電能時要吸收一定的無功功率;負荷吸收的無功功率主要指感性負載和大量的非線性負荷(如工業生產和日常生活中經常使用的異步電機、日光燈，以及各種變流裝置、工業電弧爐等)消耗的無功，這些負載當中有些容量非常大，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。電力系統的運行電壓水平取決于無功功率的平衡，系統中各種無功電源的無功功率輸出應能滿足系統負載和網絡損耗在額定電壓下對無功功率的需求，否則電網電壓就會偏離額定值。電力系統無功功率平衡的基本要求是:系統中的無功電源可能發出的無功功率應該大于或至少等于負載所需的無功功率和網絡中的無功損耗。顯然，這些無功功率如果都要由發動機提供并經過長距離輸送是不可能的，合理的方法應該是在電力系統中加裝其他無功電源，例如同步調相機、并聯電容器以及靜止補償器等，這些裝置被稱為無功補償裝置。電力系統在不同的運行方式下，可能分別出現無功功率不足或過剩的情況，在采取補償措施時應能統籌兼顧，選用既能發出又能吸收無功功率的補償設備。無功補償的重要性主要表現在以下幾點：(1)提高供用電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗。(2)穩定受電端及電網的電壓，提高供電質量。在長距離輸電線中合適的地點設置動態無功補償裝置還可以改善輸電系統的穩定性，提高輸電能力。(3)在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當的無功補償可以平衡三相的有功及無功負載。從電力系統誕生開始，無功補償技術就開始在電力系統中應用。同步發電機可以看作是最早的并聯無功補償裝置，隨著電力系統的發展，各種補償裝置不斷涌現。早期無功補償裝置的典型代表是同步調相機(synchronouscondenser)，同步3調相機可以平滑調節無功功率，而且既可以吸收也可以發出無功功率，因此具有較強的補償控制功能。但同步調相機，由于是旋轉設備，運行維護都很復雜，響應速度也較慢，且隨著負荷中心地區對環境要求的提高，旋轉設備帶來的噪聲問題也比較嚴重，己經不能滿足現代電力技術的發展。并聯電容器與同步調相機相比，具有運行靈活、有功損耗小、維護方便、投資少等優點。因此，并聯電容器的迅速發展幾乎取代了輸電系統中的同步調相機。但是，和同步調相機相比，并聯電容器只能補償固定的無功功率，當系統中有諧波時，還有可能發生并聯諧振，使諧波放大，造成電容器的燒毀。靜止無功補償裝置(StaticVarCompensator-SVC)近年來獲得了很大發展，己被廣泛用于輸電系統波阻抗補償及長距離輸電的分段補償，也大量用于負載無功補償。SVC的重要特性是它能連續調節補償裝置的無功功率，由于具有連續調節的性能且響應迅速，因此SVC可以對無功功率進行動態補償，使補償點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最重要的性質是它能維持其端電壓不變，具有快速響應性、可頻繁動作性、以及分相補償能力，可應用于對大型沖擊性、快速周期波動變化、不平衡、非線性負荷(如電弧爐、軋鋼機、城市二級變電站、遠距離電力傳輸、電力機車供電等)的動態無功補償領域。它能有效抑制這些負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，起著改善電能質量的作用。因TCR裝置采用相控原理，在動態調節無功功率時，也產生大量的諧波，所以，通常把濾波裝置與TCR并聯，以濾除TCR工作時產生的諧波。1.2諧波的危害及其治理1.2.1諧波的定義在電力系統中，理想的電壓和電流應該是恒定頻率(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。但當正弦電壓施加在非線性電路上時，電流就變為非正弦波。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：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）的傅立葉級數中，頻率為1/T的分量稱為基波，頻率為大于1的整數倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數為諧波頻率和基波頻率的整數比。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載產生的，他們向電網輸入大量高次諧波電流，在電網的阻抗上產生高次諧波電壓降，使公用電網電壓的正弦波形發生畸變，造成諧波污染。隨著各種電力電子裝置在生產生活各個領域的廣泛使用，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電容濾波得到的，這類裝置對電網的諧波污染日益突出。