基于PSCAD-EMTDC的不平衡负载的静止无功功率补偿研究.pdf

基于PSCAD/EMTDC的不平衡负载的静止无功功率补偿研究周翊炜,李兴源(四川大学电气信息学院,四川 成都 610065)摘 要:在总结已有的研究成果基础之上,将瞬时无功功率理论应用于提高功率因数和补偿三相不平衡负荷的静止无功功率补偿器控制之中。用PSCAD/EMTDC软件建立了补偿三相不平衡负荷的静止无功功率补偿器的仿真模型。通过理论分析和仿真研究验证了该软件及所建立的仿真模型能很好地模拟补偿三相不平衡负荷的静止无功功率补偿器的电路。关键词:静止无功补偿器(SVC);PSCAD/EMTDC;瞬时无功功率理论;三相不平衡负荷Abstract:Based on the achievements in the former researches,instantaneous reactive power theory is applied to the control of staticvar compensator(SVC)to increase power factor of power supply system and to compensate three-phase unbalanced load.The modelof SVCwhich may compensate three-phase load is established with PSCAD/EMTDC.Through theoretical analysis and simulation,itproved that the software PSCAD/EMTDC and the established simulation model can simulate the circuits of three-phase unbalancedloads which compensated by SVC accurately.Key words:SVC;PSCAD/EMTDC;instantaneous reactive power theory;three-phase unbalanced load中图分类号:TM71413 文献标识码:A 文章编号:1003-6954(2007)03-0045-04 静止无功补偿器(SVC)近年来广泛地应用于电力系统,依靠电力电子开关完成调整与投切功能,其动作速度是毫秒级的,远比机械设备的速度要快12。除此之外,SVC还具有投资省、损耗小、维护简单、可靠性高、调压效果好等一系列优点3。SVC不但能提高安装点的功率因数,而且可以补偿三相不平衡负荷所造成的负序电流。其显著特点是能快速连续地对波动负荷进行动态补偿,通过分相调整补偿无功功率,有效地抑制系统的电压闪变和波动及抵消不平衡负荷。晶闸管控制电抗器(TCR)和固定电容(FC)结合无功补偿系统是比较常见的一种静止无功补偿方式,其具有装置结构简单、经济性好等优点。三相电路瞬时无功功率理论于1983年由赤木泰文首先提出,此后该理论经不断研究逐步完善。由于该理论突破了以周期为基础的传统功率定义,能够计算系统的瞬时功率值,正好满足了无功补偿装置快速连续动作的要求,所以目前大多数的静止无功补偿装置都基于这种理论。目前PSCAD/EMTDC是一种国外广泛应用的电力系统分析软件,近两年国内各高校和研究所也开始引进应用。利用PSCAD/EMTDC软件包在高压直流输电(HVDC)、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析和电力电子领域的强大仿真计算功能及其优于EMTP的友好直观界面,设计了详细的补偿三相不平衡负荷的静止无功补偿器(SVC)模型,还应用瞬时无功功率理论设计了控制器,并对其各种控制效果进行了仿真分析。1 瞬时无功理论简述和算法原理瞬时无功功率理论用Clarke变换将传统的A,B,C三相坐标变换为、两相直角坐标。在三相三线平衡系统中:uu=321-12-12032-32uAuBuC=220222uAuB=CuAuBii=321-12-12032-32iAiBiC54第30卷第3期2007年06月四 川 电 力 技 术Sichuan Electric Power TechnologyVol.30,No.3Jun.,2007=320222iAiB=CiAiB瞬时有功功率 Pt=ui+uu瞬时无功功率 Qt=ui+uu若电压电流含有谐波且三相不平衡时,三相电压电流的瞬时值经变换后可以用下面的矢量表示4:u=u+ju=3k=1(u+kejktej+k+u-ke-jkte-j-k)i=i+ji=3k=1(i+kejktej+k+i-ke-jkte-j-k)式中:u+k、i+k为第k次谐波电压和电流的正序分量有效值;u-k、i-k为第k次谐波电压和电流的负序分量有效值;+k、+k为第k次谐波电压和电流的正序分量相位角;-k、-k为第k次谐波电压和电流的负序分量相位角。