异步发电机无功补偿仿真分析毕业设计

青岛大学本科生毕业论文（设计）本科毕业论文(设计)题 目：异步发电机无功补偿仿真分析 学 院： 自动化工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 周莉 指导教师： 吴新振 教授 2015 年 6 月 1 日青岛大学本科生毕业论文（设计）摘 要随着电感负载和电力电子装置大量的使用，供电系统的无功功率不平衡问题日益突出。针对这一现状，本文研究设计了静止无功补偿装置(SVC)系统结构，并且使用 simulink 进行仿真。本文首先引入了“电能质量”的概念，指出了无功补偿的意义和方法，分析常用的无功补偿装置 的控制策略，提出 TCR+FC 型 SVC 控制装置的设计目标。其次，介绍了无功补偿的一般性原理，还介绍了异步发电机的发电原理、建压过程、发电的必要条件、异步发电机的运行方式等。介绍了 TCR 型动态无功补偿装置的原理及主要接线形式，同时介绍了数字控制算法 PID 调节。利用 MATLAB 软件中的 Simulink 仿真平台，建立了 SVC 仿真模型，仿真结果表明，本文所设计的无功补偿装置响应速度快，控制精度较高，无功补偿效果明显，并对 5 次、7 次谐波能有效抑制，满足预定的设计目标。最后，在上述原理分析和仿真实验的基础上，以异步发电机为补偿对象，设计了 SVC 实验装置关键词 静止无功补偿器 PID simulinkABSTRACTAs the vast use of inductive load and power electronic device, the problem of reactive power imbalance is more and more severe. The main content of this paper is to design SVC(Static Var Compensator) system.The concept of “Power Quality” was cited firstly, the significance and solutions of reactive power compensaton were pointed out. The paper analysed common control strategy of SVC and proposed the goal to design a SVC of TCR & FC.The paper introduced the compensation theory of SVC, including the filters design. In connection with kinds of reactive powers measure algorithm, an iterative algorithm based on an orthogonal characteristic of trigonometric function was proposed to measure fundamental reactive power.The SVC simulation model was set up , based on the simulink of MATLAB.The result of simulation showed that this SVC device had the advantages of fast sesponse speed, high control precision, obvious result of reactive power compensaton, and can restain the 5 and 7 harmonics effectively. It satisfied the proposed scheme.青岛大学本科生毕业论文（设计）Finally, based on the theory above and the simulation experiment, the SVC experimental device was designed to control the three -phase bridge rectifier circuit.Keywords Static Var Compensator(SVC) PID Simulink青岛大学本科生毕业论文（设计）目 录前 言 .1第一章 绪论 .21.1 无功功率的产生及其影响 .21.1.1 电能质量的概念 .21.1.2 无功功率的产生及对供电网的影响 .21.2 无功补偿装置的分类 .31.3 静止无功补偿装置简介 .5第二章 异步发电机的发电原理 .62.1 发电机的建压过程 .62.2 发电的必要条件 .62.3 异步发电机的运行方式 .62.3.1 并网运行 .62.3.2 自励运行 .62.4 小结 .6第三章 自励异步发电机的数学模型 .63.1 稳态等值电路的推导 .63.1.1 电压方程式 .63.1.2 等值电路 .63.2 小结 .6第四章 TCR 型动态无功补偿装置 .64.1 TCR+FC 型动态无功补偿装置的补偿原理 .64.2 晶闸管相控电抗器（TCR） .64.2.1 TCR 基本原理 .64.2.2 主要连线形式 .6第五章 计算机控制算法 .65.1 PID 概述 .65.2 PID 控制器参数对控制性能的影响 .6第六章 异步发电机的无功补偿仿真分析 .66.1 仿真软件简介 .66.1.1 概述 .66.1.2 MATLAB 与 simulink 简介 .66.2 仿真电路的结构 .66.3 仿真结果 .66.3.1 发电机的建压过程 .6青岛大学本科生毕业论文（设计）6.3.2 未带 SVC 时突加负载后发电机的端电压波形 .66.4.3 带有 SVC 电路突加负载后的端电压波形 .6结束语 .6致 谢 .6参考文献 .6青岛大学本科生毕业论文（设计）1前 言电能是现代能源的主要形式。与电能密切关联的电机，是实现电能与机械能或电能与电能相互转换的设备。前者即旋转电机，后者即变压器。旋转电机通常分为交流电机和直流电机，交流电机又分为异步电机和同步电机。把机械能转换成电能的电机成为发电机，同步电机主要用作发电机；把电能转换成机械能的电机成为电动机，异步电机主要用作电动机；把某一交流电能转化成另一同频率电能的设备称为变压器。应该指出，从基本原理上看，发电机和电动机只不过是点击的两种运行状态，它们本身是可逆的。由于异步电机结构简单、运行可靠、维护方便和价格便宜，所以是现代工业、农业、交通运输业、航运和航空事业等各种生产机械中应用最广泛的一种。如各种机床、高炉运料装置、轧钢机、起重机、搅拌机和水泵，以及各种农副产品的加工等都普遍使用三相异步电动机拖动。此外，在各种家用电器，医疗器械和自动化系统检测计算装置中，还经常用到单相异步电动机和各种控制电动机。目前，异步电机的容量从几十瓦到几百千瓦。据统计，在电网的总负载中，动力负载占 59%，而三相异步电机约占全国动力负载总容量的 85%。总之，异步电动机应用范围广，需要量大，是实现电气化不可缺少的动力设备。异步电动机的主要优点为：结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特性。缺点是功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收滞后性的无功功率，它的功率因数总是小于1。由于电网的功率因数可以用别的办法进行补偿，这并不妨碍异步电动机的广泛使用。青岛大学本科生毕业论文（设计）2第一章 绪论1.1 无功功率的产生及其影响1.1.1 电能质量的概念电能是一种既经济实用又清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，同时又是电力部门向电力用户提供，并由共、用双方共同保证质量的特殊产品。如今，电能作为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑也应讲求质量。 电能质量 1(Power Quality) ，从普遍意义上是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。其可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。随着现代电力电子设备等非线性负荷大量接入电网使用，使得电网供电质量受到严重影响。其中各种电力电子开关器件的大量应用和负荷的频繁波动是最主要的干扰源，由此产生的谐波抑制和无功功率补偿(以下简称无功补偿)问题引起人们越来越多的关注。 谐波的污染与危害主要表现在对电力与信号的干扰影响方面，可大致概括以下两方面：在电力危害方面：(1) 旋转电机等的(换流变压器过载)附加谐波损耗与发热，缩短该类设备的使用寿命； (2) 谐波谐振过电压，它能造成电气元件及设备的故障与损坏； (3) 电能计量错误，造成经济损失。在信号干扰方面：(1) 对通信系统产生电磁干扰，使得电信质量下降； (2) 重要的和敏感的自动控制、保护装置误动作或者不动作； (3) 危害到功率处理器自身的正常运行。1.1.2 无功功率的产生及对供电网的影响在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。无功功率是用于电路内青岛大学本科生毕业论文（设计）3电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。无功功率也不能过大，过大会对公用电网产生如下影响：(1)增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率的增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。因此，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大；(2)设备及线路损耗增加。