變壓器、電抗器、各種旋轉電機都含有鐵心，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段，磁化曲線更陡，更易產生諧波。冶金用大功率交流電弧爐，因為電弧放電具有負伏安特性，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，以調節電弧電流的大小，這就使電感線圈的磁化曲線嚴重非線性，導致電源輸入電流的波形嚴重畸變。故大功率交流電弧爐也是公用電網很大的諧波源。此外，普通用戶家中大量使用的家用電子電器、公共照明系統中熒光照明負荷也正逐漸成為配電系統中重要的諧波源?？梢哉f在這些新技術成功解決實際生活環境中原有污染問題的同時，如不加防范則會造成電力系統中新的污染問題。電力系統存在的大量諧波嚴重地降低了電能質量，給系統帶來眾多危害，其危害主要表現在：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，嚴重的甚至引起放電擊穿。2)使電動機損耗增大，發熱增加，過載能力、壽命和效率降低，甚至造成設備損壞。3)容易使電網與用作補償電網無功功率的并聯電容器發生諧振，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，使繞組發熱，加速絕緣老化，并發出噪聲。5)使大功率電動機的勵磁系統受到干擾而影響正常工作。6)若移相電容器配置不當時，可能在某高次諧波的作用下引起諧振。7)影響電子設備的正常工作，如:使某些電氣測量儀表受諧波的影響而造成誤差，導致繼電保護和自動裝置誤動作，對鄰近的通信系統產生干擾，非整數和超低頻諧波會使一些視聽設備受到影響，使計算機自動控制設備受到干擾而造成程序運行不正常等。1.2.3我國對公用電網諧波的規定由于電網中的諧波對工業生產及電網本身都會造成很大危害，世界許多國家都發布了限制電網諧波的國家標準，以限制諧波源注入電網的諧波電流，把系統內的諧波電壓控制在允許的范圍內。我國國家技術監督局于1993年發布了中華人民共和國國家標準GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》。對于不同電壓等級的公用電網，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。另外，對偶次諧波的限制也要嚴于奇次諧波。1)電網電壓波形畸變的限制表1.1所示為公用電網諧波電壓畸變率限值。2)注入公用電網的諧波電流允許值7公用電網的任何用戶向電網注入的諧波電流分量不應超過表1.2規定的允許值。表1.1公共電網諧波電壓限值電網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注入公共網絡的諧波電流允許值供電電壓諧波次數及諧波電流允許值（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諧波抑制的研究現狀抑制諧波干擾的傳統方法是在諧波源處裝設LC調諧型無源濾波器(PassiveFilter-PF)。這種方法既可以補償諧波，又可以補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用，但是其主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態的影響，易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，另外它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。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制(PulseWidthModulation-PWM)控制技術的進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展起來的。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網中只含基波分量。該濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償性能不受電網阻抗影響，目前己經廣泛使用。有源電力濾波器按照PWM逆變電路直流側電源的性質可以分為電壓型和電流型，目前實際應用的裝置中，90%以上的是電壓型。從與補償對象的連接方式來看，又可分為并聯型和串聯型，目前運行的裝置幾乎都是并聯型。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器件容量的限制。將無源濾波器和有源濾波器相結合構成的混合型有源電力濾波器(HybridActivePowerFilter-HAPF)，取兩者之長，補其之短，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，達到APF實用化及諧波抑制的目的。