基于PSIM的TCR型靜止無功補償裝置仿真

李必春

摘 要：靜止無功補償作為一種新型無功補償方式，能快速、平滑地調節無功功率輸出，以滿足動態無功補償的需要，對于三相不平衡負荷及沖擊負荷有較強的適應性，廣泛應用于電力系統中。基于電力系統仿真軟件PSIM平臺，建立TCR型靜止無功補償裝置模型，在以功率因數為目標的控制策略下進行仿真，模擬裝置在實際工況下的補償效果。仿真結果表明，裝置能達到設計要求，同時，利用PSIM仿真軟件對深入理解和改進動態無功補償裝置具有積極意義。

關鍵詞：靜止無功補償裝置;PSIM;快速傅里葉變換FFT;功率因數

中圖分類號：TM761文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）05-0016-04

Abstract： As a new type of reactive power compensation， static var compensation can quickly and smoothly adjust the output of reactive power to meet the needs of dynamic reactive power compensation， whcih has strong adaptability to three-phase unbalanced load and impact load， and is widely used in power system. Based on the PSIM platform of power system simulation software， the TCR static var compensation device model is established， the simulation is carried out under the control strategy with power factor as the objective， and the compensation effect of the device under the actual working conditions is simulated. The simulation results show that the device can meet the design requirements， at the same time， the use of PSIM simulation software has a positive significance for further understanding and improving the dynamic reactive power compensation device.

Keywords： static var compensation device;PSIM;fast fourier transform FFT;power factor

隨著經濟的發展和社會的進步，越來越多的高科技設備投入使用，而配電系統大量使用含有電力半導體器件的設備，給電網來了嚴重的污染，具體表現為：電壓偏差、電壓波動和閃變、三相不平衡、暫態過電壓、波形畸變等。這些問題不僅會帶來經濟損失，還會影響電力設備的穩定性和安全運行。靜止無功補償（TCR型）作為一種新型的補償裝置，具有快速、平滑的無功功率輸出，快速補償負載在動態過程中所需的無功，減少電壓波動和網損，提高輸配電的效率。為更好掌握靜止無功補償裝置的特性，本文將利用PSIM電力仿真軟件，通過系統建模和裝置的仿真，驗證靜止無功補償裝置的動態補償效果。

1 靜止無功補償裝置工作原理

靜止無功補償裝置（Static Var Compensator，SVC）是并聯接入系統，裝置的輸出電流可控，調節使之輸出為容性或者感性，以滿足系統對無功性質的需求。本文分析的是晶閘管控制電抗器型（Thyristor Controlled Reactor，TCR）靜止無功補償裝置，主要結構由可調的電抗器和固定容量的濾波電容器組構成，其工作原理是通過控制晶閘管的開通時間來改變流過電抗器的感性電流有效值，改變其吸收感性無功功率的大小，濾波電容器組則提供固定的容性無功功率，二者同時作用可使裝置產生的無功連續可調。

在工程應用中，TCR基本結構是兩個正反并聯的晶閘管閥組與一個電抗器串聯，三相電路結構大多數采用三角形方式接入電網，實際應用時將每相電抗器分成兩部分，分別接在晶閘管閥組的兩端，這種結構可以使晶閘管閥組得到保護，同時閥組的對地電壓降為原來的一用半。另外，要設置濾波電容器組，根據工況可設置多條濾波支路，用以濾除裝置產生的諧波或系統中諧波，同時提供一定的容性無功容量，靜止無功補償裝置原理如圖1所示。

2 PSIM電力仿真軟件介紹

PSIM是專門用于電力電子以及電機控制領域的專業化仿真軟件，該軟件包含SIMCAD和SIMVIEM兩個模塊，具有快速的仿真功能和友好的用戶界面等優點，針對不同用戶，可以提供一種強有效的仿真環境。PSIM高效的算法克服大多數仿真軟件的收斂失敗、仿真時間長的問題，可控制任意大小的電力變換回路，控制回路仿真功能，在不同系統的仿真領域、控制環的設計以及電機驅動系統設計領域被廣泛應用。PSIM作為仿真工具以及設計工具使用，可大大提高工作效率和生產性能，對降低開發成本和縮短研發時間都起到重要的作用。

