异步发电机无功补偿仿真分析毕业设计

1、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

2、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 p

3、roblem 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 contro

4、l 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 func

5、tion 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

6、restain the 5 and 7 harmonics effectively. It satisfied the proposed scheme.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目 录前 言1第一章 绪论21

7、.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6

8、4.2.2 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66.3.2 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629 / 34文档可自由编辑打印前 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

9、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，

10、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。第一章 绪论1.1 无功功率的产生及其影响1

11、.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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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。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

17、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 CondenserSC)。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

18、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

19、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

20、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。1.3 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

21、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装置 的几乎所有优点。由于TCT 变压器一、二次绕组损耗较大，比TCR 的效率低。同时，运行时噪声较大。研究表明，从补偿器容量和价格等角度进行综合比较，补偿容量在25 MVar 以下选用TCT 比较经济。在25 MVar以上的补偿容量则不宜采用TCT ，而应采用TCR 。TCT 的晶闸管采用并联均流方式可承受大电流，TCR 的晶闸管则采用串联

22、均压方式可以承受高电压。高漏抗变压器的漏磁大，要加强变压器箱体对漏磁的屏蔽和采用无磁性夹件等技术措施。当电弧炉等三相不平衡负荷以TCT 作为无功补偿时，如果 TCT 的高漏抗变压器做成三相变压器型式，则其铁芯必须有两边芯柱作为零序磁通的闭合铁芯磁路。(4)自饱和电抗器(Saturated Reactor,SR)自饱和电抗器，可分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种。它通常应用在控制电压的大幅偏移、缓解电压闪变、在直流输电终端进行无功补偿等领域。商用饱和电抗器的补偿容量已经达到270 MVar。FC+TCR 型补偿器由TCR 和若干组不可控电容器并联而成。通过控制与电抗器串联的双向晶闸管的导通角，

23、既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。由于该补偿器相应时间快(小于半周波)，灵活性大，而且可以连续调节无功功率的输出，所以目前在国内的电力系统中应用最为广泛。但该补偿装置输出的电流中含有较多的高次谐波，且电抗器体积大，成本也高。TSC 型补偿器由一组并联的电容器组成，每一台电容器都与双向晶闸管串联。这里的晶闸管仅起开关的作用，以替代常规电容器所配置的机械式开关。在运行时。根据所需补偿电流的大小，决定投入电容的组数。由于电容是按组投切的，所以会在电网中产生冲击电流。为了实现无功电流尽可能的平滑调节，有两个解决办法：首先可以增加电容的组数，组数越多，级差越小，但这必然增加运行

24、成本；其次就是要把握电容器的投切时间。研究表明，最佳的投切时间是晶闸管两端电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻。所以TSC 一般都是采取过零投切。FC+TCR 型和TSC 型补偿器都能有效的补偿系统中的无功电流，但各有自己的缺点，FC+TCR 型补偿器特别容易产生谐波，而TSC 型补偿器对于冲击性负荷引起的电压闪变不能进行很好的抑制。二者的缺点正是对方的优点，所以TCR+TSC 型补偿器应运而生。由 TCR 提供可调的感性无功功率，FC提供容性无功功率，同时作为 5、7 次谐波的滤波器，当 FC提供的容性无功不足时，TSC投入运行。总的来说，没有任何一种SVC 可以万能地满足所有

25、无功功率补偿的要求。因此选择特定结构的SVC 通常基于如下几个因素：应用的要求、响应速度、运行的频率、损耗、投资成本等。不过，TCR+FC 是迄今为止是最为通用的一种SVC 结构。SVC 控制系统问题的提出由来已久，TCR FC型SVC 是SVC 装置最主要的型式，它的基本构成包括：阀组、冷却系统、相控电抗器、控制系统、滤波器组。其中控制系统是 SVC 装置的核心，SVC 补偿功能的实现、安全稳定的运行、与其它设备的协调以及人机交互都是靠控制系统来实现的。SVC 控制系统在出现的初期已经就基本进入了数字化时代。但是由于电信号的瞬时值是交流信号，控制系统的计算任务非常繁重，早期的微型计算机，甚至