1.3無功補償與諧波抑制的關系無功功率問題和諧波問題對電力系統和電力用戶都是十分重要的問題，也是近年來各方面關注的熱點之一。無功補償與諧波抑制是兩個相對獨立的問題，但兩者之間又有非常緊密的聯系，主要表現在：(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系，諧波除其本身的問題之外，也影響負載和電網的無功功率，影響功率因數。(2)無功補償與諧波抑制都與電力電子技術有密切的關系，而各種電力電子裝置目前已成為供用電系統最為主要的諧波源，同時其功率因數也很低，消耗大量的無功功率。9(3)補償諧波的裝置通常也都是補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償無功功率，高功率因數整流器既限制了諧波，也提高了功率因數。(4)很多無功補償裝置，如晶閘管控制電抗器(TCR)在正常運行時會產生大量的特征諧波注入電網，因此必須采取措施將這些諧波濾除或減弱。1.4配電網無功功率與諧波的綜合補償方案隨著全球工業化進程的不斷加速，接入電網的非線性負載的的數量和容量正迅速增加，電網中的諧波污染越來越嚴重。另外，大多數負載的功率因數很低，也給電網帶來了額外負擔，影響了供電質量。因此，無功補償與諧波抑制已成為電力電子技術、電力系統研究領域所面臨的一個重大課題。為了解決電能質量的問題，國內外正在積極研究用于配電系統和用電系統的電能質量控制技術。它是將電力電子技術、微處理機技術、自動控制技術等高新技術運用于中、低壓配電系統和用電系統中，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量的新型綜合技術。1.4.1無功功率與諧波綜合補償方案的提出當配電網負載變化頻繁時，對于無功電流的補償，通常晶閘管控制電抗器(TCR)，TCR可以有效補償容性負載產生的容性電流，但TCR本身是一個諧波源，它在補償容性電流的同時產生了諧波電流，加重了系統的諧波污染。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。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注，其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，然后由補償裝置產生一個與諧波電流大小相等、極性相反的補償電流，使電網的電流只含基波。APF能夠對變化的諧波進行快速地動態地補償，性能不受電網阻抗的影響，但APF基于新型的電力半導體器件，采用高頻PWM逆變方式，單獨使用并聯式APF能夠補償系統的諧波和無10功電流，但中壓配電系統的功率要求一般使純并聯式APF的初期投資很大、運行效率較低，而APF與PF的混合系統能發揮APF與PF的優勢，消除各自的弊端，是將來的發展趨勢，適合中壓配電系統的需要。諧波主要由無源濾波器補償，有源電力濾波器的作用是改善LC濾波器的濾波特性，它只需補償LC濾波器未能補償的諧波。該拓撲不僅大大改善了濾波效果，而且APF的容量通常占負載容量的2%—5%，在中壓配電系統中能夠實現濾波性能與成本的結合，是近年來頗受關注的諧波和無功功率補償的新型裝置。1.4.2無功功率與諧波綜合補償方案的系統結構本文從經濟性和補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)的方式來同時進行無功補償和諧波抑制。此綜合補償方案的單相系統結構框圖如圖1.1所示，該系統主要由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構成混合型電力濾波器與TCR并聯接入配電網。負載電網LCCC57hTCRTTPF12LLLRh57LAPF圖1.1配電網無功功率與諧波綜合補償裝置系統結構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償裝置(SVC)，作為傳統的無功功率補償器，以平衡負載和校正功率因數。通過對11TCR的有效控制，該系統可以抑制母線的電壓波動(閃變)，防止無源濾波器與系統間的諧振，通過動態地調節裝置的無功輸出，還可以使系統始終保持在合理的功率因數。由于TCR自身也是一個諧波源，在正常工作時會產生大量的諧波，此系統裝置中與TCR并聯的HAPF能對其進行有效地濾除和減弱。HAPF同時能夠對配電網的負載諧波和無功電流進行有效的補償，且只需要很小的容量就可以達到完美的諧波補償效果。本方案對電網諧波和無功進行綜合補償，既可保證無功功率的補償，又能有效地抑制補償系統裝置自身的諧波和系統負載的諧波，因此能夠更好地降損節能。