SVC系统仿真-20110508.doc

静止无功补偿装置仿真1 基本原理SVC（Static Var Compensator 静止无功功率补偿器）是指其输出随电力系统特定的控制参数而变化的并联连接的静止无功功率发生装置或无功功率吸收装置。与同步调相机相比较，SVC是完全静止的设备，但它的补偿过程是动态的，可以根据系统无功功率的需求或电压的变化自动跟踪补偿。其重要特征就是主要依靠晶闸管等电力电子器件完成调节或投切功能，而且动作速度远比机械设备的动作速度快。SVC的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，并通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。因此SVC的显著特点是能快速、平滑调节容性或感性无功功率，实现动态补偿。通常，我们在一定条件下把多种静止无功补偿器组合使用，以实现连续动态的无功功率补偿，一般有：TCR+TSC、TCR+FC（MSC）、TCR+TSC+FC（MSC）。我们往往把这种把含SVC的无功功率补偿系统成为静止无功功率补偿系统（Static Var System SVS）。1.1 TCR原理TCR（晶闸管控制电抗器）的单相基本结构就是两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联，而三相多采用三角形联结。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。让两个并联晶闸管分别按照单相半波交流开关运行，改变晶闸管的控制角，流经电抗器的电流波形将发生变化而使电流波形中的基波分量发生变化，这相当于改变了电抗器的感抗，使TCR等效于一个连续可变的电感器。TCR的单相及三相基本原理如图1所示。图1 TCR的电路结构简图（单相、三相）1.2 TSC原理单相TSC的基本结构如图2所示，它由电容器C、双向导通晶闸管(或反并联晶闸管)SW和阻抗值很小的限流电抗器L组成。限流电抗器的主要作用是限制晶闸管阀操作引起的浪涌电流。图2 单相TSC的结构示意图TSC只有两个工作状态，即投入和切除状态。投入状态下，双向晶闸管(或反并联晶闸管)导通，电容器并入线路中，TSC向系统发出容性无功功率；切除状态下，双向晶闸管(或反并联晶闸管)阻断，TSC支路不起作用，不输出无功功率。1.3 TCR+TSC型SVC实际系统中，常用一个TCR与多个TSC主城一个静止无功功率补偿系统。在这种补偿系统中，为了使3次谐波不能流入电网，TCR与TSC均采用三角形连接，若同时又设有5次谐波滤波器，则将大大减少谐波。基于TCR+TSC的SVC单相电路如图3所示。图3 TSC+TCR型静止无功功率补偿系统的单相电路图3所示TCR+TSC单相电路中，n个晶闸管投切电容器并联后的总导纳为 (1.3-1)由此可得TCR+TSC的总导纳： (1.3-2)式中，n可有静止无功功率补偿系统所需要调节范围与各参数联合设计选择，本DEMO中仿真所用的SVC模型选取n=3。由式（1.3-2）可以看出，这种SVC的总导纳具有更大的调节范围，并且由于是连续可调的，从而使也连续可调。2 基于TCR+TSC的SVC系统仿真晶闸管控制电抗器与并联电容器的配合使用由来已久，根据投切电容器的原件不同，可以分为晶闸管控制电抗器与固定电容器配合使用的静止无功功率补偿系统（TCR+FC）和晶闸管控制电抗器与断路器投切电容器配合使用的静止无功功率补偿系统（TCR+MSC）。这种具有晶闸管控制电抗器型的静止无功功率补偿系统反应速度快，灵活性大，在输电系统和工业企业中应用最广泛。随着电力电子技术及计算机控制技术的发展，晶闸管投切电容器以其优越的动态性能、精确控制、灵活的补偿方式等优点，获得人们的青睐，本节就基于TCR+TSC的SVC进行仿真、分析。2.1 TCR+TSC型SVC系统描述基于图3所示的原理图，搭建TCR+TSC型SVC的MATLAB模型如下图所示。 图4 SVC的MATLAB模型系统由短路功率为6000MVA的RL电压源和200MW的负荷串联组成，负荷侧并联了一个300Mvar的SVC设备。其中系统电源部分采用一个可编程的电源，其参数为：在时间0 0.1 0.4 0.7时刻分别输出电压幅值为1.0 1.025 0.93 1.0(标幺值)，向系统提供一个随时间波动的电压。左下角为信号观测器，用来观测实验结果，主要观测的数据为：相电压电流、SVC向系统发出或吸收的无功、一次侧电压测量幅值和参考电压值、TCR触发角变化、TSC投入数目。SVC的结构包含一个735kV/16kV、333MVA的耦合变压器，一个109Mvar的TCR，三个94Mvar的TSC。通过导通或阻断TSC可以向变压器二次绕组输送四种容性无功功率，分别是0、94、188、282Mvar；通过控制TCR可以得到从0109Mvar连续变化的感性无功功率。因为变压器的漏抗为0.15p.u.，变压器的漏抗为当SVC吸收109Mvar感性无功功率时，对应的感抗为 当SVC发送282Mvar容性无功功率时，对应的容抗为 所以从变压器一次侧绕组看如的最大感抗、最小感抗分别为 以100Mvar、16kV为基准值，可以得到等效电纳为p.u. p.u.因此，从变压器一次侧绕组看入的等效电纳可以连续的从-1.04p.u./100Mvar到+3.23p.u./100Mvar变化。2.2 TCR模型TCR模型如图5所示。图5 TCR模型在上述TCR模型中左边的为六个脉冲控制信号，右边为对应的六个开关。2.3 TSC模型TSC模型如图6所示。图6 TSC的模型与TCR模型类似， TSC模型中左边的为六个脉冲控制信号，右边为对应的六个开关。2.4 SVC的控制模型SVC控制器内部具体结构模型如图7所示。图7 SVC的控制模型 SVC模型的控制系统主要分为四个子模块，分别是测量模块、电压调节单元、分配单元、触发模块。分配单元中，利用电压调节子系统计算得到的一次绕组侧的电纳值确定TCR的触发延迟角和3个TSC的导通和关断状态。触发延迟角和TCR的电纳之间具有如下关系：其中，是在TCR额定功率（109Mvar）下的标幺值。2.5 仿真结果及分析图8 仿真结果(1)当t=0时，即初始状态，TCR的基本上完全投入，有一个TSC投入运行（TSC1），整个SVC向系统注入或吸收的无功功率为0。(2)当t=0.1时，电压增长到1.025，SVC开始工作，通过吸收系统无功功率95Mvar，将电压调回到1.01，在该时刻，TCR也基本完全投入()而TSC全部退出运行（TSC的投入数目为0）。(3)当t=0.4时刻，电压下降到0.93，SVC通过发出256Mvar的无功功率将电压调到0.974，在该时刻，3个TSC依次投入，每次TSC投入过程中，TCR的触发角从变化到，TCR工作在它的40%的标准容量()。(4)当t=0.7时刻，电压回到1.0（标幺值），SVC向系统发出的无功逐渐变为0，TSC和TCR回到初始的运行状态。3 TCR+TSC型SVC优缺点分析目前，国内外应用较多的是TCR+TSC型SVS，它们具有动态响应速度快、可连续调节、平滑跟踪负荷变化等优点，克服了以往TCR+FC、TCR+MSC的诸多缺点，但也存在着一些不尽人意的地方，主要有：（1） 晶闸管阀串联在电抗器的主回路中，承受10-25kV及以上运行电压。目前的单个晶闸管电压等级达不到要求，为了提高承压能力，一般使用级联技术，将很多晶闸管串联使用，形成晶闸管堆。但事故率高，晶