电力系统动态分析--SVC

1、电力系统电压稳定的SVC研究绪论电力系统线路参数的变化、线路发生各种短路状况都可能影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等，尤其是在负荷量小，电网结构相对薄弱的地区。电压波动的危害表现在照明灯光闪烁、电视机画面质量下降、电动机转速不均匀和影响电子仪器、计算机、自动控制设备的正常工况等。因此有必要研究改善电压稳定性的措施。SVC是灵活交流输电系统中典型的并联补偿装置，其基本功能是从电网吸收或向电网输送可连续调节的无功功率，以维持装设点的电压恒定，提高电网电压的稳定性和暂态稳定性。它能够快速平滑的调节无功补偿功率的大小，提供动态的电压支撑，改善系统的运行性能。将SVC安装在线路的适当

2、位置，根据接入点的电压偏差量来控制SVC补偿的无功功率，能够稳定电压。静止无功补偿器(SVC)将电力电子元件引入到传统的静止并联无功补偿装置中，可以实现快速补偿和连续平滑调节，提供动态电压支撑，改善系统的运行性能。理想的SVC可以支持所补偿的节点电压接近常数。利用SVC来改善电压质量，提高电力系统稳定已得到不少的应用。本文分析了无功补偿的种类、原理和模型，重点研究静止无功补偿器调节无功补偿功率的大小来提供动态的电压支持以达到稳定电压的效果。利用Matlab/simulink平台搭建系统模型，来验证SVC的有效性。1SVC分类及原理1.1静止无功补偿器分类静止无功器（SVC, Static Va

3、r Compensator ）是近年发展起来的一种动态无功功率补偿装置。它的特点是调节速度高、运行维护工作量小、可靠性较高。静止无功补偿基于电力电子技术及其控制技术，将电抗器与电容器结合起来使用，实现无功补偿额定双向、动态调节。a）晶闸管可控电抗器（TCR, Thyristor Controlled Reactor）晶闸管控制的电抗器，简称可控电抗器，是目前SVC应用最广泛的一种形式。TCR是晶闸管去控制线性电抗器在一个周期内的作用时间 ，从而改变电抗器在整个周期内的平均作用效果，以实现连续的无功调节。晶闸管可控电抗器一般与电容器并联形成的静止无功补偿器，可以使SVC调节范围扩大到容性区。这种

4、装置通过电容器的分组投切，可提供不连续的容性无功功率；通过晶闸管控制的电抗器可提供连续的感性无功功率。电容器通常串接一定量的电抗，实现滤波作用，因为补偿器工作在感性模式时，会产生大量谐波。这种SVC的响应时间大约在一到两个周期。在设计上，通常保证能够短时间提供比长期稳定运行大得多的无功输出，以提供紧急情况下的无功补偿。b）饱和电抗器（SR，Saturated Reactor）具有饱和电抗器的静止补偿器，是由一台饱和电抗器和一组并联电容器C组装而成。电抗器的饱和电压高于正常运行电压区域。运行电压越高，电抗器越饱和，它所吸收的无功功率也就越大。具有饱和电抗器的静止补偿器，结构简单，运行可靠性较高，

5、而且不需要特殊的维护。主要元件如电抗器、变压器。电容器都是标准化的产品，只有火花间隙保护和带负荷调节分接头是较薄弱的环节。这种补偿器的缺点是，对于系统运行方式变化的适应性不如TCR等形式，它的有功损耗也比后者大。由于铁心处于高饱和状态，噪声大，需采取隔离措施。饱和电抗器对吸收无功功率具有固有的过负荷能力（可达到34倍），适合用来控制瞬时过电压。c）晶闸管投切电容器（TSC,Thyristor Switched Capacitor）晶闸管投切电容器的控制原理，与晶闸管控制电抗器的原理类似，是用晶闸管去控制电容器在一个周期内的作用时间，从而改变电容器在整个周期内的平均作用效果，以实现连续的无功调节

6、。晶闸管投切电容器对系统无干扰，而且不会缩短电容器的寿命，但无功功率的补偿是阶跃的，并且电容器开断时有残余电荷，下次投入时要考虑残余电压，响应速度差，降低闪变能力不足。各种SVC的共同优点是，成本不是很高，比STATCOM要低一些。共同缺点是含有较多的无源器件，体积和占地面积都比较大；工作范围较窄，无功输出随着电压下降而下降快；本身对谐波没有抑制能力，TCR型SVC本身还会产生大量低次谐波，需要额外的滤波器，一般常用无源滤波器，也有用有源滤波器的实例。1.2SVC电压稳定控制的工作原理基于本文所采用的模型，这里主要讨论TCR模型。TCR的基本原理如图1.1。其单相基本结构是两个反并联的晶闸管与

