tcrs谐波产生特征研究

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1、TCRs谐波产生特征研究1引言晶闸管可控电抗器(TcRs)由两个反并联的晶闸管串联一个电抗器组成，它是静止无功补偿中的重要组成元件。TcRs作为可变电感，可快速、平滑地调节所吸收的无功功率,因此它和晶闸管投切电容器(TSc)一起成为电力系统中无功补偿和电压调节的重要手段。然而，从电能质量方面考虑,TcRs作为开关型电力电子器件，在运行过程中，将大量的谐波电流注入系统，是电力系统中重要的非线性谐波源。分析TcRs产生的谐波，主要有四类方法。①恒流源法:基于TcRs的典型谐波频谱和特定运行工况的基波潮流结果,根据恒流源法的公式计算得出TcRs注入

2、系统的谐波电流，该方法在目前的谐波分析中应用广泛。②诺顿等效电路模型：在恒流源模型的基础上并联表征TcRs谐波电压和谐波电流自耦合效应的导纳，但未考虑谐波电压和谐波电流之间的互耦合作用。③基于传递函数的模型：TcRs中背靠背的晶闸管交替导通和关断，任一晶闸管导通时定义开关函数为1,所有晶闸管都关断时定义开关函数为0；基于此传递函数，在频域中推导得出TcRs的谐波模型。该模型通过两个导纳矩阵将TcRs各次谐波电压和谐波电流的耦合关系展示出来,模型准确但计算复杂。④时域法：用微分方程描述TcRs电压和电流之间的关系，通过求解微分方程得出TcRs注

3、入系统的谐波电流。该方法准确，但对大系统来说，搭建模型所需的工作量大且仿真运行时间长。以上各谐波模型的提出均以在谐波潮流中应用为主，缺乏对TcRs谐波特性的分析。而研究TcRs的谐波产生特性,将有助于对谐波源建模采取合理的近似和简化以及谐波潮流分析的进行。频域中TcRs的谐波矩阵模型通过完全解析的公式将TcRs端口各次谐波电压和谐波电流之间的耦合关系直观地展示出来。本文将基于TcRs的谐波耦合矩阵模型,对TcRs的谐波产生特性进行深入分析。研究发现，TcRs的每次谐波电流均由三部分组成：由基波电压产生、由同次谐波电压产生以及由不同次谐波电压的

4、耦合作用产生的谐波电流。本文首先分析了谐波电流各组成部分的贡献大小，在此基础上提出了TcRs的忽略谐波电压共轨影响的模型、解耦的模型和恒流源模型，给出了各简化模型的解析计算公式，并研究了触发延迟角对简化模型精度的影响。2TcRs的谐波耦合矩阵模型TcRs多按三角形联结方式在三相电路中使用，如图1所示。3及3的倍数次谐波经三相电感环流而不注入交流系统。根据三相TcRs的工作原理和传递函数，可在频域中推导出其谐波耦合矩阵模型式中，h=l,5,7,…,H,H为所计算的谐波最高次数，hl和hV分别为TcRs端口的h次谐波电流和电压相量，hV为hV的共

5、轨分量，y和y是TcRs的谐波耦合矩阵模型。矩阵各元素的解析表达式为式中，为晶闸管的触发延迟角；L为TcRs中的电抗值。模型表明，TcRs的谐波电流不仅由其端口的谐波电压产生，而且也与其谐波电压共轨分量有关。该模型将TcRs端口的谐波电压和它所产生的谐波电流之间的耦合关系通过y和y两矩阵直观地体现出来，且矩阵的各元素以完全解析的公式给出。通过分析谐波耦合矩阵元素的特点，可对TcRs的谐波产生机制进行分析。3TcRs的谐波耦合矩阵特性分析首先给出y+、y各元素相对大小的直观比较（见图2,触发延迟角为20°）o所有元素均以1,ly（幅值最大的元素

6、）为基准进行标幺化，对比结果以百分比的形式给出。由图可知，y的对角线元素、第一行、第一列以及y的第一行元素有较大的幅值，说明这些元素所对应的电压分量在TcRs的谐波电流产生中起主要作用。基波电压的作用y+、y的第一列元素共同表征了TcRs端电压的基波分量对TcRs各次谐波电流产生的影响。因y的第一列元素为零，该影响完全由y+的第一列元素决定。由式（2）可知，h,ly的幅值有如下形式：式中，sin的取值在（0,1）的范围内；h,ly的幅值随谐波电流次数h的增大，以21h的速度递减。如果供电电源中不含谐波，TcRs产生的谐波电流随谐波次数减小的速

7、度将大于整流装置。由式（3）可知，任一元素幅值均是触发延迟角的函数，图3示岀了h,ly随触发延迟角和谐波次数的变化规律（所有元素均以1,ly为基准进行标幺化）。这一列元素不含任何谐波的作用，是恒流源模型的解析计算公式。因此可将式（1）所示的完整模型分为基波电压（恒流源模型，Shh,lllyV）与谐波电压的作用两部分，如式（4）所示。谐波电压对基波电流的作用TcRs的基波电流主要由基波电压通过1,ly产生（1,ly即为TcRs基频下的等效导纳），但y+和y的第一行均有非零元素，表明TcRs将供电端的部分谐波电压转化为基波电流送入系统。h,ly元

8、素的幅值为该幅值随谐波次数的增大以lh的速度递减。图4所示为了元素幅值随触发延迟角和谐波电压次数的变化规律。研究发现，随触发延迟角的增大，1,ly并不总是第一行中幅