26、后来的16位和32位微处理器，都没有办法来满足高速实时运算的要求，因此早期的SVC控制系统基本采用了“模拟数字”的方法，其主要思路是利用模拟电路实现无功功率和有功功率的计算和滤波处理，再将结果输入数字计算机去作进一步的处理，“模拟电路单片机”是其中一种很典型的实现方案，至今在工程中仍有一定的应用。上述解决方案中，SVC 控制策略的实现受微处理器运算性能的影响非常大，模拟和数字相结合的实现方案也限制了更先进的控制策略的实现，所以模拟和数字结合的SVC 硬件平台上实现控制策略基本上是以平均功率理论为基础的控制策略。这样的硬件平台基本上无法实现以矩阵运算(坐标变换)为基础的瞬时补偿算法。第二章 异步

27、发电机的发电原理由电机可逆的运行原理，在异步电动机定子端并联电容桥通过原动机拖动转子转动就可以发生电压自激，进而实现异步电机的发电运行，因此异步发电机与异步电动机在结构上的唯一区别在于定子侧附设了电容桥；若在定子端投入负载，异步发电机即可向负载供电，带负载运行6。定子绕组和负载Y型接线形式如图2.1所示。图2.1 异步发电机连接图我们已经知道，当转差率s为负值时，异步发电机的电磁转矩T与转速n的方向相反，发电机的作用则是将机械功率转化为电功率。现在进一步讨论异步发电机的发电机理和运行条件。2.1 发电机的建压过程异步电机的铁心里通常总有一些剩磁通存在，其通量为。当转子被原动机拖动旋转后，定子绕

28、组切割剩磁磁场在其中产生感应电动势，相量图如图2.2所示图2.2由于定子绕组内产生了感应电动势 E1，则在异步发电机端建立了电压 U1，空载相量图如图2.3所示图2.3如果定子绕组机端外接电容性负载，那么在 U1的作用下形成电流 I1，电流相位超前电压相位900,即与0的相位相同，相量图如图2.4所示。图2.4电流不仅要从外电路中流过，同时也必定要流经定子绕组本身，从而在绕组内提供一个新的磁通 1，相量图如图2.5所示。图2.5由于 1与同相位，所以两者相叠加以后，合成的总磁场并不相互削弱而是相互加强。加强后的总磁场对应的磁通 0+ 1也像 0一样，引起感应电动势 E2、电压 U2、电流 I2

29、和磁通 2。依次类推，不断往复，总磁通就会不断地上升，最后到达某个数值而稳定下来。当磁场增加到一定数值后，相应地也就可以获得足够高的电动势，输出需要的电压，从而达到发电的目的。图2.6给出了定子端电压随磁通逐步建立的过程。图2.6 建压过程2.2 发电的必要条件根据上节分析可知，用原动机拖动一个有剩磁的异步电机转子，当异步电机转子转速大于同步转速时，便会在定子绕组中感应出剩磁电动势E0。在定子绕组端并联上电容器C，就产生一个电容性的电流，这个电流所产生的磁场便剩磁磁场得到加强。于是感应出来的电动势就会增大，电流也会随之增大。这种助磁现象继续进行下去，最后由于磁饱和的作用，而在定子绕组端建立一个

30、大小不变的电压。综上所述，异步电机自励发电的条件有：1异步电机的转一子转速必须略大子同步转速，即n>n0；2异步电机的转子必须有剩磁，如果发现没有剩磁时，可用蓄电池将直流电通入定子绕组进行充磁；3必须接入适当容量的励磁电容器。2.3 异步发电机的运行方式异步发电机的工作原理已在上一节中作了分析。在这一节中，我们将着重讨论异步发电机的运行方式。异步发电机不仅可与电网并联运行，也可单独运行（即自励运行），先分别叙述如下。2.3.1 并网运行当原动机拖动发电机转子，使其转速超过同步转速时，当转差率为负值时，异步电机起着将机械能转换成电能的作用，则异步电机进入发电机运行状态，向电网输送电功率。如

31、果我们增加原动机的转速，将使异步发电机的转子转速增大，转子绕组切割定子旋转磁场的速度(n-n0)增大，于是转子电流也会增大。经过定子转子磁势的相互作用，向电网输送的电功率也增大，假如发电机输出的电功率与电网所需要的功率能够取得平衡，则电网的频率f就不变，而发电机的频率就是电网的频率。并网运行的异步发电机有以下特点：1异步发电机必须从电网吸取滞后的无功电流进行励磁，结果使电网的功率因数变坏。由于异步发电机的励磁电流比较大(一般中、小型异步电机、励滋电流I0=(20-50)%IN，也就是说，励磁容量约需要发电机容量的(2050)%，因此，25台容量相同的异步发电机同时并入电网运行，则电网需要有一台