7、一个电抗器相串联，三相多采用三角形联结。并联到电网上，相当于电感负载的交流调压结构。图1.1 TCR基本原理图其中，电抗器吸收感性无功，通过调整触发延迟角改变系统的等效电纳，从而调节补偿器的等效电抗，达到调节吸收感性无功的目的。触发角范围为90-180，随着触发角从90-180变化，流过电感上的电流从正弦波变为非正弦波，幅值逐渐减小，最后变成零。增大控制角，其效果是减少了电流中的基波分量，这相当于增大电抗器的电抗，减少其无功功率和电流。由于单独的TCR只能提供感性的无功功率，所以经常与TSC、FC构成双向无功补偿装置。在目前的工程实际运用中，选用TCR+FC型静止无功补偿装置占据了大多数。混合

8、装置中的FC(固定电容器)具有较好的滤波效果，不仅能将TCR本身产生的谐波滤除掉，而且还能将负荷波动产生的谐波滤去，以减少对系统电能质量的影响。本文研究的SVC模型也是FC+TCR组成。TCR的额定容量稍大于固定电容的额定容量，以抵消容性无功功率消耗，并在需要按滞后功率因数运行时提供净感性无功功率。下面给出TCR+FC（晶闸管控制电抗器加固定电容器）型SVC的单相结构图，如图1.2所示。图1.2 TCR+FC结构图本文采用TCR+FC的SVC形式，由于FC具有滤除系统谐波的作用，这样如果将FC和TCR看作一个整体，则可以视为一个连续可调的无功电流源，在SVC的进线处不存在滤波电流。其中，可以将

9、FC等效为容性电流源，而TCR等效为感性电流源。由于FC的容量是固定的，等效仿真模型中采用相应容量的电容器等效。而TCR对应的等效电感的功率是需要连续可调的，不能采用固定的等效电感，由于TCR产生的电流滞后相电压90度，建立的仿真模型如图1.3。图1.3SVC等效模型针对电压调节器的PI反馈为直流量，这里通过乘法单元将这一直流量与三个标准正弦波相乘，这三个标准正弦波与系统三相母线电压同频，相位滞后电压90度，这样就得到对应的感性无功电流。通过电压调节器调节电流源的幅值就可以调节等效TCR的输出感性功率。2仿真本文基于MATLAB/simulink平台搭建系统图进行仿真。首先说明风力发电系统的风

10、速变化对系统母线电压的影响。利用平台搭建模型对风速进行实时模拟。这个模型包含了风力系统几种典型的风速情况，包含五部分：在0-15秒最大风速15m/s接入风机，15-20秒为基本风速起主要作用，基本风速为13 m/s，20-30秒为渐变风加入后的风速，30-35秒恢复为基本风速起作用，35-45秒为阵风加入后的风速，45秒后恢复为正常基本风速为13 m/s，噪声风作用于风速变化的整个过程。图2.1为组合风速的模型，图2.2为组合风速模型的仿真波形。图2.1组合风速的数学模型图2.2组合风速模型的仿真波形将上述风速模型接入下面的系统图2.3中，对该系统进行仿真。图2.3风电系统仿真图图2.4风速变

11、化对辅助接入点参数影响图2.5风速变化对电网参数的影响由图可以看出当风速变化时，风机的有功无功均发生变化，随着风速的增加，风场的有功功率开始增加。为了维持电压为1PU，必须吸收系统的无功，由于发电机的无功可以自由调节，因此无功下降的幅度不大。在离风场较远的电网120KV系统侧的电压变化最为平缓，但变化趋势与风速变化接近。本文重点研究电压波动，由图中Vabc_25的波形可以看出，由于风速变化引起风机输出功率的变化，造成了并入电网侧的电压随之波动，由于风场容量较小，因此电压波动的范围较小。上述仿真图验证了风速变化引起的输出功率变化将会导致并入电网的电压波动。3稳定电压的SVC仿真上面介绍了SVC稳