可以看出,当三相系统的电压或电流含有k次正负序谐波时,变换后的电压、电流矢量由各次谐波产生的一系列旋转矢量合成,并且各次谐波与旋转矢量有一一对应的关系。这些旋转矢量的物理含义与原三相系统的各次谐波有如下关系:k次谐波所产生的旋转矢量旋转角速度为k,模与k次谐波幅值成正比,初相角为k次谐波的相位角;正序谐波(包括基波)产生的旋转矢量旋转方向为逆时针,负序谐波(包括基波)产生的旋转矢量旋转方向为顺时针。因此,在-坐标系中各旋转矢量以不同的速度和不同方向旋转。根据相对运动的原理,若使-坐标轴以某个矢量的速度和方向旋转,即将u和i乘以ejkt,则此分量在-坐标轴上的投影必为直流量(常数),而其他旋转矢量的投影为周期量。通过低通滤波器后就可以得到此直流量的模和初相角,同时可得与之相应某次谐波(正序或负序)的幅值和相角。要在旋转分量中分离出直流分量,需要对式u和i进行旋转后滤波。2 基于瞬时功率的补偿导纳的计算可以从滤波后得到的直流量中获取对应幅值相角信息。设分离出来的正序电压电流分量和负序电流分量对应的直流量为?ud1,?uq1,?id1,?iq1,?id2,?iq2,它们的表达式(为了表达清楚,上式均除以一个常数)分别是:?ud1=u+1cos+1,?uq1=u+1sin+1?id1=i+1cos+1,?iq1=i+1sin+1?id2=i-1cos-1,?iq2=i-1sin-1通过式(1)可以很容易得出基波正序电压的幅值相角、基波正序电流的幅值和相角、基波负序电流的幅值和相角。如文献5中所述,根据叠加原理,静止无功补偿器需要提供的电纳是由正序补偿器电纳和负序补偿器电纳共同构成。因此可以将这种思想应用到两相-系统中。计算下式并将式(1)中的相应表达式带入得:-?uq1?id1+?ud1?iq1=u+1i+1sin(+1-+1)=Q1(2)可以看出Q1即为基波正序电压电流产生的无功,换句话说,Q1就是提高正序功率因数所需的无功值。因此,正序补偿器电纳可以表示为:Bk1=Q1/3(u+1)2(3)式中:Bk1 正序补偿器要提供的电纳值,其中u+1可以从式(1)中得到。文献5中给出了在三相系统中负序补偿器电纳的计算表达式:BNabE=Re Ia2/3-Im Ia2BNbcE=Re Ia2/3+Im Ia2BNcaE=-2Re Ia2/3(4)式中:BNab、BNbc、BNca为无功补偿器各相要提供的电纳值,E为系统参考线电压,Ia2为负序电流相量,且以为横轴参考相量。根据三相导纳值可以计算出晶闸管的触发角5,转换成触发脉冲后送入TCR即可实现对无功补偿器的控制。3 仿真分析基于PSCAD,建立了补偿三相不平衡负荷的SVC系统模型,这个模型主要用于原理说明,所以电纳投入环节是由TCR和FC构成,模型中仅包含主要元件,其主电路如图1。为模拟三相负荷不平衡,在三相间接入不相等的复阻抗(阻感负载),之所以直接用复功率的负载是因为PSCAD中尚无可直接使用的元件,Zab=1+j0.1,Zbc=1+j0.05,Zca=1+j0.1。TCR和FC容量分别64第30卷第3期2007年06月四 川 电 力 技 术Sichuan Electric Power TechnologyVol.30,No.3Jun.,2007为460 kVar和204 kVar,相应的电感和电容为0.003H和1 500F。保护电路:TCR中,晶闸管缓冲电路中电阻500,电容25F;TSC中,RL并联元件(防止涌流)的参数分别为95.85和1.13 mH,串联电阻8.52 m。图1 补偿三相不平衡的SVC系统主电路图总的仿真时间为2.0 s,SVC在1.0 s时接入,SVC对系统作用后各输出量如图27所示。图2 电源输出无功图3 三相需补偿电纳变化情况图4 三相TCR触发角图5 三相电压幅值变化情况图6 三相电流幅值变化情况图7 三相电流瞬时值变化情况74第30卷第3期2007年06月四 川 电 力 技 术Sichuan Electric Power TechnologyVol.30,No.3Jun.,2007由图27可知,未接入SVC时,电源输出无功为18 kVar;1.0 s时,SVC接入,电源无功输出Qs逐渐降低;经过0.1 s,基本趋于0 kVar,功率因数上升至0.99以上。1.0 s时,TCR开始动作,最终TCR三相alpha分别稳定于三个相同的值(117),这是由于该模型中的SVC是由TCR和FC构成的,只能靠TCR来调节输出电纳,当三相所需电纳趋于一致时(零),TCR的al2pha角也理应是趋于一致的。此次仿真用的是不相等的复阻抗,而不是复功率负荷,所以三相电压会略微不同,从图5中可以看出,基于瞬时无功理论的SVC对于电压的不平衡也是有效的,过渡时间大约为25 ms。图6、7是三相电流变化的曲线,从图6可知,三相电流的幅值从20.9 A、31.6 A、32.2 A变为0.003A、0.004 A、0.002 A;图7显示的是瞬时值的变化情况。