基于Matlab的电力系统无功补偿装置的研究与仿真

精品文档 1欢迎下载 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 精品文档 2欢迎下载 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 精品文档 3欢迎下载 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 SC S Q UU 1 0 2 1 或者写成 2 2 SC S Q U U 0 精品文档 4欢迎下载 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 rL QQQ 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 L Q L Q 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 即图中的 A QQ 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 ref U 直线 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 s refS r X UU Q 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 ref rs s U QX U 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 精品文档 5欢迎下载 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 精品文档 6欢迎下载 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 精品文档 7欢迎下载 1 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 4 5Pu 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 fu i 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 精品文档 8欢迎下载 SR 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 90 180 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 max ll BB ll XB 1 max 精品文档 9欢迎下载 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 触发延迟角 a 的有效移相范围为 90 180 其位移因数始终为 1 也就是说 基波电流都是无功电流 a 90 时 晶闸管完全导通 导通角 2 流过传输线或补偿器本身的无功功率 3 传输线输送的有功功率或其变化率 4 电压相角偏差 5 系统频率及其导数 控制当中需要的信号的是反映以上这些量有效值或幅度大小的直流信号 因此 往往需要对传感器所得的信号作进一步的处理 例如 对系统电压 实际需要的是 能反映系统电压有效值大小的直流信号 所以 对从电压传感器检测出来的三相电 压信号 常采用的进一步处理方法有 整流 取平均值 取方均根值 取正序分量 滤波等 图 2 7 示出了用于 60Hz 系统电压检测的典型电路原理框图 其中的 90Hz 带阻滤波器是为了滤除可能产生系统谐振的谐波 而 60 120 360Hz 带阻滤波器则 是用来滤去整流的特征谐波以及可能由于的三相不平衡引起的谐波 精品文档 12欢迎下载 图 2 7 用于 60Hz 系统电压检测的典型电路原理框图 开环控制的策略相对比较简单 多用于负载补偿 例如检测负载无功功率来控 制 TCR 产生相等的无功功率 从而使电源供给的无功功率为零 以达到功率因数校 正或改善电压调整的目的 图 2 8 给出了采用电流反馈形式的一个 TCR 的控制系统 原理框图的例子 上面的介绍都是以电压调整功能为例 实际上将这些控制方法稍加修改或补充 就可以使静止补偿器的功能扩展到无功功率动态补偿所能实现的其他一些功能范围 在有些场合 某种特殊功能可能取代电压控制功成为主要功能 或者要求采用持续 的检测和控制方法 因而控制系统可能并不包含电压闭环 例如 以功率因数校正 