晶闸管可控电抗器（精选三篇）
晶闸管可控电抗器 篇1
在电力系统中, 无功补偿器的应用日益增多, 因为它能保持电力系统中的电压稳定, 在受到干扰后, 能在最短时间内给系统补偿无功功率。但因它们包含了电力电子器件, 必然就会产生谐波。由晶闸管控制电抗器 (简称TCR) 和电力系统相互作用产生的谐波有时会引起稳定性问题。
20世纪70年代以来, 由于电力电子技术的飞速发展, 各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛, 谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分关注, 国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议, 不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。
Math Works开发的Sinmulink是MATLAB中重要软件工具之一, 其主要的功能是实现动态系统建模、仿真与分析, 从而在实际系统制作出来之前, 可以预先对系统进行仿真与分析, 并可以对系统做适当的实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数, 以提高系统的性能, 减少系统设计过程中反复修改的时间, 实现高效率地开发系统的目标[1]。
1 TCR基本原理
IEEE将晶闸管控制电抗器 (TCR) 定义为一种并联型晶闸管控制电抗器, 通过控制晶闸管的导通时间, 它的有效电抗可以连续变化[2]。如图1所示, 基本的单相TCR由反并联的一对晶闸管阀T1、T2与一个线性的空心电抗器相串联组成。反并联的一对晶闸管就像一个双向开关, 晶闸管阀T1在供电电压的正半波导通, 而晶闸管阀T2在供电电压的负半波导通。
TCR触发角α的可控范围是90°~180°。当触发角为90°时, 晶闸管全导通, 此时TCR中的电流为连续的正弦波, 基波电流和无功功率的吸收最大;当触发角从90°变到接近180°时, 晶闸管全关断, 电流减小到零, 发出无功功率最小, 数值为零。当触发角低于90°时, 将在电流中引入直流分量, 从而破坏2个反并联阀支路的对称运行[3]。单相TCR回路的电压和电流的波形如图2所示。
2 TCR电流分析
2.1 单相TCR电流分析
TCR电流的有效值是触发角α的函数, α的可控范围是90°~180°在准静态情况下, itrc (t) 为偶函数且具有半波对称性, 进行傅里叶分解后TCR电流仅有余弦项且不存在偶次谐波, 基波电流及各次谐波电流有效值的表达式为[4]:
假设接入TCR的电源电压为正弦信号, 即:
由图1可得到如下表达式:
假设初始时刻响应为零状态响应, 即:
可得到电流itrc (t) 的电路方程:
对电抗器的电流波形进行傅里叶分解:
其中
电流的等效基波的有效值为:
各次谐波的电流有效值为:
式中:I1为基波电流;U为系统线电压;ωL为相控电抗器电抗值;α为触发角;In为谐波电流;n为谐波次数, n=2k+1 (k=1, 2, …) 。
2.2 三相TCR电流分析
一个六脉冲的三相TCR由3个单相的TCR按三角形联接方式连接而成, 如图3所示。如果三相系统是对称的, 且所有晶闸管是对称触发, 即相间对称晶闸管触发角相差120°, 每一相中的一对反向晶闸管触发角相差180°, 那么在正半波和负半波中就会出现对称的电流脉冲, 因而只产生奇次谐波。然而在负载端, 由于三次谐波在三角形负载内流动, 故在电力系统中没有三次谐波。
3 MATLAB仿真分析
3.1 触发角α的参数设定
选择三相电压源频率为工频f=50 Hz (周期T=2π) , 由晶闸管相间相差120°, 相内相差180°的原理, 选择α角在90°~180°之间变化, 可以得到一系列触发角。
3.2 TCR仿真分析
依据TCR工作原理与数学模型, 在MATLAB/Simulink中建立TCR三相电路仿真, 通过仿真得到的数据可以看出, 在90°~180°随着触发角的不断增大, 基波电流有效值和峰值电流均不断减小, 在α=90°处达到最大值, IPeak=17.70 A, Irms=12.56 A, THD (总谐波失真) =14.61%, 在α=180°处最小 (约等于零) 。以触发角等于90°时波值变化如图4所示。
