电力系统无功补偿装置(SVG)及仿真控制研究硕士学位论文.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 电力系统无功补偿装置（svg）及仿真控制研究 姓名：孙剑 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：董冠军 太原理工大学硕士研究生学位论文 i 电力系统无功补偿装置（s v g ）及仿真控制研究 摘 要 静止无功发生器( svg) 是柔性交流输电系统( facts) 设备中的一种， 可以对电网的无功功率进行动态补偿，能够吸收感性无功和容性无功，因 而成为交流输电系统中较为理想的无功补偿设备。 本文主要介绍了柔性交流输电系统( facts) 的发展和现状，和专业的 电力系统仿真软件pscad，分析了静止无功发生器( svg) 的数学模型、工 作原理及其控制方法，并以此为基础设计了以pscad电力系统仿真软件为 平台的svg仿真电路模型，在此模型上可以灵活设置各种可能工作状态， 对控制理论的可行性和设备参数的可靠性进行探讨。同时也详细介绍了几 种主要的无功功率检测和控制方法， 其中包括数字pi控制器在闭环系统中仿 真控制的应用。 综合以上内容，研制了间接电流控制的svg的控制电路模型，并利用 该模型对系统三相短路故障做了模拟实验，通过对实验结果分析，验证了 实验平台选择参数的稳定性，及控制策略的可靠性, 为完整svg装置的研制 铺垫了良好的技术基础，也为svg的进一步研究提供了实验平台。 关键词: 静止无功发生器， svg， pi控制器， 间接电流控制， pscad 太原理工大学硕士研究生学位论文 i i i application of power system compensating device (svg) and its simulation abstract static power system compensating device (svg) was a kind of flexible ac transmission system (facts) equipment. this device was used to dynamically compensate electrical power system reactive power and absorb the capacitance reactive power and inductance reactive power. as a result, it became ideal reactive power compensation equipment on ac transmission system comparatively. the development and the present situation of flexibility ac transmission system (facts) equipment were introduced at first，also a special software pscad on electrical power system simulation was recommended. secondly, it was the principle and the control method of static var generator (svg) that used as the basis for designing the svg simulate circuit model working on electrical power system simulation software platform pscad. and then the mathematical model was analyzed. with the help of this model, many kinds of simulation possibility working condition were established, and the discussion about the feasibility of the control theory and reliability of parameters was carried on. simultaneously, several kinds of main reactive power examination and control methods were also introduced. finally, the digital pi controller in the closed- loop system application based on its simulation and control were in detail introduced. 