静止无功补偿器到仿真研究毕业论文

1、 本科生毕业设计设计题目： 静止无功补偿器（svc）仿真研究 中国矿业大学毕业设计任务书学院 应用学院 专业年级 电气051 学生姓名 张贵稀 任务下达日期： 2009年3月 9 日毕业设计日期： 2009年3月 9日 至 2009年 6月 5日毕业设计题目：静止无功补偿器（svc）仿真研究毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：低功率因数是供电系统普遍存在的问题，已成为供电领域迫切需要解决的重要课题之一。无功补偿是维持电网电压稳定，维护电力系统安全运行的重要手段。无功补偿技术是当前研究的热点之一。无功补偿技术主要包括大功率电子器件、无功电流检测方法、无功的补偿控制技术等主要内容。基于本国国

2、情，在我国较长一段时间内，静止无功补偿器(svc)仍然占据重要地位，因此，本文选择以静止无功补偿器(svc)为无功补偿研究对象。本课题要求：1 熟悉svc主电路的结构特点；2 分析svc的工作原理，建立合适的模型；3 熟悉svc的常规控制策略； 4 利用pscad建立svc的仿真模型并利用仿真模型分析svc对负荷进行无功补偿的过程。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字

3、： 年 月 日中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问

4、题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要电网功率因数偏低已成为当今供电领域迫切需要解决的重要课题之一。无功补偿是维持电网电压稳定，维护电力系统安全运行的重要手段。无功补偿技术主要包括大功率电子器件、无功电流检测方法、无功的补偿控制技术等主要内容，是当前研究的热点之一。在较长一段时间内，静止无功补偿器(svc)在无功补偿中仍然占据重要地位。本文首先介绍了无功功率的产生与影响，阐述了无功补偿的作用于发展，分析了fc十tcr型svc的基本元件与结构和工作原理。然后重点讨论

5、了无功功率的检测方法与svc的控制策略。最后论文在pscad/emtdc环境下构建了svc的仿真模型，并进行了仿真分析。仿真结果表明，由于采取了无功补偿措施，大负荷投入后，电压经过0.05s的过渡过程后，相电压又恢复到原来的水平；系统线电压也恢复到原来的水平；负荷侧电流变化降低；电源侧电流值降低，节约了电能，同时降低了输电线上的损耗。关健词：无功补偿； svc； pscad/emtdc； 仿真abstract grid power factor low power has become an urgent need to address the area of one of the impor

6、tant issues.reactive power compensation to maintain voltage stability and safe operation of power system an important tool. reactive power compensation technologies including high-power electronic devices, non-reactive current detection methods, the compensation of reactive power control technology,

7、 such as the main content is one of the hot current research.an extended period of time,static var compensator (svc) reactive power compensation in the still occupy an important place. this article first introduced the generation of reactive power and influence, on the role of reactive power compens

8、ation in the development, analysis of tcr type svc 10 fc basic components and structure and working principle. and then focused on detection of reactive power control methods and strategy of svc.the last paper in the pscad/emtdc environment svc constructed the simulation model and simulation analysi

9、s. the simulation results show that, due to adopt a measure of reactive power compensation, the input load, the voltage 0.05s after the transition process, the phase voltage has returned to its original level; system line voltage is also restored to their original levels; load side to reduce current

10、 changes; power supply side current values decrease, saving electricity, while reducing wear and tear on the transmission line.keywords： reactive power compensation; svc; pscad/emtdc; simulation目 录第一章 绪论11.1 无功功率11.1.1 无功功率的产生11.1.2 无功功率的影响11.2 无功补偿31.2.1 无功补偿概念31.2.2 无功补偿的作用及意义31.2.3 无功补偿的发展41.2.4

11、无功补偿问题的现状及对策51.3 本文的主要工作5第二章svc及其数学模型72.1 静止无功补偿器（svc）72.1.1 svc概念72.1.2 svc的特点72.1.3 svc的应用82.1.4 svc的基本类型82.2 tcr+fc型svc设计82.2.1 tcr特性82.2.2 fc +tcr型svc的基本结构112.2.3 fc +tcr型svc的工作原理11第三章 无功补偿理论143.1 无功功率检测方法143.1.1 d-q矢量变换143.1.2 基于d-q三相对称系统的瞬时无功功率173. 2 svc控制策略193.2.1 概述193.2.2 面对电力系统的闭环反馈控制策略193