为主要目标的负载无功功率补偿 可以采用如前面所述的开环控制 也可以与闭环 控制相结合 加一个响应速度较慢的总无功功率或功率因数反馈控制闭环即可 而若 要补偿三相电流的不平衡 则需分别检测出两相电流中的非正序成分 采用三相分 相单独触发的控制方法来产生不平衡的三相补偿电流 精品文档 13欢迎下载 图 2 8 TCR 控制系统原理框图 此外 控制系统中还可以包括各种保护功能 如限制补偿器的运行范围 过电 流保护 谐波电流限制等 以及各种特殊调制功能 如手动控制与自动控制的切换 自动增益调整 频率补偿等 还应包括对与 TCR 配合使用的 MSC 或 TSC 的相应控制 功能 1 2 2 1 TCR 型 SVC 的优缺点 优点主要有 可以进行连续感性和容性无功调节 单独的 TCR 由于只能吸收感性无功功率 与并联电容器配合使用 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 因此可以将补偿器的总 体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围内 能进行分相调节 降压变压器二次绕组连接成 开口星型 中点分开 这是要使每相负载与另外 两相独立 从而正序和负序的幅值可以单独控制 分相调节 可以平衡不平衡负载 吸收谐波能力好 并联电抗器串上小调谐电抗器还可兼作滤波器 能很好地吸收 TCR 产生的谐波 电流 噪声较小 损耗相对较小 抑制灵活性好 精品文档 14欢迎下载 TCR 型 SVC 有多种可选择补偿方案 一种方案就是将电容器组的总容量固接在 电网上 而将 TCR 的总容量平均分为 n 组小单元 根据系统无功功率的平衡要求来 决定启用小补偿单元的组数及其控制角 这样 TCR 型 SVC 就可以通过控制投入的组数进行粗调节 通过控制控制角进行 细调节 实现平稳的无级补偿 因此整个控制过程十分灵活 而且效果也相当好 动态响应时间较快 约 10ms 是能够胜任多类负荷的动态无功补偿 缺点主要有 自身有谐波含量产生 TCR 型 SVC 产生的谐波主要是奇次谐波 3K 次谐波同相位 仅能在补偿装置的 二角形接法绕组中流通 不能流入系统 流入系统中的谐波成分只是 6k 士 1 次 产生的谐波电流会使系统电压产生畸变 从而对系统及设备产生一系列的危 害 因此利用 TCR 和改善功率因数用的电容器兼作滤波器 但这种滤波器体积大 占地多 价格贵 不可直接接十超高压 运行维护复杂 由于组成部分较多而且较为复杂 TCR 本身的反并联晶闸管 多组 FC 这些虽 然使得控制灵活 但也让运行维护更复杂 1 2 2 2 应用场合 由于 TCR 型 SVC 具有反应时间快 无级补偿 运行可靠 能分相调节 能平衡 有功 适用范围广 价格较便宜等优点 实际应用最广 在控制电弧炉负荷产生的 闪烁时 几乎都采用这种型式 目前国内几乎所有的轧钢机 提升机 电力机车 电弧炉的补偿设备都采用此类型的 SVC 最广泛用于高压大容量无功补偿 与固定电容器或滤波器联用 可用作电压支 撑 无功潮流控制 增加系统稳定性 以及减小电压波动 可分相调节 有对称化 功能 目前 TCR 与电容器联用 是动态无功补偿的第一选择 由于它产生谐波 滤 波器与它联用是理想的方案 目前是连续调节的理想方法 1 2 3 晶闸管投切电容器 TSC 为了解决电容器组频繁投切的问题 TSC 装置应运而生 其单相原理图如图 2 9 精品文档 15欢迎下载 所示 两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开 串联的小电抗 器用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流 选取投入时刻总的原则是 TSC 投入电容的时刻 也就是晶闸管开通的时刻 必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻 因为根据电容器的特性 当加 在电容上的电压有阶跃变化时 若电容器投入的时刻电源电压与电容器充电电压不相 等就会发生这样的情况 将产生冲击电流 则很可能破坏晶闸管或给电源带来高频 振荡等不利影响 一般来讲 希望电容器预先充电电压为电源电压峰值 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 2 7 图 2 9 TSC 补偿器原理图 如果在导通前电容器充电电压也等于电源电压峰值 则在电源峰值点投入电容 时 由于在这一点电源电压的变化率 时间导数 为零 因此 电流小即为零 