（电力电子与电力传动专业论文）基于可变电抗的静止无功补偿器拓扑结构研究.pdf

a b s t r a c t 1 1 1p c w e ts y s t e m 。t h e r ea l eal o to fr e a c t i v ep o w e rc o n s u m p t i o no fe q u l p m e n t ， t h eu s eo fm e s ed e v i c e sw i l lm a k ead r a m a t i cf l u c t u a t i o n si ns u p p l yv o l t a g e ，s u c ha s m ei m p a c to fr e a c t i v ep o w e rl o a d ：r o l l i n gm a c h i n e ，e l e c t r i c a r cf u m a c e s ，e l e c 饥ca n d r a i l w a v m e a n w h i l e ，t h e r ea r eal a r g en u m b e ro f u s e r so nt h es y s t e mv o l t a g es t a b i l i t y o fr l i g hp r e c i s i o ne q u i p m e n tr e q u i r e m e n t s ：s u c ha sc o m p u t e r s ，m e d i c a le q m p m e n t n r e a c 舡v ep o w e rc a nn o tb ec o n t r o l l e di nt i m e ，w i l lb eo nt h eg r i ds e c u r i t y , s t a b i l i t y , a d v e r s e l ya f f e c tt h eo p e r a t i o n i na d d i t i o n , t h es h o r t a g eo fr e a c t i v ep o w e rr e s e r v e s w i l ll e a dt oal o w e rl e v e lo fp o w e rv o l t a g e f o rt h e s er e a s o n s ，h o wq u i c k l ya n d e f f e c t i v e l yc o m p e n s a t e r e a c t i v e p o w e rs y s t e mg a p h a s i m p o r t a n tp r a c t l c a l s i g n i f i c a n c e t h ev a r i a b l er e a c t o rb a s e do np o w e rc o n v e r s i o nc o n s i s t so f v a r t a b i e r e a c t a n c ec o n v e r t e ra n de l e c t r o n i cp o w e ri n v e r t e r t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rc o n t r o l s e l e c 仃0 n i cp o w e ri n v e r t e ri no r d e rt oc h a n g et h ee l e c t r i cc u r r e n ti nt h es e c o n d s l d eo f v 羽j a b l er e a c t a n c ec o n v e r t e r , t h e nt h e o n ei nt h ep r i m a r ys i d ec a nb ec h a n g e d ， c o n s e q u e n t l yt h ei m p e d a n c e o fv a r i a b l er e a c t o rc a r lb ec h a n g e d f i r s t l yi te x p l a i n st h ed i f f e r e n tt y p e so f s h u n ts t a t i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t l o n d e v i - sm 血c i r c u i tt o p o l o g y , t h eb a s i co p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt h er e a c t i v ep o w e r c o n t r o lp r o c e s s 1 1 1 饥f o rl a r g ee l e c t r i c a le q u i p m e n ta n di n d u s t r i a