基于Matlab的电力系统无功补偿装置的研究与仿真.docx

1、基于Matlab的电力系统无功补偿装置的研究与仿真引言随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置应用的日益广泛，电力系统中的谐波污染问题也越来越严重，而大多数电力电子装置功率因数较低，也给电网带来额外负担，并影响供电质量。因此抑制谐波和提高功率因数已成为电力电子技术和电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题不外乎两种途径:一种是装设补偿装置，如有源滤波器、无功功率补偿器等，设法对谐波进行抑制和对无功进行补偿;另一种是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波也不消耗无功功率，或根据需要对其功率因数进行调节。后一种方法需要

2、对现有电力电子设备进行大规模更新，代价较大，并且只适用于作为主要谐波源的电力电子装置，因此有一定的局限性。而前一种方法则适用于各种谐波源和低功率因数设备，并且方法简单，己得到广泛应用。传统的补偿无功功率和谐波的主要手段是设置无功补偿电容器和LC滤波器，这两种方法结构简单，既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率，一直被广泛应用。但这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，此外，它只能补偿固定频率的谐波，难以对变化的无功功率和谐波进行有效的动态补偿。而随着电力系统的发展，对无功功率和谐波进行快速动态补偿的需求越来越大。现代电力电子技术的出现和发展为谐波和无功补偿装置的

3、能动控制提供了可能。近年来，电力电子器件也由不可控器件，半控型器件及全控器件发展到智能化的功率器件。这些新型器件的出现使得电力电子变换电路本身及其控制系统产生了巨大的变革，从传统的以整流为主的电力电子技术跨入了以直流逆变成各种频率的交流为主的逆变时代，从而为各种形式的变流器在交流系统中的应用供了可能。而近几十年来电力电子技术在电气拖动领域中的广泛应用，积累了大量的应用经验，技术上也日趋成熟。正是在电气拖动领域中得到广泛应用的相控脉冲宽度调制(PWM)技术和四象限变流技术为各种形式的静止无功功率补偿装置(SVC)和有源滤波器(APF)控制器提供了原形。晶闸管获得广泛应用后，以晶闸管控制电抗器(T

4、CR)为代表的静止无功补偿装置(SVC)有了长足的发展，可以对变化的无功功率进行动态补偿。近年来，随着以GTO, BJT和IGBT为代表的全控型器件向大容量、高频化方向的不断发展，采用电力电子技术的各种有源补偿装置发展非常迅速。本论文所研究的静止无功功率补偿器(SVC)，属于FACTS家族中重要的一员。有人也称它为静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，缩写为STATCOM)。在美国被称为STATCON，即静止调相机(Static Condenser);在日本过去则称为静止无功功率发生器(Static Var Generator)，简称SVC，专指由自换相

5、的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置;在欧洲多称为先进静止补偿器(AdvanceStatic Var Generator)，简称ASVG。无功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿，后者实际是谐波补偿。无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。传统的无功补偿设备如同步发电机、同步电动机、同步调相机、固定容量的电容器、开关控制的并联电抗器等，可满足一定范围的无功补偿要求，但响应速度慢、维护困难、连续可控性差。虽然可控硅型的静止无功补偿器(SVC)在电力系统的应用得到了较好的效果，因此得到了广泛的应用。第一章 无功功率补偿的基本理论1.1无功功率补偿的基本原理补偿功率因

6、数的功能及原理是大家熟知的，下面仅以改善电压调整的基本功能为例，对无功功率动态补偿的原理作简要介绍。图2. la所示为系统、负载和补偿器的单相等效电路图。其中，U为系统线电压;R和X分别为系统电阻和电抗。设负载变化很小，故有U远小于U。则假定R远小于X时，反映系统电压与无功功率关系的特性曲线如图2.1b中实线所示，由于系统电压变化不大，其横坐标也可换为无功电流。可以看出，该特性曲线是向下倾斜的，即随着系统(a)单相电路 (b)动态补偿原理图2.1无功功率动态补偿的原理供给的无功功率Q的增加，供电电压下降，实际上，由电力系统中的分析可知，系统的特性可近似用下式表示：) （2.1）或者写成 （2.

