靜止無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的建模與仿真

武漢理工大學(xué)《能力拓展訓(xùn)練》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書摘要電力系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率平衡決定了該節(jié)點(diǎn)的電壓水平，由于當(dāng)今電力系統(tǒng)的用戶中存在著大量無(wú)功功率頻繁變化的設(shè)備；如軋鋼機(jī)、電弧爐、電氣化鐵道等。同時(shí)用戶中又有大量的對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有較高要求的精密設(shè)備：如計(jì)算機(jī)，醫(yī)用設(shè)備等。因此迫切需要對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。在電力系統(tǒng)中，對(duì)無(wú)功功率的控制，可以提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量。電力系統(tǒng)中的無(wú)功補(bǔ)償裝置從最早的電容器開始發(fā)展到今天，歷經(jīng)了電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置和SVG等幾個(gè)不同的階段。本文討論的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)屬于晶閘管投切型并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，它是在機(jī)械投切式并聯(lián)電容和電感基礎(chǔ)上，采用大容量晶閘管代替斷路器等觸點(diǎn)式開關(guān)而發(fā)展起來(lái)的。MATLAB軟件中的Simulink給用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的模型接口，與傳統(tǒng)的仿真軟件相比，具有更直觀、方便和靈活的優(yōu)點(diǎn)。Simulink中的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)包含了各種交/直流電源、大量電氣元器件和電工測(cè)量?jī)x表以及分析工具等。利用這些模塊可以模擬電力系統(tǒng)運(yùn)行和故障的各種狀態(tài)，并進(jìn)行仿真和分析。關(guān)鍵詞：靜止無(wú)功補(bǔ)償；MATLAB仿真；Simulink；目錄摘要 1靜止無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的建模與仿真 31.無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的分析 31.1靜止無(wú)功補(bǔ)償?shù)母拍?31.2無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展歷程 31.3無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x和作用 41.4無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑瓌t及方式 51.5配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償存在的問(wèn)題 62.靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器 62.1SVC的類型及工作原理 62.2晶閘管控制電抗器的基本原理 72.3晶閘管控制電抗器和電容器的配合使用 103基于晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置仿真 113.1SVC仿真模塊的建立 113.2SVC仿真結(jié)果與分析 124結(jié)論 13參考文獻(xiàn)： 14量和造成大量線路損耗，而且在系統(tǒng)中注入了大量的高次諧波，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)供電的電能質(zhì)量，使用戶的正常工作受到不同程度的影響。如何對(duì)上述負(fù)荷的供電采取有效的補(bǔ)償，快速地提供其在動(dòng)態(tài)過(guò)程中所需的無(wú)功，從而抑制其引起的電壓波動(dòng)和閃變，在國(guó)內(nèi)越來(lái)越引起供電部門和工業(yè)用電大戶的關(guān)注。因此，提高供電的可靠性和電能質(zhì)量，提高配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平具有重要的價(jià)值，這也是推動(dòng)電力工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的要求。無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕饔镁褪翘岣吖β室驍?shù)以減少設(shè)備容量和功率損耗、穩(wěn)定電壓和提高供電質(zhì)量，在長(zhǎng)距離輸電中提高輸電穩(wěn)定性和輸電能力以及平衡三相負(fù)載的有功和無(wú)功功率。安裝并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，可限制無(wú)功功率在電網(wǎng)中的傳輸，相應(yīng)減少了線路的電壓損耗，提高了配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。1.4無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑瓌t及方式從電力網(wǎng)無(wú)功功率消耗的基本狀況可以看出，各級(jí)網(wǎng)絡(luò)和輸配電設(shè)備都要消耗一定數(shù)量的無(wú)功功率，尤以低壓配電網(wǎng)所占比重最大。為了使電網(wǎng)補(bǔ)償能取得最佳的綜合效益，要綜合比較各種無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益和最優(yōu)分布方案，應(yīng)按照“全面布局，分級(jí)補(bǔ)償，就地平衡”的原則，合理布局。

國(guó)家《電力系統(tǒng)電壓和無(wú)功電力技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，無(wú)功補(bǔ)償與電壓調(diào)節(jié)應(yīng)以下列原則進(jìn)行：

總體平衡與局部平衡相結(jié)合；

b.電力補(bǔ)償與用戶補(bǔ)償相結(jié)合；

c.分散補(bǔ)償與集中補(bǔ)償相結(jié)合；

d.降損與調(diào)壓相結(jié)合，以降損為主。

無(wú)功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)原則：

無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)盡量分層(按電壓等級(jí))和分區(qū)(按地區(qū))補(bǔ)償，就地平衡，避免無(wú)功電力長(zhǎng)途輸送與越級(jí)傳輸（詳見：國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則）。