12、.3 仿真主电路图的检测控制分析203.3.1 仿真主接线图203.3.2 主检测电路图213.3.3 主控制电路图23第四章svc的无功补偿仿真研究254.1 模拟试验平台和仿真模型的搭建254.1.1 仿真工具软件pscad/emtdc简介254.1.2 pscad/emtdc的主要功能254.1.3 pscad/emtdc主要结构及元件库264.1.4 pscad/emtdc基本操作步骤264.2 svc的仿真274.2.1仿真过程波形图及其分析274.2.2 svc未投入系统情况下仿真结果及其分析294.2.3 svc投入系统情况下仿真结果及其分析304.3 本章小结31第五章 总结与

13、展望32参考文献：33翻译部分36英文原文36中文翻译48致 谢58中国矿业大学2009届本科生毕业设计 第65页第一章 绪论1.1 无功功率1.1.1 无功功率的产生众所周知，在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的感性负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占很大的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。由于电网中存在大量必须吸收无功功率才能正常工作的感性负载，使线路电压与线路电流在相位上存在一个角度差，这样就引出了无功功率的概念。无功功率是一个反映电源与负荷间的能量交换的物理量，它的大小表明了电源与负荷

14、间能量交换的幅度，本身并不消耗能量。同时，无功功率在系统中的流动对电力系统本身也产生了很大的影响。近年来，随着国民经济的发展和现代化高新技术的进步，电力网负荷急剧增大，电力系统中非线性用电设备逐渐增多，对电网感性无功要求也与日俱增，如可逆式大型轧钢机、炼钢电弧炉等冲击负荷、非线性负荷容量的不断增加。再加上电力电子装置应用的日益广泛，而大多数电力电子装置功率因数较低（如：相控整流器等)，工作时基波电流滞后于电网电压，使得电力网发生电压波形畸变，电压波动闪变和三相不平衡等，产生电能质量降低，电网功率因数降低，要消耗大量的无功功率，给电网带来额外负担，并影响供电质量。因此，提高电网功率因数己成为电力

15、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。1.1.2 无功功率的影响(l) 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机，变压器等各种电气设备的容量和导线的容量增加。同时，也使得电力用户的起动及控制设备、测量仪表的规格也要相应的加大。(2) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。设线路中电流了由有功分量和无功分量组成，线路电阻为r，则线路损耗为： (1-1)其中，一部分损耗就是无功功率引起的。(3) 使线路和变压器的电压降增大，若是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质

16、量严重降低。在图1-1中引起的电压降为： （1-2）图1-1 等效电路图另外，负载电流i可由下式求得： (1-3)把(1-3)代入(1-2)可得： (1-4)分析图中各参数可看出，和之间的夹角很小，因此: (1-5)在一般的电网中，比小得多，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。例如：电动机起动时功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户无法正常工作。电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，严重影响电网供电质量。(4) 功率因数降低，设备容量利用少，降低工业生产效益。1.2 无

17、功补偿1.2.1 无功补偿概念由上一节可见，无功补偿是维持现代电力系统的稳定与经济运行所必需的，无功补偿对于供电系统和负荷的运行都是十分重要的：电力系统网络中不仅大多数负载要消耗无功功率，大多数网络组件也要消耗无功功率。网络组件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。因此，合理的方法应当是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即进行合理的无功补偿。1.2.2 无功补偿的作用及意义对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下的功能：(l) 降低过电压。(2) 减少电压闪变。(3) 阻尼次同步振荡。(4)

18、减少电压和电流的不平衡。(5) 对动态无功负荷的功率因数校正。(6) 提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。(7) 提高供用电系统及负载的功率，降低设备容量，减少功率损耗。(8) 在三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。(9) 改善电压调整。稳定受电端及电网的电压，提高供电能量，在长距离输电线中合适的地方设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。由于无功补偿具有上述重要的作用，因此对于无功补偿技术进行研究具有相当重要的实际意义：我国电网的建设和运行中长期存在的一个问题是无功补偿容量不足和配备不合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应

