毕业论文-高压电器电气特性仿真研究

1、PAGE 哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计 题 目： 高压电器电气特性仿真研究 院、 系： 电气工程及其自动化 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2012 年 6 月 哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名： 学号：学 院： 电气与电子工程学 专业：高电压专业任务起止时间： 2012 年2月 27日至 2012 年 6 月 24日毕业设计（论文）题目：高压电器电气特性仿真研究毕业设计工作内容：查阅国内外相关参考文献，要求阅读15篇以上文献，其中必须有3篇以上为外文文献，要将其中1篇外文文献译成中文，不少于3000汉字。分析高压电器仿真研究的意义与必要性，综述国内外研究现状；熟练

2、掌握Matlab软件编程与Simulink编程仿真；编制不同结构母线交流电动力计算程序 .m文件；建立电弧数学模型，利用Simulink仿真研究开关动作时恢复电压；仿真研究电容器组投切过程涌流问题与限制措施；总结研究工作，撰写毕业论文，进行毕业答辩。资料：刘会灯，朱飞.MATLAB编程基础与典型应用，北京：人民邮电出版社，2008徐国政，张节容，钱家骊等.高压断路器原理和应用，北京：清华大学出版社，2000魏克新，王云亮，陈志敏.MATLAB语言与自动控制系统设计，北京:机械工业出版社，1997指导教师意见：签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日教务处制表哈尔滨理工大学学士学位论文 -高

3、压电器电气特性仿真研究摘要随着计算机的普及和应用，高压电器借助一些具有强大仿真功能的软件平台进行电路仿真实验，从而掌握电器产品的性能，减少重复样机的制作，降低试验费用。本文主要从高压电器中几个具体的实例通过MATLAB7.0建立模型进行仿真研究。介绍了断路器短路电流开合仿真。针对适用于小电流电弧仿真的mayr电弧模型，完整阐述了Matlab7.0环境下电弧模型的建立，以便于日后7.0 用户进行电弧建模及仿真。同时，进一步分析了模型参数对输出波形的影响，证实与实际断路器的投切现象较好地符合，对断路器投切或者线路故障燃弧等现象的研究都能起到积极的作用。通过MATLAB的m文件编程来计算不同结构的母

4、线的交流电动力。利用MATLAB进行了电容器组投切的仿真，对目前常用的无功补偿电容器投切控制方案所存在的不足进行了详细的分析,给出了补偿电容器投切的优化控制方案,并在MATLAB 电力仿真环境下进行了仿真试验。关键词 高压电器；MATLAB；电弧；电动力；电容器Study on Electrical Performance Simulation of High Voltage ApparatusAbstractWith the popularity of computer and high-voltage electrical appliances with the software plat

5、form that has powerful simulation capabilities for circuit simulation experiments, in order to grasp the performance of electrical products, to reduce duplication of prototype production, reduce test costs. In this paper, a few specific examples from the high-voltage electrical appliances by MATLAB7

6、.0 model simulation study. Opening and closing of the circuit breaker short-circuit current simulation. For small current arc simulation the mayr arc model, complete expounded Matlab7.0 environment arc model, arc modeling and simulation for 7.0 users in the future. The same time, further analysis of

7、 the impact of the model parameters on the output waveform, and confirmed with the actual circuit breaker switching phenomenon with switching the circuit breaker or line fault arc phenomena can play an active role. MATLAB m-files programmed to calculate the different structure of the AC power bus. M

8、ATLAB simulation of capacitor bank switching, carried out a detailed analysis of the shortcomings of the currently commonly used in reactive power compensation capacitor switching control scheme, given the optimal control of the compensation capacitor switching and power simulation in MATLAB environ

9、ment simulation test.Keywords high-voltage electrical appliances;MATLAB;arc;power bus; capacitor目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328555082 摘要 PAGEREF _Toc328555082 h I HYPERLINK l _Toc328555083 Abstract PAGEREF _Toc328555083 h II HYPERLINK l _Toc328555084 第1章 绪论 PAGEREF _Toc328555084 h 1 HYPERLINK

10、 l _Toc328555085 1.1 课题背景 PAGEREF _Toc328555085 h 1 HYPERLINK l _Toc328555086 1.2 高压电器仿真研究现状 PAGEREF _Toc328555086 h 1 HYPERLINK l _Toc328555087 1.3 本文主要内容 PAGEREF _Toc328555087 h 4 HYPERLINK l _Toc328555088 第2章 基于MATLAB断路器短路电流开合仿真 PAGEREF _Toc328555088 h 5 HYPERLINK l _Toc328555089 2.1 Mayr电弧模型的理论体

11、系 PAGEREF _Toc328555089 h 5 HYPERLINK l _Toc328555090 2.1.1 Mayr电弧的动态数学模型 PAGEREF _Toc328555090 h 5 HYPERLINK l _Toc328555091 2.1.2 模型的下层文件 PAGEREF _Toc328555091 h 6 HYPERLINK l _Toc328555092 2.1.3 子系统的封装 PAGEREF _Toc328555092 h 8 HYPERLINK l _Toc328555093 2.2 电路仿真 PAGEREF _Toc328555093 h 9 HYPERLIN

