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灵活交流输电作业
“灵活交流输电”课程报告
静止无功补偿器(SVC)的仿真实例的研究
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静止无功补偿器(SVC)的仿真实例的研究
摘要并联无功补偿装置时电力系统的常用装置。
在输电网中,其主要功能是调整系统中的无功潮流的分布。
在配电网中,其主要功能是提高供电质量,减小负荷对电网的不利影响。
传统的并联无功装置实在倍补偿的节点上安装电容器、电抗器或者它们的组合以向系统注入或者吸收无功功率。
并联在节点上的电容器、电抗器通过机械开关投入或退出。
静止无功补偿装置用电力电子元件代替机械开关,从而实现了补偿的快速和连续平滑调节。
理想的SVC可以支持所补偿的节点电压接近常数。
良好的动、静调节特性使得SVC得到了广泛的应用。
关键词:
SVC;电压调整
近年来,一些经济发达地区迅速发展成负荷中心,部分负荷中心缺乏大电源支撑,发生严重的多重故障时,可能导致电网电压崩溃。
另外,大电源功率外送时,可能造成部分输电断面潮流较重;长期接近甚至超过稳定极限运行,可能会导致电网按原运行方式设置的无功补偿装置容量不足,电压难以控制。
目前,电网电压主要依靠发电机无功出力,并联无功补偿设备和变压器分接头调节。
为加强电网的电压调节能力和调节手段,提高电网稳态电压运行水平和扰动后的暂态电压水平,可采用SVC等动态无功补偿措施。
1SVC的基本结构和工作原理
静止无功补偿器SVC作为一种并联补偿装置已广泛应用于电力系统的动态补偿,其典型代表是晶闸管投切的电容器(thyristorswitchedcapacitor,TSC)和晶闸管控制的电抗器(thyristorcontrolledreactor,TCR)。
这两种无功补偿器有各自的局限性:
TCR只调节电抗器,补偿感性无功;TSC只快速投切电容器,补偿容性无功。
为扩大无功调节范围,使无功控制范围从容性无功变化到感性无功,可将TCR、并联电容器(FC)和TSC组合使用。
常用的方式有TCR+TSC、TCR+FC、TCR+TSC+FC。
TSC+TCR型SVC是连续控制的无功补偿器,谐波含量低,而且响应速度快,可快速改变发出的无功,具有较强的无功调节能力,提供动态无功补偿,从而提供动态电压支撑,加快暂态电压恢复,提高系统电压稳定水平。
SVC原理图如图1所示,图中的降压变压器是为了降低SVC的造价,而引入滤波器则是用来吸收SVC装置所产生的谐波电流。
图1-1SVC原理图
TCR的基本元件是一个电抗器,与双向晶闸管开关串联。
通过控制触发角,晶闸管可在电源频率的正负半周轮流导通。
TCR可看作一个可变电纳,连续可调,但只在感性无功范围内。
TSC只调节电容器,可补偿系统所需的无功功率。
如果级数分得足够细,基本可实现无级调节。
但由于每级均需晶闸管阀,从性价比考虑,不宜分得太细。
TSC的每个分级之间的无功功率可通过TCR来连续调节,所以TSC装置一般与电感并联,即组成TSC+TCR补偿器。
图1为SVC和电力系统的V/I特性,通过TCR和TSC配合,SVC无功调节范围可实现从容性无功到感性无功变化,能连续调节补偿装置的无功功率,使补偿点的电压接近维持不变。
TSC只在容性无功范围内变化,TCR只在感性无功范围内变化。