19、的无功调节设备更少。近年来，随着大功率非线性负荷的不断增加，电网的无功冲击和谐波污染呈不断上升的趋势，无功调节手段的缺乏使得母线电压随运行方式的变化很大，导致电网（特别是配电系统）的线损增加、电压合格率降低。此外，随着电网的发展，系统稳定性的问题也愈加重要。电网的动态稳定性与快速无功功率调节器的性能有关；电网的电压稳定性与无功功率的有效提供有关。动态无功补偿技术是一种提高电压稳定性的经济、有效的措施，是促进电网安全稳定和战略防御的客观需求，利用它可以提高西电东送工程的输电能力以及受端系统的电压稳定性；为枢纽变电站提供动态无功支撑，从而提高电压稳定性；提高配电网电能质量的综合指标，改善系统的动态

20、和静态品质。1.2.3 无功补偿的发展就在配电力电网迫切需要先进的输配电技术来提高电能质量和系统稳定性的时候，电力电子技术和现代控制技术的迅猛发展，一种改变输电能力的新技术-灵活交流输电系统（flexible ac transmission system，简称facts）悄然兴起。facts技术是基于电力电子技术改造传统交流输电的系列技术，它可以对交流电的无功（电压）、电抗和相角进行控制，从而能有效提高交流系统的安全稳定性，使交流输电系统具有更高的柔性和灵活性，使输电线路得到充分利用，实现电力系统安全、可靠和经济运行的目标。其发展经历以下几个阶段：(l) 早期无功补偿装置的典型代表是同步调相机

21、。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态补偿。至今在无功功率领域中这种装置还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。但从总体上说这种补偿手段已显陈旧。(2) 并联电容器的成本较低。把并联电容器和同步调相机比较，在调解效果相近的条件下，前者的费用要节省很多。因此，电容器的迅速发展几乎取代了输电系统中的同步调相机。但是，和同步调相机相比，电容器只能补偿固定的无功功率，在系统中有谐波时，还有可能发生并联谐振，使谐波放大，电容器因此而烧毁的事故也时常发生。(3) 静止无功补偿装置（svc）近年来获得了很大发展，已被广泛用于输电系统阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，

22、也大量用于负载无功补偿。其典型代表是晶闸管控制电抗器+固定电容（tcr+fc）。晶闸管投切电容器（tsc）也获得了广泛应用。静止无功补偿装置的重要性是它能连续调节补偿装置的无功功率。这种连续调节是依靠调节tcr中晶闸管的触发延迟角得以实现。tsc只能分组投切，不能连续调节无功功率，它只有和tcr配合使用，才能实现补偿装置整体无功功率的连续调节。由于具有连续调节的性能且响应速度，因此svc可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变。因tcr装置采用相控原理，在动态调节基波无功功率的同时，也产生大量的谐波，所以，固定电容器通常和电抗器串联构成谐波滤波器，以滤除tcr中的谐波。(4) 比

23、svc更为先进的现代补偿装置是静止无功发生器（svg）。svg也是一种电力电子装置。其最基本的电路仍是三相桥式电压型或电流型变流电路，目前使用主要是电压型。svg通过不同的控制，既可使其发出无功功率，呈电容性，也可使其吸收无功率，呈电感性。采用pwm控制，即可使其输入电流接近正弦波。尽管svg与apf在理论上拥有svc无法比拟的优势，但是限于目前全控型电力电子器件的电压、电流水平，要做到大容量补偿，成本太高。现在广泛应用于国内外输配电系统的svc在无功补偿、改善电压不平衡度、抑制电压闪变等多个方面的性能表现优良，并且其性价比和技术开发难度适合我国国情，是国内应用此类装置的理想选择在我国较长一段

24、时间内，静止无功补偿器(svc)仍然占据重要地位，因此，本文选择以静止无功补偿器(svc)为研究对象。1.2.4 无功补偿问题的现状及对策过去电力系统广泛使用的无功补偿方式是固定电容器补偿，采用的原则是“分层分区，就地平衡”。但是现在由于负荷的构成发生了变化，传统的补偿方式已不能适应电力系统的要求，而基于电力电子元器件构成的静止无功补偿装置（static var compensator，svc）、静止同步补偿装置（static synchronous compensator，statcom）等柔性输配电设备则能很好地对无功功率进行动态补偿，具有广阔的前景。前面所提到的由于无功短缺而造成的电压快

