基于瞬时无功功率理论的SVC的研究

发布时间：2016-04-21 08:45

1绪论

1.1课题研究背景与意义
近年来随着工业现代化的迅速发展,越来越多的非线性负荷和冲击性负荷应用到了工业生产上,这些负荷大量的并入到电网,造成电网的污染,使得电能质量的问题越发严重。而且当前许多基于微处理器的电力电子设备的应用也越来越多,这种设备对电能质量十分的敏感,要求电能有更高的品质⑴。电力系统中频繁出现的电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、三相不平衡、功率因数低等都是电能质量问题。其中,电压与功率因数的质量问题占整个电能质量问题的80%左右[2]。因此抑制电压波动和闪变、提高功率因数成为急需解决的问题。对系统与负荷的无功功率进行实时补偿以维持电压稳定和提高功率因数成为改善电能质量的重要措施之一。静止无功补偿装置(SVC)是一种技术成熟的无功补偿设备,随着国内电力电子技术的发展,国内也拥有了较为成熟的SVC成套设备的制造技术。作为一种改善电能质量的设备,SVC在电力系统中发挥着重要的作用。SVC通过快速和连续的对无功功率进行补偿,使三相负荷保持平衡状态,提高系统的功率因数,改善用户最关心的电压波动和闪变问题,提高了系统的电能质量。使用SVC对电力系统中的负载进行无功补偿己经得到了广泛的应用。这种方法在改善功率因数方面已经有了令人满意的结果,但是由于响应速度的原因,在抑制电压波动和闪变的问题上仍然不完美。影响响应速度的主要原因是信号检测的算法,而传统的算法检测到的电压电流信号含有较多的谐波会导致响应延时而且有误差。瞬时无功功率理论提出的对无功功率的瞬时检测的方法推动了无功补偿技术的发展[3],但是该理论在静止无功发生器(Static VarGenerator,简称SVG)和有源电力滤波器应用比较广泛,很少应用于SVC中。随着工业企业中冲击性负荷与不对称负荷造成的电压波动和闪变的问题越来越严重,需要从根本上解决这个问题。利用瞬时无功功率理论研究SVC的控制算法对抑制电压波动和闪变有很大的现实意义。
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1.2无功补偿的意义
无功功率对电力系统中负荷的正常运行十分重要。系统中的大多数负载需要消耗无功功率,这些无功功率需要从电力网络中获取,但是由发电机来进行长距离的传送无功功率是不合理的。无功补偿的作用就是在消耗无功功率的地方产生无功功率,这样,无功能量只在补偿装置和负载之间流动,不再由电网提供这些能量,这种方法经济而且高效。无功补偿分为两类:一是面向系统的补偿,即输配电系统中的线路补偿;二是面向负荷的补偿,主要是冲击性负荷与不对称负荷。负荷补偿适用于低压配电网中的就地补偿,主要用来在负荷端对大量消耗无功的负荷进行补偿[6]。在大负荷用电企业中,无功补偿装置安装在局域配电网中,补偿了负荷的感性部分,使在局域配电网中流通的无功电流大量减少,可以有效减少线路上的损耗,提高功率因数。冲击性负荷是指在电力系统中急剧且频繁变化的负荷,这种负荷会造成电力系统的电压和频率的波动,严重的影响电能的质量,而不对称负荷会造成电力系统的三相不平衡,产生负序电流[7]。其中,无功性质的冲击性负荷与不对称负荷会造成电力系统中电压偏差和电压波动。这种偏差和波动不但影响到电力系统的正常运行,也会对其他的用电设备造成影响。比如:损害电气设备的绝缘部分,产生高次谐波污染电网;电动机长时间低电压运行会造成电动机发热甚至烧毁;损坏照明设备,使电气照明质量受到严重影响;影响电磁类的设备正常工作,使电子控制系统失灵;影响对电压波动比较敏感的电气、电子设备,使其不能正常工作[8]。在工业企业中存在着大量的冲击性负荷与不对称负荷,对电力系统的稳定和用电设备的使用造成很大影响。因此,使用无功补偿装置就地补偿无功功率显得很有必要。
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2静止无功补偿装置的基本原理介绍

2.1 SVC的基本类型
静止无功补偿装置(SVC)是一种能够跟踪电力系统或负载的无功功率变化,进行实时且快速的补偿无功的装置,主要应用于电力系统的线路无功补偿和冲击性负荷与不对称负荷的就地补偿。SVC的补偿元件通常是由固定电容器和可调节的电抗器等储能元件组成,因此可以补偿感性无功也可以补偿容性无功,二者之间可以平滑的调节。通过调节SVC与电力系统或负荷之间交换的无功功率大小可以维持其端电压保持稳定,抑制电压波动和电压闪变,提高功率因数。SVC的两种常用类型分别是TCR和TSC,TCR通常与TSC组成TCR+TSC,或者与FC组成TCR+FC,在负荷补偿中通常采用TCR+FC⑴]。下面对TCR和TSC分别介绍。单相TCR的基本结构是由电抗器与一对反并联晶间管串联组成。在高压系统中,由于晶间管的耐压能力有限,在实际安装过程中一般采用多个反并联晶闹管串联后组成晶闹管阀接入系统,以满足电压和容量的需求[12]。在一般的负荷补偿中,也需要做好晶闹管的保护工作。
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2.2 SVC的无功功率特性分析和补偿容量计算