32、容量相等的同步发电机来专门向它们提供励磁。2从发电机的观点来看，异步发电机的定子电流总是超前于定子电动势一个小于90°的相位角。定子电流的无功分量超前电动势90°相位角。其无功功率用来建立气隙旋转磁场和定、转子的漏磁场。3异步发电机并网运行方式简便。只要原动机将转子转速拖到略大于同步转速，并应注意转子转向必须与定子旋转磁场方向相一致时，才可投入电网。当电网容量足够大时，电网电压和频率均与异步发电机的转速无关。异步发电机并入电网运行，不像同步发电机那样必需整步，并会发生振荡与失步。此外，异步发电机并入电网运行，还具有结构简单、价格便宜和维护方便等优点。异步发电机并入电网运行方

33、式一般只用于小容量的水电站和风力发电站中。2.3.2 自励运行在某些场合下，如个别偏僻的村镇，或者输电网可能达不到的地方，要求异步发电机必须单独运行。此时异步发电机所需的励磁电流I0则必须用自励的方式来获得。要获得这个自励的励磁电流，是采用在异步发电机的定子端点上接入一组容量适当的电容器来实现，这种利用电容器来提供异步发电机所需的励磁电流称为自励，异步电机称为自励异步发电机。自励异步发电机的工作原理在前面已讨论过，其自励过程相并励直流发电机相似.首先，异步电机的转子上必须有剩磁磁通0。存在，磁通0形成旋转磁场，旋转磁场与定子绕组作用后产生感应电动势E0，此电动势加在电容器上，使定子绕组流过超前

34、E0约90°的电容电流IC。电流IC通过定子绕组便产生磁通C，滋通C与电流IC同相位。磁通C与0同相位，说明电容电流产生的磁通方向正好与剩磁磁通的方向相同，两者直接相加使空气隙中的磁通增加，随之定子绕组中的感应电动势也跟着升高。由于电动势升高又引起电流、磁通和电动势继续增加。如此继续下去，就形成自励过程。2.4 小结本章通过相量图的方式讲述了异步发电机的建压过程以及发电的条件，容性负载时异步发电机建压的必要条件。异步发电机主要有并网运行和自励运行两种方式，一般只用于小容量的水电站和风力发电站中；自励运行一般适用是在异步发电机独立运行的场合。第三章 自励异步发电机的数学模型3.1 稳态

35、等值电路的推导采用何种分析方法就要有相应的数学模型，而电机的数学模型等值电路，是整个系统性能分析的基础。3.1.1 电压方程式规定基值频率(额定频率)为fs的定子电流产生的气隙旋转磁势转速为同步转速，同时设实际运行时定子电流频率的标么值为f1，为实际的定子电流频率与额定频率fs之比。当发电机带对称负载稳态运行时，定子边以发电机惯例列写的电压方程式为： 3-(1)式中, 分别为定子边频率f1时的相电势、相电流；R1为定子每相电阻，X1为基值频率fs下的定子每相电抗；XC为基值频率fs下端电容的容抗：RL为每相所带的负载电阻。转子以恒转速旋转并设同步速为ns，则转子转速标么值为n是实际转速与同步速

36、的比值。根据频率标么值与转速标么值的对应关系可知转子频率的标么值f2为： 3-(2)先把转子绕组向定子绕组折算，则转子边以电动机惯例列写的电压方程式为： 3-(3)式中E2', I2'分别为转子边频率为f2时相电势折算值、相电流折算值， R2'为转子每相电阻折算值， X2'为基值频率fs下的每相电抗折算值。3.1.2 等值电路异步发电机正常运行时，定、转子边的频率均非基值频率，而要得到等值电路，定、转子都要进行频率的折算。式3-(1)等号两边分别除以f1，得 3-(4)式3-(3)等号两边分别除以f1-n，得 3-(5)式3-(1)与式3-(4)数学上的形式类似

37、，但物理意义不同，前者是频率f1下的定子电压方程式，后者则为频率fs下的定子电压方程式，也就是说，这两个方程式中电势、电流相量的有效值相等，但频率不同。同理，式3-(3)是频率f2下的转子电压方程式，式3-(5)则为频率fs下的转子电压方程式。转子边经过绕组折算以及定、转子边经过频率折算后，定、转子绕组中的感应电势相等，即 3-(6)综合3-(4)、3-(5)、3-(6)得如图3.1所示的异步发电机带对称阻抗负载稳态运行时的等值电路。其中，Xm为激磁电抗，它是与气隙磁通相关的变量。图3.1 异步发电机稳态运行的等值电路由于气隙磁通与感应电势有着密切的关系，即激磁电抗也是与感应电势相关的变量，可