太原理工大学硕士研究生学位论文 i v the svg circuit model which controlled by the indirect current was developed according to our former study, and the simulation test was carried on the three- phase short fault by the usage of this model. the results were that the parameters which the test model selected were stable, and the control policy which was reliable. what is more, the technological basis was founded for the development of the integrated svg device, and the test platform was provided for the further research on the svg. key words：static reactive power generator，svg，pi controller，indirect current control ，pscad 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1研究背景 在电力系统中，供电的质量，电网运行的安全性、 可靠性和经济性是最根本的问题。 快速合理地调节电网无功功率，对交流电网的稳压和系统电压的调节、合理分配潮流及 限制电网过电压方面十分重要。电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源。随着电力 电子装置的应用日益广泛，使得电网中的谐波污染也日趋严重。近年来，随着冶金、电 气化铁道的飞速发展，具有冲击负荷的电弧炼钢炉以及轧钢机等不断投入电网，造成了 一系列的负面影响，如电网功率因数下降、波形畸变、电压波动、谐波干扰等，给电网 带来额外负担并影响供电质量。同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的 精密设备，如：计算机、医用设备等。因此，补偿系统的无功功率、抑制谐波和提高功 率因数已成为电力电子技术、电气自动化及电力系统这些研究领域所面临的一个重要课 题。因此，对于这一领域的研究与探索也越来越受到人们的重视 1 - 4 。 1.1.1电力系统中的无功功率及其危害 无功功率的物理意义表明，由于系统中感性或容性储能元件的存在，在三相之间或 者是电源与负载之间来回传递，而其能量并没有被消耗5。电力系统中的无功功率主要 由两部分组成: 一部分主要是由电流与电压的相位差而导致的基波无功功率，另一部分 主要是由电流的非正弦畸变而导致的谐波无功功率。基波无功功率是由感性或容性负载 引起的，容量较大且相对稳定。电力系统中的用电设备绝大多数为感性负载，电流相位 滞后于电压，因此主要表现为感性无功功率。近年来，随着电力电子技术的飞速发展， 大量的非线性电力负载投入使用，导致谐波无功功率呈现日益严重的趋势。电压与电流 的相位差与电流的非正弦畸变均会导致电力系统功率因数的下降与电能质量的恶化。因 此，电力系统的无功功率补偿问题应该包括基波无功功率与谐波无功功率的同时补偿， 与此同时，也只有实现了两者的同时补偿，才能真正实现系统的单位功率因数运行，保 证提供高质高效的电力能源。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 电力系统中无功功率的危害主要表现在三个方面：一是在输电容量不变的前提下， 使输电线路损耗增加，从而降低了线路的电力传输效率与电气使用寿命; 二是通过影响 系统电压的稳定性，使节点电压偏离额定值，甚至造成系统电压崩溃; 三是由于谐波无 功功率的存在，对电能质量造成了日益严重的影响，这主要表现为附加的谐波损耗、产 生振动和噪声、绝缘老化、系统电压畸变、电气设备寿命缩短以及导致系统谐振等，谐 波还会引起继电保护和自动装置的误动作，对微机及通讯系统造成干扰。由此可见，电 力系统无功功率补偿基础理论与工程应用技术研究具有重要的现实意义。 1.1.2无功补偿技术的发展 传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻抗 固定，不能动态地跟踪负荷无功功率的变化; 而调相机和同步发电机等补偿设备又属于 旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿，所以这些设 备己经越来越不适应电力系统发展的需要。 目 前 应 用 于 无 功 补 偿 最 为 广 泛 的 是 静 止 型 无 功 补 偿 器 svc( static var compensator) 。所谓静止型无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，生成 容性无功或感性无功，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等 功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为 接触器，其开关速度较慢，约为1 0 - 3 0 s ，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投 切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作电压，这样不但容易造成接触点烧焊， 而且容易使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。现今所指的静止无功补偿 装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型： ( 1 ) 具有饱和电抗器的静止无功补偿装置sr(saturated reactor):sr型补偿器中，由 饱和电抗器和串联电容器组成的回路具有稳压的特性，对冲击性负荷引起的电压波动具 有补偿作用，与其并联的滤波电路能吸收谐波并提高功率因数。另外，s r 还具有有效抑 制三相不平衡的能力，当电网三相电压不平衡时，饱和电抗器的三相呈现不同的饱和程 度，使三相电压趋于平衡。s r 型补偿器具有快速、可靠、过载能力强、产生谐波小等优 点。