SVC的无功补偿仿真研究

 摘要：无功补偿作为维持电网电压稳定，提高电力系统功率因数的有效手段，是当今电力研究领域的一个重要课题。本文首先介绍了FC+TCR型静止无功补偿器的结构与原理。然后，在分析无功补偿理论的基础上，利用PSCAD/EMTDC软件，搭建SVC的仿真模型并完成其仿真研究。通过仿真研究和分析，验证了FC+TCR型静止无功补偿器在无功补偿方面的良好效果和重要作用。
关键词：电力系统及其自动化；无功补偿；静止无功补偿器；FC+TCR；仿真
中图分类号: TM762

Simulation of reactive power compensation by SVC
WANG Tao, LIU Jinhua, YIN Zhongchao
（Tangshan power supply company，Tang Shan，063000）
Absract：As an effective method to maintain voltage stability and improve the power factor of power system, reactive power compensation is one of the most important issues in electrical study. This paper introduces the structure and principle of Static Var Compensator, type of FC+TCR. Then,with analyzing the theory of reactive power compensation, it sets up the model of SVC for simulation by PSCAD/EMTDC software, and completes the simulation of SVC. Through simulation and analysis, it verifies the good result and important effect of Static Var Compensator, type of FC+TCR, in reactive power compensation field.
Key words：electric power system and its automation; reactive power compensation; static var compensator; FC+TCR; simulation
0引言
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[1]。
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。另外，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，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，利用无功补偿技术来提高电网功率因数己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[2]。
1FC+TCR型SVC的结构与原理
1.1FC+TCR型SVC的基本结构
静止无功补偿器(SVC)，全称为静止型动态无功补偿装置，属于有源无功补偿器。静止无功补偿器的构成形式有多种，应用于电力系统的静止无功补偿器主要有三种类型，即自饱和型电抗器型（SR）、晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）。
如图1所示为单相TCR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。于是通过连续调节晶闸管的导通角，可实现整个TCR的等效电抗的连续可调，从而控制TCR所吸收的无功功率。

图1 单相TCR电路
Fig.1 Single-phase circuit of TCR
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。目前，在电力系统实际无功补偿过程中，使用最广泛的便是TCR+FC型静止无功补偿器。
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[3]。
本文中的SVC的结构模型如图2所示。

图2 FC+TCR的系统结构模型
Fig.2 Architecture model of FC+TCR
1.2FC+TCR型SVC的工作原理

图3 FC+TCR型SVC等效单相接线图
Fig.3 Single-phase equivalent  wiring diagram of FC+TCR type SVC
图3为FC+TCR型SVC等效单相接线图，其中：表示负载无功，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。由此可得稳态下系统无功和谐波电流平衡方程：
（1-1）
（1-2）
图3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次谐波电流和电压谐波总畸变率在国标限值以内。
对于可调电抗器部分而言，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。

2无功电流检测方法及SVC控制策略
2.1基于瞬时无功理论的无功电流检测
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[4,5,6]。
假设系统电压为：
（2-1）
负荷为线性阻抗时(即无谐波时) 负荷电流为：

（2-2）
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功电流和无功电流：
（2-3）
和是直流分量，分别为有功分量和无功分量。
由此得图4所示基于瞬时无功理论的无功电流实时检测原理图。其中，
； ；

图4 瞬时无功理论的无功电流实时检测原理图
Fig.4  Real-time detection of reactive current with instantaneous reactive power theory
如图4所示，将各相检测电流经转换和处理，即可得到所需的三相无功补偿指令电流信号。
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5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[7,8]。

图5 SVC的闭环控制规律结构图（AVR）
Fig.5 Structure closed-loop control law for SVC(AVR)
设AVR采用PI控制规律，则SVC电纳参考值由下式决定，即：
（2-4）
其中，，分别为比例和积分增益；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。
3FC+TCR型SVC的仿真分析
3.1三相TCR的仿真分析
3.1.1三相TCR仿真
建立的三角形联接的三相6脉波TCR仿真模型如图6所示。

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