基于Matlab的电力系统无功补偿装置的研究与仿真

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1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(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。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书2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。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3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，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：) SCQU1(0（2.1）或者写成（2.2）SC0内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4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）rLQ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LQ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A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 。其电压一电流特性如图 2.2b 所示，为一水平直refU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)srefSrXUQ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)refs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。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书5!(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的无功补偿内蒙古工业大学本科毕业设计说明书6一、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。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书71.2.1.1 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 也就限制了它的应fui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 的应用场合内蒙古工业大学本科毕业设计说明书8SR 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)/)sin(maxllBllXB/1max内蒙古工业大学本科毕业设计说明书9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，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，