当触发角α=150°时, 基波电流有效值Irms=3.595 A, IPeak=5.084 A, THD=53.46%。其仿真结果如图5所示。
由图5中的FFT analysis可计算出各次谐波的电流有效值, 如表1所示。
由图4、5可知, Signal栏中显示的是A相电抗器上的电流波形, FFT analysis栏中显示的是对Signal栏中电流波形的快速傅里叶分解。当α=90°时, 晶闸管全导通, 此时TCR中的电流为连续的正弦波, 基波电流有效值达到最大值Irms=12.56 A, 几乎不存在谐波。
3.3 对仿真结果进行数学处理
TCR的触发角可控范围是90°~180°, 而为了保证晶闸管能够可靠的触发, 工程中TCR的触发角一般限定在110°~165°之间[5,6]。根据仿真结果, 选择触发角触发范围在90°~180°之间, 可得如图6所示的以基准电流有效值为10 A的基波及各次谐波电流有效值 (标幺值) 随触发角变化的曲线, 其中主坐标轴只对应黑色线描述的基波, 其他各次谐波的描述情况均在副坐标轴上体现。
由图6可知, 基波电流标幺值在0.056 5~1.256之间连续变化, 当触发角为90°时达到最大, 触发角为180°时最小;3次谐波电流标幺值在0.0481~0.189 9之间连续变化, 在触发角为140°时达到最大;5次谐波电流标幺值在0.004 5~0.067 6之间连续变化, 在触发角为120°时达到最大;7次谐波电流标幺值在0.003~0.029 8之间连续变化, 在触发角为110°时达到最大;9次谐波电流标幺值在0.002 8~0.018 3之间连续变化, 在触发角为90°时达到最大;11次谐波电流标幺值在0.001 5~0.013 6之间连续变化, 在触发角为110°时达到最大。
4 结论
介绍了TCR的基本原理及其谐波产生的原因, 在MATLAB中的Simulink仿真环境下对三相TCR进行了建模与仿真, 仿真结果与之前的理论推理计算相吻合, 初步达到了TCR谐波与α角关系的研究目的, 为今后做无功补偿器或滤波器等打下基础。
摘要：阐述了晶闸管控制电抗器 (TCR) 的谐波与触发角α的关系, 依据电路理论、电力电子技术和傅里叶分解对系统及模型进行了理论分析与计算, 采用MATLAB对整个模拟系统进行了仿真, 通过改变触发角α, 得到了基波及各次谐波在不同触发角下的变化结果, 其结果表明了TCR谐波受到触发角α的影响。
关键词：TCR,傅里叶分解,MATLAB,谐波
参考文献
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晶闸管可控电抗器 篇2
关键词：磁控电抗器；磁阀；无功补偿；DSP
中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0024-02
无功功率对电气设备建立和维持交变磁场起着至关重要的作用。电力系统总体表现为感性，如果负荷中滞后的感性无功功率得不到补偿或由于电容的投切使得补偿的容性无功过多，则电网的功率因数就不能处于合理范围内，所以实现无功功率在电网中的平衡是保证电压质量的基本条件。20世纪80年代中期前苏联学者提出了磁阀式可控电抗器（MCR），通过控制晶闸管的导通时间来得到电路所需的直流电流，从而获得相应的直流偏磁。通过交直流磁场的叠加来控制小面积磁阀段的饱和度，最终达到平滑调节电抗器输出容量（即无功功率）的目的。磁阀式可控电抗器成本较低、结构简单、控制方便、可靠性高，目前已成功应用于中高压电网无功控制电气化铁路动态无功功率补偿系统，高压电机磁控软启动中。本系统采样“ARM+DSP”的双核结构，该结构在相关检测领域早有应用。本研究首先分析磁阀式可控电抗器的电路原理，继而分析整套无功补偿装置的原理，然后对控制系统的相关硬件和软件进行设计，最后进行MCR的运行调试。
1 磁阀式可控电抗器的工作原理