通過理論分析和仿真驗證，結果表明所選方案和控制方法是正確的、可行的，對電網諧波污染和無功損耗均有很好的抑制和補償作用，具有較高的推廣價值。1.5本文的主要研究內容本文對無功補償及諧波抑制的相關理論進行了深入的研究，結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的無功功率與諧波綜合補償的解決方案，并以MATLAB/Simulink軟件對其進行仿真分析，在理論上驗證此系統的合理性和有效性。論文的主要研究內容包括：(1)本文首先分析了無功功率和諧波的概念和來源，論述無功補償和諧波抑制的重要性以及它們目前的發展狀況。(2)對TCR的工作原理進行深入的研究，分析其諧波特性、三相拓撲結構及控制方法，并使用MATLAB建立TCR的單相模型，分析晶閘管控制角、觸發脈沖與基波電流以及諧波含量之間的關系。(3)系統介紹無源濾波器和有源電力濾波器的工作原理和類型，并詳細論述有源電力濾波器的電路結構及控制方法。重點分析并聯混合型有源電力濾波器(HAPF)的拓撲結構、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運算方式檢測法和運算方式檢測法。pq13第二章TCR的工作原理及其特性分析傳統的無功補償裝置如并聯電容器等，其阻抗是固定的，不能跟蹤負載無功需求的變化，因而也就不能實現對無功功率的動態補償。而隨著電力系統的發展，對無功功率進行快速動態補償的需求也越來越大。靜止無功補償器(StaticVarCompensator-SVC)是目前電力系統中應用最多、最為成熟的并聯補償設備之一。SVC能跟蹤負載無功需求的變化，可以連續迅速地對無功功率進行動態補償，使補償點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是目前應用最廣泛，最具代表性的一類靜止無功補償器。本章將主要介紹TCR的工作原理、諧波特性以及工程設計中的問題。2.1無功功率動態補償的原理下面以改善電壓調整的基本功能為例，對無功功率動態補償的原理作簡要介紹。UU0CBZ=R+jXU0AQ系統電壓UQQLrQQLr負載補償器QQA0(a)單相電路（b）動態補償原理圖2.1無功功率動態補償原理圖2.1(a)所示為系統、負載和補償器的單相等效電路圖。其中U為系統線電壓，R和X分別為系統電阻和電抗。設負載變化很小，故有U<<U，則假定R<<,X時，反映系統電壓與無功功率變化的特性曲線如圖2.1(b)中所示，由于系統電14壓變化不大，其橫坐標也可以換為無功電流?？梢钥闯?，該特性曲線是向下傾斜的，即隨著系統供給的無功功率Q的增加，系統電壓下降。由電力系統分析可知，系統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電壓，為系統短路容量。SC由式(2.1)和式(2.2)可知，無功功率的變化將引起系統電壓成比例地變化。投入補償器后，系統供給的無功功率為負載和補償器無功功率之和，Q,Q，Q（2.3）lrQ因此，當負載無功功率變化時，如果補償器的無功功率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是目前應用最為廣泛的靜止無功補償裝置，具有快速響應性、可頻繁動作性以及分相補償能力，可應用于對大型沖擊性、快速周期波動變化、不平衡、非線性負荷(如電弧爐、軋鋼機、城市二級變電站、遠距離電力傳輸、電力機車供電等)的動態無功補償領域。它能有效抑制這些負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，起著改善電能質量的作用。2.2.1TCR的基本結構與工作原理TCR的基本結構如圖2.2所示。其單相基本結構是由兩個反并聯的晶閘管T、T與一個固定電抗器(通常是鐵心的)L串聯而成。反并聯的一對晶閘管就像12一個雙向開關，分別在電源電壓的兩個半周內導通。15ITT12UL圖2.2TCR的基本結構TCR正常工作時，在電壓的每個正負半周的后1/4周波中，即從電壓峰值到電壓過零點的間隔內觸發晶閘管，此時承受正向電壓的晶閘管將導通，使電抗器,進入導通狀態。一般用觸發延遲角來表示晶閘管的觸發瞬間，它是從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發脈沖止的電角度。0,圖2.3所示為TCR電壓和電流波形，如果<，則會產生含直流分量的不對9000,稱電流，所以觸發延遲角的可調范圍為90—180，由于電抗器幾乎是純感性0負荷，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。當為90時，晶閘管全導通，與晶閘管串聯的電抗器相當于直接接在電網上，電抗器中電流為連續的正弦波，這時其吸收的基波電流和感性無功功率最大。000,,當在90-180之間時為部分導通，電抗器中電流呈非連續脈沖形。