無(wú)功補(bǔ)償在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)就地、分級(jí)實(shí)行，避免這一級(jí)的諧波污染影響到他用電等級(jí)配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕绞接形宸N：變電站補(bǔ)償、配電線路補(bǔ)償、隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償。后三者屬于低壓配電網(wǎng)的補(bǔ)償方式。1.5配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償存在的問(wèn)題無(wú)功倒送問(wèn)題：無(wú)功倒送會(huì)增加線路和變壓器的損耗，加重線路供電負(fù)擔(dān)。固定補(bǔ)償部分容量過(guò)大，也容易出現(xiàn)無(wú)功倒送。三相不平衡問(wèn)題：系統(tǒng)三相不平衡同樣會(huì)增大線路和變壓器的損耗。對(duì)三相不平衡較大的負(fù)荷，比如機(jī)關(guān)、學(xué)校等單相負(fù)荷多的用戶，應(yīng)考慮采用分相無(wú)功補(bǔ)償裝置。

諧波的問(wèn)題：諧波含量過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)電容器的使用壽命產(chǎn)生影響，甚至造成電容器的過(guò)早損壞；并且由于電容器對(duì)諧波的放大作用，將使系統(tǒng)的諧波干擾更加嚴(yán)重。因此做無(wú)功補(bǔ)償時(shí)必須考慮諧波治理，在存在較大諧波干擾，又需要補(bǔ)償無(wú)功的地點(diǎn)，應(yīng)考慮增加濾波裝置。

