法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-09-15
授权
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2016-01-20
实质审查的生效 IPC(主分类):G01R31/00 申请日:20150727
实质审查的生效
2015-12-23
公开
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技术领域
本发明涉及电力系统分析技术领域,具体涉及一种基于Park变 换的三相相控整流器谐波特性分析方法。
背景技术
目前,高压/特高压直流输电系统所采用的基本换流单元有6脉 动换流单元和12脉动换流单元两种,其中12脉动换流单元是由两个 交流侧电压相位差30°的6脉动换流单元所组成;6脉动换流单元则 由换流变压器、6脉动换流器以及相应的交流滤波器、直流滤波器和 控制保护装置所组成。通过上述介绍可以看出,6脉动换流器是6脉 动换流单元、12脉动换流单元、乃至整个高压/特高压直流输电系统 最为核心的元件。
市面上存在的6脉动换流器可以分为6脉动整流器和6脉动逆变 器,其实质均为采用晶闸管换流阀的三相相控整流器,当实际直流输 电工程的运行状况不理想时,三相相控整流器在运行过程中不仅将产 生特征谐波,还可能出现非特征谐波,从而影响直流输电系统的安全 稳定运行。为了合理地设置换流站交流侧和直流侧滤波装置,保证直 流输电系统的运行安全,传统三相相控整流器谐波特性分析方法需要 建立复杂的数学方程,物理意义不清晰,不易理解和掌握,十分复杂, 如何对三相相控整流器的特征谐波和非特征谐波开展有针对性的分 析和研究,是当前急需解决的问题。
发明内容
本发明的基于Park变换的三相相控整流器谐波特性分析方法, 建立了三相相控整流器与Park变换之间的等效关系,实现直观、简 便地分析三相相控整流器交流侧和直流侧的特征谐波和非特征谐波 的特性及其对应关系,便于理解,容易掌握使用,具有良好的应用前 景。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种基于Park变换的三相相控整流器谐波特性分析方法,其特 征在于:包括以下步骤,
步骤(A),列出三相相控整流器的特性方程
(A1)忽略三相相控整流器的换相重叠角,根据公式(1),得到 三相相控整流器在理想空载情况下直流电压的平均值Udc,
其中,U1为三相相控整流器交流侧的空载线电压有效值,α为 三相相控整流器的触发角;
(A2)根据公式(2),得到三相相控整流器交流侧的基波电流有 效值I1,
其中,Idc为三相相控整流器直流侧的电流平均值;
(A3)根据公式(3),得到三相相控整流器交流侧的视在功率|Sac|,
(A4)三相相控整流器交流侧的有功功率Pac与直流功率Pdc相等, 根据公式(4)计算得到,
(A5)根据公式(5),得到三相相控整流器交流侧的无功功率Qac, 又称三相相控整流器吸收的无功功率,
步骤(B),列出三相静止abc坐标系下的各电气量经过Park变 换后的表达式
(B1)根据公式(6),得到交流系统中的三相基波对称电压,
其中,ua、ub、uc分别为A相、B相和C相电压瞬时值,ω为 同步角速度;
(B2)根据公式(7),得到三相基波对称电压的电压空间矢量
其中,电压空间矢量在三相静止abc坐标系中的a、b、c相 轴上的投影分别为当前时刻三相电压的相电压瞬时值;
(B3)根据公式(8),得到交流系统中的三相基波对称电流,
其中,ia、ib、ic分别为A相、B相和C相电流瞬时值,γ为 电流滞后电压的相位差;
(B4)根据公式(9),得到三相基波对称电压的电流空间矢量
其中,电流空间矢量在三相静止abc坐标系中的a、b、c相轴 上的投影分别为当前时刻三相电流的相电流瞬时值;
(B5)在三相静止abc坐标系的基础上,建立两相同步旋转dq 坐标系,两相同步旋转dq坐标系以同步角速度ω逆时针旋转,其中 d轴滞后电压空间矢量的角度分别为θ和θ-γ,根据公式 (10),得到三相基波对称电压在两相同步旋转dq坐标系下的d、q 轴分量Ud、Uq,
(B6)根据公式(11),得到三相基波对称电流在两相同步旋转 dq坐标系下的d、q轴分量Id、Iq,
