基于PSCAD TCR+TSC混合型SVC的设计与仿真 电气工程及其自动化专业

基于PSCADTCR+TSC混合型SVC的设计与仿真设计说明随着家用电及工业网负荷的增加，造成电压和电流波形畸变、引起功率因数降低、因此电能损耗增大等问题日益突出。为了解决这个问题，设计一种TSC+TCR混合型SVC是针对无功补偿和谐波抑制是及有效的方式。基于针对若干单独型SVC在工作过程中的基本原理，进行相对深入的细致分析，并深入比较后，可基于现有的实际需求，针对TCR+TSC型SVC在工作过程中的基本原理，进行科学合理的综合研究，如其电压电流特性，协调控制原理，运行特性和损耗特性。因为TCR的原因，同时会产生谐波，因此需要添加滤波器来对谐波进行处理。根据需求再制定设计方案，完成主电路及控制系统设计和主要参数设定。最后，用PSCAD软件建立了该SVC模型通过运行得到TCR触发角，TSC投切情况及PCC端电压得到仿真图，可看到电压在波动时，SVC进行动作以满足电网需求。关键词：无功补偿；TCR+TSC型SVC；PSCAD仿真1绪论静止无功补偿器原理SVC概述通常情况下，对于静止无功补偿器而言，当其处于静止状态时，实则即可看作为某特定的相对旋转设备，而其相对是与发电机及调相机等设备来定义。静止无功补偿器能快速改变无功功率消耗，对电力系统所涉及的动态供电过程，给予充足的无功调节能力。假设系统的实际电压并不高，并且需要承载过高的负荷，则在此情况下，应当保持容性无功运行；也承认是，假设系统的实际电压很高，那么轻负载感性无功电流将在一定范围内进行补偿。静止无功补偿器可经过动态调节无功功率来抑制冲击负荷引起电网电压波动的不稳定状态。SVC所含有的基础特征详细如下：由于并未设置旋转部件，故而便于进行维护。可以控制尤为显著的响应速度。能够进行按相控制。无需耗费过高的损耗。表现出相对良好的可靠性。不会对系统所含有的短路容量，产生一定程度的影响。当同时存在TSC以及TCR的情况下，SVC将会形成相应的谐波。饱和电抗器型（SR）的SVCSR型补偿器该系统内置张力控制，可直接对末端电压的变化进行响应反馈且无需遥控器或晶体管开关来调节电压。SR型补偿器使用的是铁心结构，因此其内部过电流可承受容量为3-4pu。使得对短时的过电压控制非常契合。即便如此，SR的过负荷能力，也会受到来源于斜率校正电容器的种种局限。一旦出现过电压现象，火花间隙将不得不放弃自身的电压调节功能，转而针对电容器进行精准的校正。值得一提的是，某特定的商用SVC，并未配备斜率校正电容器，然而却表现出尤其迅猛的实际速度。除此之外，斜率校正电容器实则并非表现出尤为显著的响应速度，通常情况下，响应时间将位于1.5周期至2周期的区间当中。晶闸管控制电抗器型（TSC）的SVC一般情况下，单相TCR在工作过程中的基本结构示意图，详见图2-1。其重点涵盖固定电抗器以及相应的双面传导阀，两者通过串联组成回路。现如今，关闭阀门所需的电压一般维持在3-10kV，电流维持在3-6kA。当进行实际应用的情况下，往往会将若干阀门之间进行串联，以此来切实满足电相TCR所需满足的容量需求，以及相应的电压需求。值得一提的是，串联阀门必须在同一时间内，进行触发导通，然而，一旦处于电流过零的情况下，将会自动阻断。图2-1TCR基本结构示意图对于TCR而言，其在实际运行的过程当中，当电压处于峰值点至到零点的范围中，即每个周期的最后正负半周四分之一，触发并执行低于零的晶体管，电抗器此时进入导通。一般使用触发延时角ɑ表示阀门的的激活时间，它决定了反应器中从电压峰值到激活时间的有效电流值。TCR旨在基于TSC分组投入亦或为退出的情况下，据此进行略微的调整。对于TCR而言，其中尤为关键的部分即为和双向晶闸管保持串联的某特定电抗器。