38、写成下面的表达式：顺便提及，在等值电路推导过程和所得的等值电路图中，涉及到电压、电流等物理量和阻抗等参数，它们即可以全部是实际值也可以全部是标么值。3.2 小结本章推导了异步发电机的数学模型等值电路，为进行稳态分析打下基础，另对异步发电机稳态运行工作点做了初步探讨。根据异步发电机稳态运行时定、转子边的电势平衡关系列写电压方程式，然后折算到基值频率，建立了稳态运行时的等值电路。第四章 TCR型动态无功补偿装置4.1 TCR+FC型动态无功补偿装置的补偿原理TCR 型SVC 一般由晶闸管控制电抗器(TCR) 支路和几组LC滤波器支路组成，同时兼顾滤波和动态无功补偿。TCR 十FC型动态无功补偿器的

39、单相原理图如图2-1所示。其中的LC支路为固定连接，TCR 支路采用触发延迟控制方式，形成连续可控的感性电抗，通常TCR 的容量大于FC的容量，以保证既能输出容性无功也能输出感性无功。图4-1 TCR+FC型SVC单相等效接线图Fig 4-1 Equivalent wiring for Single-phase SVC of TCR&FC由图2-1可得稳态下系统无功功率的平衡方程: (4-1) 图中表示负载无功(随机的)，为补偿电抗器提供的感性无功，为固定电容器组提供的容性无功，QS为系统总无功。SVC 如图2-1 接入系统中，电容器提供固定的容性无功，根据负载无功的变化情况，调节补偿

40、电抗器输出感性无功的大小，使的总的感性无功和容性无功相抵消，即系统无功 ，则能实现电网功率因数等于常数(或l)，电压几乎不波动2,3,4。4.2 晶闸管相控电抗器（TCR）4.2.1 TCR 基本原理TCR 的单相基本结构就是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，而三相则多采用三角形联结。这样的电路并到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路结构。以单相为例，接线如图 2-2 所示。、两个晶闸管反并联，通过电抗器接到电网上，假定电压为U，、分别在U的正负半周内导通，触发延迟角的有效移相范围，基波电流都是无功电流。时，晶闸管完全导通，导通角，与晶闸管串联的电抗器相当于直接接在电网上，这时其吸收的基

41、波电流和无功功率最大。当触发延迟角在之间时，晶闸管为部分区间导通，导通角。晶闸管的控制角可控制在之间。图4-2 TCR 单相电路结构图Fig4-2 Structure of single -phase TCR增大触发延迟角的效果就是减少电流中的基波分量，相当于增大了补偿器中的等效感抗，或者说减小了其等效电纳，因而减少了其吸收的无功功率。它的瞬时电流表达式为： (4-2)基波电流： (4-3)所以对基波而言， 晶闸管控制的电抗器可等效的看作一个可控的电纳，其用下式表示： (4-4)谐波电流： (4-5)式中U为电网电压（V）； 控制角； 电源额定角速度（rad/s）； 谐波次数。由式(2-4)中

42、看出，最大，等于,最小，等于0，这就是相控的基本原理5。由式(2-5)可知谐波电流大小与控制角有关，角增大那么电流波形畸变率增加，在角完全对称的情况下，TCR产生的主要谐波是奇次谐波。当反并联晶闸管控制角不完全对称时，则会产生偶次谐波。三及三整数倍数次谐波利用三角形接线来消除。目前TCR 的控制系统有两种控制方式：一种是按SVC 最佳电纳进行控制；另一种是按SVC 系统参数进行控制，而不直接反映电纳的变化。以上两种控制方式把它反映在电流电压特性上如图2-3 所示。图4-3 TCR 电压-电流特性Fig 4-3 voltage-current feature of TCR图中虚线为系统的负载线，