3 基于PSIM的TCR型SVC裝置結構建模及仿真

構建完善的仿真模型對于系統實際仿真效果極為重要，本文依據實際工程來建立仿真模型，主要從主電路、控制電路、控制脈沖電路、監測電路、系統電源、裝置投切控制電路等方面對SVC系統進行建模。其以功率因數為控制目標，主要由參數采樣、數據處理、PI調節器等部分構成。通過控制電路的電壓和電流傳感器取出系統的電壓和電流信號，進行傅里葉變換，分別得到電壓和電流的幅值和相位，利用PI控制器模塊和對其進行控制，輸出控制信號觸發TCR主回路，達到控制功率因數的目的，控制原理框圖如圖2所示。

3.1 TCR及濾波支路主電路模型

主電路包括TCR支路和FC支路。晶閘管控制電抗器TCR，其結構是由兩個反并聯的晶閘管與一個電抗器串聯而成的，三相電路采用三角形連接并入電網。每相電抗器等分成兩部分，分別接在晶閘管閥組的兩端，主要起到保護晶閘管閥組作用;濾波支路FC結構是由電容器和電抗器串聯而成的，設置5、7、11次濾波支路，主要作用是提供容性無功功率，并濾除由TCR支路產生的諧波電流。在TCR和FC支路前均設置有投切開關，可以控制二者投入系統的時刻，便于觀察系統相關參數的變化。

3.2 控制電路模型

控制方式設計的好壞直接影響補償仿真的效果。控制器系統應能檢測系統相關變量，根據檢測變量和給定參考輸入量的大小，產生相應的晶閘管觸發延時角，以調節補償裝置吸收的無功功率[1-3]。本文以功率因數為控制目標建立仿真模型，穩態下的功率因數控制環節由參數采樣、PI調節、數據處理等構成。通過仿真軟件提供電壓傳感器和電流傳感器模型對電網電壓、電流進行采樣，再進行快速傅里葉變換，得到電壓和電流相位的實時數據，利用數學計算模塊換算以及PI增量控制，得到隨系統功率因數變化的控制信號。

3.3 控制脈沖電路模型

控制脈沖電路是根據控制電路輸出的控制信號產生相應的觸發延時角的晶閘管觸發脈沖[4-5]。晶閘管的導通角大小決定感性無功功率的輸出多少，其角度應受控于系統的電壓和電流電量參數，通過變換得到如前所述的控制電路輸出的信號波形，以其為門限值，采用三角波與該波形進行比較，得到PWM輸出控制脈沖信號波形。采用的三角載波信號頻率為50Hz，因晶閘管閥組為正反向并聯，因此，每相為兩組三角波信號源，且相位相差180°，三相之間相位各自相差120°，Control為控制電路輸出信號，TCR-AB+、TCR-AB-、TCR-BC+、TCR-BC-、TCR-CA+、TCR-CA-對應TCR主電路晶閘管的控制信號。

3.4 監測電路模型

監測電路主要作用是當系統投入TCR支路和電容器支路時，反映系統功率因數和功率的變化情況。利用PSIM仿真軟件提供的電壓傳感器和電流傳感器模塊，將采集系統的電壓和電流進行快速傅里葉變換，得到電壓、電流信號的幅值和相位，通過豐富的數學運算模型組合計算得到系統的有功功率、無功功率和功率因數。在設定的仿真時間內，實時采集系統的參數，當投入電容器和TCR支路時，利用Simview窗口觀測到相關參數的變化。

3.5 系統電源電路模型

TCR型靜止無功補償裝置并聯在電力系統中，采用三相電源模擬電網線路，L為電網系統中的電感，R為系統中的損耗電阻。

3.6 投切控制電路模型

電路主要作用是待系統穩定后，讓TCR支路和FC濾波支路在設定的時刻投入。主要用到模塊庫中提供的時間元件，該元件是分段線性電壓源的一個特殊情況，它可以看作一個接地電壓源，數值相當于仿真時間。具體采用時間元件與信號源比較方式，經過一定的延時，在需要的時刻比較器輸出信號，使各支路開關閉合，裝置投入。為方便觀察功率因數變化，這里設置為0.4s，使TCR和FC的投入開關閉合，裝置投入。