優(yōu)化的問(wèn)題：目前無(wú)功補(bǔ)償?shù)某霭l(fā)點(diǎn)往往放在用戶側(cè)，只注意補(bǔ)償用戶的功率因數(shù)。然而要實(shí)現(xiàn)有效的降損，必須從整個(gè)電力系統(tǒng)出發(fā)，通過(guò)計(jì)算全網(wǎng)的無(wú)功潮流，確定配網(wǎng)的補(bǔ)償方式、最優(yōu)補(bǔ)償容量和補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)，才能使有效的資金發(fā)揮最大的效益。靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器2.1SVC的類型及工作原理SVC指使用晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，包括晶閘管控制電抗器(TCR)和晶閘管投切電容器(ThyristorSwitchedCapacitor，TSC)以及這兩者的混合裝置(TCR+TSC),或者晶閘管控制電抗器與固定電容器(FixedCapacitor，F(xiàn)C)或機(jī)械投切電容器(MechanicallySwitchedCapacitor，MSC)混合使用的裝置(如TCR+FC、TCR+MSC等)。因其響應(yīng)速度快，價(jià)格適中，使其在電力系統(tǒng)中得以迅速的推廣。如圖1所示為常用的SVC原理圖，濾波器吸收SVC裝置所產(chǎn)生的諧波電流。TCR支路由電抗器和兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管相串聯(lián)構(gòu)成，TSC支路由電容器和兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)構(gòu)成，其控制元件均為晶閘管。TCR支路的等值基波電抗是晶閘管導(dǎo)通角β或觸發(fā)角a的函數(shù)，調(diào)整它就可以平滑調(diào)整并聯(lián)在系統(tǒng)的等值電抗。TSC支路受電力電子器件控制，使電容器只有兩種運(yùn)行狀態(tài)，即將電容器直接并聯(lián)在系統(tǒng)中或?qū)㈦娙萜魍顺鲞\(yùn)行。圖1SVC原理圖2.2晶閘管控制電抗器的基本原理SVC的優(yōu)越性是它能連續(xù)快速調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的無(wú)功功率輸出。這種連續(xù)調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)TCR中晶閘管的觸發(fā)延遲角α得以實(shí)現(xiàn)的，因此SVC的核心是TCR。TCR為SVC中的重要一員，主要起可變電感的作用，實(shí)現(xiàn)感性無(wú)功功率的快速、平滑調(diào)節(jié)。TCR的單相原理圖如圖2所示，其基本結(jié)構(gòu)就是兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián)。為了能夠承受實(shí)際線路上的高電壓和大電流，應(yīng)該允許有若干個(gè)晶閘管串聯(lián)后組成一個(gè)等效的晶閘管。這樣的電路并入到電網(wǎng)中就相當(dāng)于電感性負(fù)載的交流調(diào)壓電路，即此時(shí)電路可視為交流調(diào)壓器帶純電感負(fù)載的情況。為保證兩晶閘管V1、V2在正負(fù)半周可靠、對(duì)稱導(dǎo)通，應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。改變晶閘管的控制角α，流經(jīng)電抗器的電流波形將發(fā)生變化，而使電流波形中的基波分量發(fā)生變化，這相當(dāng)于改變了電抗器的感抗，使TCR等效于一個(gè)連續(xù)可變的電感器。圖2TCR單相原理圖設(shè)導(dǎo)通角為θ，它與α角的關(guān)系為θ=2（π-α），減小θ，則電流中基波分量減小，這相當(dāng)于增大電抗器的感抗，減小基波無(wú)功功率。設(shè)，則當(dāng)控制角α=90°時(shí)，電抗器（L）呈純電感性，流過(guò)電抗器的電流波形滯后電源電壓90°，晶閘管為全導(dǎo)通，導(dǎo)通角為θ=180°，此時(shí)電流波形連續(xù)且為一正弦波，即式中，U為電源電壓有效值，為電抗器的基頻電抗（。由于純電感負(fù)載的功率因數(shù)角，故在范圍內(nèi)雙向晶閘管處于失控狀態(tài)，已不能通過(guò)α變化來(lái)改變IL大小。當(dāng)α>90°，電感中電流IL將受到控制，即隨著α角的增大，電感電流基波分量IL1相應(yīng)減小，電抗器的等效電抗增加；在電感電流可控條件下，電抗器等效電感值隨之可控，繼而TCR吸收的感性無(wú)功功率也可以平滑調(diào)節(jié)，其規(guī)律是：當(dāng)α接近180°時(shí)，電流接近0；α接近90°時(shí)，Q接近。此時(shí)，電流值iL由周期分量i1和非周期分量i2合成，即式中，T為電路時(shí)間常數(shù)。忽略電阻時(shí)，T為無(wú)窮大，故得當(dāng)90°<α<180°時(shí)，電流iL中的基波分量為式中，IL1、U分別為電流基波分量和電壓的有效值，XL為基波下電抗器的電抗值。當(dāng)α=90°時(shí)，電抗值等于接在線路中的電抗本身；當(dāng)α=180°時(shí)，電抗值最大，等效于開路。90°<α<180°時(shí)，TCR的等效電抗值與控制角α之間的關(guān)系為增大α，則電流中的基波分量減小，這相當(dāng)于增大電抗器上的有效電感，減小基波無(wú)功功率。2.3晶閘管控制電抗器和電容器的配合使用圖3TCR+FC型靜止無(wú)功功率補(bǔ)償裝置原理圖為并聯(lián)電容器組發(fā)出的超前無(wú)功功率，且為固定值；為補(bǔ)償電抗器吸收的無(wú)功功率；為負(fù)荷側(cè)所需要的無(wú)功功率；為系統(tǒng)所提供的無(wú)功功率；為由TCR調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率。當(dāng)負(fù)載滯后而無(wú)功功率變化時(shí)，可連續(xù)控制滯后無(wú)功功率，使（-）變化。如當(dāng)增大時(shí)，則晶閘管控制的電抗器耗用的無(wú)功功率減小，α角增大；而當(dāng)減小時(shí)，則增大，α角減小。即不管負(fù)載的無(wú)功功率如何變化，總要使由系統(tǒng)供給的無(wú)功功率常數(shù)，以限制電壓的閃變。3基于晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置仿真3.1SVC仿真模塊的建立采用MATLAB中的simulink模塊進(jìn)行仿真，建立了SVC仿真模型，如圖4所示。該系統(tǒng)由短路功率為6000MVA的RL電壓源和200MV的負(fù)荷串聯(lián)組成，負(fù)荷側(cè)并聯(lián)了一個(gè)300Mvar的SVC設(shè)備。SVC的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)735kV/16kV、333MVA的耦合變壓器，一個(gè)109Mvar的TCR，三個(gè)94Mvar的TSC。通過(guò)導(dǎo)通或阻斷TSC可以向變壓器二次繞組輸送四種容性無(wú)功功率，分別是0、94、188、282Mvar；通過(guò)控制TCR可以得到從0~109Mvar連續(xù)變化的感性無(wú)功功率。圖4SVC仿真系統(tǒng)圖3.2SVC仿真結(jié)果與分析SVC仿真波形如圖5所示。圖中波形依次為變壓器一次繞組側(cè)電壓和電流、流入變壓器一次側(cè)的無(wú)功功率、SVC端口電壓均值和參考值、TCR觸發(fā)角、導(dǎo)通的TSC個(gè)數(shù)。仿真開始時(shí)，SVC未投入使用，由于SVC的參考電壓為1.0p.u.，因此SVC為懸置狀態(tài)，端口電流為0，在這種運(yùn)行方式下，TSC1導(dǎo)通，TCR基本全通。當(dāng)t=0.1s時(shí)，電源電壓忽然增大到1.029p.u.，SVC端口電壓也增大到1.025p.u.，SVC開始吸收無(wú)功功率，使得電壓回落到1.01p.u.。在這種運(yùn)行方式下，TSC全部關(guān)斷，TCR基本全通。當(dāng)t=0.4s時(shí)，電源電壓跌落到0.934p.u.，SVC開始向系統(tǒng)發(fā)送無(wú)功功率，使得電壓增大到0.974p.u.，3個(gè)TSC均導(dǎo)通，TCR吸收40%左右的額定感性無(wú)功功率。最后，在t=0.7s時(shí)，電壓恢復(fù)到1.0p.u，SVC輸送的無(wú)功功率減為0。圖5SVC仿真波形4結(jié)論TCR-TSC型SVC能夠解決電力無(wú)功功率補(bǔ)償系統(tǒng)中的很多問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)從感性到容性連續(xù)地進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，并且無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)、響應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，是目前較為理想的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。本文在闡述SVC的原理和類型的基礎(chǔ)上，基于MATLAB/Simulink仿真系統(tǒng)建立SVC仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了建立的模型是正確的。參考文獻(xiàn)：[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.5.[2]王晶,翁國(guó)慶,張有兵.電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK仿真與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008.6.[3]于群,曹娜.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.5.[4]薛定宇,陳陽(yáng)泉.基于MATLAB/SIMULINK的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，20