基于PSCAD TCR+TSC混合型SVC的設(shè)計與仿真 電氣工程及其自動化專業(yè)

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1、 基于PSCAD TCR+TSC混合型SVC的設(shè)計與仿真 設(shè)計說明 隨著家用電及工業(yè)網(wǎng)負荷的增加，造成電壓和電流波形畸變、引起功率因數(shù)降低、因此電能損耗增大等問題日益突出。為了解決這個問題，設(shè)計一種TSC+TCR混合型SVC是針對無功補償和諧波抑制是及有效的方式。 基于針對若干單獨型SVC在工作過程中的基本原理，進行相對深入的細致分析，并深入比較后，可基于現(xiàn)有的實際需求，針對TCR+TSC型SVC在工作過程中的基本原理，進行科學合理的綜合研究，如其電壓電流特性，協(xié)調(diào)控制原理，運行特性和損耗特性。因為TCR的原因，同時會產(chǎn)生諧波，因此需要添加濾波器來對諧波進行處理。根據(jù)需求再

2、制定設(shè)計方案，完成主電路及控制系統(tǒng)設(shè)計和主要參數(shù)設(shè)定。最后，用PSCAD軟件建立了該SVC模型通過運行得到TCR觸發(fā)角，TSC投切情況及PCC端電壓得到仿真圖，可看到電壓在波動時，SVC進行動作以滿足電網(wǎng)需求。 關(guān)鍵詞：無功補償；TCR+TSC型SVC；PSCAD仿真 1 緒論 DESIGN DESCRIPTION With the increase of household electricity and industrial network load, problems such as distortion of voltage and current waveform

3、s, reduction of power factor, and thus increase of power loss become increasingly prominent. Reactive power compensation and harmonic suppression are effective measures to solve such problems, so a TSC+TCR hybrid SVC is designed. Through analyzing the principle of each individual SVC and comparing

4、the characteristics, the principle of TCR+TSC SVC is studied according to the requirements, such as its voltage and current characteristics, coordination control principle, operation characteristics and loss characteristics. Because of TCR, harmonics will be generated at the same time, so filters ne

5、ed to be added to process the harmonics. According to the requirements, the design scheme is worked out again to complete the design of main circuit and control system and the setting of main parameters. Finally, PSCAD software is used to establish the SVC model. TCR trigger angle is obtained throug

6、h operation, TSC switching and PCC terminal voltage are simulated. It can be seen that SVC operates to meet the demand of power grid when voltage fluctuates. Key words: Reactive power compensation; TCR+TSC SVC；; PSCAD simulation  目錄 1 緒論 1 1.1 研究目的及意義 1 1.2 SVC國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.3 目前無功補償?shù)牟蛔闩c發(fā)

7、展措施 2 1.4 本設(shè)計的內(nèi)容及方法 2 2 靜止無功補償器原理 4 2.1 SVC概述 4 2.2 特性比較 8 2.3 TCR+TSC型SVC的基本原理 9 2.3.1 SVC的電壓電流特性 10 2.3.2 TSC-TCR型SVC的協(xié)調(diào)控制原理 11 2.3.3 TSC-TCR的運行特性 12 2.3.4 SVC運行時的損耗特性 13 2.3.5 諧波分析與抑制 14 2.4 LC濾波器 15 3 TSC+TCR型SVC的設(shè)計 17 3.1 TCR+TSC型SVC的設(shè)計 17 3.1.1 主電路的設(shè)計 17 3.1.2 協(xié)調(diào)控制及無功計算的設(shè)計 17 3

8、.2 TCR+TSC型SVC的計算 19 4 基于PSCAD的仿真及結(jié)果分析 21 4.1 PSCAD簡介 21 4.2 仿真模擬主電路 21 4.3 SVC協(xié)調(diào)控制及無功計算的仿真 22 4.3.1 無功指令計算電路仿真 22 4.3.2 控制電路仿真 23 4.4 仿真結(jié)果分析 23 總結(jié) 26 參考文獻 27 致謝 28  1 緒論 1.1 研究目的及意義 在近些年來，經(jīng)濟發(fā)展區(qū)域的快速發(fā)展容易形成非常大的負載，因此有些負載中心更需要大型電力支持，而且電網(wǎng)電壓崩潰也更容易形成。與此同時，現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展增設(shè)了新的電氣設(shè)備，大量非線性負載的使用也對電網(wǎng)的

9、質(zhì)量造成不同程度的危害。例如無功功率變化大、cos低等。為了解決這個問題，設(shè)計一種TSC+TCR混合型SVC是針對無功補償和諧波抑制是及有效的方式。此外，大型電源的電源外部傳輸可能會加劇某些傳輸截面的流量。接近或超過穩(wěn)定限制可能導致無功補償設(shè)備在電網(wǎng)中設(shè)置為原始工作方式的容量不足和電壓不確定性，由此更能凸顯出SVC的無功補償作用。 電網(wǎng)電壓通常由發(fā)電機無功輸出等一系列因素所決定。SVC等動態(tài)無功補償策略已成為改善網(wǎng)絡(luò)電壓調(diào)整和改善網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定電壓和干擾后瞬態(tài)數(shù)量的主要選擇。TSC+TCR類型的SVC是對無功補償裝置的連續(xù)監(jiān)控，有助于快速改變諧波量和快速響應(yīng)速度，并提供動態(tài)電壓。 1.2 SVC