从图中可以清楚地看到,基于瞬时无功理论的SVC对于不平衡的调节效果是很好的,整个补偿过渡过程大约为25 m。4 结论对静止无功功率补偿器的控制算法进行了研究,将瞬时无功功率理论应用于提高功率因数和补偿三相不平衡符合的静止无功功率补偿器控制之中。用PSCAD/EMTDC软件建立了补偿三相不平衡负荷的静止无功功率补偿器的仿真模型。通过理论分析和仿真研究验证了该软件及所建立的仿真模型能很好地模拟补偿三相不平衡负荷的静止无功功率补偿器的电路。参考文献1 赵贺.电力电子学在电力系统中的应用-灵活交流输电系统M.北京:中国电力出版社,2001.2 孙元章,王志芳,卢强.静止无功补偿器对电压稳定性的影响J.中国电机工程学报,1997,17(6):373-376.3Miller T.J.E.Reactive power control in electric systemsM.J.w.&s,1982.4 殷波,陈允平,邓恒等.-坐标系下瞬时无功功率理论与传统功率理论的统一数学描述及物理意义J.电工技术学报,2003,18(5):42-4515 逯帅.静止无功补偿装置控制器的设计与实现C.北京:清华大学电机工程与应用电子技术系,200216Ding Renjie,ZhangJun,Min Y ong,et al.Design and imple2mentation of a new kindof FC-TCR controller basedon multi2processor and digital phase shift triggers.(PEMD 2004).Sec2ond International Conference on Power Electronics,Machinesand Drives,(Conf.Publ,No.498),200417 宋建波,宋建军,曾光.基于DSP的不平衡负载的静止无功功率补偿研究J.陕西工学院学报,2005,21(1):21-23.8 刘俊丰,同向前,陈贵亮.不对称负荷动态无功补偿方法的研究J.电力电容器,2005(1):14-17.9 马慧,刘静芳.基于瞬时无功功率理论的三相电路谐波、无功和不平衡电流检测J.四川电力技术,2004(4):4-7.10 李兴源.高压直流输电系统的运行与控制M.北京:科学出版社,1998.11Tanaka T,Akagi H.A new method of harmonic power de2tection based on the instantaneous active power in three2phasecircuit sJ.IEEE Trans on Power Delivery,1995,10(4):1737-1742.12Buada C A,Balda J C.A new method for instantaneous re2active power com2pensation in three2phase four2wire systemsC.Applied Power Electronics Conference and Exposition,IEEE 19th Annual Conference,2004,1:179-184.13Salmeron P,Montano J C.Instantaneous power componentsin poly phase sys2tems under non sinusoidal conditions J.IEE Proceedings Science,Measure2ment and Technology,1996,143(2):151-155.14Sincy George,Vivek Agarwal.A novel technique for optimalharmonics and reactive power with load balancing under nonsinusoidal supply and unbalanced load conditionsC.PowerElectronics Specialist Conference,IEEE 34th An2nual Meet2ing,2003,4:1537-1541.15 逯帅,刘秀成,陈建业等.SVC平衡控制方法及其所需信号的检测J.电工电能新技术,2002,21(2):17-20.作者简介周翊炜(1981-),男,硕士研究生,研究方向为电力系统稳定与控制。李兴源(1945-),男,教授,博士生导师,中国电机工程学会理事IEEE高级会员,研究方向为电力系统分析、电力系统稳定和控制等方面。(收稿日期:2007-01-20)84第30卷第3期2007年06月四 川 电 力 技 术Sichuan Electric Power TechnologyVol.30,No.3Jun.,2007