43、特性曲线与系统的负载线的交点设计在中部，作为稳定运行点，点划线为导通角，图中稳定运行点设计在。特性曲线控制特征可用下式表示：式中 0<<电抗器的额定电流(A)；电抗器的工作电流(A)；XS电抗器电压一电流特性曲线斜率； VS饱和电压(V)。控制系统不断调节控制角，使得TCR 能从其电压一电流特性上的某一稳态工作点转移到另一稳态工作点。其特性的斜率和在电压轴上的截距都是由控制系统的参数决定的 7。4.2.2 主要连线形式如图4-4 所示，TCR 的三相接线形式大部分都采用三角形联接，因为这种接线形式会比其它形式的线电流中谐波含量要小 。工程实际中将每一相的电抗分成如图4-4所示的两部

44、分，分别接在晶闸管对的两端。这样可以使晶闸管在电抗器损坏时能得到额外的保护。每相只有一个晶闸管对的接线形式被称为6 脉波TCR，如图4-4(a)，其线电流中所含谐波为 16±k 次(k 为正整数)。而由供电电压相差相角的两个6 脉波TCR 可以构成 12脉波TCR，以减小线电流中的谐波。如图 4-4(b)所示TCR 通过降压变压器接到系统母线上，其一次侧线电流中仅含 112±k 次谐波。而且，当组成它的一个 6 脉波TCR 出现故障时，另一个仍可以正常工作。工程中考虑成本和晶闸管同步触发的问题，通常采用6 脉波TCR 的接线形式1。(a)6脉波TCR(a)six-pulse

45、 TCR(b)12脉波TCR (b)twelve-pulse TCR图4- 4 TCR 的接线形式Fig 4-4 Connection forms of TCR第五章 计算机控制算法5.1 PID概述 常规PID控制系统的原理框图如图4.1所示。该系统主要由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t) ,将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u(t) ,对被控对象进行控制。控制器的输出和输入之间的关系可描述为:公式中，Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数。 工业控制中最常用到的数字控制算法是数字

46、PID控制算法，该算法对大多数控制对象均可达到满意的控制效果。不过对于有特殊要求或具有复杂对象特性的系统，采用数字PID控制一般难以达到目的。在这种情况下，需要从控制对象特性出发，运用系统控制理论来设计相应的控制算法，或者采用智能控制等。按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID（ Proportional - Integral - Differential ）调节器PID调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式，其调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。在实际应用中，根据具体情况，可以灵活地改变PID的结构，取其一部分

47、进行控制 5.2 PID 控制器参数对控制性能的影响比例调节作用：将系统的偏差按照一定的比例放大或者缩小处理成调节信号的一个环节。比例控制放大倍数Kp越大那么偏差调节的速度也越快。但是Kp过大的话会造成系统稳定性下降，造成系统静差率比较大。积分调节作用：积分调节器可以使系统的稳态误差减小，甚至消除。一旦有误差积分调节器作用从而使得误差被消除，误差被消除了之后积分调节器就不作用了。描述积分调节器作用强弱的参数是积分调节时间Ti。Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。 微分调节作

48、用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器比例+积分(PI)控制器，可以使系统相对快读的在进入稳态并且有相对较小的稳态误差。通过调整PID的三个参数KP、TI、TD ，将系统的闭环特征根分布在 s 域的左半平

49、面的某一特定域内，以保证系统具有足够的稳定裕度并满足给定的性能指标 只有被控对象的数学模型足够精确时，才能把特征根精确地配置在期望的位置上，而大多数实际系统一般无法得到系统的精确模型，因此理论设计的极点配置往往与实际系统不能精确匹配。因此经常采用试凑法和实验法来确定PID的参数。第六章 异步发电机的无功补偿仿真分析6.1 仿真软件简介6.1.1 概述电力系统仿真现在已经成为电力系统研究、规划、运行和设计等各方面不可缺少的工具，特别是电力系统中装置设计、参数确定更需要仿真来进行确认。目前最常用的电力系统的仿真软件有EMTP 、PSASP 等。21世纪初，Math Works公司推出了MATLAB

50、6.X版本，增强了其针对电力系统而设计的仿真软件模块，使之具有更强的开放性。本文以MATLAB 6.5 为平台，对SVC 进行各种仿真实验。 所谓系统系统仿真就是以相似的原理、模型理论、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关技术为基础，以计算机系统、与应用有关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对系统进行研究分析。按照实现方式的不同可以将系统仿真分为实物仿真、数学仿真和半实物仿真三类。工程设计中一般采用数学仿真，数学仿真就是用数学模型区来表述一个系统，并编制程序在计算机上对实际系统进行研究的过程。因此，数学仿真具有很大的灵活性，可以方便地改变系统结构、参数，且速度快精度高，重复性好，可以很