10、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在國際上，日本、德國、美國等國家也都開發(fā)出了與各自系統(tǒng)相配合的SVC裝置，并成功并網(wǎng)運行。為了提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，提高站內(nèi)穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)能力，防止由于負荷停轉(zhuǎn)造成的電壓崩潰于2006年完成南加州SVC工程，安該項目處于洛杉磯東部100英里的500kV Devers站，由SVC和MSC構(gòu)成，容量達到：-100（感性）~495Mvar（容性），動態(tài)容量和短時容量（1小時）：-100~605Mvar。是世界上容量最大的SVS工程之一。 1982年，墨西哥境內(nèi)的emascal 400kV變電站，正式引入性能優(yōu)良的SVC裝置，從而促進水電站的建設(shè)，為國家贏得相對可觀的經(jīng)濟收益。其主城區(qū)

11、系統(tǒng)所涉及的SVC主電路，重點涵蓋4臺TCR以及相應(yīng)的4臺TSC，并且單臺所表現(xiàn)出的容量全部為75Mvar。正是由于此類配置，故而設(shè)備輸出無功盡數(shù)處于-300Mvar~+300Mvar的浮動范圍當中。由此得知，整體可調(diào)容量表現(xiàn)為600Mvar。與此同時，對于此類SVC而言，其還同時安裝9個累計容量為490Mvar的某特定機械投切電抗器，該設(shè)備所表現(xiàn)出的無功容量大約處于1066Mvar左右。值得一提的是，當已經(jīng)成功安裝SVC時，此條線路可承載的有功傳輸容量，甚至高達200MW，表現(xiàn)尤其良好。直至今日，全球累計含有400套SVC，其中工業(yè)領(lǐng)域通常運用整體容量為25Gvar的SVC，旨在將其應(yīng)用于輸

12、配電系統(tǒng)等當中。[8] 對于中國而言，其在現(xiàn)今已經(jīng)于四川省500kV洪溝變電站等三大地域，依次安裝的SVC裝置。目前，四川中部已形成了500kV三角形主干網(wǎng)線，并借助于3回500kV以及相應(yīng)的5回220kV輸電線路作用，成功和重慶電網(wǎng)彼此之間保持緊密連接，并且借助于三萬500kV等線路的作用，源源不斷將電力輸送至中國的華中地域。對SVC進行接入四川重慶電網(wǎng)的可行性分析及其計算，實現(xiàn)SVC大熔爐里設(shè)備應(yīng)用在500千伏電網(wǎng)中的系統(tǒng)設(shè)計；通過詳細的模擬分析和計算，設(shè)計和開發(fā)閥門對大功率電氣設(shè)備張力的模擬模型，以幫助關(guān)閉串級和閉式水冷多任務(wù)的有機協(xié)調(diào)控制，如無功電流、電壓、電源、自適應(yīng)和監(jiān)控SVC設(shè)

13、備。安裝兩臺SVC設(shè)備，可有效提高川渝段的流量能力，增強臨時網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和正確的還原特性。[8] 1.3 目前無功補償?shù)牟蛔闩c發(fā)展措施 現(xiàn)如今，全球僅存在德國SIMENS、瑞士ABB以及日本FUJI等西方發(fā)達國家的高端前沿企業(yè)，已經(jīng)成功掌握此類技術(shù)的精髓。[9] 中國現(xiàn)有的無功補償系統(tǒng)有靜補裝置和電容器組成，其中引進的十余套SVC裝置，安裝與500kV變電站及幾個大型的金企業(yè)。我國經(jīng)過多年的學習與研究，也為不同場合開發(fā)了各種動態(tài)無功補償裝置，但功能和實用性等方面仍不夠全面。 (1) 多年來，于0.4千伏到10千伏電網(wǎng)中推行的動態(tài)補償，實質(zhì)是晶閘管投切電容器，平滑調(diào)節(jié)和實時性仍然會比較

14、差。 (2) 采用單片機和可編程控制器設(shè)計的無功補償設(shè)備難以滿足快速響應(yīng)和復雜控制算法的要求，因為計算速度慢，導致當前的電力系統(tǒng)不能很好地滿足高級精確測量。 1.4 本設(shè)計的內(nèi)容及方法 通過查詢大量SVC和PSCAD軟件的參考文獻及資料，熟悉設(shè)計內(nèi)容，制定設(shè)計方案，完成主電路及控制系統(tǒng)設(shè)計和主要參數(shù)設(shè)定。對整個系統(tǒng)進行設(shè)計，并使用計算機輔助設(shè)計軟件PSCAD進行仿真和測試?？梢杂貌ㄐ物@示出無功功率變化特性。 (1) 模擬法：用電磁PSCAD設(shè)計一種TCR+TSC 混合型系統(tǒng)接線圖，研究出以模型以及原型彼此之間所表現(xiàn)出的相似關(guān)系為基礎(chǔ)，而積極構(gòu)建出的方法，來模擬項目實踐中的效果。 (2

15、) 實證研究法：為PSCAD系統(tǒng)中各個元件設(shè)點需求參數(shù)，以活動的原因和原因關(guān)系如過濾器、參數(shù)點等活動為基礎(chǔ)來確定觀察、記錄、測量現(xiàn)象的變化。 (3) 文獻研究法：在圖書館查閱大量基于PSCAD混合型SVC 的文獻資料，了解SVC的的歷史和現(xiàn)狀，幫助理解研究課題，比較實際數(shù)據(jù)和發(fā)展，從而掌握SVC在未來一段時期的發(fā)展趨勢和前進目標。 5 2 靜止無功補償器原理 2 靜止無功補償器原理 2.1 SVC概述 通常情況下，對于靜止無功補償器而言，當其處于靜止狀態(tài)時，實則即可看作為某特定的相對旋轉(zhuǎn)設(shè)備，而其相對是與發(fā)電機及調(diào)相機等設(shè)備來定義。靜止無功補償器能快速改變無功功率消耗，對電

