TCR-TSF型滤波补偿装置的研究
|
摘要
随着我国经济的迅速发展,冶金行业中越来越多的可逆型冷轧机、轧管机、穿孔机、电焊机等冲击性负荷接入电网。这类负荷为非线性负荷,功率因数比较低,运行时产生大量的谐波电流注入电网和造成电网电压波动与闪变及三相不平衡,降低了电网的供电质量,影响系统中的其他用户。
本文首先分析谐波和无功功率的影响,接着分析了谐波抑制及无功补偿方面的相关理论及其各种装置的发展过程。然后详细分析了TCR、TSF装置的原理和特点。在相对成熟的TCR、TSF装置的基础上,分析了TCR-TSF型滤波补偿装置的工作原理和控制方法。采用基于瞬时无功功率理论的dq同步坐标变换法来检测系统电压、电流、有功功率、无功功率和补偿导纳的计算方法,分析了TSF投切策略和TCR控制角的计算方法及控制方案。设计了以TI公司DSP处理器TMS320F2812为核心的控制系统。在控制系统的硬件方面,完成了控制器的信号采集及调理电路、同步检测电路、AD采样电路以及DSP外围电路设计和调试,并完成了TCR脉冲传送电路、TSF过零触发电路的设计。在控制系统的软件方面,进行了控制器的采样、计算、触发等程序模块的编写。
最后利用MATLAB的Simulink工具箱建立TCR-TSF型滤波补偿装置模型进行仿真实验,并分别进行TCR、TSF性能实验。实验结果表明TCR-TSF滤波补偿装置有较好的谐波抑制及无功补偿功能、很好的动态响应性能,同时也验证了控制策略的有效性和可行性,能够实现预期的功能。
There are lots of non-linear loads in distribution power grid with the rapid expansion of our Chinese national economy.They have the electric characteristie of low power factor. When been working,they bring much power quality problems such as low power factor,runn-ing a large amount of harmonic current injection network,voltage fluctuations flicker and three phase unbalance,reducing the quality of power supply,affecting other users of system.
In this paper,affection of harmonic and reactive power has been analyzed at first,and then the relevant theories of reactive power compensation and harmonic suppression the development of reactive power compensation devices have been introduced.TCR and TSF and their principles and characteristics have been analyzed. This paper analyzes the working principle and control method of TCR-TSF filter device based on the TCR and TSF.The dq coordinate transformation method to detect the system voltage, current, active power, reactive power and compensation for the calculation of admittance based on instantaneous reactive power theory synchronous hae detailed analyzed, the switching strategy of TSF and the method of TCR control angle calculation and TCR control scheme have been analyzed. A control system of TCR-TSF based TMS320F2812 has been designed.
On the hardware side,signal acquisition circuit, synchronous detection circuit,AD sampling circuit and peripheral circuit of DSP have been designed and debugged,the circuit of TCR pulse transmission and TSF zero trigger has also been designed. On the software side, the controller's sampling, calculation and trigger the preparation of such program modules have been designed.
Finally, the simulation model of TCR-TSF filter device based Simulink of MATLAB's toolbox has been established.Test of TCR and TSF has beed completed respectively. The result show that a TCR-TSF filter device has excellent behavior to restrain harmonic and compensate reactive power and good performance of dynamic response, also verifies the effectiveness and validity of control strategy and realize the functions anticipated.
本文首先分析谐波和无功功率的影响,接着分析了谐波抑制及无功补偿方面的相关理论及其各种装置的发展过程。然后详细分析了TCR、TSF装置的原理和特点。在相对成熟的TCR、TSF装置的基础上,分析了TCR-TSF型滤波补偿装置的工作原理和控制方法。采用基于瞬时无功功率理论的dq同步坐标变换法来检测系统电压、电流、有功功率、无功功率和补偿导纳的计算方法,分析了TSF投切策略和TCR控制角的计算方法及控制方案。设计了以TI公司DSP处理器TMS320F2812为核心的控制系统。在控制系统的硬件方面,完成了控制器的信号采集及调理电路、同步检测电路、AD采样电路以及DSP外围电路设计和调试,并完成了TCR脉冲传送电路、TSF过零触发电路的设计。在控制系统的软件方面,进行了控制器的采样、计算、触发等程序模块的编写。
最后利用MATLAB的Simulink工具箱建立TCR-TSF型滤波补偿装置模型进行仿真实验,并分别进行TCR、TSF性能实验。实验结果表明TCR-TSF滤波补偿装置有较好的谐波抑制及无功补偿功能、很好的动态响应性能,同时也验证了控制策略的有效性和可行性,能够实现预期的功能。
There are lots of non-linear loads in distribution power grid with the rapid expansion of our Chinese national economy.They have the electric characteristie of low power factor. When been working,they bring much power quality problems such as low power factor,runn-ing a large amount of harmonic current injection network,voltage fluctuations flicker and three phase unbalance,reducing the quality of power supply,affecting other users of system.