lp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mm n 地f 瓠r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o np r o b l e m , av a r i a b l ei m p e d a n c ed e v i c e s v c a p p e a r s c o n s t r u c t i o n o fv a r i a b l ei m p e d a n c e b a s e ds t a t i c v a r c o m p 饥s a t o r 砌i t e c t u r e ，s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r c a l lb et r a n s f o r m i n gt h em a i nr e a c t o rb yt h ef i x e d c a d a c i t o f sa n di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r a n do t h e rc o m p o n e n t s t h r o u g hi n t e l l i g e n t c o n h o lo fp o w e re l e c t r o n i cp o w e rc o n v e r t e rc o n t r o l l e r , t r a n s f o r m e r r e a c t o rc 锄 c h 孤g et h es e c o n d a r yw i n d i n gc u r r e n t ，t h u sc h a n g i n gt h er e a c t o rc a n b eat r a n s 士_ 0 眦e r w i i l d i n gc u r r e n tt oa c h i e v ei m p e d a n c ev a r i a b l e w h e nt h ei n p u tv o l t a g e l sc o n s t a n t ， 仃a n s f o 础gr e a c t o rt oa c h i e v ea d m i t t a n c ec h a n g e s ，y o uc a nc h a n g e t h e 舳d 锄既t a j c l l r r e n t ，r c s u l t i i 培i nr e a c t o r sa b s o r br e a c t i v ep o w e rc h a n g e s r e a c t o rc a n m e e tt h e s l l b s t a t i o ns l m n tc a p a c i t o r , t h er e a c t i v ep o w e rc a nb es m o o t h l ya d j u s t e dt oa c h i e v e u d y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t r a n s f o r m i n gt h es t r u c t u r ec a n h a v ear e a c t o rw i n d i n ga n ds e c o n d a r yw i n d i n g , a w i n d i n gw i t haf i x e dc a p a c i t o ra n dt h el o a da n dt h e n t of o r map a r a l l e lc i r c u i t i m p e d a n c e ， s e c o n d a r yw i n d i n g sa n dp o w e re l e c t r o n i c p o w e rc o n v e r t e rp h a s e ， c o n s t i t u t et 1 1 es e c o n di m p e d a n c e c o n v e r s i o nc i r c u i tt h r o u g ht h e s t a t i cv a t c o m p 饥s a t o rt o p o l o g ya n a l y s i s ，f r o mt h ei m p e d a n c ea n da d m i t t a n c et r a n s f o r m a t l o n 仃a n s f 0 恤t h et w oa s p e c t s o ft h ep u b l i c i t yd e r i v e dt oe x p l a i nt h e s t a t i cv a r c o m p e n s a t o rc o m p e n s a t i o nm e c h a n i s m ，i nr e a c h i n