16、力系統(tǒng)所涉及的動態(tài)供電過程，給予充足的無功調(diào)節(jié)能力。假設(shè)系統(tǒng)的實際電壓并不高，并且需要承載過高的負荷，則在此情況下，應(yīng)當保持容性無功運行；也承認是，假設(shè)系統(tǒng)的實際電壓很高，那么輕負載感性無功電流將在一定范圍內(nèi)進行補償。靜止無功補償器可經(jīng)過動態(tài)調(diào)節(jié)無功功率來抑制沖擊負荷引起電網(wǎng)電壓波動的不穩(wěn)定狀態(tài)。 SVC所含有的基礎(chǔ)特征詳細如下： 1　 由于并未設(shè)置旋轉(zhuǎn)部件，故而便于進行維護。 2　 可以控制尤為顯著的響應(yīng)速度。 3　 能夠進行按相控制。 4　 無需耗費過高的損耗。 5　 表現(xiàn)出相對良好的可靠性。 6　 不會對系統(tǒng)所含有的短路容量，產(chǎn)生一定程度的影響。 7　 當同時存在TSC以

17、及TCR的情況下，SVC將會形成相應(yīng)的諧波。 2.1.1 飽和電抗器型（SR）的SVC SR型補償器該系統(tǒng)內(nèi)置張力控制，可直接對末端電壓的變化進行響應(yīng)反饋且無需遙控器或晶體管開關(guān)來調(diào)節(jié)電壓。SR型補償器使用的是鐵心結(jié)構(gòu)，因此其內(nèi)部過電流可承受容量為3-4pu。使得對短時的過電壓控制非常契合。即便如此，SR的過負荷能力，也會受到來源于斜率校正電容器的種種局限。一旦出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，火花間隙將不得不放棄自身的電壓調(diào)節(jié)功能，轉(zhuǎn)而針對電容器進行精準的校正。值得一提的是，某特定的商用SVC，并未配備斜率校正電容器，然而卻表現(xiàn)出尤其迅猛的實際速度。除此之外，斜率校正電容器實則并非表現(xiàn)出尤為顯著的響應(yīng)速度

18、，通常情況下，響應(yīng)時間將位于1.5周期至2周期的區(qū)間當中。 2.1.2 晶閘管控制電抗器型（TSC）的SVC 一般情況下，單相TCR在工作過程中的基本結(jié)構(gòu)示意圖，詳見圖2-1。其重點涵蓋固定電抗器以及相應(yīng)的雙面?zhèn)鲗чy，兩者通過串聯(lián)組成回路?，F(xiàn)如今，關(guān)閉閥門所需的電壓一般維持在3-10kV，電流維持在3-6kA。當進行實際應(yīng)用的情況下，往往會將若干閥門之間進行串聯(lián)，以此來切實滿足電相TCR所需滿足的容量需求，以及相應(yīng)的電壓需求。值得一提的是，串聯(lián)閥門必須在同一時間內(nèi)，進行觸發(fā)導通，然而，一旦處于電流過零的情況下，將會自動阻斷。 圖2-1 TCR基本結(jié)構(gòu)示意圖 對于TCR而言，其在實際

19、運行的過程當中，當電壓處于峰值點至到零點的范圍中，即每個周期的最后正負半周四分之一，觸發(fā)并執(zhí)行低于零的晶體管，電抗器此時進入導通。一般使用觸發(fā)延時角ɑ表示閥門的的激活時間，它決定了反應(yīng)器中從電壓峰值到激活時間的有效電流值。 TCR旨在基于TSC分組投入亦或為退出的情況下，據(jù)此進行略微的調(diào)整。對于TCR而言，其中尤為關(guān)鍵的部分即為和雙向晶閘管保持串聯(lián)的某特定電抗器。值得一提的是，導通角θ和TCR當中流經(jīng)的電流，將能基于晶閘管所表現(xiàn)的控制角α，進行相應(yīng)的調(diào)整。如果在電源電壓已經(jīng)到達峰值的情況下，晶閘管將會處于導通狀態(tài)。與此同時，當脈沖觸發(fā)相角α正好為垂直角的情況下，晶閘管將會處于完全導通狀態(tài)，在

20、此情況下，回路電流將完全相當于晶閘管在短路情況下所涉及的電流值，并且電流將近遲于電壓90°。在此期間，由于晶閘管以及相應(yīng)的電抗器，均產(chǎn)生有功損耗，故而將會造成些許同向分量的產(chǎn)生。此外，當ɑ處于90°~180°的情況下，晶閘管將會處于部分導通狀態(tài)，此時，若i<90°，則需要遵循下述公式進行計算： 2-1 在上述公式中，U--TCR主要代表端電壓交流的有效值； -旨在代表電抗器所表現(xiàn)出的基頻電抗，; Α-旨在代表晶閘管導通角； 通過借助于傅里葉級數(shù)來進行推導，可獲得i所含有的基頻分量如下：