7、2）式中U0一无功功率为零时的系统电压; Ssc一系统短路容量。可见，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。投入补偿器之后，系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即 （2.3）因此，当负载无功功率变化时，如果补偿器的无功功率Qr总能弥补的变化，从而使Q维持不变，即Q=0，则U也将为0，供电电压保持恒定，这就是对无功功率进行动态补偿的基本原理。图2.1b示出了进行动态的无功补偿，并使系统工作点保持在 =常数的示意图。当使系统的工作点保持在Q=0处，即图中的C点时，就实现了功率因数的完全补偿。可见补偿功率因数的功能可以看作是改善电压调整功能的特例。在工程实际中，为了分析方便，常常把负载

8、也包括在系统之内考虑，总体等效为一个串联一定内阻的电压源。即将图2.1a中点划线框内的部分等效为图2.2a中点划线框内的部分，并忽略内部阻抗中的电阻，而电抗记为Xso，等效后系统电源电压为等效前连接点处外接补偿器时的电压。另外，由于补偿器具有维持连接点电压恒定的作用，故可以将其视为恒定电压源，电压值取为系统外接补偿器(即补偿器吸收的无功电流为零)时连接点处的正常工作电压，也就是图2.1中补偿器未接且负载无功不变时的供电电压，记为。其电压一电流特性如图2.2b所示，为一水平直线，由于电流为无功电流，电压又维持一定，因此也可以看作电压一无功功率特性曲线。这样，整个等效电路即如图2.2a所示。当图2

9、.2a中未接补偿器而由于某种原因(例如负载无功的变化)使连接点处电压变化Us时，也就是在图2.2a中系统电源电压变化U时，接人补偿器后，连接点电压即可以回到正常值。由图2.2a可得，此时补偿器所吸收的无功功率应为: (2.4)换句话说，一台可吸收无功功率为Qr的补偿器，可以补偿的系统电压变化为： (2.5)按照电力系统中的常规做法，这里采用的是标么制，各量均为标么值，故三相电路与单相电路的公式是一样的，且与三相的联结方式无关。 !(a)等效电路 （b）电压一电流(无功功率)特性图2.2理想补偿器的等效电路及特性1.2静止无功补偿装置(SVC)原理在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基

10、本、最重要的指标。为确保电力系统正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一是对电力系统的无功功率进行控制。 控制无功功率的方法很多，设置无功功率电容器是补偿无功功率的传统方法之一，这种方法具有结构简单、经济方便等优点，目前在国内外均得到广泛应用。但它存在着所需电容容量大、与谐波互相影响及不能动态补偿等缺点，因此，它一般与动态补偿设备配合使用。随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。静止无功补偿器是电网中控制无功功率的装置，它根据无功功率的需求进行动态补偿。所谓静止无功补偿是指它没有机械运动部件，与同步调相机

11、相比，静止无功补偿器是完全静止的设备。但它的补偿是动态的，即根据无功的需求或电压的变化自动跟踪补偿。静止无功补偿系统中的各种无功补偿器都是用无功器件(电容器和电抗器)产生无功功率，并且根据需要调节容性或感性电流。静止补偿器的另一个特点是依靠晶闸管等电力电子器件完成调节或投切功能，它们可以频繁地调节或投切。其动作速度是毫秒级的，远比机械动作快。对于系统中平衡无功功率或不变动的无功功率常采用传统的电容器补偿或称为固定电容补偿(FC)，开关投切电容器(BSC)，由它们补偿无功的不动部分和动态的补偿结合起来，形成静止无功补偿装置(SVC) 。SVC装置主要用于对冲击性负荷用户的就地补偿和用十对电力系统

12、的无功补偿一、用于冲击性负荷用户的无功补偿，如用于轧钢机、矿山绞车、电弧冶炼炉、电气机车、高能加速器、频繁启动的电动机等。其作用是:1、补偿负载在动态过程中所需的无功;2、调整电压，减少电压波动和电压闪变;3、改善功率因数;4、滤除大部分高次谐波，改善电压波形;5、在不平衡负载处起平衡化作用;6、提高冲击负载设备及其邻近电气设备的运行安全性。二、 用于电力系统，其作用是:1、在枢纽变电所或终端变电所灵活的补偿无功功率，提供随机性调相功能;2、按指定要求调整系统电压;3、提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性，4、提高输电线路的输送功率。5、提供阻尼力矩以抑制电力系统的功率振荡;6、抑制电力系统的

13、次同步谐振;7、吸收电力系统中突然涌现的过剩无功，抑制暂时过电压;8、减少系统中的负序电流分量，对连接点的二相电压起平衡作用;9、对直流输电系统的换流站，提供换相无功和实施电压控制。静止无功补偿装置主要有以下三大类型:一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置(SR: Saturated Reactor);第二类是晶闸管控制电抗器(TCR: Thyristor Control Reactor),晶闸管投切电容器(TSC: Thyristor Switch Capacitor)，这两类装置通称为SVC (Static Var Compensator);第三类就是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置动