g i t sr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n o ft h eo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y , t h ei n t r o d u c t i o no f t h er e a c t o rc a nb ei nt r a n s f o r m i n gt h ec o m p o s i t i o no f c o m p o n e n t s ， i n c l u d i n ga n t i c o n v e r t e rt r a n s f o r m e r , p o w e rc o n v e r t e r , e t e ， a n di n m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o np l a t f o r mf o rt r a n s f o r m i n ga n t i - b a s e d s t a t i cv a r c o m p e n s a t o rf o rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，t h es i m u l a t i o nw a v e f o r m t ov e r i f yt h e c o n e c 锰i e s so ft h ec o n t r o ls t r a t e g y , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs v cc o m p e n s a t i o n i n t h ea 埘d ea l s ou s e sf f th a r m o n i ca n a l y s i sm o d u l e k e yw o r d s ：v a r i a b l er e a c t o r ，i m p e d a n c e c o n v e r s i o n ，p o w e rc o n v e r s i o nu n i t ， s i m u l a t i o n u l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：遮塑! 日期：丝f 生：乞 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢兰( ：怒= 孙耙r 。 ( 注：此页内容装订在论文扉页) i 武汉理上人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的意义 当电网传输功率时，电流将在线路、变压器阻抗上产生电压损耗u 。无功 功率的变化，将引起电压降的变动，通过安装无功补偿设备，就地平衡无功功 率，限制无功功率在电网中传输，相应地减少了线路的电压损耗，提高了电网 的电压质量n 删。 电力系统网络中不只大部分负荷要消耗无功功率，而且大部分网络组建也 要消耗无功功率。电力系统中负荷和网络组件需要的无功功率必须从网络中某 个地方获得。如果这些所需要的无功功率由发电机提供并经过长距离传送，不 是太合理，通常也是不可能的；如果这些所需要的无功功率不能及时得到补偿， 电力系统的安全运行以及用电设备的安全就会受到影响。因此，无功功率补偿 对电力系统有着重要意义，概括起来主要有： ( 1 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。 ( 2 ) 提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减小功率损耗。 ( 3 ) 改善系统的稳定性，提高输电能力，并提供一定的系统阻尼。 ( 4 ) 提高发电机有功输出能力。 ( 5 ) 减少线路损失，提高电网的有功传输能力。 ( 6 ) 降低电网的功率损耗，提高变压器的输出功率及运行经济效益。 ( 7 ) 降低设备发热，延长设备寿命，改善设备的利用率。 ( 8 ) 平衡三相的有功功率和无功功率。 ( 9 ) 避免系统电压崩溃和稳定破坏事故，提高运行安全性。 研究无功功率，掌握它的经济规律。通过统计、理论分析和各项技术措施 达到经济运行的目的。研究无功功率，可以保证电能质量，促使电力系统安全 运行。 过去无功负荷主要在工业企业，所以只对大型工业企业在实行两部制电价 的同时，实施功率因数奖惩办法，而对其他用户都没有功率因数考核。对工业 企业的功率因数奖励办法长期以来没有修改，缺乏研究分析。工业用户对无功 武汉理工大学硕士学位论文 就地补偿缺乏积极性，致使功率因数偏低，发电、输电和配电设施不能获得充 分利用，线路损失增加。 居民生活和楼宇用电在五、六十年代仅仅是指照明用电，而且照明灯具基 本上都是白炽灯，功率因数接近l 。由于居民生活和楼宇的用电量很小，可以不 考虑功率因数奖惩。但自改革开放以来，在照明用电上推广荧光灯和节能灯， 这些灯具的自然功率因数仅0 6 左右：特别严重的是家用电器迅速普及，绝大多 数家用电器的功率因数一般在0 7 左右；只有电热水器属于电阻负荷，功率因数 比较高。