25、速崩溃也可以使用这些新设备进行预防。由于成本问题，目前除了在冶炼企业中svc得到了大量的应用之外，在电网中只有高电压等级的变电站才有应用，在中压和低压的变电站中鲜有应用。无功补偿问题的对策如下：(l) 继续推行无功就地补偿的政策，在冶炼等无功动态变化的行业要求采用svc等补偿设备。(2) 在大城市配电网中，如果存在很大的集结空调负荷等坏特性用电设备，在公共母线上也要加装动态无功补偿设备，防止电压崩溃。(3) 对原有的电压和无功功率控制设备，采用新型完善的控制策略，发挥其在基础无功负荷补偿的作用。(4) 在采用新型的设备治理无功的同时，注意对谐波状况的监测与治理。1.3 本文的主要工作无功补偿是

26、维持电网电压稳定，维护电力系统安全运行的重要手段。无功补偿技术是当前研究的热点之一。无功补偿技术主要包括大功率电子器件、无功电流检测方法、无功的补偿控制技术等主要内容。本文主要研究最广泛的是tcr+fc型svc在电力系统无功补偿中的应用设计及计算机仿真，主要包括以下内容：(1) 通过对电能质量要求的分析阐明了无功补偿装置研究的重要性；概述了用户电力技术的发展状况和种类。根据具体研究要求，选择了合适的主电路形式和控制算法类型。(2) 针对电力系统对svc控制器的要求，采用闭环反馈控制方式。(3) 利用电力系统仿真软件pscad/emtdc，对所建立模型进行分析svc对负荷进行无功补偿的过程，以验

27、证所设计控制算法及模型的正确性。第二章svc及其数学模型2.1 静止无功补偿器（svc）2.1.1 svc概念静止无功补偿器(static var compensator-svc)，全称为静止型动态无功补偿装置，属于有源补偿器，所谓静止是指没有运动部件，这和同步调相机不一样，它是一种专指基于晶闸管的静止型动态无功补偿装置，属于柔性交流输电技术范畴，将电力电子元件引入传统的静止并联无功补偿装置，从而实现补偿的快速和连续平滑调节的补偿装置。通常是由并联电容器组(或滤波器)和一个可调节电感量的电感元件组成。svc与一般的并联电容器补偿装置的区别是能够跟踪电网或负荷的无功波动，进行无功的适时补偿，从而

28、维持电压的稳定。facts技术的概念提出以后，大量的facts装置先后被提出。svc作为灵活交流输电系统facts中的重要一员，是其中一类较早就得到广泛应用的一种facts控制器。也是目前世界电力系统应用最多、最为成熟的并联补偿设备之一。 ieee将静止无功补偿器(static var compensator, svc)定义为一种并联型的静止无功发生器或吸收器，其输出可以调节以交换容性或者感性电流，从而维持或者控制电力系统中的某些特定参数(一般为母线电压)。2.1.2 svc的特点svc比以往的调相机具有投资省、损耗小、维护简单、可靠性高，特别是响应速度快、控制效果显著等一系列优点，早已在电力

29、系统中获得广泛应用，为电力系统提供了新的动态电压支撑手段。当使用svc对直流系统进行无功补偿时，和用直流换流器控制相比，它具有如下优点:(1) 无功功率控制与有功功率无关。(2) 无功功率控制hvdc运行无关。(3) 无功功率控制不影响其他换流器。(4) 当直流换流器闭锁时，能用svc来降低过电压。 静止无功补偿器最重要的性质是它能维持其端电压实际上不发生变化，为此，它要连续调节与电力系统交换的无功功率，这种恒电压特性也是动态并联补偿或分段补偿中最基本的要求，为了减少电压的变化引起的闪烁和其他电压的波动，这个特性也是同样重要的。第二个重要性质是响应速度。补偿器的无功功率，应该对端电压的微小变化

30、迅速做出响应。2.1.3 svc的应用svc被用作波阻抗补偿，并被用作长距离、高压输电系统的分段补偿。另外它们在负荷补偿方面有很多的用途。从实用的观点出发，svc装置主要用于对冲击性负荷用户的就地补偿和用于对电力系统的无功补偿:(1) 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、电焊机、电气机车、高能加速器、频繁启动的电动机等。其作用是: a) 改善功率因数; b) 补偿负载在动态过程中所需的无功; c) 调整电压，减少电压波动和电压闪变; d) 滤除大部分高次谐波，改善电压波形; e) 在不平衡负载处起平衡化作用; f) 提高冲击负载设备及其邻近电气设备的运行安全性。(