當為l80時，晶閘管不投入運行，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延遲角，可以連續調節流過電抗器的電流在0(晶閘管阻斷)和最大值(晶閘管全導通)之間變化，相當于改變電抗器的等效電抗值。增大觸發延遲角的效果就是減少電流中的基波分量，相當于增大補償器的等效感抗，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補償特性設接入點電壓為標準電壓的正弦信號，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如果采用導通角的概念，定義導通角為，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。,,I,根據式(2.8)和式(2.9)可繪出TCR基波電流(標么值)隨觸發延遲角或導1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基波電流與觸發延遲角和導通角的關系曲線,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?，觸發延遲角,和導通角與,LmaxLTCR等效電納之間是非線性關系。從式(2.10)和式(2.11)可以看出，TCR的作用就像一個可變電納，改變觸發延遲角就可以改變電納值，進而改變基波電流，從而使電抗器吸收的感性無功功率發生變化。2.3TCR的諧波分析和抑制方式從圖2.3可知，當觸發延遲角時，流過電抗器的電流是非正弦波，會,,0產生諧波，因為兩個晶閘管在正半波和負半波對稱觸發，所以諧波中只含有奇次,諧波。對式(2.7)進行傅里葉分解，可以得到電抗器各次諧波分量與的關系為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延遲角的關系曲線由圖2.5可得，TCR運行時電流的各次諧波的含量及最大值出現所對應的不同觸發角如表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，在正常工作時會產生大量的諧波，主要是3,5,7,9,11和13次。TCR在補償系統無功功率的同時，也會加重系統的諧波污染，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中，通常將三個單相TCR按照三角形(?)方式聯接起來，如圖2.6所示。三個單相TCR用6組觸發脈沖來控制晶閘管的導通，故稱為6脈波TCR。如果各相TCR參數一致，三相電壓平衡，晶閘管在電壓正半周期和負半周期的觸發延遲角相等，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)稱為負序諧波。ABCiiiCABiiBCABiCA20圖2.6TCR的三相接線形式iiiii設、、分別為三相TCR各支路中的n次諧波相電流，、、BnABnBCnCAnAni為對應的n次諧波線電流。則各次諧波電流的傅里葉級數可表示為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內可以相互抵消，不會進入電網。對于負序諧波，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。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母線上，一組TCR接入變壓器二次側的三角形聯接繞組，另一組TCR接入變壓器二次側的星形聯接繞組。這種接線形式可以完全從一次側線電流中消除了5次和7次諧波。這種利用多重化技術的12脈波TCR，最低次特征諧波是11次，特征諧波次數為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點就是，當一組故障時，另一半仍能繼續正常工作。更復雜的，可以將二個甚至更多的聯接TCR通過變壓器繞組禍合，在適,當的移相條件下，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，不僅結構復雜而且經濟性也較差，所以通常僅用于大容量的無功補償裝置中。同時上面的分析是基于三相對稱假設的，但實際系統中，電壓可能不平衡，電抗器參數也不會完全相同，尤其當電抗22器正負半周觸發不對稱時，電抗器電流將包含包括直流分量在內的所有頻譜的諧波，直流分量可能使變壓器飽和，這會進一步增大諧波含量和損耗。因此，在實際中超過12脈波的TCR很少投入應用。2.3.3TCR與濾波器并聯以上兩種方法，都是在理想狀況下分析的結果，然而，在電力系統中存在諸多因素導致TCR產生大量的非特征諧波，如(1)TCR端電壓幅值與相位不平衡；(2)電抗器參數的差異；(3)觸發角的不對稱；(4)每相在正負半波內觸發角不對稱等。