值得一提的是，导通角θ和TCR当中流经的电流，将能基于晶闸管所表现的控制角α，进行相应的调整。如果在电源电压已经到达峰值的情况下，晶闸管将会处于导通状态。与此同时，当脉冲触发相角α正好为垂直角的情况下，晶闸管将会处于完全导通状态，在此情况下，回路电流将完全相当于晶闸管在短路情况下所涉及的电流值，并且电流将近迟于电压90°。在此期间，由于晶闸管以及相应的电抗器，均产生有功损耗，故而将会造成些许同向分量的产生。此外，当ɑ处于90°~180°的情况下，晶闸管将会处于部分导通状态，此时，若i<90°，则需要遵循下述公式进行计算：2-1在上述公式中，U--TCR主要代表端电压交流的有效值；-旨在代表电抗器所表现出的基频电抗，;Α-旨在代表晶闸管导通角；通过借助于傅里叶级数来进行推导，可获得i所含有的基频分量如下：2-2故而回路基频电流实则由ɑ的调整来决定。对于基波来说，可以通过用作受控电网的晶体管电阻来控制，其中等效的控制角度值ɑ与电纳值的关系为：2-3控制角α必须处于0°-180°的区间当中才能有效调节。通过公式2-3，将能获得垂直角时，等效电纳值的极大值：=。此外，还能获得180°角时，等效电纳值的极小值：=0。其和输出导纳之间的关系曲线，详见图2-2。图2-2输出导纳特性图晶闸管投切电容器型（TSC）的SVC通常情况下，尤为典型的单相TSC，重点涵盖电容器以及双面导轨等基本元件。其原理结构图为图2-3，限流电抗器的作用是因为错误操作而限制晶闸管产生峰值电流，而这种误操作是由于错误操作在不准确的时间导致电容器进行投入。同时防止电容器和限流电抗器使交换系统的电阻在一定频率上发生参数匹配。图2-3TSC原理结构图TSC有两种活动状态，即中断和进入状态。，双向晶闸管（或反并联晶闸管）之一在启用状态时工作，电容器起作用，TSC给出无功功率的容量；在中断时，双向晶闸管（或反并联晶闸管）被阻塞，TSC支路不起作用，也不会产生更多的无功功率。晶闸管控制的高阻抗变压器型（TCT）的SVC此类SVC旨在借助于高阻抗变压器的作用，来替换传统的电抗器，使其自身和反并联晶闸管之间进行串联，详见图2-4。在这之中，高阻抗变压器所表现出的漏抗，一般处于33%~100%的范围内。若将其作为高压电网的元件，则为切实满足较为严苛的绝缘要求，其通常会借助于星形-三角形的组合形状来进行联结，以此来保持良好的独立性。图2-4TCT原理结构图从本质上而言，此类装置即将以往TCR内部的电抗器，与某特定的耦合变压器之间进行相连，从而实现良好应用。它基本上像TCR一样工作，需要固定电容器支路来提供容性无功功率，同时兼作于滤波器，因为高阻抗变压器的次级电压非常低。由于在单个晶闸管器件的工作电压下，因门级电路及主电路的安装简便，且这些器件的成本平均低于同容量的TCR，因此广泛应用于中型和小型SVC中。特性比较将上述四种分立式SVC的特征进行概括，总结成表2-1。在实际情况的应用中，单一SVC并不能满足无功补偿各方面的需求，因此需将他们之间结合成一种混合型SVC进行使用。例如：MSC-TCR型SVC;FC-TCR型SVC，TSC-TCR型SVC。表2-1分立式SVC的特性比较性能SRTCRTCTTSC无功输出连续连续连续分级响应时间/ms约10约10约10约10~20分相调节不可可以可以有限自身谐波含量小有有无噪声大小大小损耗较大中较好小控制的灵活特性差好好好限制过电压能力很好中等中等无运行维护简单复杂较复杂复杂TCR+TSC型SVC的基本原理TCR+TSC型SVC是通过TCR做感性无功相控细调，以及通过容性无功分级粗调，来实现稳定不间断的无功调节。事实上，此类补偿器能够赋予设备极为迅猛的响应速度，以及高质量的低谐波，使得无功效果可以被快速修改，存在较强的无功调节能力迅速提供动态无功补偿，提供动态电压支持，以便更快地恢复临时电压和稳定的系统电平。