节能灯虽然可以节约有功电力和电量，但节能灯消耗了大量无功电力 和无功电量，在推广节能灯时，只讲节约有功，不讲多消耗无功，不采取补偿 措施是不妥当的。由于居民生活和楼宇用电中大量使用家用器，用电量的比重 急剧增长，仅居民生活用电占总用电量的比重已经达到1 2 【3 圳，如果包括商业、 宾馆、写字楼等楼宇用电，估计用电比重可达3 0 左右。这么大的用电量的功率 因数严重偏低，对电力部门的经济发供电的影响是很大的。 我国目前农村居民的家用电器的普及率还不古【5 1 ，随着农村电气化水平的提 高，居民生活和楼宇的用电量还会有很大提高。世界上工业发达国家居民生活 用电的比重可达3 0 州0 【6 。】，加上楼宇用电可以超过5 0 ，我国也必将朝着这 个方向发展。居民生活用电的无功问题同样是供电企业的重要任务【8 】。 1 2 无功功率补偿的国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 无功功率补偿的作用 无功补偿的主要作用有以下几点： ( 1 ) 补偿无功功率，提高功率因数。 系统中大部分为感性负载，为使其正常运行，必须供应它们建立磁场所需 的能量，这就出现了电源与负载之间的能量交换，表现为电源要向负载供应无 功功率，如对感性负载并联容性设备，让它们之间就地进行一部分能量交换， 便能减少电源与负载之间的能量交换，即减少电源供应的无功功率，从而提高 了功率因到9 1 们 ( 2 ) 提高设备出力 由于有功功率p = s c o s o ，当设备的视在功率s 一定时，如果功率因数c o s o 提 高，上式中的p 也随之增大，电气设备的有功出力也就提高了。 2 武汉理工人学硕士学位论文 ( 3 ) 降低功率损耗和电能损失 在三相交流电路中，功率损耗ap 的计算公式如下： 卸= 3 丽p z r 由上式可见，当功率因数提高后，将使功率损失大大下降，因而降低了线 路和变压器的电能损失 t t - t 3 】 ( 4 ) 改善电压质量 在线路中电压损失u 的计算式如下： a ”：p r + q x t u 由上式可见，当线路中的无功功率o 减少以后，电压损失u 也就减少了【1 4 1 。 ( 5 ) 促进节能 无功功率在电网中不断循环，造成很大的浪费。一个1 0 g m 的电力系统，如 果无功功率问题处理得好，每年从这个电网的发电厂、变电所、用户中节约的 电能超过1 0 亿k w h ，并且可以减少系统q b 2 0 0 - - 3 0 0 m w 容量的输变电设备 1 5 - 1 6 】。 1 2 2 无功功率补偿技术 许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等， 它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感 应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的“功”是用电功率，只不 过它的功率并不转化为机械能、热能而已；因此在供用电系统中除了需要有功 电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。无功功率单位为乏( v a t ) 。 输电线路的无功控制通常被称为无功补偿，而用于控制输电线路无功功率 的外部装置或外部子系统被称为补偿器。正确地说，补偿器是用来缓解由参数 引起的给定输电线路的不良效应的。由于无功补偿影响输电线路的输送能力， 因此可控补偿可用来提高系统的稳定性，以及增强系统阻尼。如同其他系统元 件，无功补偿器的容量和型号选择是由它们的技术性能和经济指标来决定的 u r l 1 8 o 无源的无功补偿器包括串联电容器、并联电抗器和电容器。并联装置可以 永久性的与系统相连或通过开关与系统相连接。 ( 1 ) 并联补偿 武汉理一r 大学硕：t 学位论文 并联电容器用来提高输送能力和补偿线路上的无功电压降落。应用并联电 容器需要仔细的进行系统设计。连接并联电容器的断路器应当能承受很高的充 电涌流。由于电容器开断后仍然会保持相当长时间的充电状态，直到具有大时 间常熟的放电回路给它放电为止。此外，并联电容器的加入会形成高频谐振电 路，从而导致系统某些母线上的谐波过电压【1 9 。2 0 1 。 并联电抗器用来补偿线路电容，由于它们能够控制空载或轻载时的过电压， 通常被永久性地连接在线路上，而不是连接在母线上。并联电抗器通常是有空 气问隙的电抗器，有时是空心电抗器【2 1 。2 2 1 。 ( 2 ) 串联补偿 串联电容器被用来部分抵消线路串联电感的作用。串联补偿可以提高线路 的最大输送能力。最终的效果为：在给定的输送功率下有较小的功率角，从而 有较高的稳定裕度。线路吸收的无功功率依赖于线路电流，因此采用串联电容 器时，其无功补偿量会自动与线路电流成正比的调整。此外，由于串联补偿有 效地减小了整条线路的电抗，因此线路的总电压降随着负荷的变化将不如原先 敏感【2 3 2 4 】。 