但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，以及装置运行中振动和噪声较大，所以 目前国内应用较少，一般只在超高压输电线路中才有使用。 ( 2 ) 晶闸管控制电抗器tcr(thyristor control reactor)+fc(fixed capacitor)：单独的 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 tcr由于只能提供感性的无功功率， 因此往往与并联电容器配合使用。 并联上电容器后， 使得总的无功功率为tcr与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率，因而可以将补偿 器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围内。另外，并联电容器串上小的调谐电 抗器还可兼作滤波器，以吸收t c r 产生的谐波电流。通过控制与电抗器串联的反并联晶 闸管的导通角，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 于该补偿器响应时间小于半个周波，灵活性大，而且可以连续调节无功输出，所以目前 在我国的输电系统和工业企业中应用最为广泛。但该补偿装置输出的电流中含有较多的 高次谐波，而且电抗器体积大，成本较高。 tcr +fc型svc的基本原理图如图1 - 1 。单相的tcr是由两个反并联的晶闸管与电 抗器串联而成，而三相一般采用三角形接法。图中 s q为系统供给的无功功率 l q为负载 无功功率，它是随机变化的。 c q为滤波器提供的容性无功功率，是固定不变的， r q为 t c r 提供的感性无功，它是可以调节的。 slrc qqqq=+ ( 1 - 1 ) 当负荷发生扰动变化时，s v c 通过调节晶闸管的触发角从而调节t c r 发出的感性无 功，使得 r q总能弥补 l q的变化。这样的电路并入到电网中相当于0 slr qqq= +=。 这就是t c r 型静止无功补偿器对无功功率进行动态补偿的原理。 将此电路并联到电网上，就相当于交流调压器电路接入电感性负载，当触发角 90o =时，晶闸管全导通，导通角180o =，此时电抗器吸收的无功电流最大。 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 负载 晶闸管相控电抗器（）滤波电容器（） 电压互感器 电流互感器 高压开关柜 控制系统 图1 - 1 t c r + f c 型补偿器单相结构图 fig.1- 1 tcr+fc compensator structure of single- phase ( 3 ) 晶闸管投切电容器tsc( thyristor switch capacitor)：tsc型补偿器由一组并联 的电容器组成，每一组电容器都与一对反并联晶闸管串联。t s c 用于三相电网中可以是 三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不对称网络采用三 角形连接。不论是星形还是三角形连接都采用电容器分组投切。在运行时，根据所需要 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： 首先可以考虑增加电容的组数，组数越多，级差就越小， 但这必然会增加运行成本， 因此，必须协调二者的关系; 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，也就是电容器两端电压等于电源电压的时刻。实 践证明tsc具有较快的反映速度( 约为5 - 1 0 毫秒) ，体积小、重量轻，对三相不平衡负荷 可以分相补偿，操作过程不产生有害的过电压、过电流，但t s c 不能有效抑制冲击负荷 引起的电压闪变。 ( 4 ) tcr+tsc型补偿器：tcr+fc型和tsc型补偿器都能有效地补偿系统中的无功 电流，但各有自己的缺点。tcr+fc型补偿器容易产生谐波，而t s c 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。因此，tcr+tsc型补偿器应运而生。由 tcr 提供可调的感性无功功率，f c 提供容性无功功率，当fc提供的容性无功不足时，tsc投 入运行。我国武汉凤凰山5 0 0 千伏变电站采用的就是tsc+tcr型补偿器。这种补偿器均 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 采用三角形连接，以电容器作分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不能流入电网， 大大减小了谐波。 静止无功补偿器( svc) 虽然能对系统无功进行有效的补偿，但是由于换流元件没有 断流能力，使其容易对电网产生较多的谐波电流，而且对电网电压波动的调节能力不够 理想。随着大功率全控型晶闸管gto及igbt的出现，以此为基础的无功补偿技术也正 成为研究的热点： ( 1 ) 静止无功发生器svg(static var generator)：svg又称静止无功调相机statcom (static synchronous compensator)，也是柔性交流输电系统的重要装置之一，己相继在日 本、美国、德国得到成功应用。s v g 通过采用桥式电路的多重化技术，多电平技术或p w m 技术进行处理，以消除较低次的谐波，并使较高的谐波限制在一定范围内：由于s v g 使 用直流电容来维持稳定的直流电源电压，与s v c 使用的交流电容相比，直流电容量相对 较小，成本较低。 ( 2 ) 有源滤波器a p f (active power filter)：有源电力滤波器的电路结构图与静止无 功发生器相似，但补偿机理不同。静止无功发生器是以系统无功为补偿目标，而有源滤 波器是以系统中的谐波电流为主要补偿目标，在消除谐波的同时可以补偿无功。 1.2 tcr与tsc型svc数字仿真的概况 电力系统数字仿真是用数学模型在数字计算机上进行实验和研究的过程。实现系统 数字仿真一般包括建立电力系统数学模型、建立数字仿真模型和进行仿真实验三个步 骤。根据研究的目的不同，仿真建立电力系统数学模型的要求也不相同。波过程研究操 作过电压和雷击过电压问题，研究时应建立反映电流、电压波过程的模型。电磁暂态仿 真主要研究短路、断线等引起的电流电压变化过程，变化频率较波过程低，其数学模型 应反映发电机电磁暂态和故障类型。机电暂态主要研究电力系统振荡、稳定和异步运行 的问题，涉及功率、发电机相角、转速的变化和频率、调压控制系统的作用 6 。 电磁暂态过程数字仿真是用数值计算方法对电力系统中从数微秒至数秒之间的电 磁暂态过程进行模拟仿真。电磁暂态过程仿真必须考虑输电线路分布参数特性和参数的 频率特性、发电机的电磁和机电暂态过程以及一系列元件( 避雷器、变压器、电抗器等) 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 的非线性特性。 因此， 电磁暂态仿真的数学模型必须建立这些元件和系统的代数或微分、 偏微分方程组。一般采用的数值积分方法为隐式梯形积分法。 目前，用于研究电力系统暂态过程的数字仿真软件有很多种：加拿大m a n i t o b a 直流 研究中心的pscad(emtdc)、挪威snitef能源研究院的atp draw(前身emtp)、美国 m a t h w o r k s 有限公司的matlab的power system blockset模块和德国西门子的n e t o m a c 等。这些计算的系统网络规模越来越大，已经可以模拟达到几千个节点的电力系统；能 够模拟的元件也很多，如s v g ，s v c ，t c s c 和交直流换流站等各种电力电子装置；还可模 拟变压器的内部故障、励磁涌流及电流互感器(at)饱和电压互感器(tv)的暂态过程等情 况。在以上各种仿真软件中都包含线性或非线性特性pid控制系统的svc模型，基本上 能够满足电力企业和研究部门的要求。 1.3课题意义、目的和任务 1.3 .1 本课题的意义 电网中的电压、电流不平衡可能给用户带来多种危害。有多种方案可用于减轻不平 衡负荷对系统造成的危害，其中利用s v c 进行分相无功补偿是比较常用的方法。svc虽 然具有成本较低、响应速度较快的优点, 但它也有缺点：含有较多的无源器件，如电 抗器或电容器，体积庞大；svc本身产生低次谐波电流，需要安装滤波器；svc输 出无功与系统电压的平方成正比，当系统电压下降较多时，无法对系统提供足够的无功 支持。和svc装置及密集型电容补偿装置相比，svg装置有如下优点：装置采用无功 发生器发出无功，而不是靠电容、电抗补偿无功，使装置体积变小，重量减轻；装置 发出的无功电流谐波含量小，电流谐波总thd时， 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 表明该网络吸收有功功率，反之则表明发出有功功率。 而相对而言，无功功率则定义为： sin def qui= （2- 5） 由此可以看出，无功功率就是指的瞬时功率中可逆分量的幅值，当sin0 ，认为 该端口吸收无功功率，反之则认为发出无功功率，但它并不是像有功功率那样表示单位 时间内做的功，而只是反映了内部与外部往返交换能量的情况。同理，在三相对称电路 中，各相电压、电流均为对称，功率因数也相同。总的功率因数就等于各相的功率因数。 对于电网中， 电压与电流都是非正弦波的情况， 可以把电压电流分解为傅立叶级数， 即: 1 1 u( )2sin() n nn n tunt = =+ （2- 6） 1 1 ( )2sin() n nn n i tint = =+ （2- 7） 电压电流具有相同的基波频率 111 (2)ff=，由于负荷可能为非线性的，所以电压 和电流不一定具有相同阶次的谐波分量。根据有功功率等于瞬时功率在一个周期内的平 均值的定义，并考虑到三角函数的正交性可以得到有功功率和频域内的无功功率定义： 0 1 sin t nnn n puidtu i t = （2- 8） sin fn nn n qu i= （2- 9） 需要说明的是仅有同频率的电压电流才构成有功功率，但这实际上没有明确的物理 意义，而且不同次谐波产生无功功率有可能会相互补偿，所以在非正弦情况下无功功率 已经没有能量交换的最大量度的物理意义。在三相不对称电路中，功率现象相对也就复 杂一些，还涉及到谐波和电压畸变，传统的功率理论无法对其进行合理的解释和描述。 2.1.2三相电路瞬时无功功率理论 1983年，赤木泰文将abc三相经坐标变换成两相坐标，引入 ijuu eu e =+； 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 0 ijii ei e =+；pu iu iu i = =+；() k quiu iu ie =(ie、je和ke为三维几何空 间的三个单位基本矢量） 即qu iu iq =将abc三相坐标转变为两相坐标的变 换如图2- 1所示。 c i q i、 q i称为、相的瞬时 无功电流。 