基于PSCAD简单SVC的设计与仿真工程管理.docx
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基于PSCAD简单SVC的设计与仿真工程管理
设计说明
大量冲击性负荷的频繁波动，造成电网负载侧功率因数偏低，电压波动较大，为了改善这一现象，本设计介绍了多种静止无功补偿器（SVC）的工作原理，提出了一种应用PSCAD/EMTDC联合仿真技术搭建详细静止无功补偿器（SVC）控制系统仿真模型的方法。
对TCR+FC型的主电路系统及控制电路系统进行设计，其中控制系统的核心部件电压/无功功率调节器模型采用实际SVC控制装置算法。
对控制系统模型在SVC动模试验系统的PSCAD/EMTDC模型中进行了仿真计算。
仿真数据与实际SVC控制装置动模试验录波文件的比较结果表明：
控制模型的补偿特性和动态响应性能与实际装置基本一致，证明了仿真建模方法的可行性和仿真模型的正确性。
关键词：
无功功率TCR+FC型SVCPSCAD软件
DESIGNDESCRIPTION
Thefrequentfluctuationofalargenumberofimpactloadsresultsinlowpowerfactorandlargevoltagefluctuationontheloadsideofthepowergrid.Inordertoimprovethisphenomenon,thispaperintroducestheworkingprincipleofmanykindsofstaticvarcompensators（SVC）.Thispaperpresentsamethodtobuildadetailedstaticvarcompensator（SVC）controlsystemsimulationmodelusingPSCAD/EMTDCco-simulationtechnology.ThemaincircuitsystemandthecontrolcircuitsystemofTCR+FCaredesigned.Thevoltage/reactivepowerregulatormodelofthecorepartofthecontrolsystemisbasedontheactualSVCcontroldevicealgorithm.ThecontrolsystemmodelissimulatedinthePSCAD/EMTDCmodelofSVCdynamicmodeltestsystem.ThesimulationdataarecomparedwiththerecordeddataofthedynamicmodeltestoftheactualSVCcontroldevice.Theresultsshowthatthecompensationcharacteristicsanddynamicresponseperformanceofthecontrolmodelarebasicallyconsistentwiththeactualdevice,whichprovesthefeasibilityofthesimulationmodelingmethodandthecorrectnessofthesimulationmodel.
Keywords:
reactivepowerTCR+FCPSCAD
1绪论
1.1研究目的及意义
我国国民经济的不断的并快速的发展以及供电电网规模的相对增大，大量的冲击负荷在工业应用中得到了广泛的应用。
这些负载具有低功率因数和大而急剧的无功率变化。
如果这些无功率不能及时补偿，则会在运行过程中引起配电网电压的剧烈波动，从而使电能质量恶化，造成大量的线损，而且也会同时也会威胁到设备的运行安全［1]。