12、K l _Toc328555094 2.3 本章小结 PAGEREF _Toc328555094 h 11 HYPERLINK l _Toc328555095 第3章 不同结构母线交流电动力计算 PAGEREF _Toc328555095 h 12 HYPERLINK l _Toc328555096 3.1 毕奥萨伐尔定律计算电动力 PAGEREF _Toc328555096 h 12 HYPERLINK l _Toc328555097 3.2 单相电动力 PAGEREF _Toc328555097 h 13 HYPERLINK l _Toc328555098 3.3 三相平行导线间的电动力

13、PAGEREF _Toc328555098 h 13 HYPERLINK l _Toc328555099 3.4 短路时的电动力 PAGEREF _Toc328555099 h 16 HYPERLINK l _Toc328555100 3.5 本章小结 PAGEREF _Toc328555100 h 17 HYPERLINK l _Toc328555101 第4章 电容器组投切过程涌流问题与限制措施 PAGEREF _Toc328555101 h 18 HYPERLINK l _Toc328555102 4.1 电容器组的最优投切控制研究 PAGEREF _Toc328555102 h 18

14、HYPERLINK l _Toc328555103 4.2 基于MATLAB的投切控制的仿真研究 PAGEREF _Toc328555103 h 20 HYPERLINK l _Toc328555104 4.2.1 补偿电容残压为零条件下的仿真 PAGEREF _Toc328555104 h 20 HYPERLINK l _Toc328555105 4.2.2 补偿电容残压不为零条件下的仿真 PAGEREF _Toc328555105 h 22 HYPERLINK l _Toc328555106 4.3本章小结 PAGEREF _Toc328555106 h 25 HYPERLINK l _T

15、oc328555107 结论 PAGEREF _Toc328555107 h 26 HYPERLINK l _Toc328555108 致谢 PAGEREF _Toc328555108 h 27 HYPERLINK l _Toc328555109 参考文献 PAGEREF _Toc328555109 h 29 HYPERLINK l _Toc328555110 附录A PAGEREF _Toc328555110 h 30 HYPERLINK l _Toc328555111 附录B PAGEREF _Toc328555111 h 32 -第1章 绪论1.1 课题背景高压电器是在高压线路中用来实现

16、关合、开断、保护、控制、调节、测量的设备。一般的高压电器包括开关电器、测量电器和限流、限压电器 。进入二十一世纪以后，随着计算机的普及和应用，电类专业借用电子设计自动化工具进行模拟实验，以加深对所学内容中的理解和掌握。主要电器仿真的主导思想：是借助一些具有强大仿真功能的软件平台进行电路仿真实验。高压电器仿真技术的应用改变了长期以来人们用传统工程计算方法进行特性分析所造成的精度差的缺点，可以在样机制作和实验分析前，掌握电器产品的性能，减少重复样机的制作，降低试验费用，同时缩短新产品的开发周期，提高产品性能指标。计算机仿真技术在高压电器研发中创造了条件。MATLAB是矩阵实验室（Matrix La

17、boratory）的简称，是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。主要包括MATLAB和Simulink两大部分。他将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种更全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平1。1.2 高压电器仿真研究现状传统的高压直流输电系统普遍采用晶闸管和自然换相技术, 而晶闸管是一种只具有控制接通而无自关断能力的半控型器

18、件, 在换相过程中, 需要外部电网提供换相电压, 当受端电网比较弱时,容易发生换相失败。因此, 针对上述不足, ABB 公司研制开发了轻型直流输电系统( HVDC Lig ht ) , 它采用电压源型换流器( V SC) , 功率开关由绝缘栅双极晶体管( IGBT) 组成。电压源换流器采用脉宽调制控制技术, 无需任何换相电压, 可以向各种有源或无源网络输电。IGBT 是具有自关断能力的全控型器件, 开关速度快、频率高、损耗小。1997 年3 月, 世界上第一条10 kV 的轻型直流输电系统在瑞典的赫尔斯扬( Hellsjon) 工程正式投入运行, 并取得了较为满意的实验结果 25 。图1-1

19、轻型直流输电系统MATLAB 仿真模型图通过建立基于MATLAB 的仿真模型, 并以一单机为例经过整流和逆变直接向负荷供电, 整流侧和逆变侧分别采用定直流电压控制和定交流电压控制的控制方式, 针对三相接地故障的情形, 对整个轻型高压直流输电系统的模型进行了仿真和分析。随着电力电子技术的不断进步, 采用各种控制方式的现代电机调速系统迅速发展; 调速系统结构的复杂程度不断增加, 同时变流装置非正弦供电下电机的运行条件和性能都产生了很大变化;而将控制算法直接用实验系统验证需要花费大量的时间和精力, 而且缺乏柔性。因此, 在实际系统实施前往往需要对系统的性能、参数、实现方法等进行仿真, 验证方案的可行