14、态无功补偿器(SVG)。下面简要说明SR和SVC的原理。1.2.1具有饱和电抗器的无功补偿装置(SR)饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种，具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小;可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。1.2.1.1 SR型SVC的优缺点SR型SVC的主要优点有:工作可靠、维护简单由于主要部件电力变压器、电抗器和电容器都是标准化的产品，可靠性高，并且不需要特殊的维护。可以进行连续快速

15、的感性/容性调节固有的快速响应尤其适合对闪变负荷的补偿，同时还具有抑制不对称负荷的能力。在感性工作范围内有较大的过载能力例如，在持续5min以内，可以过载到1. 5Pu，或在数秒内过载到3Pu。特殊设计时，过载能力甚至可以达到45Pu (1s)，如根据需要可以更长一些。这一固有的过负荷能力特别适合十用来控制瞬时过电压。自生谐波含量低由于采用了曲折接线和网格调谐电抗器这两种内部谐波抑制技术，所产生的谐波相当低，在大多数应用中不需要另外设置滤波器。这两种谐波抑制技术同时还具有改善补偿器输出特性和平直度的作用。SR型SVC的主要缺点:制灵活性较差由于它不能附加其他控制信号，因此控制灵活性较差，从也就

16、限制了它的应用范围。运行噪声大在电抗器附近噪声水平可能很高(约为100db)，这是由于高频磁致伸缩力造成的。为降低噪声对环境的影响，有时要专门为饱和电抗器建造一个隔音室。不能分相调节不能直接连接与超高压单位容量损耗大由于自饱和电抗器在额定电压时铁芯需要工作十饱和状态，磁通密度较高，铁芯截面积比普通变压器要小，所以单位容量损耗大，目散热较难，制作要求高。价格较高 因其制造复杂且价格较高得不到广泛应用。1.2.1.2 SR型SVC的应用场合 SR型SVC是由基于传统技术的无源元件构成的。它们可靠、无需维护，而且过负荷能力强。因此在重要的应用场合，这些方面显示出了它的优越性。 典型应用场合: 在交流

17、输电系统中由于稳定电压以及降低短时过电压 在高压电网中负荷的变化引起电压的波动，特别是在空载(或轻载)长送电线路上，线路电容在线路的末端会产生不允许的过电压；而在另外一些情况下，满负荷又需要对电压降进行校正。并且在突然甩去负荷或开关操作时，需要快速的电压抑制。对十这些情形，SR型SVC对稳定电压以及降低过电压都是非常有效的。 在工业供电网络中用十抑制急剧的无功波动造成的电压波动或闪变 消除闪变的理想装置应是恒压无功补偿器，SR型SVC可以说是一种接近十这种理想运行性能的补偿设备。在负荷急剧变化的工业企业电网的运行经验表明，其快速抑制作用可以保证最好的电压稳定。 在高压直流输电系统中用十降低由十

18、换流装置闭锁引起的动态和短时过电压在直流输电系统故障(直流闭锁、全停)或交流系统故障后而直流输电不能迅速起动时，换流阀不能消除无功功率，多余的无功功率将引起工频动态过电压，如交流系统的短路容量或短路比愈小，产生的过电压愈高。过高的工频过电压将对交、直流系统的安全运行构成严重威胁。利用SR型SVC动作迅速和过负荷能力强的特点，可以有效地抑制此类工频动态过电压;此外配合并联电容器的调节，可以较好地控制交流侧电压。 SR型SVC反应速度快，并且有部分平衡化功能，作为以电压稳定为目的的动态无功功率补偿设备曾有较好的效果。1.2.2晶闸管控制电抗器（TCR)两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原

19、理图如图2.3所示。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90180。当触发角a=90时，晶闸管全导通，导通角=180，此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式: 和 (2.6)从上式可知，增大触发角即可增大补偿器的等效感抗，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。图2.3 TCR补偿器原理图由于单独的TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同

20、，又可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+FC)和TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+MSC )。这种具有TCR型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。TCR的三相接线形式大都采用三角形联结，也就是所谓支路控制三角形联结三相交流调压电路的形式，如图2.4所示，这种接线形式比其他形式线电流中谐波含量要小。图2.4 TCR的三相接线形式由分析可知，触发延迟角a的有效移相范围为90-180。其位移因数始终为1,也就是说，基波电流都是无功电流。a=90时，晶闸管完全导通，导通角& =180，与晶闸管串联的电抗相当于直接接到电网上