当两相同步旋转dq坐标系的d轴与电流空间矢量同相,即 θ-γ=0时,Iq=0,三相基波对称电流中只有d轴电流 分量;
(B7)根据公式(12),得到有功功率P、无功功率Q在两相同 步旋转dq坐标系下的表达式分别为:
步骤(C),对比分析步骤(A)的三相相控整流器特性方程和步 骤(B)建立的各电气量在两相同步旋转坐标系下的表达式,确认三 相相控整流器与Park变换之间存在对应等效关系
(C1)对比公式(1)、公式(10),三相相控整流器在理想空载 情况下直流电压的平均值Udc与三相基波对称电压在两相同步旋转dq 坐标系下的d轴分量Ud具有相同形式的表达式,三相相控整流器的 触发角α为同步旋转dq坐标系的d轴与电压空间矢量的夹角θ,如公 式(14)所示,
α=θ(14);
(C2)对比公式(4)、公式(5)与公式(13),三相相控整流器 交流侧的有功功率Pac、无功功率Qac与Park变换后的有功功率P、 无功功率Q具有相同形式的表达式,三相相控整流器直流侧的直流 电流Idc与三相基波对称电流在两相同步旋转dq坐标系下的d轴分量 Id相同,如公式(15)所示,
Id=Idc(15);
(C3)经过(C1)和(C2)的比对,三相相控整流器的理想空载 直流电压的平均值与三相基波对称电压在两相同步旋转dq坐标系下 的d轴分量存在3/π的系数差别;三相相控整流器交流侧的有功功率 Pac、无功功率Qac与Park变换后的有功功率P、无功功率Q也存在 3/π的系数差别;
步骤(D),三相相控整流器特征谐波的特性分析
(D1)在一个工频周期2π角度内,三相相控整流器内共有6种 晶闸管导通状态,三相相控整流器的直流电压和电流中存在6k次谐 波,k为正整数,直流电压的6k次谐波分量在两相旋转dq坐标系下 的d、q轴分量ud(6k)(t)、uq(6k)(t)表达式,如公式(16)所示,
其中,U(6k)、θ(6k)分别为直流电压6k次谐波分量的有效值和初 相角;
(D2)将公式(16)进行反Park变换,得到直流电压6k次谐波 电压分量在三相静止abc坐标系下的表达式,如公式(17)所示,
其中,θ0(6k)为t=0时刻,直流电压6k次谐波的电压空间矢量与 同步旋转坐标系d轴之间的夹角、ua(6k)(t)为直流电压6k次谐波电 压分量的a轴分量、ub(6k)(t)为直流电压6k次谐波电压分量的b轴 分量、uc(6k)(t)为直流电压6k次谐波电压分量的c轴分量;
(D3)根据公式(17),得到直流电压6k次谐波电压分量在三相 静止abc坐标系下对应的是6k±1次直流电压谐波分量,其中6k-1 次直流电压谐波分量为负序分量,6k+1次直流电压谐波分量为正序 分量;
步骤(E),三相相控整流器非特征谐波的特性分析
(E1)三相相控整流器的交流基波电压中存在负序电压分量,如 公式(18)所示,
其中,U(1)-、θ(1)-分别为三相相控整流器交流侧的基波负序电压 分量的有效值和初相角、ua(1)-为三相相控整流器交流侧的基波负序 电压分量的a轴分量、ub(1)-为三相相控整流器交流侧的基波负序电 压分量的b轴分量、uc(1)-为三相相控整流器交流侧的基波负序电压 分量的c轴分量;
(E2)对公式(18)进行Park变换,得到三相相控整流器交流 侧的基波负序电压分量在两相同步旋转dq坐标系下的表达式,如公 式(19)所示,
其中,θ0(1)-为t=0时刻基波负序电压空间矢量与同步旋转坐标系 d轴之间的夹角、ud(1)-为三相相控整流器交流侧的基波负序电压分 量的d轴分量、uq(1)-为三相相控整流器交流侧的基波负序电压分量 的q轴分量;
(E3)根据公式(19),得到当三相相控整流器交流侧的基波电 压中存在负序分量时,三相相控整流器直流侧的电压中将存在二次谐 波分量。
前述的基于Park变换的三相相控整流器谐波特性分析方法,其 特征在于:(C3)中存在具有3/π系数差别的原因为三相相控整流器 工作时通过6个晶闸管的导通和关断来实现的交流电压向直流电压 的转变的,在一个工频周期2π角度内,三相相控整流器有6种晶闸 管导通状态,因此,三相相控整流器和Park变换相比,存在 6/(2π)=3/π的系数差别。