图2-5b所示为无功功率需求和无功功率输出之间的补偿特性曲线。因为SVC输出总的无功功率是TCR支路的感性无功功率与电容器支路的容性无功功率抵消后的净无功功率,通过调节TCR的无功功率可以使得SVC的补偿范围从感性范围延伸到容性范围[26]。如图2-5b所示,横坐标是无功功率需求,左侧为容性需求,右侧为感性需求;纵坐标为无功功率输出;最上面的斜线表示TCR的吸收的感性无功功率;最下面的平行直线表示FC输出的容性无功功率;中间的斜线表示SVC的合成的净无功功率输出[27]。从补偿特性曲线可以得出结论:根据负载的变化当需要SVC输出最大的容性无功功率时,将TCR的触发延迟角c<设置为180° ,即将TCR支路断开,则此时SVC输出为FC的容性无功功率逐渐减少晶间管触发延迟角a,则TCR的感性无功功率会随之增加;当合成无功功率曲线到达零点时,TCR的感性无功功率和FC输出的容性无功功率相等而恰好抵消,净输出无功功率为零;继续减小则TCR吸收的感性无功功率超过FC输出的容性无功功率,SVC此时输出的净无功功率为感性无功功率,实现了无功功率从容性到感性平滑调节功能;当a =90°时,TCR支路完全导通,则SVC装置输出的感性无功功率达到最大值[28]。为了满足无功调节范围从-0到+0,假设FC的无功容量为2,则TCR支路的容量至少为22。

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3无源滤波器及电抗器的设计......14
3.1无源滤波器......14
3.1.1单调谐滤波器......14
3.1.2高通滤波器......16
3.1.3双调谐滤波器......17
3.2无源滤波器的元件参数计算......18
3.3基于Ansoft Maxwell的电抗器的设计......21
3.4本章总结......26
4瞬时无功功率理论及无功电流检测......27
4.1瞬时无功功率理论介绍......27
4.2瞬时无功功率的坐标变换及无功电流检测......27
4.3本章总结......33
5 SVC的控制策略分析与仿真验证......34
5.1传统的SVC传统的控制策略仿真分析......34
5.2基于瞬时无功功率理论的SVC控制策略分析与仿真......37
5.3实验验证......47
5.4本章总结......48

5 SVC的控制策略分析与仿真验证

从第二章节的SVC的补偿原理的内容分析中得知,为了使得SVC能够快速而准确的补偿系统的无功功率,首要的工作就是根据系统的动态变化计算出TCR需要投入的等效电纳,以针对系统的功率因数低与负荷不对称两方面能够快速的补偿相应的无功功率。本章首先是介绍了传统的以电压稳定为目的SVC的控制策略,然后分析了一种新的控制策略,即以不平衡负荷为控制目标,利用瞬时无功功率理论,以提高负荷的功率因数为目的制定了 SVC的控制策略。为了验证电压反馈的控制策略可以很好的稳定电压,利用PSCAD软件搭建了 SVC的仿真模型。PSCAD是广泛使用的电磁暂态仿真软件,可以应用在电力系统许多类型的模拟研宄,结果非常精确。其中,PSCAD提供了专业的静止补偿器的模块,为搭建仿真模型创造了很大的便利性。利用图5-1的控制方法搭建的仿真模型如下图所示:
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总结

本文针对电力系统中的三相不平衡为目标,以瞬时无功功率理论为依据,重点设计了针对负荷补偿的静止无功补偿装置SVC的控制算法。由于SVC会产生谐波,必须要加装滤波装置,因此分析了常用的单调谐滤波器与高通滤波器,并以单调谐滤波器为例推导了滤波器的元件电容器与电抗器的计算公式。以三维立体卷铁芯电抗器为例,在有限元电磁仿真软件AnsoftMaxwell中建立了电抗器的模型,并进行了有限元的计算与电磁仿真,这是一种区别与传统的制作电抗器的新的设计方法。最后利用基于瞬时无功功率的?-‘算法制定了 SVC的控制策略,并利用Matlab/Simulink建立了仿真模型,通过仿真与实验验证了这种策略的可行性。本文的主要工作如下:
(1)详细分析了常用的静止无功补偿装置TCR+FC的电路结构与接线方式,推导了......TCR的基波电流、等效导纳、触发延迟角的关系,并重点分析了 SVC的动态补偿原理及保持电压稳定的根据,推导了在实际安装工程中的TCR的安装容量与补偿容量的关系。
(2)对无源滤波器做了详细的分析与公式推导,在实际工程中,由于TCR会发出大量谐波,一般总会和滤波器并联使用。滤波器的关键要素就是电容与电感的配合使用,选择参数合适的电感与电容会达到更好的滤波效果。
(3)电抗器是SVC的重要的无功补偿部分,目前电抗器的使用范围与数量越来越大,传统的电抗器制作方法不仅会造成成本和经济的浪费,也不再适用于如今的生产规模。本文以三维立体卷铁芯电抗器为例,按步骤分析了 Ansoft Maxwell的使用方法,建立了电抗器的模型并仿真了电抗器的内部磁通分布,为制作电抗器提供了新的便利的方法。
(4)传统的SVC的控制方法是基于平均功率的电压控制方法,以电压的变化为参考量计算SVC等效导纳,达到稳定电压的目的。利用斯坦米兹理论与瞬时无功功率理论结合的方法,针对不平衡负荷与电网侧的故障,可以很好的提高功率因数。并在Matlab/Simulink中搭建了SVC的模型与控制系统,进行了控制算法的仿真,通过仿真和实验验证了算法的可行性.
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参考文献(略)

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本文编号：38949