详见图2-5，一般情况下，TSC+TCR补偿器主要涵盖n个TSC单元，此外还涉及到单个TCR，将两者之间进行并联即可形成。通常情况下，TCR容量仅为1/n的SVC容量。正因如此，电容器才能实现分级投切，并达到良好的调节效果。图2-5TSC+TCR型SVC装置基本示意图此类SVC研发的根本因素，在于切实降低研发稳态运情况下，所造成的不必要损耗，并有效提高补偿器在受到大扰动的情况下，还可保持运行灵活性的能力。一旦电压急剧震荡，并且放弃负荷的情况下，将会出现的最坏结果是谐振共振。在这种情况下，TSC+TCR型SVC可快速移除补偿器的所有电容器，以防止共振。在TCR和TSC的配合中，若系统中投入电容后欠补偿，这时再次投切电容，可能会产生两周情况。一为恰好补偿到位，二为稍微一点过补偿。当稍微一点过补偿时，此时微调节TCR，补偿状态将达到恰好。SVC的电压电流特性图2-6为系统与TSC+TCR的电压-无功功率(电流)V-Q(I)特性曲线。图2-6SVC与电力系统电压电流特性曲线图图3-2中折线CABD为TSC+TCR的V-Q特性曲线，在这之中，补偿器所涉及的正常运行范围，即为A-B段。斜率Xr通常设定为0.02～0.05。而系统端口所表现出的网络特性，则将通过斜线1以及斜线2的形式呈现出来。其中，斜线1主要代表电源和负荷彼此之间，所存在的无功功率平衡现象。而斜线2则主要代表负荷需求远远及不上电源所持续输出的无功功率。斜线2所涉及的基本公式如下：2-4经由上述公式，将可求解得知电压控制目标ΔV，详细如下：Δ2-5通过设计出性能优良的电压调整器，将可使得上式左右两边相等，以此来规避扰动条件的影响。TSC-TCR型SVC的协调控制原理投入或切除TSC，通过调控容性补偿电流IC的值。对TCR进行相控，可连续控制感性电流IL的大小，以此连续调控整个SVC向电网输出的等效的感性补偿电流的性质和大小。若数值IC>IL时，ISVC为向电网输出感性的补偿电流；当丨IL丨>丨IC丨时，ISVC为负值，即从电网向补偿器输入感性电流。若负载感性无功电流为感性IF，要补偿感性负载电流，需使补偿器总的等效输出补偿电流ISVC为感性，用以补偿负载感性电流IF。根据实际运行时负载感性无功电流IF的大小和系统运行对输电线末端感性无功电流的要求值IQ，可以得到所需的总的等效感性输出补偿电流ISVCref。ISVCref（感性）=IF（感性）-IQ（感性），适当的选定TSC的投入或切除的数目，即投入或切除MSC，TSC中的一个或几个，再同时调控TCR的触发延迟角，连续调控IL的大小，即可连续调控总的补偿电流ISVC跟踪指令值ISVCref，并且在达到稳态时ISVC=ISVCref=IF-IQ。如果负载的等效无功电流IF已是容性电流，则应断开MSC，关断TSC，仅调控TCR的IL，使IL与IhC的差值跟踪指令电流ISVCref。根据无功负载电流IF和要求的线路无功IQref，确定补偿指令ISVCref的大小和性质（容性还是感性），计算投入几个TSC，以及TCR的延迟触发角ɑ。为了使投入TSC使暂态过程尽量短，冲击电流小，电容电压震荡小，检测TSC中晶闸管两端电压VT，使VT=vs-VC0=0使触发晶闸管；对TCR的触发延迟角ɑ的控制也应采取措施防止误触发。此类SVC所涉及的控制系统，表现出的基本原理示意图，详见图2-7。整体而言，其涵盖下述基本功能。基于应当满足的补偿无功电流决定值，可针对性选择恰当适宜的TSC支路数量以及TCR支路数量。对于某些处于控制投入状态的TSC而言，其所表现出的暂态过渡最不显著。