21、，这时其吸收的基波电流和无功功率最大。当触发延迟角在90-180之间时，晶闸管为部分区间导通，导通角& 180。增大触发延迟角的效果就是减少电流中的基波分量，相当于增大补偿器的等效感抗，或者说减小其等效电纳，因而减少了其吸收的无功功率。单独的TCR由于只能吸收感性的无功功率，因此往往与并联电容器配合使用，如图2.5所示。并联上电容器后，使得总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率，因而可以将补偿器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围内。另外，并联电容器串联上小的调谐电抗器还可兼作滤波器，以吸收TCR产生的谐波电流。(a)TCR+一组电容器 (b)TCR+两组电容器(c)T

22、CR+三组电容器 (d)TCR+四组电容器 图2.5与并联电容器配合使用的TCR当TCR与固定电容器配合使用时，被称为TCR+FC型SVC，有时也简称为TCR,其电压一电流特性如图2.6所示。实际上，在下面叙述中可看到，改变控制系统的参考电压，可以改变特性在纵轴上的截距，因而可以使特性的水平段上下移动作为其特性左边界的斜线，就是晶闸管导通角为零，而仅有固定电容器并联在母线时电容器的伏安特性边界的斜线段，就是晶闸管完全导通，其串联电抗器直接接在母线上，并与并联电容器并联产生的总等效阻抗的伏安特性，而它所对应的无功功率是电容器与电抗器无功功率对消后的净无功功率。因此，当要求这种补偿器的补偿范围能延

23、伸到容性和感性无功功率两个领域时，电抗器的容量必须大于电容器的容量。比如，当希望补偿器吸收无功功率的能力为一倍的容性无功到一倍的感性无功功率，则电抗器的容量必须为电容器的两倍。此外，当补偿器工件在吸收很小的容性或感性无功功率的状态时，其电抗器和电容器中实际上都已吸收了很大的无功功率，都有很大的电流流过，只是相互对消而己。这些都是这种类型补偿器的缺陷。 图2.6 TCR+FC型SVC的电压一电流特性根据对补偿器所期望的功能，被检测的信号应包含下列物理量中的一个或几个:(1)系统电压;(2)流过传输线或补偿器本身的无功功率;(3)传输线输送的有功功率或其变化率;(4)电压相角偏差;(5)系统频率及

24、其导数。控制当中需要的信号的是反映以上这些量有效值或幅度大小的直流信号，因此往往需要对传感器所得的信号作进一步的处理。例如，对系统电压，实际需要的是能反映系统电压有效值大小的直流信号。所以，对从电压传感器检测出来的三相电压信号，常采用的进一步处理方法有:整流、取平均值、取方均根值、取正序分量、滤波等。图2.7示出了用于60Hz系统电压检测的典型电路原理框图。其中的90Hz带阻滤波器是为了滤除可能产生系统谐振的谐波，而60, 120, 360Hz带阻滤波器则是用来滤去整流的特征谐波以及可能由于的三相不平衡引起的谐波。 图2.7用于60Hz系统电压检测的典型电路原理框图开环控制的策略相对比较简单，

25、多用于负载补偿，例如检测负载无功功率来控制TCR产生相等的无功功率，从而使电源供给的无功功率为零，以达到功率因数校正或改善电压调整的目的。图2.8给出了采用电流反馈形式的一个TCR的控制系统原理框图的例子。上面的介绍都是以电压调整功能为例，实际上将这些控制方法稍加修改或补充，就可以使静止补偿器的功能扩展到无功功率动态补偿所能实现的其他一些功能范围。在有些场合，某种特殊功能可能取代电压控制功成为主要功能，或者要求采用持续的检测和控制方法，因而控制系统可能并不包含电压闭环。例如，以功率因数校正为主要目标的负载无功功率补偿，可以采用如前面所述的开环控制，也可以与闭环控制相结合，加一个响应速度较慢的总

26、无功功率或功率因数反馈控制闭环即可;而若要补偿三相电流的不平衡，则需分别检测出两相电流中的非正序成分，采用三相分相单独触发的控制方法来产生不平衡的三相补偿电流。 图2.8 TCR控制系统原理框图此外，控制系统中还可以包括各种保护功能，如限制补偿器的运行范围、过电流保护、谐波电流限制等，以及各种特殊调制功能，如手动控制与自动控制的切换、自动增益调整、频率补偿等，还应包括对与TCR配合使用的MSC或TSC的相应控制功能。1.2.2.1 TCR型SVC的优缺点优点主要有: 可以进行连续感性和容性无功调节 单独的TCR由于只能吸收感性无功功率，与并联电容器配合使用，使得总的无功功率为TCR与并联电容器