当系统发生暂态过程、电压偏低时,TSC投入,发出容性无功,提升电压,使系统电压恢复。
但一次投入的TSC的容性无功,其多余的量存在于SVC,需TCR动作来抵消多余的容性电纳,最终使电压保持接近于1p.u.。
因此,TCR+TSC型SVC的协调控制原则是以TSC作分级粗调、以TCR
作相控细调,从而达到从容性无功到感性无功连续可调的目的。
若只投TCR则不能发出容性无功,无法提供动态电压支撑;若只投TSC,当系统电压恢复时,多余的容性无功没有感性无功来抵消,就会导致电压过高。
因此,TCR和TSC二者需协调配合。
TCR支路的等值基波电抗是晶闸管导通角和触发角的函数,调整它们可以平滑的调整并联在系统的等值等值电抗。
其从系统中吸收的无功功率为
(1-1)
式中,L为电抗器的电感值。
TSC支路受电力电子器件控制使电容器只有两种运行状态,即将电容器直接并联在系统中或将电容器退出运行。
由于TSC投切电容器是由电力电子器件控制完成的,因此它比机械可投切电容器要快的多,动态特性可以满足系统控制的需要。
当TSC支路投入系统中后,其向系统注入的无功为
(1-2)
式中,C为电容器的电容值。
由以上两式可得SVC向系统注入的无功功率为
(1-3)
可见当
时,SVC向系统注入的无功功率可以连续平滑的调节。
一般为了扩大SVC的调节范围,SVC装置中可采用多个TSC支路,而且为了保持调整的连续性,通常TCR的容量略大于一组TSC的容量。
若投入的TSC的总容量为C,则SVC的等值电抗为
(1-4)
SVC的等值伏安特性由TCR和TSC组合而成,其伏安特性如图2所示,Vref为SVC的参考电压。
SVC的可调范围在直线范围内,当系统电压的变化超出SVC控制范围时,SVC就变成一个固定阻抗,即
或
。
图1-2SVC的伏安特性曲线
2Simulink中的SVC模块介绍
2.1SVC模块的基本功能
SimPowerSystems库中提供了SVC模块,该模块可以仿真任何拓扑结构的SVC,并可与Powergui模块结合对电力系统的暂态和动态特性进行分析。
SVC模块示意图如图2-1所示。
SVC模块的端子功能如下:
A、B、C为SVC连接系统的电气端子;m端子包含6个信号的矢量。
这些信号的组成与定义见表2-1.
Vref为仿真输入的参考电压控制信号。
此端子只有在SVC参数设置对话框中选中“ExternalcontrolofreferencevoltageVref”才会显示出来。
双击SVC模块,打开其参数设置对话框,在“显示(Display)”下拉菜单列表中选择“功率数据(PowerData)”选项,将显示功率数据参数设置对话框,如图2-2所示。
参数定义如下:
Systemnominalvoltageandfrequency:
系统额定电压(单位V)和额定频率(单位Hz)。
Three-phasebasepowerPbase:
三相基准容量(单位VA)。
Reactivepowerlimits:
SVC在额定电压下能够产生的无功功率极限,正值为容性,负值为感性。
Averagetimedelayduetothyristorvalvesfirings:
晶闸管触发的平均延迟时间。
表2-1SVC模块的输出信号
信号序号
信号组
信号名称
定义
1~3
PowerIabc(cmplx)
Ia(pu)
Ib(pu)
Ic(pu)
输入SVC的相电流Ia、Ib、Ic,单位p.u.
4
Control
Vm(pu)
测量到的正序电压(单位p.u.)