除此之外，当大量的高次谐波融入电力系统中后会严重影响整个电力供应网络的电能供应质量，进而会在不同程度上对用户的正常工作运行造成一定的影响，而且从目前来看，人们对于电能质量的需求越来越高。
所以适当的保持电网的无功裕度能有效的保证供电电网的安全、稳定且经济的运行状态。
而且对于带载电源采取的有效无功补偿能快速，能为在系统用电器件的动态运行状态下的无功损耗提供无功功率的基础补偿，从而能有效的抑制无功功率波动或过损引起的电压波动及闪变故障的发生，进而提高在电网供电的可靠性及供电质量，有效的提高了配电电网的经济运行效率。
能有效的促进电力工业及其相关产业的技术进步。
在我国国家供电网络的建设及长期运行中发现了其中的一大重要问题就是无功补偿的能力不足，而且其内的设备配置并不合理，特别是所需的可调的、相应快速的无功调节设备过少。
无功功率的供应事关供电电网的稳定与否。
电力供电系统的无功补偿的快速性是衡量供电系统供电稳定性的措施之一，而其最终目的是为了给枢纽变电站能够快速的提供动态无功功率的支撑，进而提高供电系统的整体稳定程度，提高电网供电的综合质量，提高系统的动态及静态性能。
于此之外，还能有效的防止系统因过载导致的电势下降及电势闪变情况的发生。
降低电压与电流参数的不平衡情况的发生，进而纠正在动态电网系统下的无功负荷的功率因数，用以提高供电电网的静态及动态系数的整体稳定性，其主要作用便是增加在供电时系统符合的总功率，使用电设备的容量及功率消耗量减少。
对于处于收纳箱负荷不平衡的状况下，我们可以选用适当的无功补偿，用以实现对三相有功负载和无功负载的功率平衡。
而对于改进电压的调节机制，稳定接收端电网电压、增加线路供电电能总量。
对于长距离的输电线路更应当设置动态无功功率补偿装置，这样也能提高在长距离输电线路的整体稳定性，从而提高其线路输电能力。
1.2SVC国内外研究现状
伴随着当代电力电子技术的发展，在电力系统中的应用得到了更多的体现，其中对晶闸管无功功率补偿装置已迈进了由无功功率控制电力系统。
全球第一台实用性静止无功补偿装置由美国通用电气公司制造，安装在电压控制的Tri-stateG&T系统中。
1978年，在EPRI的支持下，明尼苏达电力照明系统采用晶闸管控制的静止无功补偿装置投入运行。
20世纪80年代，西屋公司为加拿大和新墨西哥分别提供了一套250Mvar和300Mvar无功补偿装置。
上世纪末，可控电抗器型无功补偿装置在电力输电系统中得到了全方位的应用［2]。
ABB、BBC、西门子、三菱等大公司也对TCR和变TSC设备进行了研究。
日本1972年引进静止无功补偿技术，2001年生产静止无功补偿设备264台，总容量9018Mvar。
英国国家电网也有32套不同的静态无功补偿装置在输电网络中运行。
然而，由于受到单个器件的耐电压和耐电流的限制，单个器件的电压电阻不能满足高压系统的要求，因此需要将晶闸管串联来承受高压。
晶闸管串联引起的动、静态电压平衡及各种保护问题进一步增加了主电路和控制部分的复杂性，增加了控制器需要处理的数据量和控制实现的难度。
我国目前自主研发的高压可控电抗器装置是由我国电力科研研究所研制开发成功的，其一般动态响应时间要低于15ms，而且无需进行保护等措施便可直接悬挂在35kV电压水准的线路中。
该自主研发的控制系统所采用的均为数字信号的处理器的全数字式控制器，全数字式控制器其最主要的特征便是动态响应快、受控精度高、并且易于进行编程控制等突出优点。
高压室晶闸管管阀和外国半导体公司制造的晶闸管元件进行串联，其能承受的动态最大电压、电流及静态的水平要有所提升。
而采用外国某公司制造的阀门和液冷式散热器，应用的是光电触发方方式、高电位板板压泵浦及晶闸管的BOD保护。
本系统的抗干扰能力极强，而且保护十分可靠。
多功能自动接口还兼具远程操控、自动系统对接等功能。
荣信是我国现今最大的SVC制造厂商。
而TCR型无功功率补偿器便是其自主研究的SVC产品型号之一，其技术指标能够达到国际标准。