27、无功功率抵消后的净无功功率，因此可以将补偿器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围内。 能进行分相调节 降压变压器二次绕组连接成“开口星型”，中点分开，这是要使每相负载与另外两相独立，从而正序和负序的幅值可以单独控制、分相调节，可以平衡不平衡负载。 吸收谐波能力好 并联电抗器串上小调谐电抗器还可兼作滤波器，能很好地吸收TCR产生的谐波电流。 噪声较小 损耗相对较小 抑制灵活性好 TCR型SVC有多种可选择补偿方案，一种方案就是将电容器组的总容量固接在电网上，而将TCR的总容量平均分为n组小单元，根据系统无功功率的平衡要求来决定启用小补偿单元的组数及其控制角。 这样TCR型SVC就可以通过控制

28、投入的组数进行粗调节，通过控制控制角进行细调节，实现平稳的无级补偿，因此整个控制过程十分灵活，而且效果也相当好。 动态响应时间较快(约10ms)，是能够胜任多类负荷的动态无功补偿。 缺点主要有: 自身有谐波含量产生 TCR型SVC产生的谐波主要是奇次谐波，3K次谐波同相位，仅能在补偿装置的二角形接法绕组中流通，不能流入系统。流入系统中的谐波成分只是6k士1次。 产生的谐波电流会使系统电压产生畸变，从而对系统及设备产生一系列的危害，因此利用TCR和改善功率因数用的电容器兼作滤波器，但这种滤波器体积大，占地多，价格贵。 不可直接接十超高压 运行维护复杂 由于组成部分较多而且较为复杂，TCR本身的反

29、并联晶闸管、多组FC，这些虽然使得控制灵活，但也让运行维护更复杂。1.2.2.2应用场合 由于TCR型SVC具有反应时间快，无级补偿，运行可靠，能分相调节，能平衡有功，适用范围广，价格较便宜等优点，实际应用最广，在控制电弧炉负荷产生的闪烁时，几乎都采用这种型式。目前国内几乎所有的轧钢机，提升机、电力机车、电弧炉的补偿设备都采用此类型的SVC。 最广泛用于高压大容量无功补偿，与固定电容器或滤波器联用。可用作电压支撑，无功潮流控制，增加系统稳定性，以及减小电压波动，可分相调节，有对称化功能。 目前，TCR与电容器联用，是动态无功补偿的第一选择，由于它产生谐波，滤波器与它联用是理想的方案，目前是连续

30、调节的理想方法。1.2.3晶闸管投切电容器(TSC)为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC装置应运而生。其单相原理图如图2.9所示，两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。选取投入时刻总的原则是，TSC投入电容的时刻，也就是晶闸管开通的时刻，必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻。因为根据电容器的特性，当加在电容上的电压有阶跃变化时(若电容器投入的时刻电源电压与电容器充电电压不相等就会发生这样的情况)，将产生冲击电流，则很可能破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利影响。一般来讲，希望电容器预先充电电压为电源电压峰值

31、，而且将晶闸管的触发相位也固定在电源电压的峰值点，因为根据电容器的特性方程： （2.7）图2.9 TSC补偿器原理图如果在导通前电容器充电电压也等于电源电压峰值，则在电源峰值点投入电容时，由于在这一点电源电压的变化率(时间导数)为零，因此，电流小即为零，随后电源电压(也即电容电压)的变化率才按正弦规律上升，电流i即按正弦规律上升。这样，整个投入过程不但不会产生冲击电流，而且电流也没有阶跃变化。这就是所谓的理想投入时刻。图2.10以简单的电路原理图和投切时的波形对此作了说明。图2.10 TSC理想投切时刻原理说明如图2.10所示，设电源电压为，在本次导通开始之前，电容器的端电压Uc已通过上次导通时段最后导通的晶闸管V1充电至电源es的峰值，且极性为正。本次导通开始时刻取为es和Uc相等的时刻t1，给V2以触发脉冲而使之开通，电容电流ic开始流通。以后每半个周波发出触发脉冲轮流给V1和V2。直到需要切除这条电容支路时，如在t2时刻，停止发脉冲，ic为零，则V2关断，因未获触发而不导通，电容器电压保持为V2。导通结束时的电源电压为负峰值，为下次投人电容器做了准备。TSC控制系统的思路跟TCR控制系统的思路是类似的，只不过其中的控制电路部分是以决定哪组电容投入或切除的逻辑功能为中心作为例子，图2.11给出了一个TSC用于对波动负载进行无功补偿时