51、容易地再现仿真过程。6.1.2 MATLAB与simulink 简介MATLAB产品家族式集数值计算、高级绘图及可视化、高级程序开发语言和动态系统建模仿真于一体的开发环境。被广泛应用于包括信号处理与图像处理，控制系统设计、电力系统设计、财务、医药等诸多领域。MATLAB的一大特性就是有众多的面向具体应用的工具箱，包含了完整的函数集用来对信号图像处理、控制系统设计、电力系统分析设计等。MATLAB工具箱是一系列专用的函数库，用来解决特定领域的问题，工具箱是可开发的和可扩展的，可以根据特殊的需要开发自己的算法 12,13,14。Simulink 是结合了框图界面和交互仿真能力的非线性仿真系统，它是

52、以MATLAB的核心数学、图形和语言为基础的。Simulink 的主要特点：1.具有完整的功能库，用于建立线性、非线性、离散时间、连续时间、混杂、单入单出、多入多出、多速率系统等；2.方便生成分层模型和子系统；3.采用屏蔽工具建立自己的模块和库。SimPowerSystems Blocket 是由研发人员开发的一个先进工具，专门用于在Simulink 环境下对电力系统进行建模仿真，实现了与 Simulink 和MATLAB的无缝集成。可以使用 Simulink 强大的变步长积分法其中一些是专门为刚性系统设计的对电力系统进行高精度的仿真，而且可以利用MATLAB工具箱提供的灵活的分析能力对仿真结

53、果进行分析处理和可视化处理。SimPowerSystems Blocket元件库中包括诸如晶闸管等电力电子元件子库、电力测量仪器子库、电力设备子库等一系列电力系统模块库，可以与 Simulink 其他元件库联用，建立需要的电力系统框图。6.2 仿真电路的结构对于异步发电机的无功补偿本文主要是运用SVC中的投切电抗器技术进行仿真分析的，如图6-1所示，异步发电机的SVC无功补偿电路。图中Subsystem1、Subsystem2和Subsystem4是三相的电抗器，电路图如图6-2所示。图中Subsystem3是异步发电机的仿真模型。图6-1 异步发电机的无功补偿电路图图6-2 晶闸管控制电抗器

54、部分图6-3 异步电动机仿真模型6.3 仿真结果6.3.1 发电机的建压过程建压电容为C=40uF的异步发电机空载建压过程如图6-4所示，由图可知，t=3s之后异步发电机的端电压稳定。图6-4 异步发电机建压过程6.3.2 未带SVC时突加负载后发电机的端电压波形异步发电机突加负载的仿真电路如图6-5所示。在t=1s时突加800的三相负载，其A相端电压波形图如图6-6所示。图6-5 突加负载的电路图图6-6 A相电压波形图6.4.3 带有SVC电路突加负载后的端电压波形设定SVC控制器的参考电压为110V，异步发电机带800三相负载。在t=0.5s时刻闭合断路器投入90三相电阻负载时异步发电机

55、A相端电压变化如图6-7所示，突加负载后，A相电压幅值变小，经过不到0.5s之后恢复到参考电压。图6-7 A相电压波形图结束语随着电力系统中谐波抑制、无功补偿问题的日益突出，SVC 装置以其成熟的技术、良好的补偿效果、性价比高等优点，在解决该问题领域中得以广泛应用。作者完成了以下工作：1.采用了基于三角函数正交性的基波无功测量算法，设计TCR 控制方案，并完成了TCR 参数计算；2. 利用MATLAB中的simulink 建立SVC 系统模型,通过软件仿真验证了设计系统的准确性,并对SVC 装置进行测试。通过上述工作的研究，得出以下结论：1.本文的研究的补偿对象是三相平衡负载，下一步将对三相不平衡负载的控制进行研究，更好地扩大无功补偿装置运用范围；2.设计的SVC 系统预留了通信CAN接口，但未对具体CAN接口进行软件通信设计，应当开发出 CAN通信系统，使SVC装置能更广泛地应用于各种电力系统场合；3.利用新型控制理论用于SVC 装置中。控制算法影响无功补偿装置的补偿性能，研究把新的控制理论，如智能控制，应用于无功补偿装置中。由于受到时间和本人学识水平的限制，本系统的设计存在一些缺陷，在论文中难免存在一些不妥