采用串联补偿还需要仔细考虑一些其他的因素，因为在长线路上应用串联 电容器，造成了在一点上放置集中阻抗，故需要仔细评估如下因素： ( 1 ) 电容器组两端的电压大小( 绝缘) ； ( 2 ) 电容器组上的故障电流； ( 3 )并联电抗器与串联电容器安装位置之间的关系( 谐振过电压) ； ( 4 ) 电容器组的个数以及它们在长距离输电线路上的安装位置【2 5 - 2 6 。 1 2 3 无功功率补偿的研究现状及发展趋势 无功功率补偿装置经过几十年的发展，形成了种类繁多的无功功率补偿装 置。根据无功功率补偿装置是否拥有运动部件来分类，可以分为静止无功功率 补偿装置和运动无功功率补偿装置。根据无功功率补偿装置输出是否能跟踪电 力系统无功功率变化来分类，分为动态无功功率补偿和静态无功功率补偿。根 据无功功率补偿装置开始使用的时间，可以分为传统无功功率补偿装置和现代 无功功率补偿装置。根据装置本身有无自带电源分类，可以分为无源无功功率 补偿装置和有源无功功率补偿装置。根据电压高低分类，可以分为高压无功功 率补偿装置和低压无功功率补偿装置【2 7 2 8 1 。运动无功功率补偿装置主要是指同 4 武汉理工人学硕士学位论文 步调相机，属于传统无功功率补偿装置，也属于有源无功功率补偿装置。静止 无功功率补偿装置主要有电力电容器、电力电抗器、静止无功功率补偿器、静 止无功功率发生器、统一潮流控制器、有源电力滤波器，其中电力电容器和电 力电抗器为传统静止无功功率补偿装置，其他静止无功功率补偿装置属于现代 静止无功功率补偿装置。电容器、电抗器与静止无功功率补偿器属于无源无功 功率补偿装置，静止无功功率发生器、统一潮流控制器、有源电力滤波器属于 有源无功功率补偿装置【2 9 - 3 0 1 。 传统静止无功功率补偿装置的最大特征是补偿容量不能随负荷无功功率容 量的变化而变化，因此又称静态静止无功功率补偿装置，简称静态无功功率补 偿装置。现代静止无功功率补偿装置的最大特征是补偿容量能随负荷无功功率 容量的变化而变化，因此又称动态静止无功功率补偿装置。每种无功功率补偿 装置均可以分为低压无功功率补偿装置和高压无功功率补偿装置【3 1 3 3 1 。下面将 介绍无功功率补偿技术的发展状况。 同步调相机是一种旋转机械，有功功率损耗较大，运行维护复杂，响应速 度慢，已逐渐退出电网运行，正在被高性能的静止无功功率补偿装置所取代0 4 1 。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着研究的加深出现了一种静止无功补偿技术。所谓静止 无功补偿器，是一种并联型静止无功功率发生器或吸收器，其输出可变，以保 持或控制电力系统中的特定参数。 s v c 的一般特征罗列如下： ( 1 ) 由于没有旋转部件，维护要求较低； ( 2 )控制响应快速； ( 3 ) 可以按相控制； ( 4 ) 损耗较小； ( 5 )可靠性高； ( 6 )不影响系统短路容量； ( 7 )除晶闸管投切电容器( t s c ) 外，s v c 会产生谐波； ( 8 )当s v c 运行在线性可控范围时，其发出的无功功率随端电压的二次 方而变化，造成低电压时无功支撑的大大削驯3 ”7 1 。 上述特征( 1 ) 一( 5 ) 构成了s v c 的突出优点，而特征( 7 ) 和( 8 ) 是s v c 的缺点，特征( 6 ) 根据应用的场合既可看作优点也可看作为缺点。 现今的静止无功补偿装置的类型有饱和电抗器( s r ：s a t u r a t e dr e a c t o r ) 、晶 5 武汉理 大学硕士学位论文 闸管控制高阻抗变压器( t c t ：t h y r i s t o r c o n t r o l t r a n s f o r m e r ) 、晶闸管投切电抗器 ( t s r ：t h y r i s t o rs w i t c hr e a c t o r ) 、晶闸管投切电容器( t s c t h y r i s t o rs w i t c h c a p a c i t o r ) 和晶闸管控制电抗器( t c r ：t h y r i s t o rc o n t r o l r e a c t o r ) 等，基本类型 是t c r 和t s c 。其他补偿器是这两种的发展，例如将晶闸管投切电容器的电容 器换成电抗器，则成为t s r ；t c r 中的电抗器换成高阻抗变压器，则成为t c t 。 需要说明的是，晶闸管投切电容器或电抗器并不能实现真正意义上的无功功率 连续动态补偿，其本质还是属于分级调节的无功功率补偿器。 由此可见，s v c 需要在一定条件下才能实现无功功率的连续动态补偿，通 常的方式有：t c r + t s c + f c ( 或m s c ) 、t c r + t s c 、t c r + f c ( 或m s c ) 。我们 往往把这种包含s v c 的无功功率补偿系统称为静止无功功率补偿系统( s t a t i c v a rs v s t 锄s v s ) 。s v s 中所采用的各种无功补偿装置的主要特征如表1 1 所 示 3 8 - 4 0 1 。 