靜止無功補償系統(tǒng)的建模與仿真

1、武漢理工大學能力拓展訓練課程設計說明書摘要 電力系統(tǒng)的各節(jié)點無功功率平衡決定了該節(jié)點的電壓水平，由于當今電力系統(tǒng)的用戶中存在著大量無功功率頻繁變化的設備；如軋鋼機、電弧爐、電氣化鐵道等。同時用戶中又有大量的對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有較高要求的精密設備：如計算機，醫(yī)用設備等。因此迫切需要對系統(tǒng)的無功功率進行補償。在電力系統(tǒng)中，對無功功率的控制，可以提高功率因數，穩(wěn)定電網電壓，改善供電質量。電力系統(tǒng)中的無功補償裝置從最早的電容器開始發(fā)展到今天，歷經了電容器、同步調相機、靜止無功補償裝置和SVG等幾個不同的階段。本文討論的靜止無功補償裝置(SVC)屬于晶閘管投切型并聯補償設備，它是在機械投切式并聯電容和電感

2、基礎上，采用大容量晶閘管代替斷路器等觸點式開關而發(fā)展起來的。MATLAB軟件中的Simulink給用戶提供了用方框圖進行建模的模型接口，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。Simulink中的電力系統(tǒng)模塊庫包含了各種交/直流電源、大量電氣元器件和電工測量儀表以及分析工具等。利用這些模塊可以模擬電力系統(tǒng)運行和故障的各種狀態(tài)，并進行仿真和分析。關鍵詞：靜止無功補償；MATLAB仿真；Simulink；目錄摘要1靜止無功補償系統(tǒng)的建模與仿真31. 無功補償技術的分析31.1靜止無功補償的概念31.2無功補償技術的發(fā)展歷程31.3無功補償的意義和作用41.4無功補償的原則及方式51.5

3、配電網無功補償存在的問題62. 靜止無功功率補償器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功補償裝置仿真113.1 SVC仿真模塊的建立113.2 SVC仿真結果與分析124 結論13參考文獻：14靜止無功補償系統(tǒng)的建模與仿真1. 無功補償技術的分析1.1靜止無功補償的概念所謂靜止無功補償是指用不同的靜止開關投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無功電流的能力，用于提高電力系統(tǒng)的功率因數，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制系統(tǒng)振蕩等功能。目前這種靜止開關主要分為兩種，即斷路器和電力電子開關。由于用斷路器作為接觸器

4、，其開關速度較慢，約為1030s，不可能快速跟蹤負載無功功率的變化，而且投切電容器時常會引起較為嚴重的沖擊涌流和操作過電壓，這樣不但易造成接觸點燒焊，而且使補償電容器內部擊穿，所受的應力大，維修量大。 隨著電力電子技術的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應用，交流無觸點開關SCR、GTR、GTO等的出現，將其作為投切開關，速度可以提高500倍（約為10s），對任何系統(tǒng)參數，無功補償都可以在一個周波內完成，而且可以進行單相調節(jié)?，F今所指的靜止無功補償裝置一般專指使用晶閘管的無功補償設備，主要有以下三大類型，一類是具有飽和電抗器的靜止無功補償裝置；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的靜止無功補償裝置高級靜止無功發(fā)生器（ASVG）。1.2無功補償技術的發(fā)展歷程無功功率補償裝置先后經歷了早期調相機，到目前廣泛采用的并聯電容器、并聯電抗器、各種類型的SVC，以及新出現的新型靜止無功發(fā)生器(STATCOM)。1、 同步調相機 調相機是電網中最早使用的無功補償裝置。調相機的基本原理與同步發(fā)電機沒有區(qū)別，它不發(fā)有功功率只輸出無功電流，因此不需要原動機拖動，沒有啟動電機的調相機也沒有軸伸，實質就是相當于一臺在電網中空轉的同步發(fā)電機。2、并聯電容器補償 并聯電容器補償是目前應用最廣的一種無功補償方式，其電壓等級和補償容量可以通過電容器

6、的串聯、并聯來實現，理論上可以達到任何的電壓等級和補償容量并聯電容器補償具有功率損耗小、投資少、可自動投切、維護簡易、容量可任意選擇等特點，但不能連續(xù)調節(jié)、負荷調節(jié)特性差，這是由于當無功負荷增大，電容器的補償容量與電壓的平方成正比，因電壓下降而無功輸出減小，故調壓效果下降：對系統(tǒng)中的高次諧波有放大作用，在諧波電流過大時，可能引起內部過熱，嚴重時甚至引起爆炸。3、 并聯電抗器 并聯電抗器調壓主要用在超高壓(330kV及以上)系統(tǒng)的線路上，其主要功能是：吸收容性電流，補償容性無功，使系統(tǒng)達到無功平衡；削弱電容效應，限制系統(tǒng)的工頻電壓升高及操作過電壓。其不足之處是容量固定的并聯電抗器，當線