21、 2-2 故而回路基頻電流實則由ɑ的調(diào)整來決定。對于基波來說，可以通過用作受控電網(wǎng)的晶體管電阻來控制，其中等效的控制角度值ɑ與電納值的關(guān)系為： 2-3 控制角α必須處于0°- 180°的區(qū)間當中才能有效調(diào)節(jié)。通過公式2-3，將能獲得垂直角時，等效電納值的極大值：=。此外，還能獲得180°角時，等效電納值的極小值：= 0。其和輸出導納之間的關(guān)系曲線，詳見圖2-2。 圖2-2 輸出導納特性圖 2.1.3 晶閘管投切電容器型（TSC）的SVC 通常情況下，尤為典型的單相TSC，重點涵

22、蓋電容器以及雙面導軌等基本元件。其原理結(jié)構(gòu)圖為圖2-3，限流電抗器的作用是因為錯誤操作而限制晶閘管產(chǎn)生峰值電流，而這種誤操作是由于錯誤操作在不準確的時間導致電容器進行投入。同時防止電容器和限流電抗器使交換系統(tǒng)的電阻在一定頻率上發(fā)生參數(shù)匹配。 圖2-3 TSC原理結(jié)構(gòu)圖 TSC有兩種活動狀態(tài)，即中斷和進入狀態(tài)。，雙向晶閘管（或反并聯(lián)晶閘管）之一在啟用狀態(tài)時工作，電容器起作用，TSC給出無功功率的容量；在中斷時，雙向晶閘管（或反并聯(lián)晶閘管）被阻塞，TSC支路不起作用，也不會產(chǎn)生更多的無功功率。 2.1.4 晶閘管控制的高阻抗變壓器型（TCT）的SVC 此類SVC旨在借助于高阻抗變壓

23、器的作用，來替換傳統(tǒng)的電抗器，使其自身和反并聯(lián)晶閘管之間進行串聯(lián)，詳見圖2-4。在這之中，高阻抗變壓器所表現(xiàn)出的漏抗，一般處于33%~100%的范圍內(nèi)。若將其作為高壓電網(wǎng)的元件，則為切實滿足較為嚴苛的絕緣要求，其通常會借助于星形-三角形的組合形狀來進行聯(lián)結(jié)，以此來保持良好的獨立性。 圖2-4 TCT原理結(jié)構(gòu)圖 從本質(zhì)上而言，此類裝置即將以往TCR內(nèi)部的電抗器，與某特定的耦合變壓器之間進行相連，從而實現(xiàn)良好應(yīng)用。它基本上像TCR一樣工作，需要固定電容器支路來提供容性無功功率，同時兼作于濾波器，因為高阻抗變壓器的次級電壓非常低。由于在單個晶閘管器件的工作電壓下，因門級電路及主電路的

24、安裝簡便，且這些器件的成本平均低于同容量的TCR，因此廣泛應(yīng)用于中型和小型SVC中。 2.2 特性比較 將上述四種分立式SVC的特征進行概括，總結(jié)成表2-1。在實際情況的應(yīng)用中，單一SVC并不能滿足無功補償各方面的需求，因此需將他們之間結(jié)合成一種混合型SVC進行使用。例如：MSC-TCR型SVC;FC-TCR型SVC，TSC-TCR型SVC。 表2-1 分立式SVC的特性比較 性能 SR TCR TCT TSC 無功輸出 連續(xù) 連續(xù) 連續(xù) 分級 響應(yīng)時間/ms 約10 約10 約10 約10~20 分相調(diào)節(jié) 不可 可以 可以 有限 自身諧波含

25、量 小 有 有 無 噪聲 大 小 大 小 損耗 較大 中 較好 小 控制的靈活特性 差 好 好 好 限制過電壓能力 很好 中等 中等 無 運行維護 簡單 復雜 較復雜 復雜 31 2.3 TCR+TSC型SVC的基本原理 TCR+TSC型SVC是通過TCR做感性無功相控細調(diào)，以及通過容性無功分級粗調(diào)，來實現(xiàn)穩(wěn)定不間斷的無功調(diào)節(jié)。事實上，此類補償器能夠賦予設(shè)備極為迅猛的響應(yīng)速度，以及高質(zhì)量的低諧波，使得無功效果可以被快速修改，存在較強的無功調(diào)節(jié)能力迅速提供動態(tài)無功補償，提供動態(tài)電壓支持，以便更快地恢復臨時電壓和穩(wěn)定的系統(tǒng)

26、電平。 詳見圖2-5，一般情況下，TSC+TCR補償器主要涵蓋n個TSC單元，此外還涉及到單個TCR，將兩者之間進行并聯(lián)即可形成。通常情況下，TCR容量僅為1/n的SVC容量。正因如此，電容器才能實現(xiàn)分級投切，并達到良好的調(diào)節(jié)效果。 圖2-5 TSC+TCR型SVC裝置基本示意圖 此類SVC研發(fā)的根本因素，在于切實降低研發(fā)穩(wěn)態(tài)運情況下，所造成的不必要損耗，并有效提高補償器在受到大擾動的情況下，還可保持運行靈活性的能力。 一旦電壓急劇震蕩，并且放棄負荷的情況下，將會出現(xiàn)的最壞結(jié)果是諧振共振。在這種情況下，TSC+TCR型SVC可快速移除補償器的所有