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 i 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 这就是所 谓的理想投入时刻 图 2 10 以简单的电路原理图和投切时的波形对此作了说明 精品文档 16欢迎下载 图 2 10 TSC 理想投切时刻原理说明 如图 2 10 所示 设电源电压为 在本次导通开始之前 电容器的端电压 Uc s e 已通过上次导通时段最后导通的晶闸管 V1 充电至电源 es 的峰值 且极性为正 本 次导通开始时刻取为 es 和 Uc 相等的时刻 t1 给 V2 以触发脉冲而使之开通 电容 电流 ic 开始流通 以后每半个周波发出触发脉冲轮流给 V1 和 V2 直到需要切除这 条电容支路时 如在 t2 时刻 停止发脉冲 ic 为零 则 V2 关断 因未获触发而 I V 不导通 电容器电压保持为 V2 导通结束时的电源电压为负峰值 为下次投人电容 器做了准备 TSC 控制系统的思路跟 TCR 控制系统的思路是类似的 只不过其中的控制电路 部分是以决定哪组电容投入或切除的逻辑功能为中心作为例子 图 2 11 给出了一个 TSC 用于对波动负载进行无功补偿时的控制系统示意图 应当注意的是 在 TSC 控制系统中引入一定的滞环非线性环节是必要的 这可 以避免在切换点处电容器组在短时间内来回地投入与切除 例如 当补偿器以稳定 电压为目标时 在控制系统中引入滞环非线性环节可使电容器在系统电压低于某一 较低阀值时接人系统 而在系统电压高于某一较高阀值时切除 但不是在相等的阀 值下投入和切除 以防止在切换电压附近震荡不定 图 2 11 TSC 用于负载补偿时控制系统的示意图 同样可以通过判断系统负载特性与补偿器电压一电流特性交点的方法来分析 TSC 的动态调节过程 图 2 12 所示的是以改善电压调整为目标的 TSC 受扰动后的动态调节过程 在系 精品文档 17欢迎下载 统受到扰动前 其负载线为 L1 TSC 有一组电容投入运行 其伏安特性为 OA 因 此系统稳定工作在 L1 与 OA 的交点 a 若系统受到干扰 负载线突然由 L1 降低至 L2 则工作点会突然降至 L2 与 OA 的交点 b 系统电压因此降到 b 点电压 这个电 压下降被 TSC 控制系统检测到后 由其逻辑电路决定投入第二组电容 补偿器电压 一电流特性因此变为 OB 系统工作点移至 OB 与 L2 的交点 从而将电压恢复到能 接受的范围内 图 2 12 TSC 对扰动的动态调节过程 1 2 3 1 TSC 型 SVC 主要优点有 快速响应性 可频繁动作性 以及分相调节 有效地抑制电压波动问题 自身不产生谐波分量 由于电容器组是由晶闸管阀在其电压过零时投切的 电容器只是在两个极端电 流值 零电流和额定正弦电流 之间切换 所以不会产生谐波 噪声小 损耗很小 抑制灵活性好 用十调压 调无功 减低电压波动 快速深度无功补偿 这使得 TSC 可有效地用于防止电压崩溃一一在系统故障和负荷电流急剧增加时 使用 TSC 装置快速补偿无功功率 对系统电压起支撑作用 可显著地抑制电压崩溃 趋势 主要缺点有 动态响应时间较长 无功输出只能是级差的容性无功 每次只能投切一组电容器 实现级差无功补偿 精品文档 18欢迎下载 限制过电压的能力 无谐波吸收能力 由于本身没有设置滤波器组 所有没有谐波吸收能力 不可直接接于超高压 运行维护较复杂 由于采用多组反并联晶闸管串联的形式 使得晶闸管的散热 导通的同时性 损坏的检测 以及维护等都带来了一定的难度 1 2 3 2 应用场合 因其具有快速响应性 可频繁动作性 以及分相补偿能力 可应用于对大型冲 击性 快速周期波动变化 不平衡 非线性负荷 如电气化铁路 电弧炉 轧钢机 矿井卷扬机 风力发电站 大功率变频调速装置等 的动态无功补偿领域 可有效地 抑制这些负荷所引起的电压波动问题 故是低压动态补偿的首选方式 对高压大容 量需要大范围调节无功或电压的情况 也是好的选择 与 TCR 联用往往可以解决更 多问题 精品文档 19欢迎下载 第二章 MATLAB Simulink 简介 随着电力工业的发展 电力系统规模越来越大 特别是随着互联电网的出现 系统的节点数由原来的几十个上升到几百个甚至上千个 对于如此大的电力网络想 用原来的手算方法进行电力系统的分析和计算已是不可能 我们必须借助于先进的 计算机技术和强大的系统仿真软件进行电力系统的分析和计算 从而加深我们对电 力系统的理解 进一步指导我们在电力系统的工作 现在 可使用的系统仿真工具有 EMTP PSASP 