20、性, 并为系统的设计和调试提供参考和依据。目前, Matlab及其Simulink可视化仿真平台在控制系统中应用非常广泛。Simulink具有模块化、可封装、结构图编程以及高度可视化等特性, 使仿真建模大大简化。然而, 在复杂的电气控制系统中, 如何准确地进行仿真, 一直是比较困难的问题。电机调速系统中往往包含功率开关和旋转电机。用Simulink提供的基本模块如开关触发器来构造功率开关非常费力,电机需要抽象成状态空间模型, 再加上各环节采用简化的传递函数, 很多细节都会被忽略, 导致仿真模型和实际系统有很大差异, 而且不能在电气连接上一一对应, 使仿真结果不能有效指导硬件设计。从Matlab

21、5.2开始推出的电气系统模块库( Power System Blockset PSB ) 终于解决了这一问题。利用电气系统模块库, 用户不需要自己编程,也不需推导系统的数学模型, 只需要把所需的电气元件按电气结构进行物理连接, 系统模型的结构非常接近实际电路, 且电气元件比较全面地反映相应实际元件的电气特性, 仿真结果可信度很高。基于Matlab 电气模块库的调速系统仿真方法, 并构建双馈电机的定子磁场定向矢量控制模型, 以说明PSB在调速系统中的应用6。利用PSB 模块和Simulink 模块可以构成该系统的仿真模型。整个仿真系统的Matlab如图1-2所示, 所用版本为Matlab7.07

22、。图1-2 基于PSB的双馈电机调速系统仿真模型随着电力工业的飞速发展, 电力系统容量不断增加, 电网结构日益复杂和庞大, 系统的稳定性问题日益突出。由于在技术和经济上的优越性, 电弧炉炼钢技术在国内外钢铁行业得到了日益广泛的应用。炼钢电弧炉是一种典型的随机性非线性负载 ,具有冲击性, 是电压波动和闪变的一个主要因素, 致使电压波动和闪变已成为威胁许多重要用户供电稳定性的主要原因之一。因此, 电压波动和闪变的抑制已成为一个十分重要的研究课题无功功率变动量是导致电压幅值波动的主要因素。因此, 安装并联无功补偿装置是抑制电压波动和闪变最常用的措施8 。现有的磁控电抗器(MCR) 是一种有效的无功补

23、偿方法,但是由于响应速度较慢, 限制了其在抑制电压闪变方面的应用。基于此,将一种特殊的接线方式 外延三角形接线引进此磁控电抗器的绕组中, 应用谐波抵消原理消除自身谐波, 同时通过设置饱和曲线和直流励磁控制相配合, 提高响应速度, 使其在要求响应速度快的电弧炉熔化期主要工作于自饱和状态, 能够有效地抑制电压波动和闪变。采用MATLAB&Simulink仿真软件建立了相应的仿真模型，如图1-3, 检验其对电弧炉引起的电压波动和闪变进行抑制的效果。图1-3 电弧炉供电系统模型1.3 本文主要内容本文主要从高压电器中几个具体的实例通过MATLAB7.0建立模型进行仿真研究。首先介绍了断路器短路电流开合

24、仿真。针对适用于小电流电弧仿真的Mayr电弧模型，完整阐述了Matlab7.0环境下电弧模型的建立，以便于日后7.0 用户进行电弧建模及仿真。同时，进一步分析了模型参数对输出波形的影响，证实与实际断路器的投切现象较好地符合，对断路器投切或者线路故障燃弧等现象的研究都能起到积极的作用。其次,利用MATLAB的m文件编程来计算不同结构的母线的交流电动力。最后,主要进行了电容器组投切的仿真，对目前常用的无功补偿电容器投切控制方案所存在的不足进行了详细的分析,给出了补偿电容器投切的优化控制方案,并在MATLAB 电力仿真环境下进行了仿真试验。第2章 基于MATLAB断路器短路电流开合仿真2.1 May

25、r电弧模型的理论体系长期以来，高压断路器的设计和研制只能依靠物理过程的定性分析、简单估算、经验和大量的试验研究进行，效率低、耗资大。科技人员希望能找到电弧的动态物理模型，借以提高效率，节约资金并可使设计优化。由于电弧是个十分复杂的物理、化学过程，它牵涉到物质的组成和物性变化、可压缩流体的流动、电磁场的分布、热的发散和吸收等，又是空间分布和快速时变过程，而其中很多参数是高度非线性的，求解电弧模型的困难是不言而喻的。求得电弧的模型的基础首先是实验，只有大量、多方面的试验才能逐步揭示电弧物理过程并提供可供计算的原始数据。在此基础之上，通过对多方面物理现象的公式推导和数学演算可以得到电弧模型。为了达到

26、这一结果，当然必须做出大量的假设。所有这些都说明求得电弧模型是一个漫长的艰苦的路程。开关电器的电弧开断特性是开关电器设计和研制的关键。为了分析断路器开断现象利用MATLAB软件对开关电器电弧开断进行仿真计算。为了分析断路器开断现象，利用MATLAB 软件对开关电器电弧开断进行仿真计算。阐述了在MATLAB 软件平台上构建电弧模型的原理与方法,最后用Mayr电弧模型对高压断路器电弧开断进行了实例计算。结果表明,这一方法对开关电器电弧开断的定性分析是实用的和有效的9。2.1.1 Mayr电弧的动态数学模型最早得出的电弧模型是1939年的克西（Cassie）模型和1943年的麦也尔（Mayr）模型1