称、相的瞬时功率分别为该相瞬时电压和瞬时电流的乘积，即 2 22 p u pu ip uu = + （2- 25a） 2 22 p u pu ip uu = + （2- 25b） 22 q u u qu iq uu = + （2- 25c） 22 q u u qu iq uu = + （2- 25d） 从以上四个表达式可知： ppp += （2- 26） qqq += （2- 27） 通过进行-两相向abc三相的变换(abc三相转化为两相变换的逆过程)， 可以 由两相功率电流得到三相电路各相的功率电流，即: 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 23 ap p bp p cp i i ic i i = （2- 28） 23 aq q bq q cq i i ic i i = （2- 29） 其中： 23 23 t cc= 则有： 3 apa p iu a = （2- 30a） 3 bpb p iu a = （2- 30b） 3 cpc p iu a = （2- 30c） () aqbc q iuu a = （2- 31a） () bqca q iuu a = （2- 31b） () cqab q iuu a = （2- 31c） 其中： 222 ()()() abbcca auuuuuu=+ 进一步可以得到abc各相的瞬时功率: 2 3 aa apa p pu iu a = （2- 32a） 2 3 bb b pb p pu iu a = （2- 32b） 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 5 2 3 c cc cp p pu iu a = （2- 32c） () aa a qabc q qu iu uu a = （2- 33a） () bb b qbca q qu iu uu a = （2- 33b） () cc cqcab q qu iu uu a = （2- 33c） 瞬时无功功率理论在分析了传统功率的基础上又将有功功率与无功功率的谐波分 量包括了进来，从而对传统的功率理论进行了扩充，对无功补偿装置的研究和开发起到 了很大的推动作用。 而无功功率又与电压关系密切，在许多情况下，无功功率既会引起电压损耗(而且 是造成电压损耗的主要因素)，同时又随着电压的变化而变化。可用图2- 3简单的一个等 效电路来进行解释: 图2 - 3 电力系统等效电路 fig.2- 3 power system equivalent circuit 图2- 3中 s z为等效线路阻抗，它是由等效线路电阻 s r和等效线路电抗 s x组成；y 为等效负载导纳，它是由等效电导g和等效电纳b组成； . e是电源点电压， . u是负载处 电压。 s z引起的电压降u为: s ue uz i= （2- 34） 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 6 22 () u gju bpjq iu gjb uu = （2- 35） 由（2- 34） 、 （2- 35）可以知道： . () ssss sx rx qx pr qpjq urjxj uuu + =+=+ （2- 36） 分析图中各参数可看出，p和q之间的夹角很小，因此 ss r px q u u + （2- 37） 在一般的电网中 s r比 s x小得多，因此可以得出这样的结论：电网电压的波动主要 是由无功功率的波动引起的，而有功功率的波动对电网电压一般影响较小。 整个系统的无功功率和有功功率一样，每个时刻都是平衡的，要想维持负荷的电压 水平，就必须供给相应与该电压水平的无功功率;要维持整个系统的电压水平，就必须有 足够的无功电源来满足整个系统对于无功的需求或者损耗。如果系统无功电源不足，则 会使电网处于低电压水平上的无功功率平衡，即靠电压降低、负荷吸收无功功率的减少 来弥补无功电源的不足。同样，如果由于电网缺乏调节手段使某段时间无功功率过剩， 也会造成整个电网的运行电压过高。 2.2静止无功发生器的工作原理 svg的基本原理是将桥式变流电路通过电抗器并联在电网上，适当调节桥式变流电 路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或发出满足 要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的25。其原理图见图2- 4.其系统构成见图 2- 5. 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 7 图2 - 4 s v g 工作原理图 fig.2- 4 svg working principle 图2 - 5 s v g 系统构成 fig.2- 5 construction of svg system 而我们研究的静止无功发生器，简单的说，其基本原理即是将自换相桥式电路通过 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 8 电抗器或者变压器并联在电网上适当地调节桥式电路交流输出侧输出电压的相位和幅 值，或者直接控制其交流电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实 现动态无功补偿的道理。svg的主电路可分为电压源逆变电路和电流源逆变电路，但目 前己实现的装置中均采用电压源逆变电路结构。按照容量来划分，大容量的svg与中小 容量的svg又有所不同: 1)大容量svg结构:采用gto的多重化或多电平结构。 大容量静止无功发生器的结构 图如图2- 6所示。该结构设计通过对每个单相多重gto触发组合叠加后形成理想电压波 形。 图2 - 6 大容量s v g 结构图 fig.2- 6 the structure of large scale svg 2)小容量svg结构:采用igbt的pwm- vsi结构。可采用电压源逆变电路(图2- 7所示) 和电流源逆变电路(图2- 8所示)。