和 MATLAB 等 在 PSASP 中 用户 需要通过类似填写数据的方式自行设计和定义各种元件和控制装置 由于缺乏很好 的图形输入界面 用户在使用中容易觉得枯燥乏味 从而失去了学习的兴趣 并且 PSASP 通过用户自定义方法不适宜搭建算法非常复杂的模型 例如进行模糊控制的 仿真就比较困难 在 EMTP 中虽然提供了强大的电磁暂态计算功能 但由于其中的模 块以及算法缺乏很好的开放性 因此很难在此基础上进行二次开发 而在 MATLAB 中 电力系统模型可以在 Simulink 环境下直接搭建 也可以据所研究对象物理模型建立 其数学模型 并进行封装和自定义为用户自己的模块库 充分显现了其仿真平台的 优越性 同时更重要的是 MATLAB 提供了丰富的工具箱资源 以及大量的实用模块 在 Simulink 环境下 不仅可以进行电力系统的仿真计算 还可以实现复杂的控制方 法仿真 使得我们更加深入地研究电力系统的行为特性 2 1 MATLAB 简介 2 1 1 MATLAB 概况 MATLAB 是由美国 Math Works 公司 20 世纪 80 年代中期推出的数学软件 MATLAB 是 Matric Laboratory 的缩写 意为 矩阵实验室 优秀的数值计算能力和 卓越的数据可视化能力使其很快在数学软件中脱颖而出 MATLAB 已经发展成为多学 科 多种工作平台的功能强大的大型软件 在欧美的高校和研究机构中 MATLAB 是 一种非常流行的计算机语言 许多重要的学术刊物上发表的论文均是用 MATLAB 来分 析计算以及绘制出各种图形 MATLAB 是一个完整的并可扩展的计算机环境 是一种 进行科学和工程计算的交互式程序语言 它的基本数据单元是不需要指定维数的矩 精品文档 20欢迎下载 阵 它可直接用于表达数学的算式和技术概念 而普通的高级语言只能对一个个具 体的数据单元进行操作 因此 解决同样的数值计算问题 使用 MATLAB 要比使用 Basic Fortran 和 C 语言等提高效率许多倍 许多人赞誉它为万能的数学 演算纸 MATLAB 采用开放式的环境 你可以读到它的算法 并能改变当前的函数或增添你自 己编写的函数 最初的 MATLAB 是用 FORTRAN 编写的 在 DOS 环境下运行 新版的 MATLAB 是 C 语言编写的高度集成系统 它在几乎所有流行的计算机机种 诸如 PC MACINTOSH SUN VAX 上都有相应的 MATLAB 版本 新版的 MATLAB 增强了图形 处理功能 并在 WINDOWS 环境下运行 现今 MATLAB 的发展已大大超出了 矩阵实 验室 的范围 在许多国际一流专家学者的支持下 Maths Works 公司为 MATLAB 配 备了涉及到自动控制 信息处理 计算机仿真等种类繁多的工具箱 Tool Box 这 些工具箱有数理统计 信号处理 系统辨识 最优化 稳健等等 近年来一些新兴 的学科方向 Maths Works 公司也很快地开发了相应的工具箱 例如 神经网络 模糊逻辑等 MATLAB 已经成为线性代数 自动控制理论 概率论及数理统计 数字 信号处理 时间序列分析 动态系统仿真等高级课程的基本教学工具 是攻读学位 的大学生 硕士生 博士生必须掌握的基本技能 目前 MATLAB 在国内高校越来越 受到重视 应用也越来越广泛 2 1 2 MATLAB 主要特点 一种语言之所以能如此迅速地普及 显示出如此旺盛的生命力 是由于它有着 不同于其他语言的特点 正如同 FORTRAN 和 C 等高级语言使人们摆脱了需要直接对 计算机硬件资源进行操作一样 被称作为第四代计算机语言的 MATLAB 利用其丰富 的函数资源 使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来 MATLAB 最突出的特点就是 简洁 MATLAB 用更直观的 符合人们思维习惯的代码 代替了 C 和 FORTRAN 语言的 冗长代码 MATLAB 给用户带来的是最直观 最简洁的程序开发环境 以下简单介绍 一下 MATLAB 的主要特点 1 语言简洁紧凑 使用方便灵活 库函数极其丰富 MATLAB 程序书写形式自 由 利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务 压缩了一切不必要的编程工 作 由于库函数都由本领域的专家编写 用户不必担心函数的可靠性 可以说 用 MATLAB 进行科技开发是站在专家的肩膀上 精品文档 21欢迎下载 2 运算符丰富 由于 MATLAB 是用 C 语言编写的 MATLAB 提供了和 C 