该公司还具有我国国内的唯一一处静止无功补偿器高压满载检测测试中心。
而其对于TCR型无功功率补偿器而言其内还具有独特的自冷及空冷结构。
和世界上的同类型的产品相比它具有极高的性价比。
该类产品被广泛应用于我国各处。
我国国家计委于1988年在荣信建立了我国首条SVC重点工业示范性生产线，其最初便可生产6-35kV、额定功率为6-180瓦的TCr型静止无功功率补偿器，而其调节系统的最短响应时间仅为10ms。
1.3本设计主要研究内容
1.介绍无功功率的产生与影响，阐述了无功补偿的作用于发展。
2.设计一种TCR型SVC设计并对其分析，分析实际参数下SVC的控制策略和补偿效果。
3.选择合适的SVC触发角
，设计主电路及控制系统和设定主要参数。
4.设计出完整的系统并用PSCAD软件进行仿真和调试，并用波形显示出无功功率变化特性。
2静止无功补偿
2.1无功功率
含有无功功率的电网其传输电力能力、电能质量及网络损耗与平稳运行水平相关。
它是体现供电电源和负荷之间能量交换的一种物理量。
它的大小并不消耗能量，只不过是种能量转换而已。
无功功率的逐渐增大将会引起系统电流增加，进而增大了发电机、变压器和输电线路等电气设备的容量。
同时，对全国用电客户的设备的起动和控制进行了全方位的改造，测量仪器的规格也相应扩大，即设备和电路的损耗也有所增加。
对无功负荷的冲击会使电压剧烈波动，严重降低供电质量，降低工业生产效益。
运行网络中有许多感性负载，如异步电动机、变压器等，他们在正常运行时需要吸收无功功率才能正常工作。
它们所消耗的无功功率占由电力系统各设备提供的无功功率的很大比例。
无功功率的存在对于许多电气设备的正常运行是必要的。
反映了其负载特性。
无功功率的分布和大小也影响电压稳定性。
此外，负载所需的无功功率由电气设备的运行条件、环境参数、网络结构、材料特性、负载大小等因素决定。
电网是向众多电气设施提供电能，而且由于电气设备的特性不相同，输电网络中的无功功率波动范围很大，具有很强的随机性。
然而，它的存在为负荷提供了有功功率资源，所以我们应该科学合理地对输电线路进行无功补偿。
2.2无功补偿
2.2.1无功补偿概念
无功的需求是由负载特性决定的。
在三相完全对称的条件下，三相传输线的传输容量
、有功功率P、无功功率Q、线电压
、线电流
以及功率因数
之间的对应关系可表示为
（2-1）
（2-2）
（2-3）
式中，
为三相负载上电压与电流之间的相位差，也称为功率因数角［3]。
显然，随着无功的增加，输送的有功功率越小。
但有功功率是做功必不可少的一部分，为了提高有功功率的输送，应尽可能地消除无功。
但由于无功需求是负荷或导线本身的特性所决定的，也是负载正常运行时必不可少的，否则也不能吸收有功功率。
采用无功补偿技术，解决了输电线路容量完全用于有功输电的问题，同时也保证了负荷所需的无功。
无功补偿，是指利用设备或装置来提供负载所需的无功，而不是输电线路来提供。
即能够让输电线路最大限度地传输有功功率。
它还可以减少元件在线路上的损耗。
2.2.2无功补偿的作用
能够有效地校正动态无功负荷的功率因数，有利于提升有功功率的比例常数；能有效的提高电力系统的静态及动态稳定性，有利于改善系统功率不平衡状态；能有效的降低过电压及电压闪变情况的发生；能有效的降低线路无功损耗，从而可以降低发电和供电设备的设计容量，达到降低投资的目的；对于当三相负荷不平衡时，还可以通过无功补偿方式进而实现三相有功和无功负荷的平衡调节。
2.2.3无功功率电源
电力供电系统的无功功率补偿不仅包括同步电机补偿，还包括并联电容器、静电补偿电容器、静止无功功率发生器等就地补偿装置。
除了一般的补偿电容器外，其他的具有吸收无功功率及感性功率的电气电子器件也可。
同步式调相机指的是处于特殊的工作状态的同步电动机，其在供电电网中被应用时会使电网的电压有所下降，然后进行无功功率得输出，从而再使电网的电势回升，为系统注入足够的无功功率，其作用为保证其系统整体稳定性，提高电力供电系统的供电质量。