31、2) 用于电力系统。其作用是: a) 提高输电线路的输送功率;b) 按指定要求调整系统电压; c) 抑制电力系统的次同步谐振; d) 提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性; e) 提供阻尼力矩以抑制电力系统的功率振荡; f) 吸收电力系统中突然涌现的过剩无功，抑制暂时过电压; g) 对直流输电系统的换流站，提供换相无功和实施电压控制; h) 减少系统中的负序电流分量，对连接点的三相电压起平衡作用; i) 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。2.1.4 svc的基本类型svc的构成形式有多种，应用于电力系统的静止无功补偿器主要有三种类型，即sr(自饱和型电抗器型)、t

32、cr(晶闸管控制电抗器)、tsc(晶闸管投切电容器)。目前静止无功补偿装置种类很多，但使用最广泛的是tcr+fc型svc。2.2 tcr+fc型svc设计2.2.1 tcr特性本文主要介绍的正是电力系统中广泛应用的tcr+fc型静止无功补偿器，故以下仅对其重要元件tcr、结构、原理做详细说明。晶闸管控制电抗器(tcr)是svc中最重要的组成部件之一，ieee将晶闸管相控电抗器(tcr)定义为一种并联型晶闸管控制电抗器，通过控制晶闸管的导通时间，它的有效电抗可以连续变化。下图2-1给出了单相可控硅或晶闸管控制电抗器(tcr)的电路，它由一个电抗器与两组可控硅串联而成，其中两可控硅接成正反向并联被

33、称为tcr阀。反并联的一对晶闸管就像一个双向开关，晶闸管阀在供电电压的正半波导通，而晶闸管阀在供电电压的负半波导通。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。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于接入了电感性负载的交流调压电路。图2-1 单相tcr电路若电源电压vs表示为： （2-1）根据图3.1，回路电压方程可写为: （2-2）设边界条件，则可解出上式中电流表达式： （2-3）其中，为可控硅触发角，单位用弧度。由上式可知，对应于不同的触发角，可以得到不同的电流，也同时对应着不同的两端电压。在电力系统的补偿装置中，我们只讨论基波电流下svc的参数情况，根据傅立叶分解，

34、基波电流的一般形式可写为: (2-4)再由（2-3）式，电流i(t)为偶函数，故有；又因为，可得： (2-5) 求出值为: (2-6)将(2-6) 式带入(2-4 )式便可得基波电流的幅值为: (2-7)用电压的幅值除上式等号两侧，一可得可控硅控制的电抗器的电纳: (2-8)显然它是可控硅触发角的函数，于是通过连续调节晶闸管的导通角来连续调节整个tcr的等效电抗，从而控制tcr所吸收的无功功率。具体而言此，电路的有效移相范围为到。根据晶闸管的导通角与tcr的等效电纳间的关系 ，当触发角=时，晶闸管全导通，导通角，与晶闸管串联的电抗全部接入电网上，此时电抗器吸收的无功电流最大。当触发角在-间时，

35、晶闸管部分区间导通。增大触发角即可减小补偿器的等效电纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，即减少了吸收的无功功率。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。由于单独的tcr只能吸收无功，而不能发出无功，为了解决此问题，常常将并联电容器与tcr配合使用构成无功补偿器，这样无功功率便可以从容性到感性之间连续调节。tcr装置的优点是可以平滑调节无功功率，响应速度快(约l0ms级)，缺点是会给系统引入新的谐波，所以tcr一般与固定电容器(fc)配合使用。2.2.2 fc +tcr型svc的基本结构本文中svc采用晶闸管控制电抗器(tcr)和固定电容器(fc)相结

36、合的结构。tcr在配电网中有两种形式，一种是星形连接方式的晶闸管控制电抗器(y-tcr)，另外一种是三角形连接的晶闸管控制电抗器(-tcr)。y-tcr可以补偿基波零序电流，但是它的谐波特性较差，会给系统带来零序电流谐波；-tcr不能补偿基波零序电流，但是它的谐波特性较好，不会给系统带来零序电流谐波。本文采用- tcr的形式，用svc来补偿系统的基波无功和基波负序电流，至于系统的基波零序电流则可以采用apf来补偿。可以证明:在对称情况下，tcr可以抵消其发出的三次谐波。通过控制与电抗器串联的两个反相晶闸管的导通角，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。该补偿响应时间快(小