一旦输入电压已经满足极大值，则电容所表现的正剩余压力将远远不及该值，从而使得晶闸管保持在导通状态，有效缩短过渡过程。当针对TCR所表现出的触发延迟角，进行恰当适宜的调整，可以和由于TSC投入而出现的部分冗余容量无功功率，进行互相抵消，以此来满足设点值。图2-7TSC+TCR组合无功补偿装置的协调控制原理TSC-TCR的运行特性由于涉及到晶闸管的控制问题以及后期维护问题，故而TSC组数需要秉持简洁的基本准则。通常情况下，电容器所表现出的并联组数，仅需达到3-4组即可。其中，极限发出电纳公式如下：2-6式2-6中，Bɑ是变压器的电纳；是三组电容器之和。此外，极限吸收电纳公式如下：2-7在上述公式中，BL旨在代表TCR支路当存在的电纳。一旦在TSC已经正式投入至系统的情况下，需要向其注入如下无功功率：2-8在此过程中，TCR型SVC可以自系统当中获得的无功功率，详细如下：2-9通过上述两个公式，将可得知TSC+TCR型SVC，可以赋予系统的无功功率，详细如下：2-10当进行取值的过程中，正因上述过程所涉及的无功功率，得以保持稳定不间断的基本特性，故而一旦系统电压不可控，则将相对于恒定的电抗。SVC运行时的损耗特性一般情况下，TSC+TCR型SVC，在实际运行的过程中，所表现出的损耗特性，详见图2-8。其中，TSC所表现出的电气损耗，通常取决于电容器容量的改变。而TCR旨在针对TSC所含有的过补部分，进行适当补偿，并且其所表现出的电气损耗，通常取决于导通角的调整。由此可知，SVC所表现出的电气损耗实则蕴含一定的离散性质，故而适用于投切电容器应用较多的领域，可有效降低SVC的损耗。图2-8TSC+TCR型SVC的损耗特性谐波分析与抑制对TCR的工作过程原理分析得出，当TCR的延迟触发角不为0°，电抗器的电流波形图将不在是正弦波。即TCR正常工作时，不可避免的引入谐波电流。通过对TCR中谐波电流用傅里叶级数公式计算，如下式2-11，可得到第n次谐波与触发角ɑ的关系为：，n=2k+1，k=1,2,3，...2-11基波所含有的谐波电流，和触发角ɑ彼此之间呈现出的实际关系曲线，详见图2-9。在此之中，I1旨在代表基波的电流幅值，并在ɑ=0°的情况下，达到极大值I1=1.0。图2-9TCR电流谐波含量和触发延迟角彼此之间的基本关系示意图经由上图可知，TCR出现的核心谐波为次谐波，其和若干触发导通角，所呈现出的内在关系，详见表2-2。在进行实际运行的过程中，由于TCR的作用，电网中将会存在一定数量特征谐波。在此情况下，将能借助于下述基本方式加以缓解：多脉冲TCR基于三角形的形状，将任意三个单相TCR进行紧密相连，并且借助于6组触发脉冲的作用，来针对晶闸管进行深入的精准控制。调整并联TCR的依次顺序基于多样化需求，来投入相应的容量，以此来促进n组TCR当中蕴含的n1组，尽数保持全导通状态，与此同时，n2组尽数保持全关断状态，由此可知，n1+n2=n-1。故而当且仅当只存在某特定的触发延迟角，基于当中可不间断控制。并联滤波器LC滤波器通常采用LC无源滤波器，针对相应的谐波电流进行有效缓解，并将其和谐波源进行并联。一般情况下，LC滤波器通常又被人们称之为无源滤波器，其主要涵盖电感以及电阻等，其中所含的有效处理器，能够有效预防谐波径直进入系统资源当中。LC滤波器的参数调节失谐问题对于任何电力系统而言，其在运行的过程当中，所涉及的频率和额定值，均存在不可避免的偏差，究其根本，在于谐波频率并非一致。在此情况下，假设系统和滤波器的频率不完全一致时，滤波器所表现出的阻抗将自行设定为最小值，不利于发挥出其自身的效果。这就是所谓的滤波器偏差。并联谐振问题并联谐振对谐振频率下的谐波源具有高阻抗。从系统方面考虑，系统与滤波器发生谐振的几率更大。由于系统阻抗很难精准衡量，故而通常借助于系统最大阻抗角的作用来进行描述。