此時，采用前述方法將難以達到濾波要求，因此可以考慮配置無源或有源濾波器進行消除。工程中考慮成本和晶閘管同步觸發的問題，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，必須裝設并聯的濾波,器，它通常由串聯LC或LCR電路構成，通過一定的參數配置，形成針對5,7,11等次諧波通道，從而減少注入到系統的諧波電流。對裝設于三相電力系統中的TCR型靜止無功補償裝置而言，由于系統諧波含量相對較少而且比較穩定，主要諧波源也就是補償裝置本身，因此設計起來相對簡單，一般只需裝設5次以上的單調諧濾波器即可，必要時裝設高通濾波器。但對應用于補償沖擊性負載的補償裝置，在設計濾波器時，不僅要考慮裝置本身產生的諧波，還需考慮負載側產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的發展，有源濾波器得到了越來越廣泛的應用，而綜合了無源濾波器可靠性高、結構簡單、造價低和有源濾波器可以有效消除多次23諧波，同時對系統參數不產生影響的優點的混合型濾波器正在得到越來越廣泛的關注。2.4FC-TCR型靜止無功補償裝二的結構與工作原理單獨的TCR的基波電流總是滯后電壓的，只能吸收感性無功功率，因此在實際應用中通常是將TCR與固定電容器(FixedCapacitor-FC)并聯配合使用，這樣可將無功功率的補償擴展到超前范圍，使補償裝置既能向供電系統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)型靜止無功補償裝置的單相結構原理如圖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延遲控制，形成連續可控的感性電抗，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的單向結構原理實際應用中，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，產生需要的容性無功，而在特定頻段內表現為低阻抗，從而能對TCR產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無功需求之間的關系曲線?？v坐標為無功輸出，橫坐標為無功需求，最下面的平行線表示FC輸出的容性無功(假設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的無功輸出與系統無功需求之間的關系當需要最大容性無功輸出時，將TCR支路斷開，即令晶閘管觸發延遲角0,=即可。逐漸減少觸發延遲角，則TCR輸出的感性無功增加。在零無功功180率輸出點上，FC輸出的容性無功和TCR輸出的感性無功正好互相抵消。進一步,,減小，則TCR輸出的感性無功超過FC輸出的容性無功。當觸發延遲角減0小到時，TCR支路全導通，裝置輸出的感性無功最大。如此，即可實現從容90性無功到感性無功輸出的平滑調節。并聯固定電容器后，補償裝置的總等效補償電納與TCR的晶閘管觸發延遲,角的關系變為：B,B(,)，B(2.20)STCRC252.5TCR的控制方法與策略TCR的控制系統應能檢測系統的有關變量，并根據檢測量的大小以及給定(參考)輸入量的大小，產生相應的晶閘管觸發延遲角，以調節補償器吸收的無功功率。因此，其控制一般應包括以下三部分電路：(1)檢測電路:檢測控制所需的系統變量和補償器變量；(2)控制電路：為獲得所需的穩態和動態特性，對檢測信號和給定(參考)輸入量進行處理；(3)觸發電路：根據檢測電路輸出的控制信號，產生相應觸發延遲角的晶閘管觸發脈沖。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，取決于用戶對補償器功能的要求。但總體來講，TCR的控制策略可以分為開環控制和閉環控制兩大類。開環控制的優點是結構簡單、響應迅速，適用于波動負荷及干擾大的場合，尤其在抑制電壓閃變方面有很好的效果;而閉環控制系統比開環控制系統增加了一個反饋網絡，其優點是精確，穩定性高，對于輸電補償，特別是那些離負荷和電源都較遠的輸電線的中間點，以及負荷干擾不大、控制質量要求較高的場合，則更適用于閉環控制。不論是開環控制，還是閉環控制，控制電路輸出的控制信號一般是期望補償器所具有的等效電納，也就是補償器等效B電納參考值。當然，也有某些設計，其控制算法直接得到觸發脈沖而未出現refB代表的顯式信號。ref2.5.1信號檢測根據對補償器所期待的功能，被檢測的信號應包含下列物理量中的一個或幾個(1)系統電壓；(2)流過傳輸線或補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)系統頻率及其導數等。應當注意的是，控制當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一步處理。