表1 1s v s 的各类无功功率补偿器的主要特征 设备名称使用特征 ( 1 ) 一次性投切； 固定电容器与t c r 配合使用 ( 2 ) 不产生谐波； ( 3 )操作有涌流和过电压； ( f c ) ( 4 ) 不可操作； ( 5 ) 使用简单 ( 1 )勿需复杂的控制系统； ( 2 )维护较简单； ( 3 ) 反应时间较短； 自饱和电抗因制造复杂且价格较 ( 4 ) 运行可靠； 器( s r )高而得不到大范围使( 5 )可分相补偿； 用 ( 6 ) 噪声大； ( 7 )三相不平衡时产生较多谐波 电流 广泛用于负载无功功 ( 1 ) 分组投切： 机械开关投率补偿和电压稳定，适 ( 2 ) 不产生谐波； 切电容器合于电压变动不频繁( 3 )操作有涌流和过电压； ( m s c )情况。可与s v c 配合 ( 4 )不可频繁操作； 使用 ( 5 )使用简单 6 武汉理- 1 = 大学硕十学位论文 可对频繁变化的负荷 ( 1 ) 分组投切； 作无功功率补偿。适合 ( 2 )快速反应，其反应时间 o ) 按指定的步长对离散化系统进行分析。若采样时间等于0 ，表示不对 数据进行离散化处理，采用连续算法分析系统。若未选中该单选框，“采样时间” 文本框显示为灰色。 “连续系统仿真“( c o n t i n u o u s ) 单选框 点击该单选框后，采用连续算法分析系统。 “显示分析信息( s h o wm e s s a g ed u r i n ga n a l y s i s ) 复选框 选中该复选框后，命令窗口中将显示系统仿真过程中的相关信息。 ( 2 ) 分析工具 “稳态电压电流关系 ( s t e a d y - s t a t ev o l t a g ea n dc u r r e n t ) 按键 打开稳态电压电流分析窗口，显示模型文件的稳态电压和电流。 “初始状态设置 ( i n i t i a ls t a t e ss e t t i n g ) 按键 打开初始状态设置窗口，显示初始状态，并允许对模型的初始电压和电流进行 更改。 “潮流计算和电机初始化 ( l o a df l o wa n dm a c h i n ei n i t i a l i z a t i o n ) 按键 打开潮流计算和电机初始化窗口。 “l t i 视窗( u s el t iv i e w e r ) 按键 打开窗1 2 1 ，使用“系统控制工具箱 ( c o n t r o ls y s t e mt o o l b o x ) 的l t i 视窗。 “阻抗依频特性测量 ( i m p e d a n c ev s f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ) 按键 1 7 武汉理工大学硕十学位论文 打开窗口，如果模型文件中含阻抗测量模块，该窗口中将显示阻抗依频特性图。 “f f t 分析( f f ta n a l y s i s ) 按键 打开f f t 分析窗口。 “报表生成 ( g e n e r a t o rr e p o r t ) 按键 打开窗口，产生稳态计算的报表。 “磁滞特性设计工具 ( h y s t e r e s i sd e s i g nt 0 0 1 ) 按键 打开窗口，对饱和变压器模块和三相变压器模块的铁芯进行磁滞特性设计。 “计算r l c 线路参数”( c o m p u t e rr l c l i n ep a r a m e t e r s ) 按键 打开窗口，通过导线型号和杆塔结构计算架空输电线的r l c 参数。 2 2 1 2 观察仿真结果 控制系统仿真后的结果，可以用s i m u l i n k 提供的许多观察工具加以查看。 s i m u l i n k 的s i n k s 输出模块组中的几个模块都可以用来观察仿真结果。 第一种方法是将仿真结果信号输入到输出模块“s c o p e 示波器、“x yg r a p h 二维x y 图形显示器与“d i s p l a y ”数字显示器中，直接查看图形或数据； 第二种方法是将仿真结果信号输入到“t ow o r k s p a c e 模块中，保存到 m a t l a b 工作空间里，再利用绘图命令p l o t 在m a t l a b 命令窗口里绘出图形； 第三种方法是使用o u t 模块将仿真输出信息返回到m a t l a b 命令窗口里， 再利用绘图命令p l o t 绘制出图形。 2 2 2 可变电抗变换器的模型 可变电抗变换器内部结构原理与变压器相似， 若不考虑可变电抗器铁心饱和效应，故选择线性变 压器作为可变电抗变换器的仿真模型。s i m p o w e r s y s t e m s 模块库的e l e m e n t s 中提供了l i n e a r i r a - n s f o r m e r 模块，能满足要求，仿真模型如图2 1 0 所示。 到匿二 图2 1 0 可变电抗变 换器的仿真模型 可变电抗变换器的参数中变压器容量、频率、电压使用标准单位，电阻和电 感采用的是标幺值。标幺值和标准单位的换算为： r ：塑 k 武汉理，f ：大学顾十学竹论立 ：螋 厶。 其中，。，k 。= ，v 。 可变电抗变换器模块的参数堤置如 图2 一l i 所示。各个参数说明为：n o m i n a l p o w e ra n df r e q u e n c y p 。