In this paper,affection of harmonic and reactive power has been analyzed at first,and then the relevant theories of reactive power compensation and harmonic suppression the development of reactive power compensation devices have been introduced.TCR and TSF and their principles and characteristics have been analyzed. This paper analyzes the working principle and control method of TCR-TSF filter device based on the TCR and TSF.The dq coordinate transformation method to detect the system voltage, current, active power, reactive power and compensation for the calculation of admittance based on instantaneous reactive power theory synchronous hae detailed analyzed, the switching strategy of TSF and the method of TCR control angle calculation and TCR control scheme have been analyzed. A control system of TCR-TSF based TMS320F2812 has been designed.
On the hardware side,signal acquisition circuit, synchronous detection circuit,AD sampling circuit and peripheral circuit of DSP have been designed and debugged,the circuit of TCR pulse transmission and TSF zero trigger has also been designed. On the software side, the controller's sampling, calculation and trigger the preparation of such program modules have been designed.
Finally, the simulation model of TCR-TSF filter device based Simulink of MATLAB's toolbox has been established.Test of TCR and TSF has beed completed respectively. The result show that a TCR-TSF filter device has excellent behavior to restrain harmonic and compensate reactive power and good performance of dynamic response, also verifies the effectiveness and validity of control strategy and realize the functions anticipated.
引文
1. Bimalk, Bose, Life Fellow. Energym environment and advances in power electronics. IEEE Transactions on Power Electronics,2000,15(4):688-700
2. Julio Barros, Ramon I. Diego. Analysis of Harmonics in Power Systems Using the Wavelet Packet Transform[C]. Instrumentation and Measurement Technology Conference. Ottawa, Canada, May 2005,1484-1488
3. IEEE working Group on Nonsinusoidal Situation. Practical Definitions for Powers in System with Nonsinusodial Waveforms and unbalanced loads. PWRD-11 NO.1,1996.
4.陈珩.电力系统稳态分析.北京：水利电力出版社,1995
5.李光琦.电力系统暂态分析.北京：水利电力出版社,1993
6.吴竟昌,孙树勤.电力网中的谐波[M].北京：中国电力出版社,1998,36-48
7.张直平,李芬辰.城市电网谐波手册[M].北京：中国电力出版社,2000
8.李晟,张南林,申林等.低压型静止无功补偿器在工程中的应用[J].冶金动力,2008(6)：7-10
9.彭海应,朱义苏.一种新型的谐波抑制及无功补偿装置[J].水电站机电技术,2005,28(4)：21-24
10.蔡超,张亚迪.晶闸管投切滤波器TSF的研究[J].江苏电器,2007(3)：48-51
11.周之光,周腊吾,朱英浩.晶闸管控制电抗器电路的谐波和稳定性分析[J].仪器仪表用户.2006(5)：148-150
12.陈建业,蒋晓华等.电力电子技术在电力系统中的应用[M].北京：机械工业出版社,2008
13.王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社,1998
14.李世林,刘军成.电能质量国家标准应用手册[M].北京：中国标准出版社,2007
15.吴竟昌,孙树勤.电力网中的谐波[M].北京：中国电力出版社,1998,36-48
16.(新西兰)阿里拉加.林海雪,范明天等译.电力系统谐波[M].北京：中国电力出版社,2008
17.(奥地利)乔治(George,J.W).徐政,译.电力系统谐波[M].北京：中国电力出版社,2003
18.全国电压电流等级和频率标准化技术委员会编.电压电流频率和电能质量国家标准应用手册[M].北京：中国电力出版社,2001
19.国家技术监督局.电能质量公用电网谐波(GB/T14549-93).1993
20.夏道土.高压直流输电系统的谐波分析及滤波[M].北京：水利电力出版社,1994
21.王群,姚为正,刘进军等.电压型谐波源与串联型有源电力滤波器[J].电力系统自动化, 2000,24(7)：30-35
22.周雒维,罗全明,周林.积分复位控制三相六开关Boost型功率因数校正[J].电工技术学报,2002,17(5)：20-24
23.姜齐荣,谢小荣,陈建业.电力系统并联补偿-结构、原理、控制与应用[M].北京：机械工业出版社.2004.8
24.谢小荣,姜其荣.柔性交流输电系统的原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2006
25. Gyugyi L.A unified power flow concept for flexible AC transmission systems[J].IEE Proc C,1992,139(4):323-333
26.刘华东,郭育华,王卫安,等.一种混合型静止无功补偿装置的设计及其应用[J]变流技术与电力牵引.2008.2：51-55
27.盘宏斌,罗安,涂春鸣,等.并联型高电能质量调节装置的研制[J].电网技术,2009,33(1)：11-16
28. An Luo, Zhikang Shuai, Wenji Zhu, etc. Combined system for harmonic suppression and reactive power compensation[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics.2009, 56(2):418-428
29.黄黎芬,姜建国.一种新型基于双闭环PID控制的SVC控制系统研究[J].系统仿真学报,2007,19(8)：1803-1806+1868
30.彭建春,黄纯,王耀南.静止无功补偿器的智能自适应PID控制器的设计[J].河南大学学报,1999,25(5)：50-55
31.丁仁杰,张曙光.基于瞬时无功功率理论和模糊控制的新型SVC控制算法[J].电力自动化设备,2008,28(11)：26-29.