27、0。这两个模型实际上只是定性的模型，很难用来计算，但时至今日科技界仍常引用其来分析电弧开断现象。Mayr方程比较适用于小电流，包括零区的电弧过程。Mayr方程可以写为单位长电弧的形式，即 （2-1）式中：ga单位长电弧电导；e 电弧电位梯度；No单位长电弧散热功率，取为常数； 电弧时间常数，取为常数。Mayr方程有明确的物理意义，它是基于热平衡、热惯性、热游离三个基本原理推导而成。式右侧ei为电弧功率，N0 为散热功率；（ei-N0）为贮存于电弧内的热功率。当（ei-N0）0，电弧温度应增加，热游离加强，所以dga/dt0，即电弧电导ga有增加的趋势。由于电弧有热惯性，也即有时间常数，使得电弧

28、升温或电导的增加趋于缓慢，因此，dga/dt与电弧时间常数成反比。公式中左右两侧的分母ga和N0是使公式变为相对值的公式，显得比较简洁。2.1.2 模型的下层文件图2-1是mayr电弧模块的下层文件。图2-1 mayr电弧模块下层文件该模块中包括了DEE、Hit crossing、Step、CCSource 元件。1）DEE（微分方程编辑器）DEE 的参数设置如下：u(1)作为第一个输入变量，代表电弧电压u。u(2)为第二个输入变量，代表断路器开断状态，当断路器闭合时u(2)=0，打开时u(2)=1。x0 为状态量的初始值，在这里，代表的电弧电导的初始值：g(0)。x(1)为微分方程的状态变量

29、，即电弧电导的自然对数：ln(g)。y 是DEE 的输出量：电弧电流i。因此，mayr 电弧方程如下：=（） （2-2）y= i= (2-3)图2-2 微分方程编辑器2）Step（阶跃信号）Step 的参数设置：cb_trip 为变量名，在下面封装子系统时将用到，可作为外部参数由用户输入。其余参数一目了然。3）Hit crossing（定值检测）在这里，Hit crossing 的作用就是找到电流的过零点。4）CCSource可控电流源， 在这里起到了Sim PowerSystems blocks 和Simulink blocks 的连接作用，输出电流受到输入信号的控制。图2-3 阶跃信号2.

30、1.3 子系统的封装图2-4 封装子系统编辑窗口由图可见，子系统有4个子标签，分别为“图标”、“参数”、“初始化”、“文档”。最重要的是参数标签，其余设置可以由用户根据个人习惯任意设置。参数标签设置如图所示，其中，tau，p，x0，cb_trip 变量名与上述子系统元件内参数一一对应；对变量说明（prompt）的设置都将在最后封装模块的参数对话框中显示，如图2-5。图2-5 封装模块参数对话框可见，通过以上设置，可见断路器的四个参数都可以在双击子系统（即电弧封装模块）后，在弹出的模块参数对话框中自行输入。2.2 电路仿真下面对封装电弧进行简单电路模拟（见图2-6）图2-6 断路器模拟图断路器的

31、断开时间可在模块参数对话框（circuit breaker contact separation starts at s）设置，过零点在不同时刻的仿真波形如图所示。AB图2-7 开关电流过零点为负半周时仿真波形图中，A点为过零点，B点为瞬时恢复电压最大值Bt= A图2-8 开关电流过零点为正半周时的仿真图中，A点为过零点，B点位瞬时恢复电压由图可知，断路器只有在电流过零点时熄弧，而熄弧瞬间出现恢复电压，在极短时间内就上升到最大值，其值可达到电源电压幅值的1.41.5 倍，但最终要恢复到电源电压。而断路器的熄弧必须在断路器动作时间t 之后一个过零点，方可成功。2.3 本章小结本文在Matlab7

32、.0中成功地完成了mayr电弧模型的搭建，并分析了mayr 断路器的动作特性，以及参数值P 与t 的改变对断路器动作的影响，与实际中的断路器特性相符，可用以作为小电流下电弧现象的研究，同时，其它电弧模型，如Kema、Habedank、Schavemaker 等相对应电弧模型的搭建可参照此例，对科研人员进行电弧建模，分析电弧现象具有积极的意义。第3章 不同结构母线交流电动力计算3.1 毕奥萨伐尔定律计算电动力在磁场中的任一载流导体都要受到力的作用，这是安培于1820年发现的。通电导体的周围有磁场存在，而磁场对通电导体又有作用力。因此，两个或几个相互有电耦合的导体之间必有相互作用的力，我们把载流导