37、于半周波)，灵活性大，而且可以连续调节无功输出，缺点是产生谐波，并且在非对称情况下，该结构亦无法抵消其发出的幅值较大的三次谐波，对电网造成不利的影响，但可以通过设置fc的参数来滤除电网中含量较多的谐波成分，其中fc的最大无功容量一般可通过负荷吸收的最大无功计算。本文中的svc的结构模型如图2-2所示。图2-2 svc的系统结构模型2.2.3 fc +tcr型svc的工作原理由2.2.1节可调控电抗器(tcr)产生连续变化感性无功的基本原理，考虑单相情况，如图2-3左所示。图中u为交流电压，thl,th2为两个反并联晶闸管，控制这个晶闸管在一定范围内导通，则可控制电抗器流过的电流i，i和u的基本

38、波形如图2-3 右所示:图2-3 单相可控电抗器结构图与波形图图2-4 svc等效单相接线图由图2-4可得稳态下系统无功和谐波电流平衡方程: (2-9) (2-10)图中表示负载无功(随机的)，为补偿电抗器提供的感性无功，为固定电容器组提供的容性无功，为系统总无功。为谐波电流。svc如图2-4接入系统中，电容器提供固定的容性无功，根据负载无功的变化情况，调节补偿电抗器输出感性无功的大小，使得总的感性无功和容性无功相抵消，即系统无功-+=常数(理想状态为0)，则能实现电网功率因数=常数 (或1)，电压几乎不波动。lc滤波器的设计，理想情况下使流入系统的谐波电流。现场要求滤波器投入后使注入系统的各

39、次谐波电流和电压谐波总畸变率在国标限值以内。图2-5是svc无功功率补偿原理曲线。从图中看出，负载中的无功变化是随机的，不可控制的。是可以控制的，随变化而变化，最终控制系统中的无功为一恒定值，从而维持其端电压实际上不发生变化。这种恒电压的特性可以有效抑制电压波动与闪变。图2-5 svc无功功率补偿曲线由电力电子的知识我们知道，在交流调压器电路接电感性负载时，此电路的有效移相范围为。当触发角=时，晶闸管全导通，导通角=，此时电抗器吸收的无功电流最大。因此，我们可以通过控制电抗器l上串联的两只反并联晶闸管的触发角a来控制电抗器吸收的无功功率的值，从而达到动态无功补偿的目的。第三章 无功补偿理论3.

40、1 无功功率检测方法电力系统的各种传统装置的响应时间速度多在数十毫秒到秒级，而新型的基于电力电子开关的补偿装置的时间常数则在毫秒以至微秒。但传统理论中的有功功率、无功功率、有功电流、无功电流都是在平均值或相量的意义上定义的，它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况，这是因为传统的发电机、电动机、电力系统以大于工频周期的时间间隔来分析研究是足够用的;而对于快速的facts装置来说，上述时间尺度已经显得太大，无法满足实际的需要。补偿装置对系统无功功率的补偿效果很大程度上依赖于对系统电参数瞬时值的检测，谐波及无功电流实时检测的快速性、准确性及灵活性直接关系影响到其跟踪补偿特性。因此，实时精确的检测方

41、法对无功补偿的研究十分重要。目前提出的检测方法主要有以下几种:模拟滤波器法、fbd法、快速傅立叶变换检测法、基于人工神经网络理论的自适应方法、基于瞬时无功功率理论的方法，本文的检测技术采用的是最后一种。瞬时无功功率理论中的概念都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦和任何过渡过程的情况。瞬时无功功率理论，即“p-q”理论，是80年代由日本学者赤木泰文提出来的，它使得电力有源滤波器的研究走出了实验室，在工业中得到了应用。但是，它只适用于三相电压正弦、对称的情况下的三相电路高次谐波和基波无功电流的检测。随着时间的推移，这一理论得到了发展、完善。在90年代，西安交通大学王兆安教