无功功率的增加，会使总电流增大，因而使设备及线路的损耗也跟着增加；(3)使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。但是，无功功率对整个供电系统和负载的运行都是十分重要的，电力系统网络元件的阻抗大多数都是呈电感性的，因此，粗略的说，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一定的相位差，这在相当宽的范围内是可以实现的，而为了输送无功功率，则要求两端电压有一定的幅值差，这只能在很窄的范围内实现，不仅大多数网络元件要消耗无功功率，大多数负载也要消耗无功功率，它们所需要的无功功率必须从网络中某个地方来获得，显然，这些无功功率如果都要由发电机去提供并经过长距离传送是不合理的，因为这样会加大网络损耗，通常也是不可能的，合理的方法应该是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，也就是实现就地平衡补偿；无功补偿装置是电力系统中的一个非常重要的环节，并且在补偿无功功率的同时，还要尽可能的对谐波进行抑制。因此，无功补偿之后，可以提高电压、降低线损、减少用电量、节约能源、增加电网有功容量传输、提高设备的使用效率等。1.2 无功补偿装置的分类电力系统的无功补偿装置有同步发电机，同步调相机，电容器和静止无功补偿装置(SVC )等。青岛大学本科生毕业论文（设计）4同步发电机发电机是电力系统中唯一的有功功率电源，同时它也是最基本的无功功率电源。发电机不仅能发出无功功率，同时也能吸收无功功率。吸收无功功率的时候称为进相运行。发电机调节无功功率的速度快并且不需要额外的投资，所以充分利用发电机改善系统无功功率的平衡是一种非常经济实用的调节手段，其缺点是调节能力不大，同时进相运行使发电机的端部发热加剧，对发电机的安全运行构成潜在威胁。同步发电机进相运行多用于超高压系统轻载运行时吸收系统的多余无功功率，抑制电压升高。同步调相机传统的无功功率动态补偿装置时同步调相机(Synchronous Condenser SC)。它是专门用来产生无功功率的同步电机，同步调相机实质上是不带机械负载的同步电动机。改变同步调相机的励磁，可以使同步调相机工作在过励磁或欠励磁状态，从而发出或吸收无功功率。它是最早采用的无功功率调节设备之一。同步调相机的优点是：当系统故障引起电压下降时，同步调相机可以快速的动作，输出大量感性无功功率，起到电压支撑的作用；同时还可以短时间内进行强行励磁，迅速提供系统急需的无功功率，这一点对提高电力系统的电压稳定性是十分有利。但是，同步调相机因为本身及附属设备的有功功率消耗大，且是旋转机械，运行维护复杂，投资也大，目前已经不作为主要的无功功率的调节设备。电容器作为无功功率补偿用的电容器以并联的方式接入电力系统，且电容器只能输出无功功率。电容器具有有功功率损耗小(约为额定容量的 0.3%-0.5%)、设计简单、容量组合灵活、安全可靠、运行维护方便、投资省等优点。所以，长期以来电容器一直是作为电力系统优先采用的无功功率补偿设备。电容器调压的缺点有：正反馈的电压调节特性会不利于系统电压的稳定；调压方式不连续，常规电容器采用分组投切的形式，引起电压产生跳变。静止无功补偿装置和静止无功发生装置基于电力电子半控器件的静止无功补偿装置(Static Var Compensator-SVC )和基于电力电子全控器件的静止无功发生装置(Static Var Generation -SVG)具有动态无功功率补偿特性。与同步调相机一样，它们既可以向系统输出无功功率，也可以吸收系统的无功功率。其动态特性好，调压速度快，调压平滑，而且可以实现分相无功补偿，同时有功功率的损耗也比较小。由于它们由静止开关元件构成，所以运行维护方便，而且可靠性高。目前，SVC 的运用已经较为普遍，其运用经验也较为成熟；SVG 设备价格普遍较高，运行经验也较欠缺。下面即对常见的 SVC 的分类进行简单介绍。青岛大学本科生毕业论文（设计）51.3 静止无功补偿装置简介SVC 是由可控电感支路和固定（或可变）电容器支路并联起来组成的，已经工程实现并大量应用的有以下几种:(1)晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Recator,TCR)具有反应时间快（10-20ms）、无级调节、运行可靠、分相调节、平衡有功、适用范围广、价格较便宜等优点，实际应用最广，在抑制电弧炉负荷产生的闪变时，几乎都采用这种型式。(2)晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor,TSC)特点是反应时间快，适用范围很广，分相调节装置本身不会产生谐波，而且损耗小；但它只能分级调节，价格较高。10kV 以上难以广泛应用，1kV 以下适用很广，进口设备最高用在 8kV 。(3)晶闸管控制高漏抗变压器(Thyristor Controlled Transformer,TCT)具有 TCR 装