最近，根據瞬時無功功率理論進行無功功率和諧波檢測的方法已廣泛應用于SVC控制系統中。2.5.2開環控制系統開環控制即無反饋的控制系統，它根據被控對象的性質和控制目標，實時監視被控對象的特性變量，然后以一定的規律得出控制量并實施，圖2.8所示為TCR開環控制系統結構框圖。ULoadBBLLoad,觸發脈線性化,,B(,sin)-Lmax電網SC沖形式環節I,LoadBref觸發電路TCR主電路控制電路圖2.10TCR的開環控制系統其控制原理如下：(1)首先由一個稱為電納計算器的功能模塊(SC)，通過測量負載上的電壓和B電流，經計算得到負載的等效電納。loadB(2)控制電路輸出的控制信號一般是補償器等效電納的參考值。refB(3)從式(2.10)可知，導通角與TCR等效電納之間是非線性關系，為了,L克服這種非線性的影響，通常在觸發電路的輸入端與觸發脈沖形成環節之間插入一個線性化環節，以補償導通角與實際等效電納之間的非線性。線性化環節的插BB入實現了等效電納的參考值與實際值之間的線性關系。refL27開環前饋控制的優點是結構簡單、響應迅速，但精確性較差，而且對于系統參數變化所引起的控制偏差沒有校正能力。因此開環前饋控制方法通常僅用于需要快速響應且精度要求不高的負載補償。2.5.3閉環控制系統根據控制理論的基本原理，要得到穩定的電壓，必須引入電壓的負反饋控制，以前述的開環控制為基礎構造的閉環控制系統如圖2.9所示。UULoadLB線性化觸發TCRLoad-電網SC環節主電路ILoadBrefUPIref控制器-UL圖2.11TCR的閉環控制系統UU通過檢測系統母線電壓與系統電壓參考值作比較，其差值按照一定refLB的控制規律(如PI控制規律)，由PI控制器調節補償器等效電納的參考值，ref從而改變負載母線上總的無功電流大小，調節線路和變壓器上的壓降，直到被檢測點電壓誤差減少到可接受的水平為止。閉環控制的優點是精確度高、穩定性好，閉環控制的響應速度和穩定性是由閉環系統得的開環放大倍數和時間常數共同決定的。更高性能的的控制系統中通常將前饋控制與反饋控制結合起來，利用前饋控制的快速響應特性和反饋環節的精確調節特性，達到最優的補償效果。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，由于其強大的數值運算能力和開放靈活的應用界面而在科學技術和工程應用的各個領域得到廣泛的應用，Simulink是在MATLAB環境下用于動態建模和仿真應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、離散及兩者混合的線性和非線性系統，也支持具有多種采樣速率的多速率系統。1998年底，Mathworks公司在MATLAB仿真軟件最新版本5.2中添加了電力系統模塊(PowerSystemBlocket-PSB)，該模塊使電力系統工程師們從復雜的電力系統計算中解脫出來，把電力系統的數字仿真推向新的領域。2.6.1單相TCR的仿真,使用MATLAB/Simulink中的PSB對單相TCR的觸發脈沖角與流過電抗器L電流的關系進行仿真，以驗證前面所推導的結論，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用來觀測兩個觸發脈沖，示波器Scope2用來觀測電感電流。兩個脈沖發生器(PGl和PG2)分別用來產生晶閘管VT1和VT2的觸發脈沖，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與晶閘管觸發脈沖角的關系為t=T/360。為了觀測觸290000發脈沖角,分別為、、和時的電抗器電流波形，所以脈沖發生90120150180器的脈沖延遲時間如表2.2所示，仿真結果如圖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所示的仿真結果可以看出，當時，晶閘管全導通，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，晶閘管部分區間導通，0電流幅度逐漸減小，電流波形也變得不規則，即產生了大量諧波。當時，,,180晶閘管不投入運行，電抗器中電流幾乎為0。此結果驗證了通過改變TCR的觸,發脈沖角，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考慮當時的情況，設，觸發脈沖分別為周期的5%和25%時，,,90,,60電抗器電流仿真結果如圖2.14所示(a)觸發脈沖為周期的5%31(b)觸發脈沖為周期的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，當晶閘管VT1的觸發脈沖到達時，由于電,,90,t,,2流仍為負值，VT2仍在導通，VT1不可能導通，直到時，i=0，電壓仍為正，VT1在其觸發信號的作用下才開始導通，形成正向電流。