27、電容器，以防止共振。在TCR和TSC的配合中，若系統(tǒng)中投入電容后欠補償，這時再次投切電容，可能會產(chǎn)生兩周情況。一為恰好補償?shù)轿唬樯晕⒁稽c過補償。當稍微一點過補償時，此時微調(diào)節(jié)TCR，補償狀態(tài)將達到恰好。 2.3.1 SVC的電壓電流特性 圖2-6為系統(tǒng)與TSC+TCR的電壓-無功功率(電流) V-Q(I)特性曲線。 圖2-6 SVC與電力系統(tǒng)電壓電流特性曲線圖 圖3-2中折線CABD為TSC+TCR的V-Q特性曲線，在這之中，補償器所涉及的正常運行范圍，即為A-B段。斜率Xr通常設(shè)定為0.02～0.05。而系統(tǒng)端口所表現(xiàn)出的網(wǎng)絡(luò)特性，則將通過斜線1以及斜線2的形式呈

28、現(xiàn)出來。其中，斜線1主要代表電源和負荷彼此之間，所存在的無功功率平衡現(xiàn)象。而斜線2則主要代表負荷需求遠遠及不上電源所持續(xù)輸出的無功功率。斜線2所涉及的基本公式如下： 2-4 經(jīng)由上述公式，將可求解得知電壓控制目標ΔV，詳細如下： Δ 2-5 通過設(shè)計出性能優(yōu)良的電壓調(diào)整器，將可使得上式左右兩邊相等，以此來規(guī)避擾動條件的影響。 2.3.2 TSC-TCR型SVC的協(xié)調(diào)控制原理 投入或切除TSC，通過調(diào)控容性補償電流IC的值。對TCR進行相控，可連續(xù)控制感性電流IL的大小，以此連續(xù)調(diào)控整

29、個SVC向電網(wǎng)輸出的等效的感性補償電流的性質(zhì)和大小。若數(shù)值IC>IL時，ISVC為向電網(wǎng)輸出感性的補償電流；當丨IL丨>丨IC丨時，ISVC為負值，即從電網(wǎng)向補償器輸入感性電流。若負載感性無功電流為感性IF，要補償感性負載電流，需使補償器總的等效輸出補償電流ISVC為感性，用以補償負載感性電流IF。根據(jù)實際運行時負載感性無功電流IF的大小和系統(tǒng)運行對輸電線末端感性無功電流的要求值IQ，可以得到所需的總的等效感性輸出補償電流ISVCref。 ISVCref（感性）=IF（感性）-IQ（感性），適當?shù)倪x定TSC的投入或切除的數(shù)目，即投入或切除MSC，TSC中的一個或幾個，再同時調(diào)控T

30、CR的觸發(fā)延遲角，連續(xù)調(diào)控IL的大小，即可連續(xù)調(diào)控總的補償電流ISVC跟蹤指令值ISVCref，并且在達到穩(wěn)態(tài)時ISVC=ISVCref=IF-IQ。如果負載的等效無功電流IF已是容性電流，則應(yīng)斷開MSC，關(guān)斷TSC，僅調(diào)控TCR的IL，使IL與IhC的差值跟蹤指令電流ISVCref。 根據(jù)無功負載電流IF和要求的線路無功IQref，確定補償指令I(lǐng)SVCref的大小和性質(zhì)（容性還是感性），計算投入幾個TSC，以及TCR的延遲觸發(fā)角ɑ。為了使投入TSC使暫態(tài)過程盡量短，沖擊電流小，電容電壓震蕩小，檢測TSC中晶閘管兩端電壓VT，使VT=vs-VC0=0使觸發(fā)晶閘管；對TCR的觸發(fā)延遲角ɑ的控制

31、也應(yīng)采取措施防止誤觸發(fā)。 此類SVC所涉及的控制系統(tǒng)，表現(xiàn)出的基本原理示意圖，詳見圖2-7。整體而言，其涵蓋下述基本功能。 1　 基于應(yīng)當滿足的補償無功電流決定值，可針對性選擇恰當適宜的TSC支路數(shù)量以及TCR支路數(shù)量。 2　 對于某些處于控制投入狀態(tài)的TSC而言，其所表現(xiàn)出的暫態(tài)過渡最不顯著。一旦輸入電壓已經(jīng)滿足極大值，則電容所表現(xiàn)的正剩余壓力將遠遠不及該值，從而使得晶閘管保持在導通狀態(tài)，有效縮短過渡過程。 3　 當針對TCR所表現(xiàn)出的觸發(fā)延遲角，進行恰當適宜的調(diào)整，可以和由于TSC投入而出現(xiàn)的部分冗余容量無功功率，進行互相抵消，以此來滿足設(shè)點值。 圖2-7 TSC+TCR 組

32、合無功補償裝置的協(xié)調(diào)控制原理 2.3.3 TSC-TCR的運行特性 由于涉及到晶閘管的控制問題以及后期維護問題，故而TSC組數(shù)需要秉持簡潔的基本準則。通常情況下，電容器所表現(xiàn)出的并聯(lián)組數(shù)，僅需達到3-4組即可。 其中，極限發(fā)出電納公式如下： 2-6 式2-6中，Bɑ是變壓器的電納；是三組電容器之和。 此外，極限吸收電納公式如下： 2-7 在上述公式中，BL旨在代表TCR支路當存在的電納。 一旦在TSC已經(jīng)正式投入至系統(tǒng)的情況下，