32.米勒TJE主编.电力系统无功功率控制.北京：水利电力出版社,1990
33.杨啸天.电力系统谐波分析、测量、评估计算与抑制及滤波新技术实务全书[M].北京：中国电力科技出版社,2006
34.钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册(上册)[M].北京：冶金工业出版社,1996：350-351
35.傅光祖.具有最佳滤波效益的交流滤波装置设计[J].电网技术,1988(1)：51-53
36.傅光祖.按滤波效益确定交流滤波器的主参数[J].浙江电力,1987(1)：9-30
37.电网技术,1997,21(3)：25-27陈建业等.工业企业电能质量[M].北京：机械工业出版社,2008
38.陆达,刘本国,权刚.静止型TCR无功补偿器的控制原理及其控制方法分析[J].
39.李雪.基于DSP的TCR型动态无功补偿装置控制器的研究与设计[D]：[硕士学位论文]. 南京：河海大学,2005
40.王澍,翁利民.基于D-FACTS的无功补偿与谐波抑制研究[J].大众用电,2007,(4)：22-24
41.王忠清,杨建宁.谈晶闸管投切电容器TSC的触发电路[J].电力电容器,2007,28(40)：30-36
42.朱细敏,李裕能.治理配电网电压波动的TSC无功补偿电路设计[J].高电压技术,2006,32(1)：97-98
43.戴朝波,雷林绪,林海雪.晶闸管投切电容无功补偿角型接线方案的研究[J].电工技术杂志,2001(3)：7-9
44.(加)马思尔(Mathur,R.M),i[印度)瓦马(Varma,R.K).徐政,译.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,2009
45.邱海锋,周浩.电力系统无功测量方法的综述[J].电测与仪表,2007(1),5-9
46. Kim H,BlaabjergF.Instantaneous power compensation in three—phase systems by using p-q-rtheory[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2002,17(5):701-710
47. Furuhashi T,Okuma S,Uchikawa Y.A study on the theory of instantaneous reactive power[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,1990,37(1):86-90
48.曾令全,曾德俊,吴杰等.用于有源滤波器谐波检测的一种新的自适应算法.电网技术,2008,32(13)：4-44
49.袁川,杨洪耕.三相电压畸变且不对称时电流基波正序有功分量的改进瞬时检测方法研究[J].继电器,2005,33(14)：57-60
50.杨君,王兆安.三相电路谐波电流两种检测方法的对比研究[J].电工技术学报,1995(5)：43-48.