同理，當到達時，VT2的觸發信號不能及時使VT2導通，直到,t,3,2,i=0，電,t,,，,0壓仍為負值，VT2的觸發信號才能使VT2導通形成負半波電流。因此，當,,90000時，電路的導通情況與時一樣，導通角恒為。另外，當，為,,90180,,90,t,,2,t,3,2了和時，VT1和VT2能開始導通，觸發脈沖寬度應增加900，寬度增大為周期的25%。0由圖2.14可知，當時，電流波形己經偏離X軸，沿Y軸正向平移了,,90,一段距離，即電流中產生了一定的直流分量。所以觸發脈沖角的有效調節范圍00只能是90,180。2.7本章小結本章首先介紹了TCR的基本結構和工作原理，分析了TCR的諧波特性，并介紹了6脈波TCR和12脈波TCR的結構、特性以及TCR與固定電容器并聯組成的FC-TCR型靜止無功補償裝置的結構和工作原理，FC-TCR能將無功功率的補償擴展到超前范圍，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的開環和閉環控制策略。最后，通過對單相TCR和6脈波TCR進32行MATLAB/Simulink仿真分析，驗證了通過調節晶閘管觸發延遲角就能夠調節TCR支路電流，從而調節系統無功功率，以及采用三相6脈波TCR能夠有效消除零序諧波，改善TCR的補償性能。33第三章電力濾波器的結構與原理第三章電力濾波器的結構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方法，目前仍是應用最多的方法，但它存在較難克服的缺點。有源電力濾波器是一種用于動態抑制諧波、補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行補償，克服了無源濾波器的缺點，目前已被廣泛使用。將無源濾波器和有源濾波器相結合構成的混合型有源電力濾波器(HybridActivePowerFilter-HAPF)，取兩者之長，補其之短，有助于減少諧波補償系統的初期投資，提高性價比，達到APF實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、電阻經適當組合而成的濾波裝置。它具有結構簡單、設備投資少、運行可靠性高、運行費用較低等優點，至今仍是應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，除可以濾除諧波外，還兼起到無功補償的作用。無源濾波器又可分為單調諧濾波器、雙調諧濾波器、高通濾波器。實際應用中常將幾組單調諧濾波器和一組高通濾波器組成功能更強大的復合無源濾波裝置。343.1.1單調諧濾波器Zfn012,n,1(a)電路原理圖（b）阻抗頻率特性圖3.1單調諧濾波器原理及阻抗頻率特性單調諧濾波器為R、L、C串聯組成，三相可接成星形或三角形。如圖3.1(a),,n,,所示是單調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，下標戶表示第n次單調諧濾波器。由式(3.1)可畫出濾波器阻抗隨頻率變化的關系曲線，如圖3.1(b)所示。單調諧濾波器是利用串聯L,C諧振原理構成的，諧波次數n為1,（3.2）n,LCSRRZ,R在諧振點處，,因很小，n次諧波電流主要由分流，很少流入電網fnfnfnfnZ,,R中。而對于其他次數的諧波,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設定為需要濾除的諧波次數一樣，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構與原理,電力系統在實際運行中工頻角頻率對額定工頻總有一定的偏差，這將,S1使各次諧波頻率發生相應的偏移。這樣，當取濾波器的諧振頻率與系統額定頻率下的某次諧波頻率相等時，在系統頻率發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，，設濾波器的品質因數為Q，則LC,nL11（3.5）Q,,,Rn,CRRfn1fnfn2因為，所以，由式（3.5）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，單調諧濾波器在時有最fn好的濾波效率，注入電網的諧波電流最小。由式(3.7)可以繪出濾波器濾波效率與濾波器品質因數Q和角頻率相對偏差的關系曲線，如圖3.2所示。,365Q=1004Q=503Q=302Q=2010-0.04-0.0200.020.04,(%)圖3.2濾波效率與品質因數Q和角頻率相對偏差的關系曲線,由圖3.2可知，單調諧濾波器的濾波效率與和Q有直接關系。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不大，但效率較低，此時損耗也比較大。所以，Q