本发明的有益效果是:本发明的基于Park变换的三相相控整流 器谐波特性分析方法,建立了三相相控整流器与Park变换之间的等 效关系,实现直观、简便地分析三相相控整流器交流侧和直流侧的特 征谐波和非特征谐波的特性及其对应关系,便于理解,容易掌握使用, 具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的基于Park变换的三相相控整流器谐波特性分析 方法的流程图。
图2是本发明的三相静止abc坐标系与同步旋转dq坐标系的空 间矢量关系图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图,对本发明作进一步的说明。
如图1所示,本发明的基于Park变换的三相相控整流器谐波特 性分析方法,包括以下步骤,
步骤(A),列出三相相控整流器的特性方程
(A1)忽略三相相控整流器的换相重叠角,根据公式(1),得到 三相相控整流器在理想空载情况下直流电压的平均值Udc,
其中,U1为三相相控整流器交流侧的空载线电压有效值,α为三 相相控整流器的触发角;
(A2)根据公式(2),得到三相相控整流器交流侧的基波电流有 效值I1,
其中,Idc为三相相控整流器直流侧的电流平均值;
(A3)根据公式(3),得到三相相控整流器交流侧的视在功率|Sac|,
(A4)三相相控整流器交流侧的有功功率Pac与直流功率Pdc相等, 根据公式(4)计算得到,
(A5)根据公式(5),得到三相相控整流器交流侧的无功功率Qac, 又称三相相控整流器吸收的无功功率,
步骤(B),列出三相静止abc坐标系下的各电气量经过Park变 换后的表达式
(B1)根据公式(7),得到交流系统中的三相基波对称电压,
其中,ua、ub、uc分别为A相、B相和C相电压瞬时值,ω为 同步角速度;
(B2)根据公式(7),得到三相基波对称电压的电压空间矢量
其中,电压空间矢量在三相静止abc坐标系中的a、b、c相 轴上的投影分别为当前时刻三相电压的相电压瞬时值;
(B3)根据公式(8),得到交流系统中的三相基波对称电流,
其中,ia、ib、ic分别为A相、B相和C相电流瞬时值,γ为 电流滞后电压的相位差;
(B4)根据公式(9),得到三相基波对称电压的电流空间矢量
其中,电流空间矢量在三相静止abc坐标系中的a、b、c相轴 上的投影分别为当前时刻三相电流的相电流瞬时值;
(B5)在三相静止abc坐标系的基础上,建立两相同步旋转dq 坐标系,两相同步旋转dq坐标系以同步角速度ω逆时针旋转,其中 d轴滞后电压空间矢量的角度为θ和θ-γ,根据公式(10), 得到三相基波对称电压在两相同步旋转dq坐标系下的d、q轴分量Ud、 Uq,
(B6)根据公式(11),得到三相基波对称电流在两相同步旋转 dq坐标系下的d、q轴分量Id、Iq,
当两相同步旋转dq坐标系的d轴与电流空间矢量同相,即 θ-γ=0时,Iq=0,即三相基波对称电流中只有d轴电 流分量;
(B7)根据公式(12),得到有功功率P、无功功率Q在两相旋 转dq坐标系下的表达式分别为:
步骤(C),对比分析步骤(A)的三相相控整流器特性方程和步 骤(B)建立的各电气量在两相同步旋转坐标系下的表达式,确认三 相相控整流器与Park变换之间存在对应等效关系
(C1)对比公式(1)、公式(10),三相相控整流器在理想空载 情况下直流电压的平均值Udc与三相基波对称电压在两相同步旋转dq 坐标系下的d轴分量Ud具有相同形式的表达式,实际上,三相相控 整流器的触发角α即为同步旋转dq坐标系的d轴与电压空间矢量的 夹角θ,如公式(14)所示,
α=θ(14)
(C2)对比公式(4)、公式(5)与公式(13),三相相控整流器 交流侧的有功功率Pac、无功功率Qac与Park变换后的有功功率P、 无功功率Q具有相同形式的表达式,实际上,三相相控整流器直流 侧的直流电流Idc与三相基波对称电流在两相同步旋转dq坐标系下 的d轴分量Id相同,如公式(15)所示,
Id=Idc(15);
(C3)经过(C1)和(C2)的比对,三相相控整流器的理想空载 直流电压的平均值与三相基波对称电压在两相同步旋转dq坐标系下 的d轴分量存在3/π的系数差别;三相相控整流器交流侧的有功功 率Pac、无功功率Qac与Park变换后的有功功率P、无功功率Q也存 在3/π的系数差别,是因为:三相相控整流器工作时,并不是像Park 变换一样平滑地将三相交流电压变换成直流电压的,而是通过6个晶 闸管的导通和关断来实现的交流电压向直流电压的转变的,。在一个 工频周期(2π角度)内,三相相控整流器一共有6种晶闸管导通状 态,因此,三相相控整流器和Park变换相比,存在一个6/(2π)=3/π的 系数差别;
