TSC-TCR型靜止無功補(bǔ)償器仿真設(shè)計(jì)

董瑩

青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院, 青海 西寧 810007

0 引言

我國從國外進(jìn)口的靜止無功補(bǔ)償裝置由于不同地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)的差異，設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)了很多問題和故障.鑒于這種情況，遼寧榮信電力電子公司在1998年借鑒國外的研究技術(shù)和方案設(shè)計(jì)，成功研制出了國產(chǎn)靜止無功補(bǔ)償裝置，彌補(bǔ)了國內(nèi)關(guān)于靜止無功補(bǔ)償?shù)娜焙?程磊(2013)提出為了提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性以及穩(wěn)定性，需要對(duì)傳統(tǒng)的SVC裝置進(jìn)行改進(jìn)，在MTLAB的應(yīng)用基礎(chǔ)之上搭建仿真電路，通過平衡TCR與TSC的應(yīng)用補(bǔ)償系統(tǒng)，更好地實(shí)現(xiàn)SVC裝置的無功補(bǔ)償[1].蔡婷婷，徐青山等人(2015)提出利用TCR型的SVC裝置可以抑制其同步振蕩，同時(shí)利用MATLAB與SVR裝置相結(jié)合，提高了裝置的穩(wěn)定性[2].郭昆麗，冉媛，鞏曉璇(2018)將研究重點(diǎn)置于SVC的抑制同步阻尼策略，利用仿真實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過仿真驗(yàn)證，可以看出加裝濾波器后的系統(tǒng)抑制效果最佳，可以實(shí)時(shí)有效地解決同步共振過程中出現(xiàn)的問題[3].綜上所述，利用MATLAB建立TSC-TCR型靜止無功補(bǔ)償器的仿真模型這種方式還處于研究空白階段，基于此筆者建立仿真模型，將電容器分組，按照需要補(bǔ)償無功功率的大小來投切電容器，降低裝置運(yùn)行過程中產(chǎn)生的諧波，降低損耗節(jié)約資源.簡(jiǎn)要來說就是將電容器分組，達(dá)到比較理想的效果.

1 MATLAB建模設(shè)計(jì)安全范圍

1.1 濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)安全范圍

由諧振條件知，調(diào)諧濾波器的諧振點(diǎn)數(shù)值計(jì)算公式如公式(1)所示：

(1)

諧振點(diǎn)nk是綜合考慮電源頻率、諧波電容和電感的數(shù)值.頻率、電容或者電感中的任何一個(gè)數(shù)值發(fā)生變化都會(huì)使諧振點(diǎn)偏離原始設(shè)計(jì)值.所以為了設(shè)計(jì)的安全性，我們必須考慮到電力系統(tǒng)自身可能發(fā)生的變化以及濾波裝置可能發(fā)生的失諧.變電所或者其他電力系統(tǒng)自身存在的電壓幅值跳動(dòng)約為 5 % ，電網(wǎng)的短路容量不可能保持不變，但會(huì)在短路容量的幅值范圍內(nèi)跳動(dòng).電源頻率通常有0.5 Hz 的變化，即1 % 的變化，數(shù)值不等式如公式(2)所示

(2)

溫度的忽高忽低或者濾波裝置本身的系統(tǒng)誤差會(huì)導(dǎo)致諧波的波動(dòng).環(huán)境溫度或者較大的氣候變化會(huì)導(dǎo)致電容器數(shù)值波動(dòng)，波動(dòng)范圍約為2 % .此外生產(chǎn)制造過程中存在的誤差也有一定的影響.因此，電容容量的變化如公式(3)所示

(3)

濾波電抗器因?yàn)橹圃煺`差一般會(huì)偏離原始設(shè)計(jì)參數(shù)的±3 %，偏差如公式(4)所示

(4)

由公式(4)可以得到實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的偏差范圍為0.92 ～1.06.例如設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器來抑制五次諧波,當(dāng)h=5時(shí)，安全的設(shè)計(jì)范圍是4.6～4.8.實(shí)際應(yīng)用時(shí)要按照系統(tǒng)的實(shí)際情況對(duì)參數(shù)再作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)誤差也要調(diào)整參數(shù)，保證濾波器發(fā)揮作用.

1.2 Simulink中SVC模塊分析

Sim Power Systems庫中提供了SVC模塊，該模塊可以仿真本次設(shè)計(jì)所需的TSC-TCR型SVC，然后再利用其他基礎(chǔ)模塊結(jié)合對(duì)SVC的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償效果進(jìn)行分析.SVC模塊的參數(shù)對(duì)話框中，有功率因數(shù)的參數(shù)設(shè)置，按照需要定義系統(tǒng)的額定電壓和額定頻率以及需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率量，計(jì)算晶閘管觸發(fā)的延遲時(shí)間，便于分析SVC模塊的無功補(bǔ)償效果.SVC的運(yùn)行模式有電壓調(diào)整和無功控制兩種，當(dāng)參考電壓值低于設(shè)定值，電壓調(diào)整模式啟動(dòng)，計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率，無功控制模式啟動(dòng).