42、授等提出了“d-q”理论，该理论所提的检测方法解决了三相电压非正弦、非对称情况下三相电路高次谐波和基波负序电流的准确测量，该方法也能准确检测三相电压非正弦情况下三相电路基波无功电流。3.1.1 d-q矢量变换采用d-q矢量变换理论可以在旋转坐标系中观察装置的暂态过程。同时在不平衡系统中，通过该变换可以获得基波正序有功及无功分量、基波负序分量以及谐波分量。从电机工程的观点来看，d-q矢量属于同步转子坐标系。假定同步电机定子a b c三相绕组由平衡的三相正弦交流电压供电，则变换至同步转子坐标系，a b c三相正序有功电流相当于d轴绕组的直流分量，即在同步电机转子上看，定子三相绕组通以平衡的三相正弦

43、交流，相当于转子d轴绕组通以直流的作用。进行d-q变换的具体过程是：(l) a b c三相转换到静止d-q两相对于三相交流系统，当负载端电压和负载电流满足以下条件： (3-1) (3-2)可用三相/二相变换将a b c三相交流量变换到正交的坐标上，如图3-1 (a)所示。从三相静止坐标系到两相静止坐标系可以通过式(3-3)、(3-5)实现: (3-3)其中， (3-4) 则： (3-5)故，瞬时功率可定义为 (3-6)(2) -转换到两相d-q旋转坐标在静止坐标系的基础上引入旋转坐标系，如图3-1 (b)所示。d轴与瞬时电压向量v的方向重合，并以角频率同步旋转，q轴落后于d轴电流矢量i可以分解

44、为和。则两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系变换矩阵的系数变为： (3-7)图3-1（a）a b c-（b）-d q (3-8)(3-9) （3-10）、一般都是由a相母线相电压va经锁相环产生： （3-11）图3-2为基于瞬时无功理论的无功电流实时检测原理图。图中检测计算得到的是-坐标下的无功分量电流经过式（3-11）转换成三相的无功补偿时的指令电流信号。图3-2 瞬时无功理论的无功电流实时检测原理图3.1.2 基于d-q三相对称系统的瞬时无功功率假设系统电压为： （3-12）负荷为线性阻抗时(即无谐波时) 负荷电流为： （3-13）其中：为负荷电流初相位角应用d-q矢量变换理论得到三相瞬时有

45、功电流和无功电流： （3-14）和是直流分量，分别为有功分量和无功分量。(2) 负荷为非线性阻抗时负荷电流为： （3-15）应用d-q矢量变换理论： （3-16）上式所得、经lpf滤波，得： （3-17） 、的计算结果分解成： （3-18） （3-19）其中，、分别是、的平均值或直流分量，是基波有功分量和基波无功分量。、分别为、的交流分量，是谐波量。3. 2 svc控制策略3.2.1 概述svc的控制通常可以分为两个层次，即底层的器件与装置级控制，以及从应用系统整体性能考虑的系统级控制。器件和装置级控制主要研究与电力电子电路拓扑结构密切相关的脉冲控制方法，考虑精确到微秒级的电力电子器件的关断与

46、开通，从而将不同结构形式的svc封装成具有一定模型并可灵活控制的“电抗”或“无功功率源”;系统级控制研究从应用系统的需求出发，基于一定的控制策略向svc底层控制提供“电抗”或“无功功率源”的参考值。svc器件和装置级控制跟具体采用的电力电子拓扑结构密切相关，前面介绍各类svc时已经简单介绍过了，本文将从电力系统的需求出发来讨论svc的控制系统。3.2.2 面对电力系统的闭环反馈控制策略当svc用于电力系统补偿时，其目的主要是维持接入点电压的稳定，而由于系统正常条件下可以看作是对称的，所以通常采用三相对称控制策略。注意到svc的主要特性是电压-电流(u-i)特性，对不同的系统电压，tcr支路的电

47、流的波形和有效值取决于电抗器的感抗和触发延迟角()。svc在控制系统的指令下，自动调整，运行在u-i特性曲线和系统负荷线的交点。在实际应用中，根据控制目标的不同通常采用开环和闭环两种基本控制形式;通常开环控制是闭环控制的基础。开环控制的优点是控制简单可靠，没有稳定性的问题，响应速度快，缺点就是补偿精度不精确，容易受环境、温度、器件老化等囚素的影响。仅用于需要快速响应且精度要求不高的负荷补偿。第二种就是本文选用的闭环控制，这种方法检测的是电源电流，通过pi控制器来进行反馈控制。这种方法的优点就是补偿精度高，基本上不受环境、温度、器件老化等因素的影响，缺点就是控制复杂，pi控制器参数的选择对系统的