步骤(D),三相相控整流器特征谐波的特性分析
(D1)在一个工频周期2π角度内,三相相控整流器内共有6种 晶闸管导通状态,因此,三相相控整流器的直流电压和电流中存在 6k次谐波,k为正整数。直流电压的6k次谐波分量在两相旋转dq坐 标系下的d、q轴分量ud(6k)(t)、uq(6k)(t)表达式,如公式(16)所示,
其中,U(6k)、θ(6k)分别为直流电压6k次谐波分量的有效值和初 相角;
(D2)将公式(16)进行反Park变换,得到直流电压6k次谐波 电压分量在三相静止abc坐标系下的表达式,如公式(17)所示,
其中,θ0(6k)为t=0时刻,直流电压6k次谐波的电压空间矢量与 同步旋转坐标系d轴之间的夹角、ua(6k)(t)为直流电压6k次谐波电 压分量的a轴分量、ub(6k)(t)为直流电压6k次谐波电压分量的b轴 分量、uc(6k)(t)为直流电压6k次谐波电压分量的c轴分量;
(D3)根据公式(17),得到直流电压6k次谐波电压分量在三相 静止abc坐标系下对应的是6k±1次直流电压谐波分量,其中6k-1 次直流电压谐波分量为负序分量,6k+1次直流电压谐波分量为正序 分量;
上述以直流电压谐波分量为例,分析三相相控整流器直流侧的谐 波特性,流电流谐波分量的分析过程相类似;
步骤(E),三相相控整流器非特征谐波的特性分析
(E1)三相相控整流器的交流基波电压中存在负序电压分量,如 公式(18)所示,
其中,U(1)-、θ(1)-分别为三相相控整流器交流侧的基波负序电压 分量的有效值和初相角、ua(1)-为三相相控整流器交流侧的基波负序 电压分量的a轴分量、ub(1)-为三相相控整流器交流侧的基波负序电 压分量的b轴分量、uc(1)-为三相相控整流器交流侧的基波负序电压 分量的c轴分量;
(E2)对公式(18)进行Park变换,得到三相相控整流器交流 侧的基波负序电压分量在两相同步旋转dq坐标系下的表达式,如公 式(19)所示,
其中,θ0(1)-为t=0时刻基波负序电压空间矢量与同步旋转坐标系 d轴之间的夹角、ud(1)-为三相相控整流器交流侧的基波负序电压分 量的d轴分量、uq(1)-为三相相控整流器交流侧的基波负序电压分量 的q轴分量;
(E3),根据公式(19),得到当三相相控整流器交流侧的基波电 压中存在负序分量时,三相相控整流器直流侧的电压中将存在二次谐 波分量。
三相相控整流器在实际直流输电工程的运行工况不可能是理想 的,这些不理想的因素概括起来有:直流电流中存在纹波、交流电压 中存在谐波、交流基波电压中存在负序电压分量等,上述以交流基波 电压中存在负序电压分量为例,分析三相相控整流器直流侧的非谐波 特性,其他的不理想的因素分析过程相类似。
综上所述,本发明的基于Park变换的三相相控整流器谐波特性 分析方法,建立了三相相控整流器与Park变换之间的等效关系,实 现直观、简便地分析三相相控整流器交流侧和直流侧的特征谐波和非 特征谐波的特性及其对应关系,便于理解,容易掌握使用,具有良好 的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优 点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上 述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明 精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改 进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权 利要求书及其等效物界定。
机译: 基于三相PWM整流器和多单元非控制整流器的混合变换系统及其控制方法
机译: 基于三相PWM整流器和多单元失控整流器的混合变换系统及其控制方法
机译: 基于三相PWM整流器和多单元非受控整流器的混合变换系统及其控制方法