1? 引言

隨著電力工業(yè)的順猛發(fā)展,越來越多的高能非線性電力裝置以及現(xiàn)代家庭的電力電子器件的廣泛應(yīng)用,如電解槽,電弧爐,整流器,開關(guān)電源等,對電網(wǎng)構(gòu)成嚴(yán)重危害,如低功率因數(shù),電壓波形畸變。現(xiàn)在能源問題是世界范圍都迫切面對的,對于有限的能源供給,在做到高效的利用就是一種極大的節(jié)約方式。具體到電力能源上,也就是要電網(wǎng)電能的功率因數(shù)高,電壓波形畸變小,保證電能高效高品質(zhì)。

過去通常的作法是固定電容器補(bǔ)償,其優(yōu)點(diǎn)是裝置簡單,投入成本小。但由于阻抗恒定,電容只能提供恒定的容性無功來平衡電網(wǎng)的感性無功,不能適應(yīng)負(fù)載瞬時變化需要功率不同的特點(diǎn),也就不能實(shí)現(xiàn)無功功率的動態(tài)補(bǔ)償。而且系統(tǒng)諧波容易被補(bǔ)償電容放大,導(dǎo)致如過載,過熱及損耗過大現(xiàn)象。因此,在本論文里,設(shè)計用TCR+FC方式的SVC裝置來解決電網(wǎng)無功功率的補(bǔ)償問題,SVC系統(tǒng)的提供無功范圍定為-300kvar到+300kvar。用三相不控整流帶L-R(阻抗負(fù)載)模擬三相對稱電路,用晶閘管投切負(fù)載模擬瞬時擾動。

2? SVC系統(tǒng)工作原理

圖1為TCR+FC型SVC主電路圖。a、b、c為三相市電,經(jīng)整流后接阻感負(fù)載,FC為容性無功功率補(bǔ)償裝置及濾波器組,濾波器在濾除5、7、11…等次諧波的同時對基波提供容性無功功率。

以A、B相間TCR為例,雙向反并聯(lián)晶閘管按相控方式互成180度觸發(fā),設(shè)晶閘管的控制觸發(fā)角為α,由TCR的工作原理知,當(dāng)α在90°到180°之間變化時,電抗器L中電流的基波分量I1與α之間的關(guān)系為:

式中Umab—A、B相電壓峰值;XL—與晶閘管串聯(lián)電抗器感抗值。

α=90°時,晶閘管完全導(dǎo)通,I1最大;α=180°時, 晶閘管完全關(guān)斷,I1為0。因此,通過改變晶閘管的觸發(fā)角就可以控制電抗器L中的電流的大小。即α在90°到180°之間變化時,TCR向系統(tǒng)提供的滯后電流基波無功分量是動態(tài)可調(diào)的[1]。

由于電網(wǎng)系統(tǒng)中負(fù)載是在不斷變化的,設(shè)負(fù)載的無功功率變化量為△Ｑload,瞬時改變TCR的觸發(fā)角α就可以維持系統(tǒng)的無功功率為恒定值,此時,只需要使TCR提供的無功的變化量與負(fù)載的變化量是等值反向就可以了,甚至通過改變α可以維持電網(wǎng)電壓為恒定值。

3? TCR的控制策略

控制系統(tǒng)的目標(biāo)有:

1: 當(dāng)電網(wǎng)中負(fù)載發(fā)生擾動時,能夠控制電網(wǎng)電壓為給定值。

2: L在保證電網(wǎng)電壓為給定值的同時,要使系統(tǒng)的功率因數(shù)≥0.95。

TCR控制系統(tǒng)的控制原理如圖2所示。

根據(jù)控制的要求,要得到恒定的電壓,需引入電壓閉環(huán)控制。電壓環(huán)內(nèi)為導(dǎo)納補(bǔ)償環(huán),其目的就是系統(tǒng)應(yīng)對負(fù)載擾動時能夠得到更高的響應(yīng)速度。當(dāng)負(fù)載發(fā)生擾動,瞬時檢測到負(fù)載的無功導(dǎo)納的變化量,TCR根據(jù)檢測到的無功導(dǎo)納的變化計算出觸發(fā)角α,改變TCR的輸出瞬時抵消由于負(fù)載無功導(dǎo)納的變化,同時由于負(fù)載有功導(dǎo)納也發(fā)生變化,電壓調(diào)節(jié)器輸出來改變導(dǎo)納的給定值,來維持系統(tǒng)的電壓不變。此時,由于調(diào)節(jié)器輸出的給定值發(fā)生了變化,系統(tǒng)的功率因數(shù)也隨之發(fā)生變化,在設(shè)計時使其功率因數(shù)在0.95～1的范圍內(nèi)變化。

控制環(huán)節(jié)還包括線性化處理和六脈沖觸發(fā)器。由(1)式知道,TCR中電流的基波分量I1與晶閘管觸發(fā)角α之間呈非線性關(guān)系,為了使PI的輸出與TCR中電流I1呈線性關(guān)系,需要引入線性化環(huán)節(jié),在本文中采用的是MATLAB中SIMULINK中的LOOKUP TABLE模塊來實(shí)現(xiàn)的。圖為MATLAB中的仿真模型中的控制環(huán)節(jié)和非線性處理環(huán)節(jié)。

TCR主回路中,三相反并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)在MATLAB中采用的是六脈沖發(fā)生器,(如圖4)采三角形接法晶閘管管的觸發(fā)順序?yàn)?

本文中設(shè)計TCR的總?cè)萘繛?00Kvar,則每相需要消耗無功200 Kvar,以ab相為例,由

得:Lab=0.00231094H

系統(tǒng)采用ode23t仿真算法。

4? 瞬時無功功率信號的檢測

快速、準(zhǔn)確檢測出在SVC系統(tǒng)中所需要的電壓、電流是決定其動態(tài)補(bǔ)償?shù)那疤帷？紤]瞬時值,設(shè)傳輸線的三相電壓分別為:ua、ub、uc,電流為ia、ib、ic,FC的三相電流為isa、isb、isc,TCR(三角形聯(lián)結(jié))的電流分別為iTab,iTbc,iTca。

設(shè)用于計算的三相電壓為正弦波,且分別為

式中Em——電壓的幅值。

將(1)式轉(zhuǎn)化為、坐標(biāo)系得

三相電流為ia、ib、ic,則根據(jù)三相電路瞬時無功功率理論得出

將三相電流ia、ib、ic進(jìn)行3/2變換得

將式(5)代入(4)得

由于流通電容器組中的電流IFC主要是無功電流,認(rèn)為IFC=iq,則

同樣認(rèn)為流入TCR的電流ITCR全部為無功分量,并考慮到TCR為三角形聯(lián)接,得

作進(jìn)一步推廣,用ua、ub、uc代替(6)式ia、ib、ic得線電壓Uline為

式(7)、(8)、(9)中的IFC、ITCR、ULine檢測時提取的是為直流分量,分別對應(yīng)于三相交流電流、電壓的基波分量[2]。

5? FC和濾波器的設(shè)計

FC中,每個電容器都串聯(lián)一個小電感,將L、C調(diào)諧到針對某次諧波的頻率,此時,電感和電容器提供的此次諧波的無功剛好是感性無功功率等于容性無功功率。而對基波來說,提供的容性無功大于感性無功,總的對基波提供的是容性無功。

由于用戶用電,其特性多為阻感負(fù)載[3],在本文中用三相不控整流帶阻感負(fù)載模擬,在MATLAB中,用FFT分析得到其主要次諧波為5、7、11、13…(6k±1),同時,TCR的電流諧波成分也為5、7、11、13…(6k±1)次(圖2為三相不控整流的電流波形以及FFT分析結(jié)果),所以在設(shè)計濾波器時就需要濾除針對這幾次諧波,利用單調(diào)諧濾波器濾除5、7、11、13、19次,而20次以后采用二階高通濾波器。