7、路傳輸功率接近自然功率時，會使線路電壓過分降低，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償而產生不能允許的過電壓。4、 靜止無功補償器  靜止無功補償器(SVC)是用戶電力技術(CustomerPower，CusPow)的一種，是20世紀70年代初期發(fā)展起來的新技術?！办o止"是針對旋轉的同步調相機而言的，國內多稱其為動態(tài)無功補償器，這是針對固定電容器組(FixedCapacitor，FC)而言。SVC是通過控制晶閘管的導通角來快速調節(jié)并聯電抗器的大小或投切電容器組。它對調節(jié)負荷功率因數、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、平衡三相負荷等

8、有顯著的作用。將它裝設于高壓輸電系統(tǒng)可用以控制長距離輸電線路甩負荷、空載效應等引起的動態(tài)過電壓，改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)的無功功率及電壓振蕩。它具有價格適中，性能可靠等特點。5、 靜止無功發(fā)生器  靜止無功發(fā)生器(Static var Generator，SVG)也被稱為靜止同步補償器(STATCOM)161，是在20世紀80年代以來出現的更為先進的靜止無功補償裝置。1.3無功補償的意義和作用 隨著我國國民經濟的飛速發(fā)展，電網規(guī)模的逐漸增大，工業(yè)電弧爐、軋鋼機、 電力機車等沖擊性負荷在工業(yè)應用領域中大量使用，這些負荷功率因數低，無功變化大且急劇，運

9、行時會造成低壓配電網電壓的急劇波動，從而惡化電能質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，嚴重影響了系統(tǒng)供電的電能質量，使用戶的正常工作受到不同程度的影響。如何對上述負荷的供電采取有效的補償，快速地提供其在動態(tài)過程中所需的無功，從而抑制其引起的電壓波動和閃變，在國內越來越引起供電部門和工業(yè)用電大戶的關注。因此，提高供電的可靠性和電能質量，提高配電網的經濟運行水平具有重要的價值，這也是推動電力工業(yè)技術進步的要求。無功補償的主要作用就是提高功率因數以減少設備容量和功率損耗、穩(wěn)定電壓和提高供電質量，在長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載的有功和無功功率。安裝并聯電容器

10、進行無功補償，可限制無功功率在電網中的傳輸，相應減少了線路的電壓損耗，提高了配電網的電壓質量。1.4無功補償的原則及方式從電力網無功功率消耗的基本狀況可以看出，各級網絡和輸配電設備都要消耗一定數量的無功功率，尤以低壓配電網所占比重最大。為了使電網補償能取得最佳的綜合效益，要綜合比較各種無功補償的經濟效益和最優(yōu)分布方案，應按照“全面布局，分級補償，就地平衡”的原則，合理布局。 國家電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術導則規(guī)定，無功補償與電壓調節(jié)應以下列原則進行： a. 總體平衡與局部平衡相結合； b.電力補償與用戶補償相結合；   c.分散補償與集中補償相

11、結合； d.降損與調壓相結合，以降損為主。 無功補償的技術原則： 無功補償應盡量分層(按電壓等級)和分區(qū)(按地區(qū))補償，就地平衡，避免無功電力長途輸送與越級傳輸（詳見：國家電網公司電力系統(tǒng)無功補償配置技術原則）。 無功補償在實際應用中應當就地、分級實行，避免這一級的諧波污染影響到他用電等級配電網無功補償的主要方式有五種：變電站補償、配電線路補償、隨機補償、隨器補償、跟蹤補償。后三者屬于低壓配電網的補償方式。1.5配電網無功補償存在的問題無功倒送問題：無功倒送會增加線路和變壓器的損耗，加重線路供電負擔。固定補償部分容量過大，也容易出現無功倒送。三相不平衡問

12、題：系統(tǒng)三相不平衡同樣會增大線路和變壓器的損耗。對三相不平衡較大的負荷，比如機關、學校等單相負荷多的用戶，應考慮采用分相無功補償裝置。 諧波的問題：諧波含量過大時會對電容器的使用壽命產生影響，甚至造成電容器的過早損壞；并且由于電容器對諧波的放大作用，將使系統(tǒng)的諧波干擾更加嚴重。因此做無功補償時必須考慮諧波治理，在存在較大諧波干擾，又需要補償無功的地點，應考慮增加濾波裝置。 優(yōu)化的問題：目前無功補償的出發(fā)點往往放在用戶側，只注意補償用戶的功率因數。然而要實現有效的降損，必須從整個電力系統(tǒng)出發(fā)，通過計算全網的無功潮流，確定配網的補償方式、最優(yōu)補償容量和補償地點，才能使有效的資金