专用无功发电机作为最早的无功补偿设备之一，具有跟踪速度快并且能够遏制冲击，能够补偿容性和感性负载，跟踪范围宽等特点。
此外，它还具有可调电压平滑，单机容量大等优点。
能有效地支持电网电压，提高电网的稳定性。
在20世纪30年代左右的一些大功率运行于电力系统中，进而出现了第一个无功补偿装置——并联电容器。
对于一般使用的并联电容器我们可以使用三角形或星型接法使其接入变电站的母线上，使其只能发出无功功率，当接入节点的电源电压发生跌落的话，并联电容器能够将系统的无功功率减小，具有基础功耗低、安装方便灵活、基础投资较低等显著优点。
该器件可为系统提供足够的无功功率，进而改变其对系统的功率因数。
静止无功功率补偿装置是由晶闸管的投切电抗器及电容器［4]按照一定规范并联而成的。
由于晶闸管对于控制系统信号的相应速度极快，而且该类期间的关断次数也可近似为无限次。
那么就可以保证当电压发生细节变化时，静态补偿装置能尽可能快速且平稳的对系统进行调整，来满足系统对于动态无功功率补偿的最低需求，而且与此同时也可以实现实际的相位补偿，而且对于处于三相不平衡的负荷及其冲击负荷均具有极强的使用能力。
不过同样的由于晶闸管控制电抗器（TCR）处于切换过程中会产生高次谐波，那么就需要安装特定的滤波器用来减少高次谐波的发生率。
无功功率发生器的主体结构为电压源逆变器，其主要的是控制晶闸管的闭合角，使电容器上的直流电压和系统间的三相交流电压进行同步，随后再通过反应器件及变压器接入电网。
适合的控制逆变器的输出电势，能有效且灵活的改变此时逆变器的实际工作状态，使其处于容性、感性或空载状态［5]。
和静止无功补偿器相比而言，常用的静止无功功率发电机的相应速度更快些，并且其输出的谐波电流更小，并能够应用于当供电系统的电压处于较低的状态下。
2.3静止无功补偿器（SVC）
2.3.1无功功率补偿器的类型与结构
无功补偿器的基础种类很多，按照其不同的分类标准大致可以分为以下几类：
按照补偿范围可分为：
负载补偿、线路补偿；按照补偿性质可分为：
感性补偿、容性补偿；而根据对于补偿方式则可分为：
串联补偿、并联补偿两类。
根据国际大电网会议决议将静止无功补偿器（SVC）通过定义划分为以下7个子类［6]：
2.3.2饱和式电抗器型（SR）
同步补偿器，具有固有的电压控制能力，不需要外部控制或晶闸管开关来调节电压，就可以直接响应终端电压的变化。
饱和电抗补偿器所采用的结构为铁芯结构，具有可以承载3-4倍标幺值的抗过流能力，这就非常适合对于经常处于短期过压控制的系统。
不过饱和式电抗型静止无功补偿器的实际容量会受到实际的功率斜率影响，所以需要从新校准电容器的容量并进行限制，其内的火花间隙可以用于在严重过电压下的电容校正情况，不过此类部件的应用是以牺牲电压基调特性为代价的。
而对于无斜率校正的静止无功补偿器内的电抗器时同类静止无功功率补偿器中处理速度最快的。
因为有斜率修正电容的存在所以会降低系统的整体相应速度，其相应周期为无斜率校正的饱和式静止无功补偿器的周期的1.5-2倍。
2.3.3晶闸管控制电抗器（TCR）
虽然大多数负荷是感性的，但在某些情况下，由于城市电网中电缆输电线的夜间负荷显著降低，固定电容可能被过度补偿，或变压器的分接头可能处于最高输出电压，用户的终端电压可能会增加。
此时，必须采取无功补偿措施，使电压保持在正常水平。
晶闸管控制电抗器是一种感性无级补偿器。
补偿装置实际上是一个并联晶闸管控制电感。
有效电抗值由晶闸管在连续变化的部分导通模式下控制。
随着晶闸管控制角度的变化，电感可以无级调节。
TCR实现无级调速的原因是电感电压的突变不影响其正常运行。
图21单相结构图及其相位控制角位移原理
晶闸管控制电抗器的基础构件为一个和双向贯通晶闸管相串联的电抗器，其形制如图2-1所示。