33、需要向其注入如下無功功率： 2-8 在此過程中，TCR型SVC可以自系統(tǒng)當中獲得的無功功率，詳細如下： 2-9 通過上述兩個公式，將可得知TSC+TCR型SVC，可以賦予系統(tǒng)的無功功率，詳細如下： 2-10 當進行取值的過程中，正因上述過程所涉及的無功功率，得以保持穩(wěn)定不間斷的基本特性，故而一旦系統(tǒng)電壓不可控，則將相對于恒定的電抗。 2.3.4 SVC運行時的損耗特性 一般情況下，TSC+TCR型SVC，在實際運行的過程中，所表現(xiàn)出的損耗特性，詳見圖2-8。其中，TSC所

34、表現(xiàn)出的電氣損耗，通常取決于電容器容量的改變。而TCR旨在針對TSC所含有的過補部分，進行適當補償，并且其所表現(xiàn)出的電氣損耗，通常取決于導通角的調(diào)整。由此可知，SVC所表現(xiàn)出的電氣損耗實則蘊含一定的離散性質(zhì)，故而適用于投切電容器應(yīng)用較多的領(lǐng)域，可有效降低SVC的損耗。 圖2-8 TSC+TCR型SVC的損耗特性 2.3.5 諧波分析與抑制 對TCR的工作過程原理分析得出，當TCR的延遲觸發(fā)角不為0°，電抗器的電流波形圖將不在是正弦波。即TCR正常工作時，不可避免的引入諧

35、波電流。通過對TCR中諧波電流用傅里葉級數(shù)公式計算，如下式2-11，可得到第n次諧波與觸發(fā)角ɑ的關(guān)系為： ，n=2k+1，k=1,2,3，... 2-11 基波所含有的諧波電流，和觸發(fā)角ɑ彼此之間呈現(xiàn)出的實際關(guān)系曲線，詳見圖2-9。在此之中，I1旨在代表基波的電流幅值，并在ɑ=0°的情況下，達到極大值I1=1.0。 圖2-9 TCR電流諧波含量和觸發(fā)延遲角彼此之間的基本關(guān)系示意圖 經(jīng)由上圖可知，TCR出現(xiàn)的核心諧波為次諧波，其和若干觸發(fā)導通角，所呈現(xiàn)出的內(nèi)在關(guān)系，詳見表2-2。 在進行實際運行的過程中，由于TCR的作用，電網(wǎng)中將會存在一定數(shù)量特征諧波。在此情況下，

36、將能借助于下述基本方式加以緩解： (1) 多脈沖TCR 基于三角形的形狀，將任意三個單相TCR進行緊密相連，并且借助于6組觸發(fā)脈沖的作用，來針對晶閘管進行深入的精準控制。 (2) 調(diào)整并聯(lián)TCR的依次順序 基于多樣化需求，來投入相應(yīng)的容量，以此來促進n組TCR當中蘊含的n1組，盡數(shù)保持全導通狀態(tài)，與此同時，n2組盡數(shù)保持全關(guān)斷狀態(tài)，由此可知，n1+n2=n-1。故而當且僅當只存在某特定的觸發(fā)延遲角，基于當中可不間斷控制。 （3） 并聯(lián)濾波器 2.4 LC濾波器 通常采用LC無源濾波器，針對相應(yīng)的諧波電流進行有效緩解，并將其和諧波源進行并聯(lián)。 一般情況下，LC濾波器通常又被人們稱

37、之為無源濾波器，其主要涵蓋電感以及電阻等，其中所含的有效處理器，能夠有效預防諧波徑直進入系統(tǒng)資源當中。 2.4.1 LC濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié) 1　 失諧問題 對于任何電力系統(tǒng)而言，其在運行的過程當中，所涉及的頻率和額定值，均存在不可避免的偏差，究其根本，在于諧波頻率并非一致。在此情況下，假設(shè)系統(tǒng)和濾波器的頻率不完全一致時，濾波器所表現(xiàn)出的阻抗將自行設(shè)定為最小值，不利于發(fā)揮出其自身的效果。這就是所謂的濾波器偏差。 2　 并聯(lián)諧振問題 并聯(lián)諧振對諧振頻率下的諧波源具有高阻抗。從系統(tǒng)方面考慮，系統(tǒng)與濾波器發(fā)生諧振的幾率更大。由于系統(tǒng)阻抗很難精準衡量，故而通常借助于系統(tǒng)最大阻抗角的作用來進行描述

38、。 3　 無功補償問題 當n1次諧波表現(xiàn)為理想濾波的情況下，即存在=0，表現(xiàn)出一定阻性。 如果在n2>n1的情況下，則>0。表現(xiàn)為一定感性。 如果在n2<n1的情況下，則<0。表現(xiàn)為一定的容性。 由此將能進行相關(guān)計算，從而獲得基頻環(huán)境下的無功功率，詳細如下： 2-12 在計算的過程中，將能借助于已經(jīng)成功測量的Us以及IL，來求解獲得功角。如果其相對較大，即可針對電容值進行適當調(diào)節(jié)，以此來達到補償無功的效果。 4　 參數(shù)調(diào)節(jié)基本準則 通過上述公式，將能針對電容器所能達到的最大容量，進行細致計算：