语言几乎 一样多的运算符 灵活使用 MATLAB 的运算符将使程序变得极为简短 3 MATLAB 既具有结构化的控制语句 如 for 循环 while 循环 break 语句和 if 语句 又有面向对象编程的特性 4 程序限制不严格 程序设计自由度大 例如 在 MATLAB 里 用户无需对矩 阵预定义就可使用 5 程序的可移植性很好 基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系 统上运行 6 MATLAB 的图形功能强大 在 FORTRAN 和 C 语言里 绘图都很不容易 但在 MATLAB 里 数据的可视化非常简单 MATLAB 还具有较强的编辑图形界面的能力 7 MATLAB 的缺点是 它和其他高级程序相比 程序的执行速度较慢 由于 MATLAB 的程序不用编译等预处理 也不生成可执行文件 程序为解释执行 所以速 度较慢 8 功能强大的工具箱是 MATLAB 的另一特色 MATLAB 包含两个部分 核心部分 和各种可选的工具箱 核心部分中有数百个核心内部函数 其工具箱又分为两类 功能性工具箱和学科性工具箱 功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能 图示 建模仿真功能 文字处理功能以及与硬件实时交互功能 功能性工具箱用于多种学 科 而学科性工具箱是专业性比较强的 如 control toolbox signl proceessing toolbox commumnication toolbox 等 这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的 专家编写的 所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序 而直接进行高 精 尖的研究 9 源程序的开放性 开放性也许是 MATLAB 最受人们欢迎的特点 除内部函数 以外 所有 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件 用户可通过对 源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱 2 1 3 MATLAB 系统主要包含的内容 当前流行的 MATLAB 包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包 Toolbox 工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包 功能工具包用来扩充 MATLAB 的符号 计算 可视化建模仿真 文字处理及实时控制等功能 学科工具包是专业性比较强的 工具包 控制工具包 信号处理工具包 通信工具包等都属于此类 开放性使 MATLAB 精品文档 22欢迎下载 广受用户欢迎 除内部函数外 所有 MATLAB 主包文件和各种工具包都是可读可修改 的文件 用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包 2 2 仿真工具 Simulink 2 2 1 Simulink 简介 Simulink 是 MATLAB 软件的扩展 它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包 它与 MATLAB 语言的主要区别在于 其与用户交互接口是基于 Windows 的模型化图形 输入 其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建 而非语言的编 程上 Simulink 是一个用来对动态系统进行建模 仿真和分析的软件包 它支持连续 离散及两者混合的线性和非线性系统 也支持具有多种采样频率的系统 在 Simulink 环境中 利用鼠标就可以在模型窗口中直观地 画 出系统模型 然后直接 进行仿真 它为用户提供了方框图进行建模的图形接口 采用这种结构画模型就像 你用手和纸来画一样容易 它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比 具有更直观 方便 灵活的优点 用 Simulink 创建的模型可以具有递阶结构 因此用户可以采用从上到下或从下 到上的结构创建模型 用户可以从最高级开始观看模型 然后用鼠标双击其中的子 系统模块 来查看其下一级的内容 以此类推 从而可以看到整个模型的细节 帮 助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系 