磁阀式可控电抗器（Magnetic Control Reactor，简称MCR）的铁芯采用磁阀结构，通过调节晶闸管的导通时间，控制绕组中的直流电流大小，从而控制小面积磁阀的饱和程度，以此来控制电抗器的感性无功输出。磁控电抗器的原理如图1所示。
在一个工频周期内，晶闸管K1、K2轮流导通。二极管在K1、K2不导通时，起到续流作用，通过改变K1、K2的触发角，可以改变感性电流的输出，对输出的感性无功进行调节，最终对输出的无功进行调节。当α=180°时，晶闸管不导通，电抗器处于空载状态，铁芯不饱和，电抗器磁阻很大，电感值为最大值，无功补偿输出最小；当α为一定角度时，磁阀部分处于饱和状态，此时磁阻最小，电感达到最小值，无功补偿输出最大。因此，可以根据系统负荷的变化，实时调节电抗器的输出容量，保证电网的高功率因数。
2 磁阀式可控电抗器动态无功补偿装置原理
图2为无功补偿系统，磁阀式可控电抗器可直接连接在高压电网上，电抗器采用工作绕组和控制绕组分开的接线形式，工作绕组一般采用三角形连接方式。整个系统由磁控电抗器、固定补偿电容器和滤波装置组成。当电容器组过补，系统处于容性状态时，可增大晶闸管的导通角，增大感性无功输出，抵消过补的容性无功，使系统处于感性的高功率因数状态。当系统处于感性的低功率因数状态，而投电容又过补时，减小晶闸管的导通角，减小感性无功输出，提高系统功率因数。
3 控制系统设计
3.1 控制装置硬件结构
3.1.1 DSP芯片。系统采用的DSP芯片为AD公司的BF506F，该芯片属于Blackfin处理器家族中的BF50x系列，具有4MB可执行闪存以及ENOB为11+的真12位双通道SAR ADC。BF506F的内核时钟频率为400MHz，外设集包括2个三相PWM单元、1个ADC控制模块、2个SPI接口、2个SPORT接口、1个CAN控制器、1个PPI、8个通用计数器以及1个移动存储器接口。
3.1.2 采样模块。一共有9路采样，分别是母线三相电压、母线三相电流和MCR本体三相电流。每一采样电路都经过两级互感器的转换，最后变为电流信号进入DSP，进入DSP之后利用FFT算法进行计算。
3.1.3 触发模块。利用PWM波将触发信号通过光纤发出，改变晶闸管的触发角，从而改变晶闸管的导通时间。
3.1.4 通信模块。DSP有两个串口，一个连接ARM，由ARM控制液晶屏，屏幕显示三相电压、母线电流、MCR本体电流、有功功率、无功功率、功率因数等，便于值班人员监测。另一串行口可根据外部通信协议的需要自行设置，如RS-485、101规约等。
3.1.5 故障保护模块。磁控电抗器本体故障量有温度、压力、瓦斯、过流、过压，当检测到这些信号时，需采取相应措施对电抗器进行保护。
3.2 系统软件设计
软件设计流程图如图4所示。通过对电网的电压、电流进行采样，可以计算出所需补偿的无功大小，再控制晶闸管的触发角，从而达到补偿系统无功的目的。
4 实验波形
5 结语
本研究设计和制作了磁阀式可控电抗器的控制装置，由DSP继续相关电量的采集、处理，通过这些数据采用无功功率调节算法进行计算，最后输出相应的触发脉冲。利用ARM建立简单的人机交互界面，方便用户进行操作。实验结果表明该系统能够有效地对电网系统进行无功补偿。
参考文献
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晶闸管可控电抗器 篇3
在冶金供电系统中, 诸如轧机、转炉、电弧炉等大容量非线性冲击性负载越来越多, 它们产生的大量谐波不仅导致电网电压波形畸变, 而且无功功率的冲击还导致了供电母线电压波动和闪变, 对供电系统安全运行及系统中其他设备产生了不良的影响[1,2,3,4]。
晶闸管控制电抗器 (Thyristor Controlled Reactor, TCR) 型动态无功补偿技术将传统的LC无功功率补偿/滤波技术与晶闸管控制电抗器技术相结合, 不仅解决了谐波的治理问题, 而且还利用电抗器感抗可调控技术实现了无功功率动态补偿, 能够实时地补偿系统无功功率以抑制电压波动、闪变等[5,6,7,8]。由于TCR采用晶闸管控制电抗器通断而产生大量谐波, 设计时往往忽略谐波造成的影响而导致电抗器烧毁现象时有发生, 因此, 必须对谐波进行分析以选择合适的TCR参数, 保证TCR装置安全稳定运行。