39、 2-13 其次，確定L值以及R值： 2-14 濾波支路電阻為： 2-15 2-16 其中r為內(nèi)阻，Q為最優(yōu)調(diào)諧銳度。 3 TSC+TCR型SVC的設(shè)計 3 TSC+TCR型SVC的設(shè)計 3.1 TCR+TSC型SVC的設(shè)計 3.1.1 主電路的設(shè)計 通過任務(wù)書設(shè)計出一種可提供動態(tài)無功電源及調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓的SVC裝置電路圖，其有電壓源，濾波器，電阻，混合型SVC和負荷。如圖3-1示： 圖3-1 主電路圖設(shè)計流程圖

40、3.1.2 協(xié)調(diào)控制及無功計算的設(shè)計 SVC為TSC投切數(shù)量和TCR投切判斷角進行動作。當TSC的電氣損耗隨著電容器的變化而逐個發(fā)生變化，即TSC通過觸發(fā)脈沖進行投切或退出的通斷控制，使TSC進行動作。TCR是在TSC分組退出或投入之后作出細微調(diào)節(jié)，通過改變晶閘管的控制角α，當脈沖觸發(fā)相角α是90°時導通。如圖3-2示，SVC的協(xié)調(diào)控制設(shè)計。 根據(jù)測得的SVC輸出無功功率Qsvc的標幺值計算代表線路壓降的標幺值，得到實際測得電壓，濾波器作用濾除由TCR產(chǎn)生的諧波，用參考電壓減去實際測得電壓電壓，通過PI校正環(huán)節(jié)，得到SVC輸出無功的指令。如圖3-3所示，SVC無功指令計算電路。

41、 圖3-2 電路中SVC的協(xié)調(diào)控制設(shè)計 圖3-3 無功指令電路 3.2 TCR+TSC型SVC的計算 SVC的主要參數(shù)設(shè)置為：總TCR無功容量100Mvar，總TSC無功容量167Mvar，共分2級。SVC變壓器電壓為120kV/12.65kV，總正序漏抗0.17p.u。交流系統(tǒng)電壓125kV。 TSC+TCR元件根據(jù)輸出的無功指令計算TCR電抗的電納標幺值和根據(jù)參考信號計算得到TCR應(yīng)當輸出的參考電納標幺值。其中，TCR電抗所涉及的該項數(shù)值，應(yīng)當經(jīng)由下述公式進行求解： 3-1 在上述公式中：TMVA主要代表SVC變

42、壓器的容量；Xt主要代表SVC變壓器所表現(xiàn)出的正序漏抗。 其中，對于TSC電容而言，其在每級的該項數(shù)值，應(yīng)當經(jīng)由下述公式進行求解： 3-2 其中：MTSC為TSC的總無功容量；N為TSC的總級數(shù)。 TCR需輸出的參考電納標幺值的計算公式為: 3-3 其中 =-5.88 3-4 計算出TCR電抗的電納標幺值BL（圖中對應(yīng)的信號Bind）和TCR需輸出的參考電納標幺值BTCR后，根據(jù)如下邏輯確定TSC的電容投切。 若BTCR>0

43、，則發(fā)出投入一級TSC電容的信號（高電平）Cap_on。若BTCR<BL（對應(yīng)于XTCR<XL），則發(fā)出切除一級TSC電容的信號（高電平）Cap_off。這兩個信號連同TSC當前已投入的電容組數(shù)信號NCAPS一起，送入TCR/TSC元件，產(chǎn)生TSC電容投切信號Capsw（1表示投入一級，-1表示切除一級）。 對BTCR信號進行標幺化處理（基值為BL），根據(jù)該標幺值通過下式計算TCR的觸發(fā)角： 3-5 也可寫為 3-6 上式中的ɑ為電壓峰值至TCR晶閘管觸發(fā)時刻的角度，而PSCAD

44、中則以電壓過零為計算觸發(fā)角的起始點，因此需將計算出的角度加上90°。 4 基于PSCAD 的仿真結(jié)果分析 4 基于PSCAD的仿真及結(jié)果分析 4.1 PSCAD簡介 對于PSCAD技術(shù)而言，其一般在企業(yè)、咨詢機構(gòu)以及軍方等領(lǐng)域中進行應(yīng)用，重點適用于規(guī)劃、設(shè)計以及教學等多樣化領(lǐng)域當中，詳細如下： 1　 其中重點涵蓋旋轉(zhuǎn)電動機、調(diào)速器以及電纜等的事故研究。 2　 其次，涉及到繼電保護配合方面。 3　 此外，還會針對變壓器飽和情況所帶來的實際影響進行研究。 4　 涉及到變壓器以及避雷器等元件彼此之間的絕緣配合。 5　 具有電動機、架空輸電線以及HVDC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的

45、次同步諧振研究 4.2 仿真模擬主電路 通過PSCAD將圖4-1設(shè)計的電路具體化，得到如圖4-1仿真模擬主電路。 圖4-1 仿真模型主電路 SVC的TSC的電容投切信號csw及TCR觸發(fā)角信號AORD是由SVC的控制電路產(chǎn)生，對于當前投切的電容器組數(shù)信號CAPS_ON則是由SVC元件輸出至SVC控制電路。封鎖或者解封信號KB控制SVC在仿真后0.4s投入，這個信號也會同時送至SVC的控制電路，以此達到需求。 在PSCAD軟件中的SVC如下圖4-2，濾波器快速吸收SVC中因TCR而產(chǎn)生的諧波電流，TCR及TSC支路的控制元件都是晶閘管。由于相關(guān)器件能夠良好控制TSC支路，故而其中的

