TCR＋FC型SVC的研究及MATLAB仿真——一种电力节能设备.pdf

行 业 应 用 与 交 流 n d u s t r i a l Ap pli c a t i on s a nd COmmun jc al I o n s 自动化技术 与应用2 0 1 2年第 3 1卷第 6期 T CR + F C型 S V C的研究及 MA T L AB仿真 一一一 种电力节能设备 许 双 宏 ( 安徽颐和新能源科技股份有限公司， 安徽 合肥 2 3 0 0 0 0 ) 摘要： 基于瞬时无功功率理论， 将具体介绍静态无功补偿装置( s vc) 的原理， 和一种s Vc ( 三相对称负载的晶闸管控制电感器TC R + 容性无功功率补偿装置及滤波器组F C ) 的设计与仿真。 采用闭环控制来实现用户端恒定电压的要求， 为有效抑制电网由于负 载扰动等因素引起的电压突变， 在 电压环内设计了一个导纳补偿环节， 用以提高系统应对电压突变的响应速度。通过观看 MA T L A B 的仿真结果 ， 可以得出此型S V C 控制系统对稳定和抑制电压波动， 提高功率因数， 具有响应速度快、 精度高的特点。 关键词： 瞬时无功功率； S VC； 三相平衡； TC R； F C； 功率因数； MAT L AB仿真 中图分类号： T P 2 9 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 3 -7 2 4 1 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 9 3 0 5 Re s e a r c h Ab o u t TCR+ F C- r y p e S VC a n d MA TL AB Si mu l a t i o n XU S h u a n g - h o n g ( An hni Y i h e Ne wE n e r g yS o u r c ea n dT e c h n o l o g yC o ， L t d ， He f e i 2 3 0 0 0 0C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o we r t h e o r y ， t h e p r i n c i p l e o f S t a t i c V a r Co mp e n s a t o r ( S VC ) i s i n t r o d u c e d ， a n d a k i n d o f S VC s y s t e m wh i c h c o n s i s t s o f T h y r i s t o r Co n t r o l l e d Re a c t o r s ( T CR ) a n d F i x e d C a p a c i t o r ( F C)i s d e s i g n e d a n d s i mu l a t e d I n o r d e r t o ma i n t a i n t h e s t a bi l i t y o f t h e c l i e n t n o d e v o l t a g e ， a n d t o r e s t r i c t t h e b r e a k o f n o d e v o l t a g e c a u s e d b y l o a d d i s t u r b a n c e o r a n y o t h e r f a c t o r s ， t h e v o l t a g e a n d a d mi t t a n c e d o u b l e l o o p c o n t r o l s t r a t e g y i s a d o p t e d ， a n d t h e we l l b e h a v e d s t e a d y s t a t e e f f e c t s i s o b t a i n e d Un d e r t h e e n v i r o n me n t o f MATLAB s i mu l a t i o n Th e r e s u l t s o f t h e S VC mo d e l s h o w t h e p r o p o s e d s ys t e m c a n s t a b i l i z e t h e f l u c t u a t i o n o f po we r g r i d v o l t a g e a n d r a i s e p o we r f a c t e r ， a n d t h e me r i t s o f f a s t r e s p o n s e s p e e d a n d h i g h p r e c i s i o n a r e v e r i f i e d Ke y wo r ds ： i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o we r ； S VC； s y mme t r i c a l t h r e e p h a s e ； TCR； F C； p o we r f a c t o r ； MATLAB s i mu l a t i o n 1 引言 随着 电力工业的顺猛发展 ， 越来越多的高能非线性 电力装置以及现代家庭的电力 电子器件的广泛应用 ， 如 电解槽， 电弧炉 ， 整流器， 开关电源等 ， 对电网构成严重 危害， 如低功率因数 ， 电压波形畸变 。