4 主仿真參數設置

4.1 相控電抗器參數設置電路

本文以6 kV系統，容量為6 000 kvar的SVC裝置為例進行說明。根據系統電壓、額定容量、出發角度等參數計算相控電抗器的電感，計算值按式（1）得到。

式中，[U]為裝置額定電壓;[I]為TCR額定電流;[Ke]為有效電流系數，取1.02;[α]為晶閘管導通觸發角，其取值范圍為[[π]/2，[π]]。

觸發角取110°，按式（1）計算得到電感為32.86 mH，每相電抗器由兩個電抗器串聯而成，每個電抗器電感為16.42 mH。

4.2 濾波電容器組參數設置

TCR支路采用的是三角形連接方式，裝置運行時產生的3 n次諧波不會流入系統，因此仿真支路設置的是5、7、11次電容濾波支路。按照經驗公式可以得到5、7、11次諧波電流最大標幺值分別為0.25、0.18和0.13，按此比例可以計算出各次電容濾波支路的容量，5次支路為2 680 kvar，7次支路為1 920 kvar，11次支路為1 400 kvar。按各次支路容量，可以確定濾波電容器電容量和電抗器電感，如表1所示。

4.3 其余參數設置

電網阻抗設置為純感性0.1 mH，負載電感為10 H，電阻為50 Ω。總仿真時間設置為1 s，在時間為0.4 s時，投入TCR支路和FC支路，仿真運行后，通過SIMVIEW調出相關參數，觀察其變化波形。仿真電路如圖3所示。

5 仿真結果分析

建立了仿真模型，仿真時間為1.0s，仿真結果如圖4、圖5所示，圖4為有功功率和無功功率變化趨勢圖，圖5為系統功率因數變化趨勢圖。從圖中可以看出，第一階段，在0～0.4 s，靜止無功補償裝置未投入時，由于感性負存在，系統功率因數較低，大概保持在0.8左右，無功功率缺口較大;第二階段，在0.4～0.6 s，TCR支路和FC濾波支路同時投入，各參數經過裝置一段時間的調整后穩定，無功功率大幅度減小，且功率因數顯著提高，經過一段時間振蕩后穩定，穩定的時間約為150 ms;第三階段，在0.6 s之后，裝置不再進行調整，功率因數穩定在1。從整個仿真過程可以看到，靜止無功補償裝置所發出的無功功率能較好補償系統所需的無功缺額，快速補償和提高功率因數，達到設計要求。

6 結論

本文采用PSIM電力電子仿真軟件，對靜止無功補償裝置的設計參數進行了仿真，具體以功率因數為控制目標對靜止無功補償裝置投入進行仿真，其響應時間快速（為毫秒級），能夠適應無功功率變化頻繁的補償要求。其間通過仿真驗證了系統建模和控制策略的正確性，人們可改變裝置部分設計參數進行仿真驗證，以便進一步掌握靜止無功補償裝置原理和完善補償裝置設計。PSIM作為用于電力電子以及自動控制領域的專業化仿真軟件，包含豐富的控制元件庫和強大數學運算模型，具備控制回路仿真功能，其具有仿真速度快、容易掌握的特點，非常適合電力工程的設計應用，對于提高效率具有重要作用。

參考文獻：

[1]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制與無功補償[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]蔡平，羅安，楊翠翠，等.高壓SVC系統的設計與實驗研究[J].電力電子技術，2011（6）：44-57.

[3]杜嚴行.基于PSIM的±10 kvar靜止同步補償器建模及仿真[J].寧夏電力，2014（1）：19-24.

[4]徐德鴻.電力電子系統建模及控制[M].北京：機械工業出版社，2006.

[5]華建軍，沈艷霞，紀志成.基于PSM斷續導通模式的DC-DC變換器的建模與仿真研究[J].電機與控制學報，2007（9）：522-528.