33、体之间的作用力称为“电动力”。毕奥萨伐尔定律是计算电动力最常用的方法。载流导体所受电动力与导体回路及导体截面有关。在忽略导体截面对电动力的影响时，可假设导体截面无限细。 （3-1）式中：处的磁感应强度； 与间的夹角。对于同一平面内的两导体间的电动力， （3-2）C称为回路系数，是一个无量纲系数。它只与所研究的导电系统的几何尺寸、形状有关。计算出回路系数C的数值，再知道I1与I2就可以得出电动力的数值。所以式是计算电动力的一般通用式，对不同的具体情况只是回路系数不同而已。常用的C值，在手册中可查出，給电动力的计算带来很大方便。交流电动力的计算方法12与前面分析的一样，不同之处只是交流电流是随时间

34、变化的，因此电动力也是随时间而变化的。计算交流电动力也是运用式（3-2），只要把交流的电流瞬时值带入即可 （3-3）3.2 单相电动力 1)基本原理公式若不同导体中通过的是同一正弦交流电流，利用式就可以计算电动力 （3-4）电动力最大值为 （3-5）电动力的平均值为 （3-6）2）m文件程序电动力随时间的变化曲线见图3-1所示。图3-1 交流电动力变化曲线3.3 三相平行导线间的电动力1）基本原理公式导线布置情况如图。导线长度为，相间距离为a，三相电流对称iA iB iC 即 （3-7） a a A B C图3-2 水平布置的三相导线A相导线上的电动力 （3-8） 将式中的，分别代入式得 （3

35、-9）B相导线上的电动力 （3-10） C相导线上的电动力（3-11）2)m文件程序A相电动力的变化曲线如图3-3所示。图3-3 AB相电动力的变化曲线如图3-4所示。图3-4 B相电动力的变化曲线C相电动力的变化曲线如图3-5所示。图3-53.4 短路时的电动力 1)基本原理公式交流电路的短路电流除正弦周期分量外，通常还含有非周期分量。非周期分量电流值大小与发生短路时的电源电压的相位有关。若在电源电压过零时的瞬间发生短路，则短路电流的非周期分量最大，短路电流最大值也最大。此时，短路电流为 （3-12）式中： 短路电流周期分量的最大值； a 电流非周期分量的衰减系数。短路时的电动力计算： （3

36、-13）2）m文件程序单相短路电动力的变化曲线如图3-6所示。图3-6 单相短路时的电动力波形图3.5 本章小结本章利用MATLAB的m文件编程来计算不同结构的母线的交流电动力。它可以很方便地把复杂的计算过程凝聚成一个程序，以后可以随意调用，为解决学习与工程问题提供便利。第4章 电容器组投切过程涌流问题与限制措施电力无功功率是存在于交变磁场和交变电场中的一种瞬时功率,它和有功电源一样是维护电力系统稳定、保证电能质量和安全运行必不可少的。由于电网负载绝大多数呈感性,因而采用并联电容器组,通过对并联电容器组的投切控制来进行无功就地补偿是一种较经济易行的措施并已得到广泛应用。但由于电力电容器是一种储

37、能元件,在其通断时存在暂态过渡过程,给电容器的投切控制带来了严重问题。若投切控制设计不当,则会严重影响投切开关和电力电容器的使用寿命,造成较大的经济损失并影响电力系统的安全、稳定运行。按传统的方法采用同步调相机并由开关投切的静止电容器组来调节电网的无功功率已不能满足要求。因为这些方法存在着响应速度慢、调节特性差、自动监控性能差、长期运行功率损耗大以及维护和管理不便等缺陷。而采用并联电容器组，通过对并联电容器组的投切控制来进行无功补偿是一种简单易行的措施并已得到广泛应用。传统方式采用固定电容补偿，但这种方式仅适用于用户负载固定、无功需求相对稳定的网络，不能动态跟踪系统所需无功功率的变化，而且还有

38、可能和系统发生并联谐振导致谐波放大，因而目前正逐渐被淘汰。静止无功补偿装置（SVC）近年来获得了很大的发展，已被广泛的用于输电系统波阻抗补偿以及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载的无功补偿。其典型代表是固定电容器晶闸管控制电容器（Fixed CapacitorThyritor Controlled Reactor，FCTCR）。4.1 电容器组的最优投切控制研究(1) 常用晶闸管投切控制分析15晶闸管开关分组投切电容器在理论上完全可以满足电容器组无过渡过程投切的要求,即只要在电网电压与电容器电压极性相同、幅值相同时投入即可,切除时只需去除晶闸管的触发信号,则晶闸管在电流过零时自然关断,也就是

39、所谓的“等电压投入,零电流切除”控制方案。但严格来讲，“ 等电压投入”并非最佳的投入时刻,最佳的投入时刻应把电容器预先充电至电源电压峰值,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ic = Cduc/dt ,若在导通前电容器充电电压也等于电源电压峰值,则在电源电压峰值点投入电容时,由于在这一点电源电压的变化率为零,故ic也为零,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ic 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。目前普遍采用的是所谓同步脉冲过零触发技术,主要有以下三类:1) 电容器在投入前先由充电电路将其