5
Control
B(pu)
SVC的电纳输出单位p.u.,正值为容性
6
Control
Q(pu)
SVC的无功功率输出(单位p.u.),正值为电感
图2-1SVC模块示意图
图2-2SVC模块功率数据参数设置对话框
图2-3SVC模块控制参数设置对话框
在“显示(Display)”下拉表中选中“控制参数(Controlparameters)”选项,将显示控制参数设置界面,如图2-3所示。
Modeofoperation:
定义SVC的运行模式,包括“电压调整(Voltageregulation)”和“无功控制(Varcontrol)”两种模式。
ExternalcontrolofreferencevoltageVref:
当此项选中时,在仿真模块上将会显示Vref端子,允许由外部信号来控制电压参考信号。
ReferencevoltageVref:
参考电压值(单位p.u.)。
DroopXs:
只有在“电压调整(Voltageregulation)”模式下才有此参数,用于定义SVC伏安特性的斜率。
Voltageregulator[KpKi]:
只有在“电压调整(Voltageregulation)”模式下才有此参数,用于定义电压调整器的比例和积分常数。
Brefforvarcontrolmode:
只有在“无功控制(Varcontrol)”模式下才有此参数,用于定义无功控制模式下的参考电纳
2.2SVC模块的控制系统
一个通用的TSC-TCR型SVC控制系统的框图如图2-4所示。
主要包含电压测量系统、电压调节器、同步单元触发脉冲发生器等。
其中的电压调节器将测量得到的控制变量与参考信号相比较,然后将误差信号经过控制器的变换后输出了一个标幺值Bref信号,这个信号的大小可以使误差减小,并达到稳态误差为零。
Bref信号再经过电压同步系统和触发脉冲发生器产生脉冲信号,从而实现对TSC和TCR支路的晶闸管进行导通控制。
图2-4SVC控制系统框图
3SVC系统的仿真模拟
图3-1具备并联补偿设备的简单系统
为了分析SVC装置所安装处的电压控制效果,设一个具有并联补偿设备的简单系统如图所示,假设计算电压降落时可略去其横分量,则无功补偿前母线i的电压Ui为
(5)
式中,Uj为设置不成设备前母线j的电压。
当装设无功补偿装置后,母线j的电压变为Ujc,则母线i的电压为
(6)
设这两种情况下Ui保持不变,则有上式可得
(7)
由此可得
(8)
式中方括号内第二项的数值一般不大,可略去。
从而可以简化为
(9)
根据式就可以按照调压的要求计算补偿设备的容量Qc。
参考Matlab的例程power_svc,进行SVC的仿真验证,仿真模型如图3-2。
图3-2相控模式下SVC仿真系统图
SVC常用于500kV,300MVA系统的电压调整,当系统电压低的时,SVC发出无功;当系统电压高时,SVC吸收无功。
系统的参数如仿真图所示。
在整个仿真过程中,可编程电源的电压变化设置如下:
1)0~0.1s时电压源幅值为1.0p.u.。
2)0.1~0.4s时电压源幅值为0.97p.u.。
3)0.4~0.7s时电压源幅值为1.03p.u.。
4)0.7~1.0s时电压源幅值为1.0p.u.。
运行仿真,结果如图3-3所示。
(a)正序电纳的实际值Bactual、SVC的电纳输出曲线
(b)母线实际电压Vactual、SVC测量到的正序电压以及电源电压变化曲线
(c)SVC补偿设备的容量Qc曲线
图3-3仿真结果图
从图3-3中可见,在电压源发生变化时,SVC装置输出的无功也随之变化,限制了母线电压的升高或降低。
当母线电压降低时,SVC装置可以发出无功功率防止母线电压降低过多。
当母线电压降低时,SVC装置从系统中吸收无功功率,可以限制电压的升高。
上面的分析虽然表明了SVC装置动作的正确性,但并不能说明SVC装置对母线电压的控制效果。
通过对比未加SVC装置和加装SVC装置后的母线电压Uj随电源电压变化的情况。
从图中可以看出,当电源电压变化相同时,加装SVC后的母线电压比未加装SVC的电压波动要小的多。
当电源电压升高6%时,SVC的作用使母线电压仅升高1%,而没有SVC的母线电压升高的程度几乎和电源电压一样。
同样,电源电压降低时,SVC也能减弱母线电压降低的程度。
显然可以看出,为了更好地体现SVC对母线电压的控制效果,还可以采用更多的TCR和TSC,但这样必然会增加投资。
因此在实际工程中应该根据需要来选择TCR和TSC的容量。
4总结
通过本次报告的撰写,使得我对SVC的基本分类,基本结构与基本工作原理有了充分的而理解,对于灵活交流输电技术的发展趋势有了更深层次的理解。
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- 灵活 交流 输电 作业