在定义完一个模型后 用户可以 通过 Simulink 的菜单或 MATLAB 的命令窗口键入命令来对它进行仿真 菜单方式对 于交互工作非常方便 而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用 采用 Scope 模 块和其他的画图模块 在仿真进行的同时 就可观看到仿真结果 除此之外 用户 还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况 仿真的结果还可以存放到 MATLAB 的工作空间里做事后处理 2 2 2 Simulink 的模块和功能 Simulink 模块库按功能进行分为以下 8 类子库 Continuous 连续模块 Discrete 离散模块 精品文档 23欢迎下载 Function Tables 函数和平台模块 Math 数学模块 Nonlinear 非线性模块 Signals Systems 信号和系统模块 Sinks 接收器模块 Sources 输入源模块 其中每个模块包含的功能元件为 连续模块 Continuous Integrator 输入信号积分 Derivative 输入信号微分 State Space 线性状态空间系统模型 Transfer Fcn 线性传递函数模型 Zero Pole 以零极点表示的传递函数模型 Memory 存储上一时刻的状态值 Transport Delay 输入信号延时一个固定时间再输出 Variable Transport Delay 输入信号延时一个可变时间再输出 离散模块 Discrete Discrete time Integrator 离散时间积分器 Discrete Filter IIR 与 FIR 滤波器 Discrete State Space 离散状态空间系统模型 Discrete Transfer Fcn 离散传递函数模型 Discrete Zero Pole 以零极点表示的离散传递函数模型 First Order Hold 一阶采样和保持器 Zero Order Hold 零阶采样和保持器 Unit Delay 一个采样周期的延时 函数和平台模块 Function Tables Fcn 用自定义的函数 表达式 进行运算 MATLAB Fcn 利用 matlab 的现有函数进行运算 S Function 调用自编的 S 函数的程序进行运算 精品文档 24欢迎下载 Look Up Table 建立输入信号的查询表 线性峰值匹配 Look Up Table 2 D 建立两个输入信号的查询表 线性峰值匹配 数学模块 Math Sum 加减运算 Product 乘运算 Dot Product 点乘运算 Gain 比例运算 Math Function 包括指数函数 对数函数 求平方 开根号等常用数学函数 Trigonometric Function 三角函数 包括正弦 余弦 正切等 MinMax 最值运算 Abs 取绝对值 Sign 符号函数 Logical Operator 逻辑运算 Relational Operator 关系运算 Complex to Magnitude Angle 由复数输入转为幅值和相角输出 Magnitude Angle to Complex 由幅值和相角输入合成复数输出 Complex to Real Imag 由复数输入转为实部和虚部输出 Real Imag to Complex 由实部和虚部输入合成复数输出 非线性模块 Nonlinear Saturation 饱和输出 让输出超过某一值时能够饱和 Relay 滞环比较器 限制输出值在某一范围内变化 Switch 开关选择 当第二个输入端大于临界值时 输出由第一个输入端而来 否则输出由第三个输入端而来 Manual Switch 手动选择开关 信号和系统模块 Signal Systems In1 输入端 Out1 输出端 Mux 将多个单一输入转化为一个复合输出 精品文档 25欢迎下载 Demux 将一个复合输入转化为多个单一输出 Ground 连接到没有连接到的输入端 Terminator 连接到没有连接到的输出端 SubSystem 建立新的封装 Mask 功能模块 接收器模块 Sinks Scope 示波器 XY Graph 显示二维图形 To Workspace 将输出写入 MATLAB 的工作空间 To File mat 将输出写入数据文件 输入源模块 Sources Constant 常数信号 Clock 时钟信号 