12、定电压的原理，这部分对其进行仿真验证。图3.1为设计的电力系统图。S0为主电源，电压为120KV，通过变比为120KV/25KV的变压器T0得到25KV的母线电压，负载功率为10KV。在主电路中接入三台辅助电源，通过变压器T1、T2、T3并入母线系统。在接入点接入一个接地变压器，通过电阻接地。图3.1系统图首先对未加补偿的系统进行仿真，图3.2为具体模型，图3.3和图3.4分别为各部分的仿真波形。设置总仿真时长为0.2秒，在0.02秒时将三个辅助电压源同时并网，观察接入点的电压波形变化和电网120KV侧的电压变化。图3.2未加SVC的系统仿真模型图3.3未加SVC辅助电压源接入点的电压图3.4

13、未加SVC120KV侧的电压波形由图3.3和图3.4可以看出，在0.02秒时接入点的电压处出现了较大的波动，而对120KV侧的电压没影响。在接入点并入电容，相当于是投切电容器，其单相大小为1PF，观察其效果，如图3.5。图3.5接入点并入电容器时的电压由图3.3和图3.5相比较可以发现，在接入点并入电容后反而电压的波动性更大，调节电容值的大小发现效果甚微。将上述SVC并入接入点，观察其效果如图3.6所示。图3.6接入点并入SVC时的电压波形从图3.6可以看出电压波动和闪变已经基本消失，可见其效果强于一般的投切电容器。下面对辅助电源接入点设置0.1S时三相短路并在0.12S时切除故障，观察接入点

14、的电压波形和120KV侧的电压波形，如图3.7和图3.8。图3.7未加补偿装置接入点三相短路时接入点电压波形图3.8未加补偿装置接入点三相短路时120KV侧电压波形由图3.7和图3.8可以明显地看出，当辅助电源接入点三相短路时，接入点的电压波动比较大，并且120KV侧电压也出现了波动。现将SVC并入辅助电源接入点，在120KV电压侧并入电容器，仿真图形如图3.9和图3.10。图3.9辅助电源接入点发生三相短路接入SVC装置时接入点的电压波形图3.10辅助电源接入点发生三相短路接入电容器时120KV侧的电压波形可以很明显地从图3.9和图3.10看出，在辅助电源并入SVC装置，在120KV电压侧并

15、入电容器，当辅助电源接入点发生三相短路时，辅助电源接入点和120KV侧的电压波动都很好的得到了抑制。验证了上述SVC的作用。4结论与不足之处本篇课程作业完成了以下工作：1. 搭建了随机风速模型，通过搭建的风速模型送至风电系统，验证了随机风速造成并网处电压波动。2. 搭建了SVC装置，并将其封装模块化。3. 将辅助电源接入，并对其进行补偿。比较SVC与普通电容器的作用效果。文中对稳定效果还存在一定的不足，如下：1. 封装的SVC采用的是传统PI调节，本学期已经学习智能控制课程，有文献对其采用模糊控制，今后对这方面得下工夫。2. 补偿装置有很多种，现在STATCOM比较流行。传统的STATCOM可

16、以在一定范围内抑制电压波动，但在容量上不能达到满意的效果，容量问题是今后研究的方向。3. 文中对SVC进行验证时，不是采用的是双馈异步风力机，因此不存在无功的双向流动，对其仿真造成了一定的影响。其原因在于当采用双馈异步电机时，测量接入点的电压等等电量时一些元器件参数类型不一致，经常报错，没能修改出这些错误，这些是以后要细细琢磨和研究的。4. 出于对波形图的明显效果上，仿真系统的参数是自己设置的，跟实际情况相差甚远，因此参数的设置上还有待于改进。5. 文中是直接将SVC接入故障点，而SVC接入点的选择也是非常重要的，文献研究了补偿装置的接入点，这也是今后要研究和学习的地方。参考文献：1孙树勤.电压波动与闪变M.北京：中国电力出版社, 1998.2 林海雪. 现代电能质量的基本问题J. 电网技术, 2001，25（10）：5-12.3孙涛，王伟胜，戴慧珠，杨以涵.风力发电引起的电压波动和闪变J.电网技术，2003,27（12）：62-66.4 朱金奇. TCR+FC静止型无功补偿装置（SVC）原理及应用J. 电气工程应用，2006, 2(3): 40-42.5 周建丰，顾亚琴. 无功补偿装置的发展及性能比较分析J. 四川电力技术，2007, 30(4): 24-27.6 任永峰，安中全. 双馈式风力发电机组