靜止無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的建模與仿真

1、武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(kāi)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

2、基礎(chǔ)上，采用大容量晶閘管代替斷路器等觸點(diǎn)式開(kāi)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?1.2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

3、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62.1 SVC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113.1 SVC仿真模塊的建立113.2 SVC仿真結(jié)果與分析124 結(jié)論13參考文獻(xiàn)：14靜止無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的建模與仿真1. 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的分析1.1靜止無(wú)功補(bǔ)償?shù)母拍钏^靜止無(wú)功補(bǔ)償是指用不同的靜止開(kāi)關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無(wú)功電流的能力，用于提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制系統(tǒng)振蕩等功能。目前這種靜止開(kāi)關(guān)主要分為兩種，即斷路器和電力電子開(kāi)關(guān)。由于用斷路器作為接觸器

4、，其開(kāi)關(guān)速度較慢，約為1030s，不可能快速跟蹤負(fù)載無(wú)功功率的變化，而且投切電容器時(shí)常會(huì)引起較為嚴(yán)重的沖擊涌流和操作過(guò)電壓，這樣不但易造成接觸點(diǎn)燒焊，而且使補(bǔ)償電容器內(nèi)部擊穿，所受的應(yīng)力大，維修量大。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)SCR、GTR、GTO等的出現(xiàn)，將其作為投切開(kāi)關(guān)，速度可以提高500倍（約為10s），對(duì)任何系統(tǒng)參數(shù)，無(wú)功補(bǔ)償都可以在一個(gè)周波內(nèi)完成，而且可以進(jìn)行單相調(diào)節(jié)?，F(xiàn)今所指的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置一般專指使用晶閘管的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，主要有以下三大類型，一類是具有飽和電抗器的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置；第二類是晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器，這兩種裝置統(tǒng)稱為S

5、VC；第三類是采用自換相變流技術(shù)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置高級(jí)靜止無(wú)功發(fā)生器（ASVG）。1.2無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展歷程無(wú)功功率補(bǔ)償裝置先后經(jīng)歷了早期調(diào)相機(jī)，到目前廣泛采用的并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、各種類型的SVC，以及新出現(xiàn)的新型靜止無(wú)功發(fā)生器(STATCOM)。1、 同步調(diào)相機(jī) 調(diào)相機(jī)是電網(wǎng)中最早使用的無(wú)功補(bǔ)償裝置。調(diào)相機(jī)的基本原理與同步發(fā)電機(jī)沒(méi)有區(qū)別，它不發(fā)有功功率只輸出無(wú)功電流，因此不需要原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，沒(méi)有啟動(dòng)電機(jī)的調(diào)相機(jī)也沒(méi)有軸伸，實(shí)質(zhì)就是相當(dāng)于一臺(tái)在電網(wǎng)中空轉(zhuǎn)的同步發(fā)電機(jī)。2、并聯(lián)電容器補(bǔ)償 并聯(lián)電容器補(bǔ)償是目前應(yīng)用最廣的一種無(wú)功補(bǔ)償方式，其電壓等級(jí)和補(bǔ)償容量可以通過(guò)電容器

6、的串聯(lián)、并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，理論上可以達(dá)到任何的電壓等級(jí)和補(bǔ)償容量并聯(lián)電容器補(bǔ)償具有功率損耗小、投資少、可自動(dòng)投切、維護(hù)簡(jiǎn)易、容量可任意選擇等特點(diǎn)，但不能連續(xù)調(diào)節(jié)、負(fù)荷調(diào)節(jié)特性差，這是由于當(dāng)無(wú)功負(fù)荷增大，電容器的補(bǔ)償容量與電壓的平方成正比，因電壓下降而無(wú)功輸出減小，故調(diào)壓效果下降：對(duì)系統(tǒng)中的高次諧波有放大作用，在諧波電流過(guò)大時(shí)，可能引起內(nèi)部過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至引起爆炸。3、 并聯(lián)電抗器 并聯(lián)電抗器調(diào)壓主要用在超高壓(330kV及以上)系統(tǒng)的線路上，其主要功能是：吸收容性電流，補(bǔ)償容性無(wú)功，使系統(tǒng)達(dá)到無(wú)功平衡；削弱電容效應(yīng)，限制系統(tǒng)的工頻電壓升高及操作過(guò)電壓。其不足之處是容量固定的并聯(lián)電抗器，當(dāng)線