通过控制晶闸管在电源频率下的正负周期的到导通率，可以达到控制输出的目的。
而控制晶闸管的导通则取决于电压在过零点时所测量的器件触发角α的值。
若此时该触发角为90度时，该器件会完全导通，可近似为无电阻态。
电流的基本量为无功电流和正弦电流两类，当该器件的触发角处于90-180度之间时，该器件为导电状态，而该器件的触发角并不能低于90°，因为若低于90°是则会产生含有直流分量的不对称电流，造成器件或系统的损害或冲击。
令
表示导通角，它与
的关系是
（2-4）
则得到瞬时电流i为：
（2-5）
电流波形的傅里叶分析给出了基波分量为［7]
（2-6）
式中：
和V为RMS值；
为基波下电抗器的电抗值。
增大触发角α或降低
的主体作用便是用于减少电流的基波分量
。
期同期作用也就相当于增大了实际中的电抗器的实际感抗的有效值。
从实际上拿我们所关注的基波电流分量来说，晶闸管控制式电抗器其实可以被等效为一个电纳，该电纳的有效值的触发角相关函数为
（2-7）
当处于全导通状态（
=90°，
=180°）时，其最大电纳有效值等于
；其最小电纳有效值为零，该参数可在
=180°或
=0°时通过实验获得［8]。
该类电纳的控制原理被称为向相位控制技术，当电纳处于半周期时可以控制使部分器件投入系统，并且电纳和该类器件的电流的变化量为平滑且连续的。
图22TCR的电压-电流流基本特性
TCR需要控制系统来确定从电压的上一个过零点（与触发角同步）测得的触发时间（触发角
）。
在某些设计中，控制系统将会直接响应代表理想导纳的信号。
在其他设计中，控制系统会对电压偏差和辅助稳定信号等误差信号讲作出响应。
结果是静态V/I特性，如图所示，即可以描述为
（2-8）
其中
是由控制系统增益所决定的斜坡电抗。
当前可用晶闸管的阻塞电阻电势约为4-9kV，而其导通电流泽科达到3-6kA。
对于其处于实际的生活应用中，则会受到其接入电压等级的影响，不过影响不大。
许多晶闸管正常应为串行连接，使其联结为开关阀，一般情况下会使用10-20个晶闸管进行串行联结，以满足在给定功率下阻断电压的不同电压等级的要求。
串联的晶闸管开关阀能够通过相同极性的触发脉冲使其打开。
当交流电流通过零时，开关阀可立即自动关闭，然后开关阀可再重新触发开启。
2.3.4晶闸管投切电抗器（TSC）
考虑到晶闸管控制的电抗器的控制角不为零，所以会产生一些谐波。
事实上，它可以分成几个并联的电感。
除了一个由晶闸管控制的电感之外，其他电感都工作在闭合状态。
这些电感是否放入系统由晶闸管闭合来决定，但晶闸管的触发控制角为零。
即晶闸管开关电抗器（TSC）控制的触发角要么完全导通，要么完全不导通。
TSC的主要目的是获得无功功率消耗的阶跃变化效应，降低调节部分的比例，确保补偿支路输出电流中的谐波得到有效抑制。
晶闸管投切电抗器没有控制角，可以相应地降低成本和损耗，但不能连续控制。
图23单相晶闸管投切电容结构
单相晶闸管投切电容器由电容器、双向晶闸管开关阀和一个非常小的限制冲击电流的电抗器组成。
当发生非正常操作时，如瞬变开关条件不可用时，电容器在“错误的时间”接通，这时电抗器可用于限制脉冲电流，以防止电流损坏晶闸管开关阀。
当交流系统存在特殊频率的谐波时，该电抗器也可用于防止该系统产生谐波频率的谐振。
在稳态条件下，当晶闸管开关阀导通后，TSC支路就与正弦交流电源相连，设此时交流电源的电压为
，则TSC支路的电流可表示为
（2-9）
式中：
（2-10）
电容电压的幅值可表示为
（2-11）
将驱动晶闸管开关阀的门极触发脉波去除后，晶闸管随之关断，TSC支路的电流降为零，则TSC支路就与系统断开，或从系统切除［9]。
图24TSC系统的V/I特性
晶闸管投切电抗器型静止电容补偿器的伏安特性如上图所示。
既然是投切式电抗器所以其对系统投入的电压控制为不连续的或者可被称为是相控式的。