40、充电至电网电压的峰值状态(待投状态) ,当微机控制相位在t = 90或t = 270时,分别触发该相正反晶闸管阀,投入该组电容器;2) 电容器组在投入前先通过放电电路将其完全放电至“待投状态”,通过过零检测电路在电网电压过零时刻发出投入信号;3) 由微机系统适时检测欲投电容的残压,控制系统只有在电网电压与电容残压相同时才投入电容器。上述三种方法的原理基本相同,但在微机系统和晶闸管之间或补偿电容器之间都存在着检测回路,且电力电子开关器件又较容易受到电磁干扰,使得现场的各种干扰信号容易通过这些回路窜入微机系统或投切开关而造成系统的误动作。前两种控制方式需要在每组电容上加充、放电电路,并且二者都要求

41、欲投电容满足“待投状态”的条件时才能投入,无法完全满足快速投入的需要。第三种方法仍需要适时检测电容的残压并与网电压相比较,控制系统较复杂,在各种干扰因素的作用下产生误动作的可能性加大。(2) 晶闸管投切控制的优化根据对晶闸管投切控制的分析,抓住晶闸管端压过零,忽略相位、电压极性、幅值及电容残压的判断,只要确保晶闸管承受正向电压且处于端压过零时刻导通,就可实现电容组无暂态过程投入且防止晶闸管误触发的发生。过零触发原理如图4-1 所示。1) 基本原理假设电容器在投入前的残压为V C0 ,在晶闸管的两端加一过零检测电路且该电路自行工作,与微机控制系统不具备电气上的联系,则在晶闸管TRI两端电压为零时

42、(即电网电压变化到与电容器C上的残压V C0相等时) 过零检测电路输出同步过零脉冲信号并送入“产生触发脉冲”模块。若此时微机系统未发出投入信号,则“产生触发脉冲”模块不动作,晶闸管不被触发;只有当微机系统发出投入信号且过零同步脉冲也到达时,“产生触发脉冲”模块才产生触发脉冲并保持,使得晶闸管接通,电容平稳投入。需要切除时只要微机系统发出切除信号(允许触发脉冲变为低电压) ,晶闸管在在其流过的电流过零时自然关断,电容器被切除。图4-1 过零触发原理图2) 交流固态继电器图中被虚线框住的部分是一个过零型交流固态继电器(AC2SSR) ,具有工作可靠、驱动功率小、无触点、无噪声、抗干扰、开关速度快及

43、寿命长等特点。本系统的设计方案就是用它作为补偿电容的投切开关,随着电力电子技术的发展,大功率的SSR 产品大量出现,其模块化的结构和良好的抗干扰措施使得补偿电容器的投切控制设计更简单、工作更可靠、价格也不高。3) 优化后的控制系统特点a. 电容器电压辐值小于或等于电网电压峰值时,无需预充电或放电电路,能保证在半个周波内完成过零触发。b. 取消了微机系统与投切开关或补偿电容器之间的直接的电气联系,投切控制系统大大简化,控制可靠性大幅提高,生产成本也得到了降低。c. 可适应各种不同的场合、不同的控制器、不同的电压等级、不同的接线方式,为控制系统的组成提供了灵活性和互换性。4.2 基于MATLAB的

44、投切控制的仿真研究 利用计算机仿真技术可模拟电力系统的实际运行环境对所设计的应用于电力系统的系统或应用方案进行仿真实验,使之电力应用系统的试验更趋于经济、方便。4.2.1 补偿电容残压为零条件下的仿真根据过零型交流继电器的结构、工作原理以及电容器投入运行时的工作过程,在MATLAB的电力系统仿真环境下建立了图4-2所示的补偿电容器投切仿真模型。图中两个反向并联的晶闸管构成过零型固态继电器的开关,以脉冲发生器作为开关1 、开关2 分别控制两个晶闸管的通断。由于开关1 、开关2 发出脉冲信号的时间可控,故控制开关发出导通脉冲的时机即可控制晶闸管的导通时机,只要控制晶闸管在电源基波电压过零时刻导通,

45、就完全仿真了过零型固态继电器的接通过程。 补偿电容和负载的参数设置如下:负载的功率设为10kVA ,感性无功功率按负载的10%设置,为1kvar ,补偿电容的容量按220V下1kvar 计算为660pF。电压表1和电压表2分别检测电压和补偿电容气的电压,电流表检测补偿电容气的无功补偿电流。现对三种情况来研究电容器投入过程中的浪涌电流和电压闪变情况。图4-2 投切控制仿真模型1) 在电网基波电压过零时刻投入电容器参数设置:开关1 在0.02s处发出高电平脉冲,使晶闸管2 导通;开关2 在0.01s时刻发出触发脉冲,导通经闸管2 ;相当于补偿电容在电压由正到负过零时刻投入。仿真结果如图4-3所示。