现在能源问题是 世界范围都迫切面对的 ， 对于有限的能源供给 ， 在做到 高效的利用就是一种极大的节约方式。具体到电力能 源上， 也就是要 电网电能的功率 因数高， 电压波形畸变 小 ， 保证电能高效高品质。 过去通常的作法是固定电容器补偿， 其优点是装置 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 8 0 1 简单， 投入成本小。但由于阻抗恒定， 电容只能提供恒定 的容性无功来平衡电网的感性无功， 不能适应负载瞬时 变化需要功率不同的特点， 也就不能实现无功功率的动 态补偿。而且系统谐波容易被补偿电容放大， 导致如过 载 ， 过热及损耗过大现象。因此， 在本论文里， 设计用 T C R + F C方式的S VC装置来解决电网无功功率的补偿问 题， S VC 系统的提供无功范围定为一 3 0 0 k v a r 到+ 3 0 0 k v a r 。 用三相不控整流带 L R( 阻抗负载) 模拟三相对称电路， 用 晶闸管投切负载模拟瞬时扰动。 2 S V C系统工作原理 图 1 为 TC R+ FC型 S VC主电路图。a 、b 、c 为三 自 动 化技 术 与 应 用 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第6 期 行 业 应 用 与 交 流 n d u s t r i a l Ap pli c a t i o ns a n d Co mm u n i c a t i o n s 相市电， 经整流后接阻感负载， F C为容性无功功率补偿 装置及滤波器组， 滤波器在滤除 5 、7 、1 1 等次谐波的 同时对基波提供容性无功功率。 以A、B相间TC R为例， 双向反并联晶闸管按相控 方式互成 1 8 0度触发 ， 设晶闸管的控制触发角为 o 【 ， 由 TC R的工作原理知 ， 当仅在 9 0 。到 1 8 0 。之间变化时， 电抗器 L中电流的基波分量 I 1与 之间的关系为 ： ) = ( 2 一 一 )( ( 1 ) 式中 Uma b A、B相 电压峰值 ； X L一与晶闸管串 联电抗器感抗值 。 = 9 0 。时， 晶闸管完全导通， I l 最大； o 【 =l 8 0 。时， 晶闸管完全关断， I 1 为 0 。因此， 通过改变晶闸管的触发 角就可以控制电抗器 L中的电流的大小。即仅在 9 0。 到 l 8 0 。之间变化时， TC R 向系统提供的滞后电流基波 无功分量是动态可调的。 a b C 图 1 S VC系统的主电路的结构框图 由于 电网系统 中负载是在不断变化的 ， 设负载的 无功功率变化量为Q l o a d， 瞬时改变 TC R的触发角 就可以维持系统的无功功率为恒定值 ， 此时， 只需要 使 T C R 提供的无功 的变化量与负载的变化量是等值 反向就可 以了 ， 甚至通过改变 可以维持电网电压为 恒 定值 。 3 T CR的控 制策略 控制系统的目标有 ： l ： 当电网中负载发生扰动时 ， 能够控制电网电压 为给定值。 2 ：L在保证电网电压为给定值的同时 ， 要使系统的 功率 因数 0 9 5 。 TCR控制系统的控制原理如 图2所示。 根据控制的要求 ， 要得到恒定的电压 ， 需引入电压 闭环控制。电压环 内为导纳补偿环 ， 其 目的就是系统 应对负载扰动时能够得到更高的响应速度。当负载发 生扰动 ， 瞬时检测到负载的无功导纳的变化量 ， TCR根 据检测 到的无功导纳 的变化计 算出触发角 ，改变 TCR 的输出瞬时抵消由于负载无功导纳的变化 ， 同时 由于负载有功导纳也发生变化 ，电压调节器输 出来改 变导纳的给定值 ， 来维持系统的电压不变 。此时 ， 由于 调节器输出的给定值 发生了变化 ， 系统的功率 因数也 随之发生变化 ， 在设计时使其功率因数在 0 9 5 1的范 围 内变化 。 图 2 S V C的控制原理图 控制环节还包括线性化处理和六脉冲触发器。由 ( 1 ) 式知道 ， TC R 中电流的基波分量 I 1 与晶闸管触发角 0 【 之间呈非线性关系， 为了使 PI 的输出与TC R 中电流 I 呈线性关系， 需要引入线性化环节， 在本文中采用的是 MAT L A B中S I MUL I NK中的L O O KU P TA B L E 模块来 实现的。图为 MATL AB中的仿真模型中的控制环节和 非线性处理环节。 