2 TSC-TCR型SVC系統(tǒng)仿真模擬

為了分析SVC裝置的電壓控制效果，簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)一個(gè)具有并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備的系統(tǒng).假設(shè)計(jì)算電壓降落時(shí)可略去其橫分量，則無功補(bǔ)償前母線i的電壓Ui如公式(5)所示

(5)

式中Uj為設(shè)置補(bǔ)償設(shè)備前母線j的電壓.當(dāng)裝備無功補(bǔ)償設(shè)備后，母線的j電壓變?yōu)閁jc，則母線i的電壓如公式(6)所示

(6)

設(shè)這兩種情況下Ui保持不變，則由上述兩式可得如公式(7)

(7)

由此可解得：

(8)

式中方括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)數(shù)值一般不大，可略去.從而簡(jiǎn)化為公式(9)

(9)

根據(jù)以上公式就可以按照調(diào)壓的要求計(jì)算出補(bǔ)償設(shè)備的容量QC.

根據(jù)公式(9)計(jì)算出設(shè)備的補(bǔ)充容量：

(10)

根據(jù)公式(10)得出設(shè)備的補(bǔ)償容量Qc為73.1 Mvar.在MATLAB下建立了一個(gè)500 KV的TSC-TCR型SVC仿真模型，可以分為電網(wǎng)模塊、線路模塊、負(fù)載模塊、三相電壓電流策略模塊、SVC模塊、濾波器模塊、信號(hào)分離模塊、示波器模塊[4].其中SVC的伏安特性曲線如圖1.

如圖1所示，當(dāng)Reactive Current數(shù)值低于-1時(shí)，Pos.Seq.Voltage數(shù)值介于0.5 p.u.～1 p.u.之間，曲線為下降走勢(shì)；當(dāng)Reactive Current數(shù)值高于1時(shí)，Pos.Seq.Voltage數(shù)值介于1 p.u.～1.5 p.u.之間，曲線呈上升走勢(shì).

3 仿真結(jié)果分析

圖1 SVC的伏安特性曲線
Fig.1 Volt-ampere characteristic curve of SVC

當(dāng)電壓源發(fā)生變化時(shí)，SVC裝置輸出的無功功率也隨之變化，限制了母線電壓的升高或降低[5].當(dāng)母線電壓降低時(shí)，SVC裝置可以發(fā)出無功功率防止母線電壓降低過多.當(dāng)母線電壓升高時(shí)，SVC裝置從系統(tǒng)中吸收無功功率，可以限制電壓的升高.

如圖2所示，當(dāng)仿真時(shí)間介于0 s～0.2 s時(shí)，電源電壓可以控制為1 p.u.；當(dāng)仿真時(shí)間介于0.2 s～0.5 s時(shí)，電源電壓可以控制為0.94 p.u.；當(dāng)仿真時(shí)間介于0.5 s～0.8 s時(shí)，電源電壓可以控制為1.06 p.u.；當(dāng)仿真時(shí)間介于0.8 s～1 s時(shí)，電源電壓可以控制為1 p.u.，與仿真時(shí)間介于0 s～0.2 s時(shí)相同.

圖2 電源電壓變化曲線Fig.2 Voltage curve of power supply圖3 SVC吸收無功功率仿真圖Fig.3 Simulation diagram of SVC absorbing reactive power

如圖3所示，表現(xiàn)出SVC裝置加裝后，對(duì)于電壓變化的影響，加裝SVC后，曲線走勢(shì)更加平和，對(duì)于電壓的控制更加精準(zhǔn).為了更好地發(fā)揮SVC對(duì)電壓的控制效果，TCR和TSC裝置可以適當(dāng)增加，但這樣會(huì)加大前期投資，在日后應(yīng)用在實(shí)際電力系統(tǒng)時(shí)，還是要根據(jù)需要理智來選擇TCR和TSC的組數(shù)和容量[6].

如圖4所示， SVC裝置加入前和SVC裝置加入后的Uj隨電源電壓發(fā)生變化，可以看出加裝SVC后Uj隨電源的變化更加圓滑，比加裝前可控性更高.

4 結(jié)論

靜止無功補(bǔ)償器對(duì)于改善電能質(zhì)量有十分顯著地作用， TSC-TCR作為一種無功補(bǔ)償性能優(yōu)越的SVC，對(duì)它的基本原理，控制策略以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，計(jì)算濾波器參數(shù)并確定濾波器設(shè)計(jì)方案，借助MATLAB軟件進(jìn)行仿真研究，確定裝置的無功補(bǔ)償效果.仿真結(jié)果表明靜止無功補(bǔ)償器確實(shí)能進(jìn)行無功補(bǔ)償，可以很好地改善電能質(zhì)量.

圖4 SVC裝置加入前和SVC裝置加入后的Uj隨電源電壓變化圖
Fig.4Ujchart of variation with power supply voltage before and after SVC device addition