无功补偿问题当n1次谐波表现为理想滤波的情况下，即存在=0，表现出一定阻性。如果在n2>n1的情况下，则>0。表现为一定感性。如果在n2<n1的情况下，则<0。表现为一定的容性。由此将能进行相关计算，从而获得基频环境下的无功功率，详细如下：2-12在计算的过程中，将能借助于已经成功测量的Us以及IL，来求解获得功角。如果其相对较大，即可针对电容值进行适当调节，以此来达到补偿无功的效果。参数调节基本准则通过上述公式，将能针对电容器所能达到的最大容量，进行细致计算：2-13其次，确定L值以及R值：2-14滤波支路电阻为：2-152-16其中r为内阻，Q为最优调谐锐度。3TSC+TCR型SVC的设计TSC+TCR型SVC的设计TCR+TSC型SVC的设计主电路的设计通过任务书设计出一种可提供动态无功电源及调节系统电压的SVC装置电路图，其有电压源，滤波器，电阻，混合型SVC和负荷。如图3-1示：图3-1主电路图设计流程图协调控制及无功计算的设计SVC为TSC投切数量和TCR投切判断角进行动作。当TSC的电气损耗随着电容器的变化而逐个发生变化，即TSC通过触发脉冲进行投切或退出的通断控制，使TSC进行动作。TCR是在TSC分组退出或投入之后作出细微调节，通过改变晶闸管的控制角α，当脉冲触发相角α是90°时导通。如图3-2示，SVC的协调控制设计。根据测得的SVC输出无功功率Qsvc的标幺值计算代表线路压降的标幺值，得到实际测得电压，滤波器作用滤除由TCR产生的谐波，用参考电压减去实际测得电压电压，通过PI校正环节，得到SVC输出无功的指令。如图3-3所示，SVC无功指令计算电路。图3-2电路中SVC的协调控制设计图3-3无功指令电路TCR+TSC型SVC的计算SVC的主要参数设置为：总TCR无功容量100Mvar，总TSC无功容量167Mvar，共分2级。SVC变压器电压为120kV/12.65kV，总正序漏抗0.17p.u。交流系统电压125kV。TSC+TCR元件根据输出的无功指令计算TCR电抗的电纳标幺值和根据参考信号计算得到TCR应当输出的参考电纳标幺值。其中，TCR电抗所涉及的该项数值，应当经由下述公式进行求解：3-1在上述公式中：TMVA主要代表SVC变压器的容量；Xt主要代表SVC变压器所表现出的正序漏抗。其中，对于TSC电容而言，其在每级的该项数值，应当经由下述公式进行求解：3-2其中：MTSC为TSC的总无功容量；N为TSC的总级数。TCR需输出的参考电纳标幺值的计算公式为:3-3其中=-5.883-4计算出TCR电抗的电纳标幺值BL（图中对应的信号Bind）和TCR需输出的参考电纳标幺值BTCR后，根据如下逻辑确定TSC的电容投切。若BTCR>0，则发出投入一级TSC电容的信号（高电平）Cap_on。若BTCR<BL（对应于XTCR<XL），则发出切除一级TSC电容的信号（高电平）Cap_off。这两个信号连同TSC当前已投入的电容组数信号NCAPS一起，送入TCR/TSC元件，产生TSC电容投切信号Capsw（1表示投入一级，-1表示切除一级）。对BTCR信号进行标幺化处理（基值为BL），根据该标幺值通过下式计算TCR的触发角：3-5也可写为3-6上式中的ɑ为电压峰值至TCR晶闸管触发时刻的角度，而PSCAD中则以电压过零为计算触发角的起始点，因此需将计算出的角度加上90°。 4基于PSCAD的仿真结果分析基于PSCAD的仿真及结果分析PSCAD简介对于PSCAD技术而言，其一般在企业、咨询机构以及军方等领域中进行应用，重点适用于规划、设计以及教学等多样化领域当中，详细如下：其中重点涵盖旋转电动机、调速器以及电缆等的事故研究。其次，涉及到继电保护配合方面。