图3 控制模型及非线性处理模型 TC R主回路中， 三相反并联晶闸管的触发在MA T L A B 中采用的是六脉冲发生器， ( 如图4 ) 采三角形接法晶闸管管 的触发顺序为： 本文中设计TC R的总容量为 6 0 0 K v a r ， 则每相需要 消耗无功 2 0 0 Kv a r ， 以a b相为例， 由 r， 2 D = =2 0 0 0 0 0 一 L 行 业 应 用 与 交 流 n du s t r ial Ap p l i c a t i o n s a n d Commu nic a t ion s 自动化技术 与应用2 0 1 2年第 3 1卷第 6期 图 4 T CR与六脉冲发生器的连接 得 ： L a b = 0 0 0 2 3 1 0 9 4 H 系统采用 o d e 2 3 t 仿真算法。 4 瞬 时无功功 率信号 的检测 快速、准确检测出在 S VC系统中所需要的电压、电 流是决定其动态补偿的前提。考虑瞬时值 ， 设传输线的 三相电压分别为： u 、u b 、u ， 电流为i 。 、i b 、i 。 ， F C的三 相电流为 i 、i 。 b 、i ， Tc R( 三角形联结) 的电流分别为 i T a b， i T b c ， i T c a 。 设用于计算的三相电压为正弦波 ， 且分别为 e =E s i nwt ( 1 a ) e b =E s i n ( ot - 2 z r 3 ) ( 1 b ) e b=E s i n ( mt +2 z c 3 ) ( 1 C ) 廖 sinrot 三相电流为 i 、i b 、i ， 则根据三相 电路瞬时无功功 (p )= 32 E sin o t， - coso ,(, si n C O t 一 - c o s co t i, 将 三相 电流 i 。 、i b 、i 。 进 行 3 2变换得 5 sin m t sin c叫 一 争 sin c研 + 一 s 叫一sc一争 sc + 由于流 通 电容 器组 中的 电流 I F c 主 要是无 功 电流 ， 认为 I v c = i q ， 则 一 c 0 s 以+ s ( 一 了2 x ) + s ( + ) ( 7 ) 同样认为流入 TC R的电流 I T c R 全部为无功分量， 并 考虑到 TC R为三角形联接 ， 得 一 警 oos + cos(ox 一 )+ cos + 警 )】 (8) 作进一步推广 ， 用 u 、u b 、u 代替( 6 ) 式i 、i b 、i 。 得 线 电压 Ul i n e 为 = 。s i n +u b s i n ( 伽 一 - ) +u c s i n ( 研 + ( 9 ) 式( 7 ) 、 ( 8 ) 、 ( 9 ) 中的I F C 、I T C R 、U L i n e 检测时提取 的是为直流分量 ， 分别对应于三相交流电流、电压 的基 波 分 量 2 1 5 F C和滤波器的设计 FC中， 每个 电容器都串联一个小电感 ， 将 L、C调 谐到针对某次谐波的频率 ， 此时， 电感和电容器提供的 此次谐波的无功刚好是感性 无功功率等于容性无功功 率。而对基波来说 ， 提供的容性无功大于感性无功 ， 总 的对基波提供的是容性无功 。 F _ r n d 口 w 1 o f o c y 口 - l l - I c t d l i l l r l l l I-_l ll1 图 5 带 L R( 阻抗负载) 的三相不控整流的 系统电流波形及 F F T分析 由于用户用电， 其特性多为阻感负载【 ， 在本文中用 三相不控整流带阻感负载模拟， 在 MA TL AB中， 用 F F T 分析得到其主要次谐波为 5 、7 、1 1 、1 3 ( 6 k1 ) ， 同 ： 。一 。 誊警 薏善 E 星 自 动 化技 术 与 应 用 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第6 期 行 业 应 用 与 交 流 n d u s t r i a l Ap pl ic a t ion s a n d Co m mu n i c a t i o n s 时， TC R的电流谐波成分也为 5 、7 、l l 、1 3 ( 6 k1 ) 次( 图2为三相不控整流的电流波形 以及 FFT分析结 果) ， 所 以在设计滤波器时就需要滤除针对这几次谐波 ， 利用单调谐滤波器滤除 5 、7 、1 1 、1 3 、1 9次， 而 2 0次 以后采用二阶高通滤波器。 在本设计 中 ， 电容器组需要提供的总的无功为 一 3 0 0 K v a r ， 则每一相需要提供 一1 0 0 Kv a r 的无功功率。在 实际应用中， 为了使各次滤波器的电容承受谐波电压基 本 一致 ， 通 常采 用下列 公 式进 行 无功补偿 容量 分配 ： Q ： a ( 1 O ) I m 式中： 为系统总的无功补偿量 ， 为 n次滤波器的无功补偿量 电容器参数 C的确定可用式( 1 1 ) ： ： 1 C 1 1 = ( ) ： 式中： Up为系统相电压 根据谐振频率求电感 L 1 L= ( 1 2 ) ( ) C 对于用二阶高通滤波器中， R的确定则由( 1 3 ) 式 R=q H n t O l L ( 1 3 ) 1 其中q u 工程应用中一般取( 0 5 m 1 ) 运用以上公式 ， 结合本次设计总的容性无功容量 为 一3 0 0 Kv a r 的要求 ， 以a 相为例算得 ： c 5 = 0 0 0 0 1 3 0 7 4 F = 0 。 