在本設(shè)計中,電容器組需要提供的總的無功為-300Kvar,則每一相需要提供-100Kvar的無功功率。在實(shí)際應(yīng)用中,為了使各次濾波器的電容承受諧波電壓基本一致,通常采用下列公式進(jìn)行無功補(bǔ)償容量分配:

式中:

為系統(tǒng)總的無功補(bǔ)償量,

為n次濾波器的無功補(bǔ)償量

電容器參數(shù)C的確定可用式(11):

式中:Up為系統(tǒng)相電壓

根據(jù)諧振頻率求電感L

對于用二階高通濾波器中,R的確定則由(13)式

其中

工程應(yīng)用中一般取(0.5﹤m﹤1)

運(yùn)用以上公式,結(jié)合本次設(shè)計總的容性無功容量為-300Kvar的要求,以a相為例算得:

6? 濾波效果和動態(tài)過程仿真

圖2所示是補(bǔ)償前系統(tǒng)相電流及FFT頻譜分析結(jié)果,在沒有投入補(bǔ)償裝置前,系統(tǒng)相電流中諧波污染較為嚴(yán)重;圖6所示是經(jīng)過SVC補(bǔ)償器后,系統(tǒng)相電流及其FFT頻譜分析,其諧波電流值小于用戶注入電網(wǎng)的諧波電流的允許值。可見,系統(tǒng)的FC參數(shù)設(shè)計合理,能夠很好地濾除負(fù)載及TCR補(bǔ)償電路產(chǎn)生的諧波。

系統(tǒng)在0.1秒時候投入TCR,在0.2秒時候由晶閘管在直流側(cè)投入一個阻感負(fù)載,來觀看本系統(tǒng)應(yīng)對負(fù)載擾動時的動態(tài)響應(yīng)。

在0.1秒時,系統(tǒng)加入TCR,母線電壓波形7(a)黑線所示。可以看出,系統(tǒng)電壓迅速由電容器抬高的電壓值降落到控制系統(tǒng)的給定值,所需時間約為1～2個周期。系統(tǒng)電流(7(a)紅線)的相位由超前變?yōu)闇?同時功率因數(shù)達(dá)到≧0.95的要求。

在0.2秒時,直流側(cè)由晶閘管投入阻感負(fù)載,此時,系統(tǒng)電壓幾乎沒發(fā)生變化,系統(tǒng)電流增大,系統(tǒng)的無功功率減小到接近于0,此時系統(tǒng)的功率因數(shù)接近1。同時可以看到TCR的觸發(fā)角在增大,消耗的感性無功在減小。從圖7可以得出:當(dāng)投入TCR以后,系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到了≧0.95的預(yù)期目標(biāo),同時系統(tǒng)的母線電壓在應(yīng)對負(fù)載擾動時具有較理想的動態(tài)響應(yīng)效果。

7? 結(jié)束語

在基于瞬時無功功率理論的基礎(chǔ)上,本文針對電網(wǎng)用戶設(shè)計出實(shí)用型SVC系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)效果好,能夠有效抑制電網(wǎng)系統(tǒng)中電壓的突變,并使系統(tǒng)的功率因數(shù)滿足不低于0.95的要求,通過系統(tǒng)的MATLAB仿真,還可以得出本系統(tǒng)有效地減少了電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波含量,并達(dá)到了諧波含量小于電力部門規(guī)定的允許值。本文的仿真也對進(jìn)一步開發(fā)基于DSP控制的SVC裝置的研制提供了一定的理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn):

[1] R.Mohan Mathur,Rajiv k.Varma.“thyristor-based facts controllers for electrical transmission systems”[M] Beijing,China Machine Press,2004.

[2] 王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[3] 電力工業(yè)部.電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波(GB/T14549-93)[M].北京:國家電力工業(yè)部1998.

作者簡介:許雙宏(1972-),男,中級,研究方向:太陽光發(fā)電系統(tǒng)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的svc补偿时matlab仿真设计,TCR+FC型SVC的研究及MATLAB仿真的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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