51.黄黎芬,姜建国.一种新型基于双闭环PID控制的SVC控制系统研究[J].系统仿真学报,2007,19(8)：1803-1806+1868
52.李庚银等.dq0坐标系下广义瞬时无功功率定义及其补偿[J].中国电机工程学报,1996,16(3)：176-179
53.(日)赤木泰文,(巴西)埃德森,(巴西)毛立赛著；徐政译.瞬时无功理论及其在电力调节中的应用[M]：：北京：机械工业出版社,2009
54.丁仁杰,刘健,张隽,等.一种基于瞬时无功功率理论的SVC控制方法[J].电工技术学报,2006,21(5)：47-51
55.刘若溪.基于空间矢量的SVC算法与仿真[D]：[硕士学位论文].北京：华北电力大学(北京),2008
56.苏奎峰,蔡昭权等.TMS320X281xDSP应用系统设计[M].北京：北京航天航空大学出版 社,2008
57.孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京：清华大学出版社,2008
58.周洁.基于ARM的电网谐波检测与分析系统的研究[D]：[硕士学位论文].无锡：江南大学
59.戴元海.基于模糊-PI控制的静止无功补偿器的设计[D]：[硕士学位论文].湖南大学,2009
60.肖刚.高压TSC可控硅开关控制技术的研究[D]:[硕士学位论文].北京：华北电力大学,2002
61.吕晓洁.智能低压TSC动态无功补偿装置的研究[D]：[硕士学位论文].西安：西安科技大学.2008
62.刘华东.基于DSP的SVC控制系统设计[D]：[硕士学位论文].成都：西南交通大学,2008
63.张立,丘东元,张波.基于DSP的高压动态无功补偿控制器设计.电力自动化设备,2010,30(3)：121-125
64.王幸之等.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,2000,66-78
65.王舸,刘维启.嵌入式系统得电磁兼容性设计[J].计算机与数字工程,2005,33(7)：124-128
2. Julio Barros, Ramon I. Diego. Analysis of Harmonics in Power Systems Using the Wavelet Packet Transform[C]. Instrumentation and Measurement Technology Conference. Ottawa, Canada, May 2005,1484-1488
3. IEEE working Group on Nonsinusoidal Situation. Practical Definitions for Powers in System with Nonsinusodial Waveforms and unbalanced loads. PWRD-11 NO.1,1996.
4.陈珩.电力系统稳态分析.北京：水利电力出版社,1995
5.李光琦.电力系统暂态分析.北京：水利电力出版社,1993
6.吴竟昌,孙树勤.电力网中的谐波[M].北京：中国电力出版社,1998,36-48
7.张直平,李芬辰.城市电网谐波手册[M].北京：中国电力出版社,2000
8.李晟,张南林,申林等.低压型静止无功补偿器在工程中的应用[J].冶金动力,2008(6)：7-10
9.彭海应,朱义苏.一种新型的谐波抑制及无功补偿装置[J].水电站机电技术,2005,28(4)：21-24
10.蔡超,张亚迪.晶闸管投切滤波器TSF的研究[J].江苏电器,2007(3)：48-51
11.周之光,周腊吾,朱英浩.晶闸管控制电抗器电路的谐波和稳定性分析[J].仪器仪表用户.2006(5)：148-150
12.陈建业,蒋晓华等.电力电子技术在电力系统中的应用[M].北京：机械工业出版社,2008
13.王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社,1998
14.李世林,刘军成.电能质量国家标准应用手册[M].北京：中国标准出版社,2007
15.吴竟昌,孙树勤.电力网中的谐波[M].北京：中国电力出版社,1998,36-48
16.(新西兰)阿里拉加.林海雪,范明天等译.电力系统谐波[M].北京：中国电力出版社,2008
17.(奥地利)乔治(George,J.W).徐政,译.电力系统谐波[M].北京：中国电力出版社,2003
18.全国电压电流等级和频率标准化技术委员会编.电压电流频率和电能质量国家标准应用手册[M].北京：中国电力出版社,2001
19.国家技术监督局.电能质量公用电网谐波(GB/T14549-93).1993
20.夏道土.高压直流输电系统的谐波分析及滤波[M].北京：水利电力出版社,1994
21.王群,姚为正,刘进军等.电压型谐波源与串联型有源电力滤波器[J].电力系统自动化, 2000,24(7)：30-35
22.周雒维,罗全明,周林.积分复位控制三相六开关Boost型功率因数校正[J].电工技术学报,2002,17(5)：20-24
23.姜齐荣,谢小荣,陈建业.电力系统并联补偿-结构、原理、控制与应用[M].北京：机械工业出版社.2004.8
24.谢小荣,姜其荣.柔性交流输电系统的原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2006
25. Gyugyi L.A unified power flow concept for flexible AC transmission systems[J].IEE Proc C,1992,139(4):323-333
26.刘华东,郭育华,王卫安,等.一种混合型静止无功补偿装置的设计及其应用[J]变流技术与电力牵引.2008.2：51-55
27.盘宏斌,罗安,涂春鸣,等.并联型高电能质量调节装置的研制[J].电网技术,2009,33(1)：11-16
28. An Luo, Zhikang Shuai, Wenji Zhu, etc. Combined system for harmonic suppression and reactive power compensation[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics.2009, 56(2):418-428
29.黄黎芬,姜建国.一种新型基于双闭环PID控制的SVC控制系统研究[J].系统仿真学报,2007,19(8)：1803-1806+1868
30.彭建春,黄纯,王耀南.静止无功补偿器的智能自适应PID控制器的设计[J].河南大学学报,1999,25(5)：50-55
31.丁仁杰,张曙光.基于瞬时无功功率理论和模糊控制的新型SVC控制算法[J].电力自动化设备,2008,28(11)：26-29.