7、路傳輸功率接近自然功率時(shí)，會(huì)使線路電壓過(guò)分降低，且造成附加有功損耗，但若將其切除，則線路在某些情況下又可能因失去補(bǔ)償而產(chǎn)生不能允許的過(guò)電壓。4、 靜止無(wú)功補(bǔ)償器  靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)是用戶電力技術(shù)(CustomerPower，CusPow)的一種，是20世紀(jì)70年代初期發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。“靜止"是針對(duì)旋轉(zhuǎn)的同步調(diào)相機(jī)而言的，國(guó)內(nèi)多稱其為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器，這是針對(duì)固定電容器組(FixedCapacitor，F(xiàn)C)而言。SVC是通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)快速調(diào)節(jié)并聯(lián)電抗器的大小或投切電容器組。它對(duì)調(diào)節(jié)負(fù)荷功率因數(shù)、穩(wěn)定和平衡系統(tǒng)電壓、消除流向系統(tǒng)的高次諧波電流、平衡三相負(fù)荷等

8、有顯著的作用。將它裝設(shè)于高壓輸電系統(tǒng)可用以控制長(zhǎng)距離輸電線路甩負(fù)荷、空載效應(yīng)等引起的動(dòng)態(tài)過(guò)電壓，改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)的無(wú)功功率及電壓振蕩。它具有價(jià)格適中，性能可靠等特點(diǎn)。5、 靜止無(wú)功發(fā)生器  靜止無(wú)功發(fā)生器(Static var Generator，SVG)也被稱為靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)161，是在20世紀(jì)80年代以來(lái)出現(xiàn)的更為先進(jìn)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。1.3無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x和作用 隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的逐漸增大，工業(yè)電弧爐、軋鋼機(jī)、 電力機(jī)車(chē)等沖擊性負(fù)荷在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中大量使用，這些負(fù)荷功率因數(shù)低，無(wú)功變化大且急劇，運(yùn)

9、行時(shí)會(huì)造成低壓配電網(wǎng)電壓的急劇波動(dòng)，從而惡化電能質(zhì)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(mén)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

10、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： a. 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

11、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(jiàn)：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)

12、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

13、發(fā)揮最大的效益。2. 靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器2.1 SVC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(Thyristor Switched Capacitor，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(Fixed Capacitor，F(xiàn)C)或機(jī)械投切電容器(Mechanically Switched Capacitor，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

14、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1 SVC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

15、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，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2 TCR單相原理圖設(shè)導(dǎo)通角為，它與角的關(guān)系為=2（-），減小，則電流中基波分量減小，這相

16、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=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=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)變化來(lái)改變IL大小。當(dāng)>90°，電感中電流IL將受到控制，即隨著角的增大，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)接近

17、180°時(shí)，電流接近0；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°<<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)=90°時(shí)，電抗值等于接在線路中的電抗本身；當(dāng)=180°時(shí)，電抗值最大，等效于開(kāi)路。90°<<180°時(shí)，TCR的等效電抗值與控制角之間的關(guān)系為增大，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

18、功率。2.3 晶閘管控制電抗器和電容器的配合使用圖3 TCR+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，角增大；而當(dāng)減小時(shí)，則增大，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3.1 SVC仿真模塊的建立采用MATLAB中的simulink模塊進(jìn)行仿真，

19、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0109Mvar連續(xù)變化的感性無(wú)功功率。圖4 SVC仿真系統(tǒng)圖3.2 SVC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

20、值和參考值、TCR觸發(fā)角、導(dǎo)通的TSC個(gè)數(shù)。仿真開(kāi)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(kāi)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(kāi)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5 SVC