( v a ) 矗( h z ) 额定容量和额定频率；w i n d i n g 1 p a r a m e t e s v l ( v r m s ) ，r i ( p u ) rl i ( p u ) 卜一 一绕组l 参数，电压有效值电阻标幺值 电抗标幺值； w m d m g 2 p a r a m e t e s v 2 ( v r m s ) ，r 2 ( p u ) ，l 2 ( p u ) 】 绕组2 参数电压有效值，电 戛笔竺= 兰；鲁。高一_ _ d 警鼍 娶矗磊篙= - _ l 罟第一一，一“ = 笔二i 警：i ”_ ? ， ；善焉：j 蒹一 至薯三三= j “= ：= ：! 图2 - 1 l 可变电抗变换器模块的参数 阻标幺值电抗标幺值：t f f e ew i n d i n g s1 伽1 s f o n 盯一变压器第三绕组选项； m a g n e t i z a t i o nr 髂i s t a n c ea n dr e a c t 柚c e 一励磁电阻和励磁电抗：m c a s u r e m e n 卜 测量选项。测量( m e a s u r e m e n t s ) 一栏，可以选择测量励磷电流、绕组的电压 和电流。 可变电抗变换器负载运行的仿真模型如图2 1 2 所示，在可变电抗变换器的 基础上，添加了单相交流电压源、万用表、r l 负载模块。仿真方法选择o d e 2 3 s ， 仿真时间设置为0 0 4 s 。可变电抗变换器运行仿真结果如图2 1 3 所示。 筐 图2 - 1 2 可变电抗变换器 负载运行的仿真模型 圉2 1 3 可变电抗变换器运行仿真 武汉理：人学硕十学位论文 2 2 3 功率变换器的仿真 2 2 2 1 晶闸管元件的符号和仿真模型 晶闸管是一种由门极信号触发导通的半导体器件。晶闸管的仿真模型由电 阻坼、电感k 、直流电压源u ，和开关s w 串联组成。开关s w 受逻辑信号控 制该逻辑信号由晶闸管的电压、电流，。乙和门极触发信号g 决定。晶闸管的 元件的符号如图2 一1 4 ，仿真模型图如图2 1 5 所示。 k i 厂a 态 a i 图2 1 4 晶闸管元件符号 a ：阳极k ：阴极g ：门极 k 图2 1 5 晶闸管元件的符号和仿真模型 晶闸管模块还包括一个足- e 串联缓冲电路，它通常与晶闸管并联。缓冲电 路的r 和c | 值可设置，当指定c s - - i n f 时，缓冲电路为纯电阻，当指定r - - 0 时， 缓冲电路为纯电容。当指定足= i n f 或者e = o 时，缓冲电路去除。晶冲模闸管 缓块如图2 1 6 所示。 d e t a i l e dt h y r i s t or 图2 1 6 晶闸管缓冲模块 2 2 2 2 晶闸管元件的静态伏安特性 2 0 武汉理t 大学硕士学位论文 晶闸管的静态伏安特性如图2 1 7 所示。 一 嚏一桃 。幺l 。强擎醑 v f u l k 图2 1 7 晶闸管的静态伏安特性 当阳极和阴极之间的电压大于u f 且门极触发脉冲为正( g 0 ) 时，晶闸管由 断态转变为开态。该触发脉冲的幅值必须大于0 且有一定的持续时间，以保证 晶闸管的阳极电流大于擎住电流。 当晶闸管的阳极电流下降到o ( l = 0 ) 或阳极和阴极之间，施加反向电压的 时间大于或等于晶闸管的关断时间时，晶闸管关断。如果阳极和阴极之间施加 反向电压的持续时间小于晶闸管的关断时间，晶闸管可能仍会导通，除非没有 门极触发信号( h pg = o ) 且阳极电流小于擎住电流。另外，在导通时，当阳极电流 小于参数对话框中的设置的擎住电流时，晶闸管将立即关断。 晶闸管的关断时间取决于载流子的恢复时间：它包括“阳极电流下降到零 的时间和“晶闸管正向阻断的时间。 2 2 2 3 晶闸管元件的仿真模型类型 ( 1 ) 晶闸管元件的仿真模型类型 晶闸管元件的仿真模型有详细( 标准) 模型和简化模型两种。为了提高仿真 速度，可以采用简化的晶闸管模型，即令详细( 标准) 模型中的擎住电流厶和恢 复时间为零。 ( 2 ) 输入与输出 在晶闸管模块图标中可以看到，它有两个输入和两个输出。第一个输入a 和输出k 对应于晶闸管阳极和阴极。第二个输入g 为加在门极上的逻辑信号( 曲。 第二个输出m 用于测量晶闸管的电流和电压输出向量 l ，虬。 。 晶闸管特性仿真模型如下图2 1 8 ： 2 l 武汉理j j 大学硕七学位论文 图2 1 8 晶闸管的特性仿真 通过示波器观测到流过晶闸管的电流电压如下图2 1 9 所示： 图2 1 9 ( a ) 晶闸管的电流 图2 - 1 9 c o ) 晶闸管的电压 武汉理+ i ：入学硕十学位论文 2 2 2 4 功率变换器的模型 在本次设计中，选择相角控制的晶闸管作为功率变换元件。 在m a t l a b 环境下，单相功率变换器的模型如下图2 2 0 所示： t h y r j s t o r ( 1 卜 幽 ，rl i i n l 一 一 o u t l 。1 j i i t h y r i s t o r l 、一 幽 一 11 i蔓 图2 2 0 单相功率变换器的仿真模型 2 2 4 可变电抗器的仿真模型 组成可变电抗器仿真模型的主要元器件有可变电抗变换器、交流电源、晶 闸管、r l c 负载、脉冲发生器等。 