1 谐波分析及电感L计算
若TCR两端电压为UAC=Usinωt, 则按照电路原理可将TCR等效成如下电路方程[9,10]:
解公式 (1) 可得电流表达式 (2) 为:
其中, φL为功率因数角 (rad) , α为晶闸管控制角 (rad) , R为电抗器电阻值 (Ω) , L为电抗器电感量 (H) , ω为电源额定角速度 (rad/s) 。
由于电抗器中R<<ωL, 所以功率因数角:
按照傅里叶变换原理, 可将电流表达式 (2) 进行分解以获得基波电流及各次谐波电流的表达式如下:
若电抗器等效感抗为L', 则电抗器补偿的基波感性无功功率为:
此时各次谐波感性无功功率为:
按照不同控制角α可以计算获得谐波无功功率与基波无功功率之间的比例系数, 按照控制角α∈ (102~165。) 的取值范围, 图1描述了不同控制角时谐波无功功率与基波无功功率之间的比例关系。
从图1中可以发现谐波与基波无功功率比值曲线呈钟形, 谐波消耗的功率最高接近基波功率的20%, 在控制角α=140°时达到最大, 在控制角α=102°时最小。谐波损耗能够导致电抗器发热量增大, 因此必须合理计算电感量L以防止电抗器因为发热而烧毁。按照公式 (4) 可得电抗器阻抗为:
分析公式 (8) 可知随着控制角α的增大, 电抗器阻抗Z也越来越大, 令:K=π/[2 (π-α) +sin 2α]为电抗器阻抗放大系数, 则其变化曲线如图2所示。为了更加清楚分析不同控制角时电抗器总无功功率损耗, 图2还描述了基波与谐波总无功功率随控制角α变化的情况。这里基波无功功率Q1和总无功功率QS为:
为了便于分析基波/谐波无功功率随控制角变化的趋势, 令K'=[2 (π-α) +sin 2α]/π为无功功率的系数。
为总无功功率系数。
从图2中可知控制角α=102°时虽然谐波与基本无功功率之比最小, 但是由于此时基波无功功率最大导致电抗器总功率最大, 因此电抗器电感量L需要按照此时工况进行计算。假设系统需要补偿的单相最大感性无功功率为QTCR, 则按照公式 (9) 可知电抗器电感量L为:
按照α=102°可计算得到:
此时电抗器能够承受的最大无功功率为:
若考虑谐波的影响则按照公式 (10) 可知时α=102°总无功功率为QS=1.018 1QTCR
2 TCR型SVC在冶金系统中的应用
某炼钢车间有容量为80 MVA的电炉和容量20 MVA精炼炉各1台, 预留2台容量21 MVA×2的精炼炉, 其中电炉和精炼炉一次侧电压为35 k V, 由1台容量140 MVA、220/35 k V变压器供电。为了提高现场功率因数, 抑制电压波动, 消除谐波影响及三相不平衡, 需要在35 k V母线上加载TCR+FC型SVC装置。为使预留2台精炼炉今后正常工作, 因此SVC容量需考虑预留LF炉用电负荷。经推算SVC容量取110 Mvar, 其中TCR参数如表1所示, FC参数如表2所示。这里TCR每相电感值按照公式 (11) 计算得到:
安装TCR+FC型SVC装置后, 炼钢车间电能质量得到明显改善, 表3对比了安装TCR+FC型SVC装置前后的35 k V母线、电炉、精炼炉三处电压、电流、功率因数等变化情况。从表3中可知安装TCR+FC型SVC装置后系统功率因数得到明显提高, 母线电压得到也同时得到提升, 2台电炉和精炼炉功率因数有小幅度的增加。该TCR装置经过实际测试一直处于稳定运行状态, 表明本文推导的TCR电抗器电感计算方法是科学合理的, 对工程实际具有指导作用。
3 结语
通过理论分析发现晶闸管控制电抗器谐波损耗在控制角α=140°时与基波无功功率之比最大, 在控制角α=102°时最小。而电抗器总无功功率在控制角α=102°时最大, 按照此时工况计算电抗器参数能够得到保证TCR安全运行的电感量L。将上述理论分析结果应用于炼钢厂无功补偿装置参数设计, 通过对比补偿前后母线电压、功率因数、母线电流等数据可以发现补偿器具有优良的动态无功补偿能力, 在各种工况条件下运行稳定, 验证了本文的分析及其电抗器电感量计算方法的合理性与有效性。
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