46、其中，图中A为投切电流，B为电容器两端电压，C为电源两端电压。从示波器显示的波形可以看出,在电压过零时刻,补偿电容被平稳的投入,电容器两端电压(Vload) 与基波电压同相,电容上的补偿电流的最大幅值约为60A ,既无浪涌电流也无电压闪变。2) 在电网基波电压峰值时刻投入电容器参数设置:开关1 在0.01s处发出触发脉冲,使晶闸管2 导通;开关2在0.005s时刻发出触发脉冲,导通经闸管2 ;相当于补偿电容在电压正峰值时刻投入。仿真结果如图4-4所示,从图中可以看出,由于补偿电容在电压峰值时刻被投入,电网电压与补偿电容器之间的电压差为电网电压的最大幅值,因此电压投入时会产生较大的浪涌电流,其峰

47、值约为360A ,是稳定状态下无功补偿电流峰值的6倍;同时也有电压闪变现象,但其幅度不大,大致在基波电压峰值范围内。 A B C图4-3 基波电压过零时刻投入电容仿真结果 A B C图4-4 基波电压峰值时刻投入电容仿真结果4.2.2 补偿电容残压不为零条件下的仿真由于流过电容器上的无功补偿电流为一容性电流,因此它的相位要超前基波电压信号/ 2 的相角,又因为晶闸管关断是在电流过零时刻自然关断,故关断时补偿电容器上的电压刚好处于电网基波电压的峰值时刻,即当采用晶闸管元件作为投切开关时,被切除的补偿电容器都是带有残压的,且残压为电网电压的峰值;投入时刻电容的残压则视电容器自行放电的时间而定。据此

48、,补偿电容带有残压被投入使用应是研究的重点,而补偿电容残压为零被投入则可以看作“等电压投入”的一种特殊情况。补偿电容器残压不为零条件下的仿真模型如图4-5所示。它在原来的模型上增加了一个直流电源、一个理想开关以及一个脉冲信号源,所增加的元件是用来模拟在电容器上加上残压。其工作过程为:当电容器没有投入时,脉冲信号源被控发出脉冲信号使理想开关处于接通状态,给电容器充电,使补偿电容器具有初始电压(即电容器投入时的残压) ,电容器的充电电压值通过设置直流电压源随意设置,原模型上所有元件的参数不变。仿真原理为:图4-5 补偿电容器残压不为零条件下的仿真模型1) 仿真最佳投入时刻情况即在补偿电容上加上电网

49、电压峰值,然后控制开关1和开关2 使晶闸管在基波电压瞬时值为峰值时刻导通,投入电容并在同一时刻使脉冲信号源的脉冲信号关闭、理想开关断开,这样就模拟了系统在基波电压瞬时值与电容残压相等时刻投入补偿电容器。仿真结果如图4-6所示。从仿真结果看,效果非常理想。A B C图4-6 最佳时刻投入电容仿真结果2) 仿真具有普遍意义上的“等电压投入”情况 补偿电容器上加上电压后( 残压, 这里设为110V) ,控制开关1 和开关2 使晶闸管在基波电压瞬时值为110V 时刻导通,投入电容并在同一时刻使脉冲信号源的脉冲信号关闭、理想开关断开,这样就模拟了系统在基波电压瞬时值与电容残压相等时刻投入补偿电容器。仿真

50、结果如图4-7所示。从仿真结果看,电容在电网基波电压瞬时值与电容残压相等时刻投入也完全可以实现平稳投入,无涌流和电压闪变。但在投入瞬间会产生阶跃电流,但因其很小,一般不会对电网造成不良影响。 A B C图4-7 电容残压不为零时等电压投入仿真结果3) 非等压投入情况若改变晶闸管导通的时机,使其不在“等电压时刻投入”,则会产生非常大的浪涌电流。按照所设计的仿真模型的参数进行仿真所得的结果如图4-8所示。由图可知,尽管只是瞬态电流,持续时间非常短,但由于电流过大,其危害还是不可忽视的。 A B C图4-8 电容残压不为零时不等电压投入仿真结果4.3本章小结本控制系统采用过零型固态继电器作为投切控制

51、开关的设计等,体现了“等电压投入,零电流切除”的控制原则,可以使补偿电容器的投切控制做所更简单、更安全、更可靠,具有较大的优越性。结论MATLAB作为一种有效的电气仿真软件，越来越多地得到电气工程技术界的重视。将MATLAB仿真和高压电器相结合，是解决高压电器实际问题的一个新思路和新方法。本文所做工作的主要意义如下：1.在Matlab7.0中成功地完成了Mayr电弧模型的搭建，并分析了Mayr 断路器的动作特性，以及参数值P 与t 的改变对断路器动作的影响，与实际中的断路器特性相符，对科研人员进行电弧建模，分析电弧现象具有积极的意义。2. 利用MATLAB的m文件编程来计算不同结构的母线的交流

52、电动力。它可以很方便地把复杂的计算过程凝聚成一个程序，以后可以随意调用，为解决学习与工程问题提供便利。3. 对目前常用的无功补偿电容器投切控制方案所存在的不足进行了详细的分析,给出了补偿电容器投切的优化控制方案,并在MATLAB 电力仿真环境下进行了仿真试验。结果表明,所提出的优化方案达到较理想的效果。致谢本论文是在导师刘骥教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、设计、乃至论文定稿全过程中始终得到了刘骥教授的指导和支持。刘骥教授广博的知识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风、积极的创新意识和乐观豁达的生活态度将使我受益终生。谨以拙文表示我对刘教授衷心的感谢和敬意！最后还要感谢我的父母，是他们多年