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 9 图2 - 7 电压源型s v g fig.2- 7 svg of voltage type 图2 - 8 电流源型s v g fig.2- 8 svg of current type 下面分析一下svg的动态过程，在解释无功发生的过程前，先假定直流电压己经建 立，即 dc u已达到所需要的值，另外假设是igbt的开关受其栅极控制，而门极是由无功 发生器的控制器正确控制的，因此目前只要说明这种门控状态下电压电流的表现即可。 下面给出理想条件下无功发生器的相量图，如图2- 9所示: 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 0 a i 1 q导通后， 1 q并不立即流过电流，而是在经过1/4周期后，才开始有电流 a i流过，电流逐渐上升，到 sa u。正半周终了 a i达到最大。当进入 sa u的负半周期，由于电感的原因 a i并不能立即改 变方向，而是逐渐减小，此时，直流侧电流 dc i由正向最大值变为负向最大值。当 sa u到 达负向最大值时 a i减小到零。当 a i进入反方向流动状态， 1 q、 4 q以pwm方式的正弦负 半周的规律导通。到 sa u负半周结束时，直流侧电流 dc i增到负的最大值正弦负半周的规 律导通。此时 a i达到负最大值;当 sa u经过零点，再次突变， dc i再次由正的最大值变为负 的最大值，同时 a i以负值逐渐减小直到 sa u到达正向最大值时，减小为零。这样完成a 相的一个周期。其他两相的导通顺序以及电流电压情况与之相同，并相互构成回路。 由于svg正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧 与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源 负载，而是电网。因此，当仅考虑基波频率时，svg就可以等效的被视为幅值和相位可 以控制的一个与电网同频率的交流电压源，它通过交流电抗器接在电网上。理想条件下 就可以用图2- 9的向量图来表示，设电网电压和svg输出的交流电压基波分量分别用相 量 s u和 g u表示，则连接电抗器 l x上的电压 l u即为两者的相量差，而连接电抗器的电 流是可以由其电压来控制的。这个电流就是svg从电网吸收的电流，因此，改变svg交 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 流侧输出电压 . gu 的幅值及其相对于 . su的相位，就可以改变连接电抗器上的电压，从而 控制statcom从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了svg吸收无功功率的性质和 大小。 图上的理想情况是将连接电抗器视为纯电感， 没有考虑其损耗以及变流器的损耗。 因此不必从电网吸收有功能量。 在这种情况下， 只需使电网电压和逆变器输出电压同相， 仅改变逆变器输出电压的基波分量的幅值大小即可以控制svg从电网发出的电流是超 前还是滞后90o，并且能控制该电流的大小。当 . gu 大于 . su时，电流超前电网电压90o， svg吸收容性的无功功率，如图2- 9(a)所示；当 . gu 小于 . su时，电流滞后电网电压90o， svg吸收感性的无功功率，如图2- 9(b)所示。 图2 - 1 0 实际情况下等效电路及向量图 fig.2- 10 svg equivalent circuit and vector plot in practice 考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗(如管压降、线路电阻等)，并将总的 损耗作为连接电抗器的电阻考虑，svg的等效电路图可用2- 10表示。图2- 9为直流侧外加 恒压源(或系统内部不耗能，即为理想情况)的相量图与等效电路;图2- 10为直流侧不外加 恒压源(或系统内部耗能)的相量图与等效电路。在这种情况下，变流器电压 . gu 与电流 . i 仍相差90o，因变流器不需提供有功能量。而电网电压 . su与电流 . i 的相差则不再是90o， 而是比90o小了角，因此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗，也就是说相对于 电网电压来讲，电流 . i 中有一定的有功分量。这个角是变流器电压 . gu 和电网电压 . su， 的相位差(后面简称控制角)， 并且改变 . gu 的幅值， 则产生的电流 . i 的大小也就随之改变， svg从电网吸收的无功功率也就因此得到调节。在图2- 10中，将变流器本身的损耗也归 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 算到了交流侧，并归入连接电抗器电阻统一考虑。实际上，这部分损耗发生在变流器的 内部，应该由变流器从交流侧吸收一定有功能量来补充。因此，实际上变流器交流侧电 压 . gu 与电流 . i 的相位差并不是严格的90o，而是略小于90o。 由以上的svg稳态等效电路原理图，可以得到以下的电路公式: . () s gg uirjxu=+ （2- 38） 设以 . su为相位参考，则: . 0 s s uuj=+ （2- 39） . cossin ggg uuju= （2- 40） 由式(2- 38)忽略系统损耗等效电阻r得到: . sincos s ggsg g uuuuu ij jxxx = （2- 41） 向svg电网提供的复功率为: sincos gsg sg uuu suijpjq xx =+? （2- 42） 系统输出的有功功率和感性无功功率分别为： sin sg u u p x = （2- 43） (cos ) ssg u uu q x = （2- 44） 若5o 时，则0p ，此时，svg从电源吸收功率，其中一部分补偿svg的功 耗，另一部分用于向电容器充电，升高直流电压。 