基于Matlab的电力系统无功补偿装置的研究与仿真

1、精品文档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。后一种方法需要对现有电力电子

2、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

3、补偿装置的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

4、泛应用后，以晶闸管控制电抗器(TCR)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1欢。迎下载精品文档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STATCQN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 V

5、ar Generator)，简称SVC专指由自换相的电力半导体桥 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。2

6、欢。迎下载精品文档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，

7、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：U52Ssc（2.1）或者写成U _ QU0Ssc(2.2)3欢迎下载精品文档式中U0无功功率为零时的系统电压；Ssc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Q二QLQr（2.3）因此，当负载无功功率QL变化时，如果补偿器的无功功率Qr总能弥补QL的变 化，从而使Q维持不变，即Q=0则厶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Q-QA=常数的示意图。当使系统的

8、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Ur

9、ef。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2.2a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XsQrUref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Xs(2.5)相电路的公式是一样的，

10、且与三相的联结方式无关。4欢迎下载图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

11、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（

12、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）。精品文档（a）等效电路（b）电压一电流（无功功率）特性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的无功补偿5欢迎下载精品文档一、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

13、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: Thyr

14、istor Control Reactor),晶闸管投切电容器(TSC: ThyristorSwitch 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 装置一动态无功补偿器(SVG)。下面简要说明SR和SVC勺原理。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，相应勺无功补偿装置也就 分为两种，具有自饱和电抗器勺无功补偿装置是依靠电抗器自身固有勺能力来稳定电 压，它利用铁心勺饱和特性来控制发出或吸收无功功率勺大小;可控饱和电抗器通过 改变控制绕组中勺工

15、作电流来控制铁心勺饱和程度， 从而改变工作绕组勺感抗， 进一 步控制无功电流勺大小。6欢。迎下载精品文档121.1SR型SVC的优缺点SR型SVC的主要优点有：1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。2可以进行连续快速的感性/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。3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

16、用来控制瞬时过电压。4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：1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ifu也就限制了它的应 用范围。2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。3不能分相调节4不能直接连接与超高压5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，

17、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。6价格较高 因其制造复杂且价格较高得不到广泛应用。121.2SR型SVC的应用场合7欢。迎下载精品文档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：1在交流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

18、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。2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。3在高压直流输电系统中用十降低由十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

19、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6 =180 此时电抗器吸收的无功电流最大。根据触发角与

20、补偿器等效导纳之间的关系式：Bl二BimaxCSin ）/二 和Bimax=1/X1（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8欢迎下载精品文档的基波分量，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，又可 分为TCF与固定电容器配合使用的静止无功补偿器（TCR+FC和TCF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

21、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。由分析可知，触发延迟角a的有效移相范围为90180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，这时其吸收的基波电流和无功功率最大。9欢迎下载精品文档当触发延迟角在90180。之间时，晶闸管为部分区间导通，导通角& iaptiafi-r.Vrs*J精品文档(6)在

22、Simulink的SimPowerSystems模块库中，打开Measurements模块库， 选中Three-Phase V-I Measurement功能模块，按照上述方法再放置一个Three-Phase V-IMeasurement，并将其分别命名为Primary(735KV、Secondary(16KV，其属 性参数设置对话框如图4-6、4-7所示：图4-6 Three-Phase V-I Measurement(Primary)模块属性参数31欢迎下载精品文档图4-7 Three-Phase V-I Measurement (Secondary)模块属性参数(7)TCR模块：TCR模

23、块是由两个反向并联的晶闸管和电感元件串联组成，其属性参数如图4-8所示：图4-8 TCR Bran ch模块属性参数32欢迎下载精品文档(8)TSC模块：TSC模块是由两个反向并联的晶闸管和电容器元件组成，是一个封装的模块，按照相同的办法再放置两个TSC三哥TSC模块分别命名为TSC1 TSC2 TSC3其属性 参数相同，如图4-9所示：图4-9 TSC Bran ch模块属性参数(9) SVC Con troller(SVC控制器)子系统SVC控制器子系统的主要作用是为无功补偿装置SVC提供触发脉冲，使其在某段时间内导通，其控制框图如图4-10所示，它是为控制脉冲的输出而构建的子系统， 它需

24、要设置多个参数。该子系统由以下几个功能模块构成：图4-10 SVC控制器框图1)Measurement System模块，点击SimpowerSystemS模块库，点击Measurements33欢迎下载精品文档模块库，即可调出该模块；其属性参数如图4-11所示:Function. Block Paraseters: Beasurenent Syste*SVC DisaiuriE-ZEntEF口Isaik/FaranetersNcainal gitgge lvolts ras； ph*ch；735e3Initial input:父淀父淀volts ras ph-ph； Phase !degee