53、来在生活和学习上给予我无微不至的关怀和始终如一的鼓励，使我能顺利完成该论文，他们的恩情我将永远铭记在心！哈尔滨理工大学学士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文参考文献1 刘会灯，朱飞.MATLAB编程基础与典型应用，北京：人民邮电出版社，20082 Jiang H B. Multiterminal HVDC systems in urban areas of large cities J . IEEE T ran s on Power Delivery, 1998, 13( 4) : 1 278- 1 284.3 王凤川. 电压源换流器式轻型高压直流输电J.电网技术,1999, 23( 4) :

54、 74- 76.4 Hirokazu S , T atsuhito N. Development of testing of prototype models for a high-performance 300 MW self-commutated AC /DC converter J . IEEE T ran s on Power Delivery, 1997, 12( 4) : 1 589- 1 597.5 李庚银, 吕鹏飞, 李广凯, 等. 轻型高压直流输电技术的发展与展望J.电力系统自动化,2003,27(4): 77- 81.6 秦小平, 王克成. 感应电动机的双馈调速和串级调速M

55、 .北京: 机械工业出版社, 1990.7 高景德, 王祥衍, 李发海. 交流电机及其系统分析M . 北京: 清华大学出版社, 1993.8 翁利民, 田智萍.电弧炉的电压闪变及其抑制对策1J). 冶金动力, 2002,89(1): 1-4.9 徐国政，张节容，钱家骊等.高压断路器原理和应用，北京：清华大学出版社，200010 金海望，杨炳元，郑日红等. Matlab7.0下电弧模型的建立与分析.电气技术，2011,12: 90-9211 Ran Yu,Zhouxing Fu,Qingliang Wang,etc.Modeling and Simulationg Analysis of Sin

56、gle Phase Arc Grounding Fault Based on MATLAB. International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology,2011: 4607-461012 张宜华.精通MATLAB.北京：清华大学出版社，199913 魏克新，王云亮，陈志敏.MATLAB语言与自动控制系统设计，北京:机械工业出版社，199714 郑锦聪.MATLAB进阶.哈尔滨工业大学出版社，1999姚孟君,基于MATLAB仿真的无功补偿电容器投切控制研究.煤矿机电，200

57、3,6： 16-1915 文哲蓉.微机控制动态无功补偿技术的研究J.兰州铁道学院学报（自然科学版），2003（3）附录A电动力计算的m文件编程1 单相电动力公式程序:function F single_phase (c,Im,x)F=c*(Im*sin(x).2*10.(-7)运行程序：x=0:pi/100:2*piy=triple_phaseA(6.62,75000,x)plot(x,y)2 三相平行导线间的电动力A相电动力 公式程序function FA=triple_phaseA (Im,l,a,x)FA=2*10.(-7)*Im.2*l/a*(3/8*cos(2*x)-3.(1/2)/

58、8*sin(2*x)-3/8)运行程序x=0:pi/100:2*piy=triple_phaseA (Im,l,a,x)plot(x,y)B相电动力公式程序Function FB=triple_phaseB(Im,l,a,x)FB=2*10.(-7)*Im.2*l/a*(3/4*cos(2*x)-3.0.5/4*sin(2*x)运行程序x=0:pi/100:2*piy=triple_phaseB(Im,l,a,x)plot(x,y)C相电动力公式程序function FC=triple_phaseC(Im,l,a,x)FC=2*10.(-7)*Im.2*l/a*(-3/8*cos(2*x)+3

59、.0.5/8sin(2*x)-3/8)运行程序x=0:pi/100:2*piy=triple_phaseC(Im,l,a,x)plot(x,y)短路时的电动力公式程序function F=shortcircuit(c,Im,x)F=10.(-7)*c*(Im*(1-cos(x).2运行程序 x=0:pi/100:2*piy= shortcircuit(c,Im,x)plot(x,y)附录B中文翻译将MATLAB Simulink和VHDLAMS快速仿真建模的有效调制应用于Sigma-Delta架构的CT功能摘要通过使用晶体管等级的仿真例如CANDENCE中的Spectre或PSpice仿真器时

60、，像Sigma-Delta连续时间调制器电路这样的复杂的的设计、仿真和优化才需要大量的计算时间。为了减少概念上的努力应被视为有效的高层次的系统建模。然而，闭环结构特点和技术的要求，应严格遵守各自的模型要求。在这项工作中，我们提出了导致应用程序的工具的设计方法，并暗示了强劲的宏观模型MATLAB的SIMULINK仿真和VHDL-AMS的模拟元素的Cadence原理图的提取。根据设计师的选择，得出的宏模型可以在SIMULINK面向对象的环境或基于代码的模拟VHDL的过程。用来实现和优化整个调制器在SIMULINK面向对象的环境或基于代码的模拟VHDL的过程。使用建议的方法，一个六阶CT的Sigma