可以通过其并联的数量及其容量进行共同决定。
对于其在高压系统中的应用，因为晶闸管的制造成本较高，而且可并联的电容器组的数量有限，所以当系统的基础运行条件会发生变化，当发生变化时供电系统的电势/电流等特性及投切电容器的电势/电流的特性将会在离散坐标系的离散点内相交。
当节点电压被控制在
内时，该电压的参考电压会处于系统死区。
当系统的操作特性为直线S1型时，该电容器C1将被投入运行，而且其会在A点处进行运作。
假如若此时的操作特性由直线S1型转换为直线S2的话，该节点的节点电压会由A点电参量转换为B点电参量而晶闸管投切电抗器型的控制开关被切换到C2时，此时的工作点将变为C点，而且会以电压控制将其控制在所标定的控制范围内。
由上述介绍不难看出，其补偿电流的变化并不连续，该控制器的控制命令的持续执行时间约为半个到一个循环周期。
2.4混合型SVC的基本原理
2.4.1TCR+FC基本结构
图2-5为固定电容晶闸管控制的静止无功补偿器（FC-TCR型SVC）的单相结构，电容支路的连接是固定的，TCR支路由延时触发控制，进而形成连续可控电感。
在一般情况下，TCR的容量都要略高于FC的容量，这样就可以保证无电源电容输出和无电源电感输出［10]。
在实际应用中，滤波器网络（LC或LCR）通常被用来代替简单的电容分支。
滤波器网络等效于基频上的电容阻抗，在没有功率的情况下产生所需的电容。
TCR和FC支路在输电线路中吸收的感性功率就是TCR+FC型静止无功补偿器在线路中的的总无功输出量。
图2-5显示的是无功功率的输出与设备需求之间的关系图。
垂直坐标为无功输出，水平坐标为无功功率需求，最低平行线表示固定电容的无功输出（假设输入电压稳定）。
斜线表示TCR的无功输出，中间对角线表示FC-TCR的复合输出［11]。
当设备需要最大的电感无功输出量时候，TCR支路会被切断，即晶闸管延迟触发角
=90°。
之后TCR吸收电感的无功功率将会增加，从而实现从输出到电感无功吸收的平滑调节。
在零无功功率输出点处，FC与TCR吸收的感性无功功率正好抵消，因此降低了
的值。
当
=0°时，TCR支路将会被全部启动，吸收最大感应无功功率［12]。
图25无功输出与需求之间的关系曲线
2.4.2TCR+FC型SVC的电压电流特性
图26FC+TCR型SVC的U-I特性曲线
图中给出了FC+TCR复合无功补偿装置的U-I工作区域。
它不同于简单的电容和电感补偿区域。
它不仅可以工作在纵坐标左侧的电容补偿区域。
它还可以工作在纵坐标右侧的感应工作空间，这是由固定电容器的电容与可调电容器的电容之间的差值决定的。
图2-6中允许的最大电容或电感主要由电容器、电抗器和晶闸管开关阀的额定电压和电流决定，应根据实际需要设计。
其中，
为电容电压的极限值，
为TCR的电压极限值，
为电容电流的极限值，
电感电流极限值，
为最大感纳，
为容纳。
2.4.3TCR+FC型SVC运行时的损耗特性
图27FC+TCR型SVC的损耗特性
在实际应用过程中，除了暂态性能外，无功补偿装置的损耗与无功输出之间的关系也是一个至关重要的指标。
FC+TCR复合无功补偿装置的损耗主要由三部分组成：
电容器或滤波器的损耗相对较小，基本上是一个固定值；电抗器损耗：
损耗主要发生在电抗器绕组中。
因此，损耗与电流的二次幂成正比。
如果用用MCR来代替TCR，还应考虑磁芯损耗，包括电磁阀中的涡流损耗、磁损耗和磁势损耗。
磁势的损失反映在绕组电流的增加上。
磁偏置越大，电磁阀的输出容量和损耗越大，晶闸管损耗也越大：
对于电力电子设备，开关过程中的损耗远大于稳态损耗。
然而，由于TCR应用中晶闸管的频率很低，所以只有在50Hz交流电源的情况下才能考虑稳态损耗（每个晶闸管在20毫秒内只有一个开关动作）。
换句话说，晶闸管的损耗与流过它的
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