此外，还会针对变压器饱和情况所带来的实际影响进行研究。涉及到变压器以及避雷器等元件彼此之间的绝缘配合。具有电动机、架空输电线以及HVDC系统网络的次同步谐振研究仿真模拟主电路通过PSCAD将图4-1设计的电路具体化，得到如图4-1仿真模拟主电路。图4-1仿真模型主电路SVC的TSC的电容投切信号csw及TCR触发角信号AORD是由SVC的控制电路产生，对于当前投切的电容器组数信号CAPS_ON则是由SVC元件输出至SVC控制电路。封锁或者解封信号KB控制SVC在仿真后0.4s投入，这个信号也会同时送至SVC的控制电路，以此达到需求。在PSCAD软件中的SVC如下图4-2，滤波器快速吸收SVC中因TCR而产生的谐波电流，TCR及TSC支路的控制元件都是晶闸管。由于相关器件能够良好控制TSC支路，故而其中的电容器将可表现为并联状态亦或为退出状态。图4-2PSCAD中的SVCSVC的主要参数设置为：总TCR无功容量100Mvar，总TSC无功容量167Mvar，共分2级。SVC变压器电压为120kV/12.65kV，总正序漏抗0.17p.u。交流系统电压125kV，SVC协调控制及无功计算的仿真无功指令计算电路仿真下图4-3为SVC输出无功指令的计算电路。模型中根据测得的SVC输出无功功率Qsvc的标幺值计算代表线路压降的标幺值（0.03Isvc），但实际测量得到的就是PCC点电压，故本仿真中将0.03改为0。即直图4-3SVC无功指令计算电路接对PCC点电压有效值进行滤波处理。用电压参考值Vref减去实际测得电压后，通过PI校正环节，得到SVC输出无功的指令。控制电路仿真图4-4为TSC电容投切控制及TCR触发角计算电路。图4-4SVC控制电路仿真结果分析根据上述仿真电路进行运行，得到下图所示的仿真波形结果。图4-5TCR触发角波形图4-6投入所需的TSC电容组数图4-7SVC端电压与PCC处参考电压如图，可得到1s内TCR，TSC及参考电压。（1）为TCR触发角波形；（2）为投入所需的TSC电容组数；（3）为SVC端电压与PCC处参考电压。在SVC封锁之前，由于电源点至PCC处线路上的无功损耗将会使PCC点电压低于1pu（120kV基准值）SVC的TCR触发角一直保持为180°，不投入TSC。当解除SVC封锁后，将会迅速连续的投入2级TSC电容，PCC处电压上升。在TCR触发角达到90°限制后，根据需求将切除了一级TSC电容，TCR触发角自动调节使得PCC电压达到1.0pu。在1.0后投入电阻，PCC电压将下降，TCR触发角增大，继续维持PCC电压为1.0pu。由于此时触发角未达到180°限制，不会增加投入一级TSC电容器，维持在1.0pu基准。下图为SVC持续运行时TSC，TCR，无功功率及参考电压的运行状态。在系统电压失去稳定的时候，TSC与TCR协调配合，迅速提供电压支撑，使PCC电压保持接近于1pu。图4-8静止无功补偿的无功功率Q_SVC和参考无功功率Q_SVC_ref图4-9静止无功补偿器的有效电压和系统输入参考电压图4-10TCR触发角及TSC投切总结总结静止无功补偿器拥有更好的调节无功能力，因此可以快速改变已发出的无功功率，为电力系统提供动态无功电源及调节系统电压。可以快速的、平滑调节感性或容性的无功功率，达到动态补偿。因此，其在输电系统、工艺网系统及经济负荷中心里广泛采用。当SVC在输电系统中，可针对系统所表现出的无功功率的变化，进行有效抑制，从而持续优化系统所表现出的暂态稳定性；与此同时，还能针对由于空载效而出现的过电压现象，进行行之有效的控制，从而有效增强线路输出有功功率的能力并且维持输电线的电压基本保持不变。值得一提的是，若处在工业系统内部，则SVC还能持续优化负荷功率因数，从而有效平衡系统电压，