48、稳定性有重大的影响，响应速度比开环控制慢。以开环控制为基础构造的闭环控制如图3-3所示。在这里，svc的电纳参考值将由一个称为电压自动调节(automatic voltage regulator, avr)的环节来计算。avr的工作原理是:当其检测到电压偏差(即母线电压和参考电压之间的差值)后，就按照一定的控制规律，如比例积分(pi)控制规律调节svc电纳参考值，从而改变负荷母线上总的无功电流大小，调节线路和变压器上的压降，直到被测点电压误差减小到可接受的水平为止。图3-3 svc的闭环控制规律结构(avr )设avr采用pi控制规律，则svc电纳参考值由下式决定，即: （3-20）其中，分别

49、为比例和积分增益；avr的输出经限幅环节后，产生所需的svc电纳参考值。只要给定负荷母线电压的参考值，整个控制系统能根据测量的母线电压，自动调节svc的电纳值，使得负荷母线的实际电压等于参考值，达到闭环调节的效果。这是应用svc维持电网某一母线电压恒定的控制思路，其中闭环控制的响应速度和稳定性是由控制环的总放大系数和调节系统的时间常数来决定的。实际上，svc可通过采用适当的控制规律来改善电力系统各种动态和稳态性能。为了满足不同甚至是矛盾的控制目标，闭环控制可以采取各种控制规律，从最简单的pi控制到复杂的非线性控制。3.3 仿真主电路图的检测控制分析3.3.1 仿真主接线图某系统svc采用fc+

50、tcr型svc单相结构进行无功补偿：fc与tcr并联；在pscad环境下构建三相结构电路模型，示意图如下：图3-4 仿真主接线图电路模型参数分析如下：如图3-4，电源为110kv，50hz三相对称电源，通过变压器向有功0.103 mw，无功0.327 mvar的三相对称负荷供电。通过brk的定时作用，于2.0s时刻，将有功为3.48mw，无功为8.58mvar的三相对称负荷投入模拟电网。为了降低大负荷投入，无功不足带来的电压降低，故安装了fc+tcr型svc一套如图右半部分，其中电感参数为0.027983h，电容的参数为382uf。3.3.2 主检测电路图图3-5 svc电流、负荷电流、母线电

51、压的d-q法转换电路图如图3-5由瞬时无功功率理论，经d-q法转换，将三相的svc电流、负荷电流、母线电压转换到d-q坐标下，方便之后的有功和无功的计算及应用。具体而言，由svc电流iac、ibc、icc经变换得icd、icq；由负荷电流ia1、ibl、icl经变换得ild、ilq；由母线电压va1、vb1、vc1经变换得vd、vq。3.3.3 主控制电路图(1) 主控制电路外观图图3-6主控制电路外观图如图示，我们可以清楚地看出控制器的输入信号有svc电流iac、ibc、icc；母线电压va1、vb1、vc1；负荷电流ia1、ibl、icl。(2) 主控制电路内部结构图图3-7主控制电路内部

52、结构图如图示，通过上一节的检测转换环节，得d-q坐标系下的电流电压值。通过svc电流icd、icq与母线电压vd、vq计算得其瞬时无功功率，再经过滤波得svc补偿的无功qcinst。再通过负荷电流ild、ilq与母线电压vd、vq计算得其负荷瞬时无功功率，再经过滤波得系统实际无功qlinst。无功参考值qref与qcinst、qlinst相比较，经pi调节产生svc导纳btcrn，经过触发角计算环节得到相应的触发角，从而改变负荷母线上总的无功电流大小，调节线路和变压器上的压降，直到被测点电压误差减小到可接受的水平为止。第四章svc的无功补偿仿真研究4.1 模拟试验平台和仿真模型的搭建4.1.1 仿真工具软件pscad/emtdc简介在本文的仿真分析中采用由加拿大manitoba hvdc research center开发的国际先进的电磁暂态仿真软件包pscad/em