0 0 3 1 H c 7 = 0 0 0 1 6 F 。 = 0 0 0 0 1 2 9 2 4 H G1 = 0 0 0 6 6 7 2 3 F 厶l 。 = 0 0 0 0 1 2 5 5 H G3 = 0 0 0 0 4 7 8 5 6 F 厶3 = 0 0 0 0 1 2 5 2 8 H G7 = 0 0 0 0 2 8 1 4 8 F 厶 7 。 ：0 0 0 0 1 2 4 5 5 H G 9 =O 0 0 0 2 2 5 5 8 F 厶9 。 = 0 0 0 0 1 2 4 4 2 H 6 滤 波效果和 动态 过程仿真 图2所示是补偿前系统相电流及 F F T频谱分析结 果， 在没有投入补偿装置前 ， 系统相 电流中谐波污染较 为严重； 图 6所示是经过 S VC补偿器后 ， 系统相电流及 其 F F T频谱分析 ， 其谐波电流值小于用户注入电网的谐 波电流的允许值。可见， 系统的FC参数设计合理， 能够 很好地滤除负载及 T C R补偿电路产生的谐波。 图 6 补偿后系统相电流及 F F T频谱图 系统在 0 1 秒时候投入 TC R， 在 0 2 秒时候 由晶闸 管在直流侧投入一个阻感负载， 来观看本系统应对负载 扰动时的动态响应 。 ( a ) 系统网侧相电压、线电流波形 ( b ) 系统线电压有效值 ( c 1 系统无功功率 行 业 应 用 与 交 流 n du s t r i a l Ap pl ic a t ion s an d Comm u n i c at i o n s 自动化技术 与应用 2 0 l 2年第 3 1卷第 6期 ( d ) T CR导通角变化 ( e ) T CR相电流 图 7 S V C系统动态仿真图 在 0 1 秒时， 系统加入 TC R， 母线电压波形 7 ( a ) 黑线 所示。可以看出， 系统电压迅速由电容器抬高的电压值 降落到控制系统的给定值 ， 所需时间约为 1 2个周期。 系统电流( 7 ( a ) 红线) 的相位由超前变为滞后 ， 同时功率因 数达到0 9 5的要求。 在 0 2秒时， 直流侧由晶闸管投入阻感负载 ， 此时， 系统电压几乎没发生变化 ， 系统电流增大 ， 系统的无功 功率减小到接近于 o ， 此时系统的功率因数接近 1 。同时 可以看到 T C R的触发角在增大 ， 消耗的感性无功在减 小。从图7可以得 出： 当投入 TCR以后， 系统的功率因 数达到了0 9 5的预期目标， 同时系统的母线电压在应 对负载扰动时具有较理想的动态响应效果 。 7 结束语 在基于瞬时无功功率理论的基础上 ， 本文针对电网 用户设计出实用型 S VC系统， 具有结构简单、动态响应 效果好 ， 能够有效抑制电网系统 中电压 的突变 ， 并使系 统的功率 因数满足不低于 0 9 5的要求 ， 通过系统的 MA TL AB仿真， 还可以得出本系统有效地减少了电网系 统 中谐波含量 ， 并达到了谐波含量小于 电力部门规定的 允许值。本文的仿真也对进一步开发基于 DS P控制的 S VC装置的研制提供了一定的理论指导。 参考文献 ： 1 】 R Mo h a n Ma t h u r ， Ra j i v k V a r ma “ t h y r i s t o r - b a s e d f a c t s c o n t r o l l e r s f o r e l e c t r i c a l t r a n s mi s s i o n s y s t e ms ” M】 B e i j i n g， C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 2 0 0 4 【 2 】王兆安， 杨君， 刘进军 谐波抑制和无功功率补偿【 M】 北 京 ： 机械工业出版社， 1 9 9 8 3 】电力工业部 电能质量公用电网谐波( GB T1 4 5 4 9 9 3 ) 【 M】 北京： 国家电力工业部 1 9 9 8 作者简介： 许双宏 ( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 中级， 研究方向： 太阳光发电 系统 。 ( 上接 第 8 9页 ) 上升到 P 2 。因此调节压缩机转速， 只需蒸汽透平的主汽 门开大 ， 进入更 多的蒸汽 ， 压 缩机转速 加大 ， 出 口压力就 会上 升 ， 因此调整 非常 方便 。 岩 压 力 图 6 离心式压缩机出口压力与转速关系 3 结束语 从上述可以看出， 压力控制系统的关键在压缩机的 控制 ， 新氢压为整个系统提供了外在动力 ； 而循环氢压缩 机出口压力则是系统的启始压力 ， 它为整个系统提供了 内在动力。因此控制好 了压缩机 的出 口压力就能够很 好的控制整个反应系统的压力 。 参考文献： 1 陆德民， 张振基， 黄步余等 石油化工 自动控制设计手册 【 M】 3 版 北京 ： 化学工业 出版社 ， 2 0 0 0 2 】陈以虎 加氢裂化装置氢气流路压力控制 J _ 石油化工 自动化 ， 2 0 0 9 ， ( 5 ) ： 3 6 3 9 作者简介： 姚蕾 ( 1 9 7 9 一 ) ， 女， 工程师， 研究方向：自动化。