13、發(fā)揮最大的效益。2. 靜止無功功率補償器2.1 SVC的類型及工作原理SVC指使用晶閘管的靜止無功補償裝置，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，FC)或機械投切電容器(Mechanically Switched Capacitor，MSC)混合使用的裝置(如TCR+FC、TCR+MSC等)。因其響應速度快，價格適中，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裝置所產生的諧波

14、電流。TCR支路由電抗器和兩個反向并聯的晶閘管相串聯構成，TSC支路由電容器和兩個反向并聯的晶閘管串聯構成，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通角或觸發(fā)角a的函數，調整它就可以平滑調整并聯在系統(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行狀態(tài)，即將電容器直接并聯在系統(tǒng)中或將電容器退出運行。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)快速調節(jié)補償裝置的無功功率輸出。這種連續(xù)調節(jié)是依靠調節(jié)TCR中晶閘管的觸發(fā)延遲角得以實現的，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，實現感性無功功率的快速、平

15、滑調節(jié)。TCR的單相原理圖如圖2所示，其基本結構就是兩個反并聯的晶閘管與一個電抗器相串聯。為了能夠承受實際線路上的高電壓和大電流，應該允許有若干個晶閘管串聯后組成一個等效的晶閘管。這樣的電路并入到電網中就相當于電感性負載的交流調壓電路，即此時電路可視為交流調壓器帶純電感負載的情況。為保證兩晶閘管V1、V2在正負半周可靠、對稱導通，應采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。改變晶閘管的控制角，流經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，這相當于改變了電抗器的感抗，使TCR等效于一個連續(xù)可變的電感器。圖2 TCR單相原理圖設導通角為，它與角的關系為=2（-），減小，則電流中基波分量減小，這相

16、當于增大電抗器的感抗，減小基波無功功率。設，則當控制角=90°時，電抗器（L）呈純電感性，流過電抗器的電流波形滯后電源電壓90°，晶閘管為全導通，導通角為=180°，此時電流波形連續(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（。由于純電感負載的功率因數角，故在范圍內雙向晶閘管處于失控狀態(tài)，已不能通過變化來改變IL大小。當>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吸收的感性無功功率也可以平滑調節(jié)，其規(guī)律是：當接近

17、180°時，電流接近0；接近90°時，Q接近。此時，電流值iL由周期分量i1和非周期分量i2合成，即式中，T為電路時間常數。忽略電阻時，T為無窮大，故得當90°<<180°時，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=90°時，電抗值等于接在線路中的電抗本身；當=180°時，電抗值最大，等效于開路。90°<<180°時，TCR的等效電抗值與控制角之間的關系為增大，則電流中的基波分量減小，這相當于增大電抗器上的有效電感，減小基波無功

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型靜止無功功率補償裝置原理圖為并聯電容器組發(fā)出的超前無功功率，且為固定值；為補償電抗器吸收的無功功率；為負荷側所需要的無功功率；為系統(tǒng)所提供的無功功率；為由TCR調節(jié)系統(tǒng)輸出的無功功率。當負載滯后而無功功率變化時，可連續(xù)控制滯后無功功率，使（-）變化。如當增大時，則晶閘管控制的電抗器耗用的無功功率減小，角增大；而當減小時，則增大，角減小。即不管負載的無功功率如何變化，總要使由系統(tǒng)供給的無功功率常數，以限制電壓的閃變。3 基于晶閘管的靜止無功補償裝置仿真3.1 SVC仿真模塊的建立采用MATLAB中的simulink模塊進行仿真，

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的負荷串聯組成，負荷側并聯了一個300Mvar的SVC設備。SVC的結構包括一個735kV/16kV、333MVA的耦合變壓器，一個109Mvar的TCR，三個94Mvar的TSC。通過導通或阻斷TSC可以向變壓器二次繞組輸送四種容性無功功率，分別是0、94、188、282Mvar；通過控制TCR可以得到從0109Mvar連續(xù)變化的感性無功功率。圖4 SVC仿真系統(tǒng)圖3.2 SVC仿真結果與分析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電壓和電流、流入變壓器一次側的無功功率、SVC端口電壓均

20、值和參考值、TCR觸發(fā)角、導通的TSC個數。仿真開始時，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，在這種運行方式下，TSC1導通，TCR基本全通。當t=0.1s時，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開始吸收無功功率，使得電壓回落到1.01p.u.。在這種運行方式下，TSC全部關斷，TCR基本全通。當t=0.4s時，電源電壓跌落到0.934p.u.，SVC開始向系統(tǒng)發(fā)送無功功率，使得電壓增大到0.974p.u.，3個TSC均導通，TCR吸收40%左右的額定感性無功功率。最后，在t=0.7s時，電壓恢復到1.0p.u，SVC輸送的無功功率減為0。 圖5 SVC