From Workspace 来自 MATLAB 的工作空间 From File mat 来自数据文件 Pulse Generator 脉冲发生器 Repeating Sequence 重复信号 Signal Generator 信号发生器 可以产生正弦 方波 锯齿波及随意波 Sine Wave 正弦波信号 Step 阶跃波信号 2 3 电力系统工具箱 SimPowerSystems 2 3 1 SimPowerSystems 简介 MATLAB 提供的电力系统工具箱 Power System Blockset 以下简称 PSB 主要是 由加拿大的 Hydro Quebec 和 TECSIM International 公司共同开发的 其功能非常 强大 可以用于电路 电力电子系统 电机系统 电力传输等过程的仿真 它提供 了一种类似电路建模的方式进行模型绘制 在仿真前将其自动变化成状态方程描述 的系统形式 然后在 Simulink 下进行仿真分析 MATLAB 建模还可以直接调用 PSB 中的电气模块 PSB 含有丰富的元件模型 几 精品文档 26欢迎下载 乎提供了组成电力系统的所有元件 包括电力网络元件 机电设备 电力电子器件 控制和测量环节以及三相元件库等 信号显示 模块连接等模块一般可以在 Simulink 工具箱中找到 同时 PSB 提供了图形用户界面 Power GUI 它可以使电 路稳态分析得到简化 并且 MATLAB 中的 power2sys 函数可以将电路仿真结果转换为 A B C D 四个矩阵表示的状态变量形式 实现对仿真结果的计算和分析 这种方法使得复杂的建模问题变得极为简便 用户只需在模型库里找到相应的 电气元件 通过图形界面输入元件参数 即可完成相应元件的建模 再通过拖 拉 等方式把元件组合起来 即可完成系统建模 再设置一定仿真参数 即可进行系统 仿真分析 2 3 2 模型库 根据电力系统内电气设备特性 可将 PSB 库内的模型分成电源 元件 电力电 子器件 电机 连接器和测量等部分 元件包括单相 RLC 支路和负载模块 变压器 互感器 型传输线 避雷器 断路器 n 相分布参数线路模型等 利用 SIMULINK 二次开发功能 可方便地编辑出更复杂的元件模型和集成参数对话框 电力电子包 括通用的半导体元件 每个元件 除二极管外 都有 Simulink 门极控制输入端和 Simulink 输出端 可显示开关的电压和电流值 电机库包括简化的和详细的同步电 机 异步电机 励磁机 永磁同步电机和涡轮机等 每个模块有一个 Simulink 输出 来显示内部变量状态值 2 4 电力系统图形化用户接口 Powergui 电力系统图形化用户接口 Powergui 利用 Simulink 功能连接不同的电气元件 是分析电力系统模型有效的图形化用户接口工具 可以拷贝此模块到系统模型窗口 中 然后双击模块打开功能菜单 1 Powergui 模块可以显示系统稳定状态的电流和电压及电路所有的状态变量 值 2 为了执行仿真 Powergui 模块允许修改初始状态 3 Powergui 可以执行负载潮流的计算 并且为了从稳态时开始仿真可以初始 化包括三相电机在内的三相网络 三相电机的类型为简化的同步电机 同步电机或 异步电机模块 精品文档 27欢迎下载 4 当电路中出现阻抗测量模块时 Powergui 也可以显示阻抗随频率变化的波 形 5 如果用户拥有控制工具箱 Powergui 模块可以产生用户自己系统的空间模 块 自动打开 LTI 相对于时域和频域的观测器接口 6 Powergui 可以产生扩展名为 rep 的结果报告文件 这个文件包含测量模 块 电源 非线性模块等系统的稳定状态值 精品文档 28欢迎下载 第三章 无功补偿装置的 MATLAB 的建模与仿真 图4 1 无功补偿装置Simulink仿真模型 2 1 模型建立 图4 1为无功补偿装置simulink的仿真模型 现试分析图4 1的建模过程 1 在Simulink窗口下的File菜单中选择New命令创建一个untitled空白文件 窗口 2 双击 Simulink 的 SimPowerSystems 模块库 打开 Electronics Sources 模块库 将三相可编程电压源 Three Phase Programmable Voltage Source 模块从该 模块库窗口拷贝到 untitled 窗口 并将其命名为 Programmable Voltage Source 其属性参数设置对话框如图 4 2 所示 3 双击 Simulink 的 SimPowerSystems 模块库