46、電容器將可表現(xiàn)為并聯(lián)狀態(tài)亦或為退出狀態(tài)。 圖4-2 PSCAD中的SVC SVC的主要參數(shù)設(shè)置為：總TCR無功容量100Mvar，總TSC無功容量167Mvar，共分2級。SVC變壓器電壓為120kV/12.65kV，總正序漏抗0.17p.u。交流系統(tǒng)電壓125kV， 4.3 SVC協(xié)調(diào)控制及無功計算的仿真 4.3.1 無功指令計算電路仿真 下圖4-3為SVC輸出無功指令的計算電路。 模型中根據(jù)測得的SVC輸出無功功率Qsvc的標幺值計算代表線路壓降的標幺值（0.03Isvc），但實際測量得到的就是PCC點電壓，故本仿真中將0.03改為0。即直 圖4-3 SVC無功指令計算電路

47、 接對PCC點電壓有效值進行濾波處理。用電壓參考值Vref減去實際測得電壓后，通過PI校正環(huán)節(jié)，得到SVC輸出無功的指令。 4.3.2 控制電路仿真 圖4-4為TSC電容投切控制及TCR觸發(fā)角計算電路。 圖4-4 SVC控制電路 4.4 仿真結(jié)果分析 根據(jù)上述仿真電路進行運行，得到下圖所示的仿真波形結(jié)果。 圖4-5 TCR觸發(fā)角波形 圖4-6 投入所需的TSC電容組數(shù) 圖4-7 SVC端電壓與PCC處參考電壓 如圖，可得到1s內(nèi)TCR，TSC及參考電壓。（1）為TCR觸發(fā)角波形；（2）為投入所需的TSC電容組數(shù)；（3）為 SVC端電壓與PCC處參考

48、電壓。 在SVC封鎖之前，由于電源點至PCC處線路上的無功損耗將會使PCC點電壓低于1pu（120kV基準值）SVC的TCR觸發(fā)角一直保持為180°，不投入TSC。當解除SVC封鎖后，將會迅速連續(xù)的投入2級TSC電容，PCC處電壓上升。在TCR觸發(fā)角達到90°限制后，根據(jù)需求將切除了一級TSC電容，TCR觸發(fā)角自動調(diào)節(jié)使得PCC電壓達到1.0pu。在1.0后投入電阻，PCC電壓將下降，TCR觸發(fā)角增大，繼續(xù)維持PCC電壓為1.0pu。由于此時觸發(fā)角未達到180°限制，不會增加投入一級TSC電容器，維持在1.0pu基準。 下圖為SVC持續(xù)運行時TSC，TCR，無

49、功功率及參考電壓的運行狀態(tài)。 在系統(tǒng)電壓失去穩(wěn)定的時候，TSC與TCR協(xié)調(diào)配合，迅速提供電壓支撐，使PCC電壓保持接近于1pu。 圖4-8 靜止無功補償?shù)臒o功功率Q_SVC和參考無功功率Q_SVC_ref 圖4-9 靜止無功補償器的有效電壓和系統(tǒng)輸入?yún)⒖茧妷? 圖4-10 TCR觸發(fā)角及TSC投切 總結(jié) 總結(jié) 靜止無功補償器擁有更好的調(diào)節(jié)無功能力，因此可以快速改變已發(fā)出的無功功率，為電力系統(tǒng)提供動態(tài)無功電源及調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓?？梢钥焖俚?、平滑調(diào)節(jié)感性或容性的無功功率，達到動態(tài)補償。因此，其在輸電系統(tǒng)、工藝網(wǎng)系統(tǒng)及經(jīng)濟負荷中心里廣泛采用。 當SVC在輸電系統(tǒng)中，可針對系統(tǒng)所表現(xiàn)出的無功

50、功率的變化，進行有效抑制，從而持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)所表現(xiàn)出的暫態(tài)穩(wěn)定性；與此同時，還能針對由于空載效而出現(xiàn)的過電壓現(xiàn)象，進行行之有效的控制，從而有效增強線路輸出有功功率的能力并且維持輸電線的電壓基本保持不變。值得一提的是，若處在工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部，則SVC還能持續(xù)優(yōu)化負荷功率因數(shù)，從而有效平衡系統(tǒng)電壓，盡可能降低不必要的無功功率損耗。 在本文中首先分析了各個單獨型SVC的原理，經(jīng)過特性比較，根據(jù)需求對TCR+TSC型SVC原理進行研究，如其電壓電流特性，協(xié)調(diào)控制原理，運行特性和損耗特性。因為TCR的原因，同時會產(chǎn)生諧波，因此需要添加濾波器來對諧波進行處理。最后，用PSCAD軟件建立了該SVC模型通過運行得

51、到TCR觸發(fā)角，TSC投切情況及PCC端電壓得到仿真圖，可看到電壓在波動時，SVC進行動作以滿足電網(wǎng)需求。 參考文獻 參考文獻 [1] Enrique Acha.柔性交流輸電系統(tǒng)在電網(wǎng)中的建模與仿真［D］.機械工業(yè)出版社，2011.6 [2] R.Mohan Mathur.基于晶閘管的柔性交流輸電控制裝置［D］.機械工業(yè)出版社，2005.2 [3] 謝小榮.柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用［D］.清華大學出版社，2014.2 [4] 王兆安.電力電子技術(shù)［M］.機械工業(yè)出版社，2009.5 [5] 樂健.PSCAD X4電路設(shè)計與仿真從入門到精通［J］.機械工業(yè)出版社，2015.8

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