单相可变电抗变换器的仿真模型如图2 2 l ，模型中使用了两种测量仪器，示 波器( s c o p e ) 和多路测量器( m u l t i m e t e r ) 。示波器可以观测它连接点上的波形，多 路测量器( m u l t i m e t e r ) 可以接收一些模块发送出来的参数信号，并通过示波器观 测。模型中使用了信号分解( d e m u x ) 模块，将晶闸管的电流和电压进行分解之 后，通过示波器观测各自的波形。 武汉理。 入学硕+ 学位论文 2 3 本章小结 图2 2 1 单相可变电抗变换器的仿真模型 可变电抗器结构设有一次绕组和二次绕组，一次绕组与固定电容器和负载 并接，构成一次交流阻抗并联电路，二次绕组与电力电子功率变换器相接，构 成二次交流阻抗变换电路。本章主要是分析可变电抗的变换机理，研究了电路 拓扑结构及其等效模型，详细的介绍了可变电抗器中的组成部件，包括可变电 抗变换器、功率变换器等，并在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台上构建了仿真模型。 2 4 武汉理j ：人学硕十学位论文 第3 章静止无功补偿器的补偿机理分析 并联补偿装置在输电网和配电网中都有广泛的应用。在输电网中，其主要 功能是改善潮流可控性，提高系统稳定和传输能力；在配电网中，其主要功能 是提高负荷电能质量和减小负荷对电网的不利影响( 如不对称性、谐波等) 。并 联补偿装置按照使用的开关器件及其主电路结构的不同分为四类，分别是机械 投切阻抗型并联补偿设备、旋转电机式并联补偿设备、晶闸管投切型并联补偿 设备和基于变换器的可控型并联补偿设备。 本节讨论的静止无功补偿器属于晶闸管相位控制的补偿设备，下面将分析 其补偿机理。 3 1 静止无功补偿器构建及其拓扑结构 基于阻抗可变的静止无功补偿器结构框图，如图3 1 所示【2 4 】【2 5 1 。 静止无功补偿器主要由可变电抗器、固定电容器和智能控制器等组成。可 变电抗器结构设有一次绕组和二次绕组，二次绕组与电力电子功率变换器相接， 构成二次交流阻抗变换电路，一次绕组与固定电容器和负载并接，构成一次交 流阻抗并联电路【蚓。 中 图3 1 基于阻抗可变的静止无功补偿器结构 通过智能控制器控制电力电子功率变换器，改变可变电抗器二次绕组的电 武汉理上人学硕十学位论文 流，从而改变可变电抗器的一次绕组的电流，实现阻抗可变。当输入电压不变 时，实现可变电抗器导纳的改变，就能改变基波电流，从而导致电抗器吸收无 功功率的变化。可变电抗器配合并联电容器，能平滑调节无功功率，实现动态 无功补偿。 基于阻抗可变的静止无功补偿器拓扑结构如图3 2 所裂2 8 】【2 9 】。在图3 2 中， 对传统电抗器的结构进行了创新设计，附：j n - 次绕组，构成可变电抗变换器； 一次绕组与负载并接构成一次阻抗并联电路，二次绕组与电力电子功率变换器 并接，在控制上实现了高低压隔离，从而降低了电力电子元器件的耐压要求。 基于阻抗可变的静止无功补偿器能够实现导纳的无极调节，具有吸收和发出无 功电流的能力。 先介绍一下触发角的概念。从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发 脉冲止的电角度称为触发延迟角，也称触发角或控制角( 导通角= 触发角) 。 i 圃 娥 图3 - 2 静止无功补偿 器拓扑结构 图3 4 功率变换器完全 导通时拓扑结构 中 图3 3 功率变换器完全 关断时拓扑结构 2 6 图3 - 5 功率变换器处于导通 工作状态的拓扑结构 武汉理1 二大学硕士学位论文 晶闸管的触发角以其两端之间电压的过零点时刻作为计算的起点。在图3 2 中，晶闸管触发角的可控范围是9 0 。到1 8 0 。由图3 2 可知，当控制角口为 1 8 0 。时，晶闸管功率变换器完全关断，其拓扑结构如图3 3 所示，此时功率变 换器二次回路相当于开路电流为0 ，而可变电抗器阻抗值最大，这时可吸收的感 性无功功率最小。当控制角口为9 0 。时，晶闸管功率变换器全导通，其拓扑结 构如图3 4 所示，此时功率变换器二次回路相当于短路，而可变电抗器阻抗值最 小，这时可吸收的感性无功功率最大。当控制角口为9 0 0 1 8 0 。时，晶闸管功率 变换器处于部分区间导通状态，其拓扑结构如图3 5 所示，这时可变电抗器阻抗 值在最大值和最小值之间变化，而吸收的感性无功功率在最小和最大之间变化。 3 2 无功补偿机理分析 3 2 1 系统阻抗分析 通过对基于阻抗可变的静止无功补偿器拓扑结构分析，可以归纳如下。由图 3 3 可得： z = 乙一z c ( 3 1 ) ( 3 一1 ) 式中，z 为总阻抗，乙一为晶闸管功率变换器关断时的可变电抗器阻抗，z c 为固定电容器容抗。 由图3 4 可得： + z = z l m z c( 3 - 2 ) ( 3 - 2 ) 式中，乙赫为晶闸管功率变换器完全导通时的可变电抗器阻抗。 由图3 5 可得： z = 乙z c( 3 - 3 ) ( 3 3 ) 式中，乙为可变电抗器阻抗，其值在互与乙曲之间。 当控制角口接近1 8 0 。时，可变电抗器二次回路中的基波电流接近于0 ，此 时吸收的感性无功功率最小：当控制角口接近9 0 。时，吸收的感性无功功率接 近于最大。增大控制角的效果就是减少电流中