25、/ Frea (E:735=30. 999S 0 SO图4-12 Distribution unit模块属性参数3)Firing Unit模块，其属性参数如图4-13所示：H*1PApply图4-11 Measurement System模块属性参数2)Distribution unit模块，其属性参数如图4-12所示:Cancel34欢迎下载图4-13 Firi ng Unit模块属性参数4)Timer模块，点击SimpowerSystemS模块库，点击Discrete Control Blocks模块库，即可调出该模块；其属性参数如图4-14所示：Tisier (ask) (link)Ge

26、nerates a.changing at specified ti3#s_If H ElgTtalLi RQt EpwZlf at 116 ZwTOj thw CUtpUt ZE kftpt fit 0unti 1 th-e first specified transition图4-14 Timer模块属性参数5)Outport模块，点击SimpowerSystems模块库，点击Control Blocks模块库，即可调出该模块；其属性参数如图4-15所示：35欢迎下载精品文档TIBCECancelHelpSource Elock Paraaeters:PaTant&isTiM (s

27、):精品文档图4-15 Outport模块属性参数3.2无功补偿装置的仿真建立好图4-1所示的Simulink模型后，将参数设置好便可进行仿真。仿真结果如图4-16所示：36欢迎下载精品文档U11J| 丄11*2131415 tl 07 IB M图4-16 SVC仿真波形3.3仿真波形分析根据无功功率补偿的平衡公式QLQ，其中Q=QcQr，当Q总能弥补QL的变化时，从而使Q维持不变，即Q=0则厶U也将为0,供电电压保持恒定。当T=0时，投入一个TSC此时系统处于稳定状态，当T=0.02秒时，Q 0,说明负荷处 感性无功增加，电压有所下降，需要对负荷进行无功补偿，即增大TCR勺触发角，可以减少T

28、CR吸收的感性无功功率，使系统处于稳定状态。当T=0.1秒时，负荷所需无功减小，电源和TCR还维持原状态，导致Q 0,因此需要增加TCR吸收的无功功率，需要减小TCR的触发角。其波形变化如T在0.1秒到0.4秒时间段 内的显示波形。37欢迎下载精品文档当T=0.4秒时，负荷处电压趋于下降， 说明负荷处所需要的无功功率增大， 需要 对负荷进行无功补偿，因此在T=0.42投入TSC由于投入TSC使补偿的无功功率变 化量骤然增加，需要TCR的配合，因此出现了图中的尖峰脉冲。由于对负荷补偿不足，TCR需要切掉，但此时对符合的补偿任然不足，电压任然处于低电压状态。当T在0.7秒时，负荷处电压回升，说明负

29、荷处所需无功功率减小，需要投入TCF吸收多余的无功功率， 与此同时需要切掉TSC但切掉的TSC补偿量较TCR吸收 的无功功率大，导致Q 0,波形T在0.7秒到0.83秒的波形所示，由于Q 0,需要TCF吸收的无功功率增大，即减小TCR的触发角，直至稳定。仿真结果还表明:无功功率补偿器能够很好地补偿无功功率， 使补偿后的功率因 数接近1，达到了补偿的目的。电压和电流都能够稳定。我们还能够看到补偿器能够 很好的跟踪无功功率的变化， 并且进行实时补偿， 补偿后的电流与电压相位相差不大， 补偿后的电流在很大程度上降低了线路损耗。但是从波形中我们还可以看出:电源侧 的电流波形有毛刺，即补偿后的电流含有高

30、次谐波成分。 这主要是因为主电路中的电 力电子器件在高频通断过程中产生了其工作频率附近的一些频率很高的谐波。另外，电容上的电压有一定的振荡，但是很快就又趋于稳定了。38欢。迎下载精品文档总结利用MATLAB/Simulink建立无功补偿装置仿真模型， 简单直观， 运行速度快， 易 于使用，为验证设计思想，并进行高效的设计与综合分析打下了良好的基础。通过以 上的演示可知，MATLA能够准确，清晰地描绘出各种情况下同步电机机端电压、电流的变化情况、位移因数、TCR TS(发出或吸收无功功率等参数的曲线图，且有很高的 精度，为无功补偿装置的的选择和参数的设定提供了直观而准确的依据。电力系统的电压、频率是衡量电能质量的基本指标，电压的稳定性是电力系统 稳定性的重要组成部分。保证用户处的电压接近额定值是电力系统运行的根本任 务。通常， 大多数网络元件和负载都是消耗无功功率的， 这些无功功率如果都由发电 机提供并经过长距离传送是不合理的， 也是不可能的。 合理的方法是在需要消耗无功 功率的地方产生无功功率来补偿无功功率的损耗。 无功功率的补偿作用主要表现在以 下方面:提高供电系统及负载的功率因数、降低设备容量、减少功率损耗。稳定电网电压，提高供电质量。在长距离输电线中的合适地点设置动态无功 补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。本次设计所仿真的无功补偿装