2)当0 时，svg向系统提供感性无功。 4)当 sg uu dsout transfer index storage ntxfr = ntxfr + 1 txfr(ntxfr,1) = nstol txfr(ntxfr,2) = nstoi txfr(ntxfr,3) = nstof 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 9 ! record offset and increment storage counters nnode = nnode + 2 !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! transfers from storage arrays !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! transfer from imports !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! electrical node lookup !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! read model data (if any) !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - if ( timezero ) then filename = graph.dta call emtdc_openfile section = datadsd: call emtdc_gotosection endif !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! generated code from module definition !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 0 !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! feedbacks and transfers to storage !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! transfer to exports !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! close model data read !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - if ( timezero ) call emtdc_closefile return end != = subroutine graphout() !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! standard includes !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - include nd.h include emtconst.h include emtstor.h include s0.h include s1.h include s2.h include s4.h 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 1 include branches.h include pscadv3.h include fnames.h include radiolinks.h include matlab.h !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! variable declarations !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! electrical node indexes ! control signals ! internal variables ! indexing variables integer istol, istoi, istof ! storage indexes integer isubs ! ss/node/branch/xfmr !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! record local indexes !- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! dsdyn dsout transfer index storage ntxfr = ntxfr + 1 istol = txfr(ntxfr,1) istoi = txfr(ntxfr,2) istof = txfr(ntxfr,3) ! record offset and increment storage counters nnode = nnode + 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 2 !- -