32.米勒TJE主编.电力系统无功功率控制.北京：水利电力出版社,1990
33.杨啸天.电力系统谐波分析、测量、评估计算与抑制及滤波新技术实务全书[M].北京：中国电力科技出版社,2006
34.钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册(上册)[M].北京：冶金工业出版社,1996：350-351
35.傅光祖.具有最佳滤波效益的交流滤波装置设计[J].电网技术,1988(1)：51-53
36.傅光祖.按滤波效益确定交流滤波器的主参数[J].浙江电力,1987(1)：9-30
37.电网技术,1997,21(3)：25-27陈建业等.工业企业电能质量[M].北京：机械工业出版社,2008
38.陆达,刘本国,权刚.静止型TCR无功补偿器的控制原理及其控制方法分析[J].
39.李雪.基于DSP的TCR型动态无功补偿装置控制器的研究与设计[D]：[硕士学位论文]. 南京：河海大学,2005
40.王澍,翁利民.基于D-FACTS的无功补偿与谐波抑制研究[J].大众用电,2007,(4)：22-24
41.王忠清,杨建宁.谈晶闸管投切电容器TSC的触发电路[J].电力电容器,2007,28(40)：30-36
42.朱细敏,李裕能.治理配电网电压波动的TSC无功补偿电路设计[J].高电压技术,2006,32(1)：97-98
43.戴朝波,雷林绪,林海雪.晶闸管投切电容无功补偿角型接线方案的研究[J].电工技术杂志,2001(3)：7-9
44.(加)马思尔(Mathur,R.M),i[印度)瓦马(Varma,R.K).徐政,译.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,2009
45.邱海锋,周浩.电力系统无功测量方法的综述[J].电测与仪表,2007(1),5-9
46. Kim H,BlaabjergF.Instantaneous power compensation in three—phase systems by using p-q-rtheory[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2002,17(5):701-710
47. Furuhashi T,Okuma S,Uchikawa Y.A study on the theory of instantaneous reactive power[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,1990,37(1):86-90
48.曾令全,曾德俊,吴杰等.用于有源滤波器谐波检测的一种新的自适应算法.电网技术,2008,32(13)：4-44
49.袁川,杨洪耕.三相电压畸变且不对称时电流基波正序有功分量的改进瞬时检测方法研究[J].继电器,2005,33(14)：57-60
50.杨君,王兆安.三相电路谐波电流两种检测方法的对比研究[J].电工技术学报,1995(5)：43-48.
51.黄黎芬,姜建国.一种新型基于双闭环PID控制的SVC控制系统研究[J].系统仿真学报,2007,19(8)：1803-1806+1868
52.李庚银等.dq0坐标系下广义瞬时无功功率定义及其补偿[J].中国电机工程学报,1996,16(3)：176-179
53.(日)赤木泰文,(巴西)埃德森,(巴西)毛立赛著；徐政译.瞬时无功理论及其在电力调节中的应用[M]：：北京：机械工业出版社,2009
54.丁仁杰,刘健,张隽,等.一种基于瞬时无功功率理论的SVC控制方法[J].电工技术学报,2006,21(5)：47-51
55.刘若溪.基于空间矢量的SVC算法与仿真[D]：[硕士学位论文].北京：华北电力大学(北京),2008
56.苏奎峰,蔡昭权等.TMS320X281xDSP应用系统设计[M].北京：北京航天航空大学出版 社,2008
57.孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京：清华大学出版社,2008
58.周洁.基于ARM的电网谐波检测与分析系统的研究[D]：[硕士学位论文].无锡：江南大学
59.戴元海.基于模糊-PI控制的静止无功补偿器的设计[D]：[硕士学位论文].湖南大学,2009
60.肖刚.高压TSC可控硅开关控制技术的研究[D]:[硕士学位论文].北京：华北电力大学,2002
61.吕晓洁.智能低压TSC动态无功补偿装置的研究[D]：[硕士学位论文].西安：西安科技大学.2008
62.刘华东.基于DSP的SVC控制系统设计[D]：[硕士学位论文].成都：西南交通大学,2008
63.张立,丘东元,张波.基于DSP的高压动态无功补偿控制器设计.电力自动化设备,2010,30(3)：121-125
64.王幸之等.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,2000,66-78
65.王舸,刘维启.嵌入式系统得电磁兼容性设计[J].计算机与数字工程,2005,33(7)：124-128