無功補償MATLAB仿真

1、一 課題的意義目的： 為使學生能更好地了解無功補償裝置的特性，基于Matlab和電力 電子知識，使學生加深對理論知識的理解，同時結(jié)合仿真驗證所學知 識。二 設(shè)計的來源及背景： 隨著電力系統(tǒng)中非線性用電設(shè)備，尤其是電力電子裝置應(yīng)用的日 益廣泛，電力系統(tǒng)中的諧波污染問題也越來越嚴重，而大多數(shù)電力電 子裝置功率因數(shù)較低，也給電網(wǎng)帶來額外負擔，并影響供電質(zhì)量。因 此抑制諧波和提高功率因數(shù)已成為電力電子技術(shù)和電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域 所面臨的一個重大課題，正在受到越來越多的關(guān)注。解決電力電子裝置產(chǎn)生的諧波污染和低功率因數(shù)問題不外乎兩 種途徑:一種是裝設(shè)補償裝置，如有源濾波器、無功功率補償器等， 設(shè)法對諧波進行抑

2、制和對無功進行補償;另一種是對電力電子裝置本 身進行改進，使其不產(chǎn)生諧波也不消耗無功功率，或根據(jù)需要對其 功率因數(shù)進行調(diào)節(jié)。后一種方法需要對現(xiàn)有電力電子設(shè)備進行大規(guī) 模更新，代價較大，并且只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置， 因此有一定的局限性。而前一種方法則適用于各種諧波源和低功率 因數(shù)設(shè)備，并且方法簡單，己得到廣泛應(yīng)用。三 無功補償?shù)淖饔茫?(1)增加設(shè)備容量。無功功率的增加，使總電流增大，以及視在 功率增大，從而使發(fā)電機、變壓器及其它電氣設(shè)備容量增加。 (2)設(shè)備及線路損耗增加。無功功率增加，使總電流增大，因而 使設(shè)備及線路的損耗增加。 (3)使線路壓降增大。如果是沖擊性無功功率負載還

3、會引起電壓 劇烈波動，導致供電質(zhì)量嚴重降低。 (4)功率因數(shù)降低，設(shè)備容量利用少。四 無功功率補償?shù)幕纠碚?4.1 無功功率補償?shù)幕驹?補償功率因數(shù)的方法有很多，下面僅以改善電壓調(diào)整的基本功能 為例，對無功功率動態(tài)補償?shù)脑碜骱喴榻B。 圖4. la所示為系統(tǒng)、負載和補償器的單相等效電路圖。其中U為 系統(tǒng)線電壓;R和X分別為系統(tǒng)電阻和電抗。設(shè)負載變化很小，故有U 遠小于U。則假定R遠小于X時，反映系統(tǒng)電壓與無功功率關(guān)系的特性 曲線如圖2.1b中實線所示，由于系統(tǒng)電壓變化不大，其橫坐標也可換 為無功電流?？梢钥闯觯撎匦郧€是向下傾斜的，即隨著系統(tǒng)供給 的無功功率Q的增加，供電電壓下降。（

4、a)單相電路 （b)動態(tài)補償原理圖4.1無功功率動態(tài)補償?shù)脑?可見，無功功率的變化將引起系統(tǒng)電壓成比例地變化。投入補償器之 后，系統(tǒng)供給的無功功率為負載和補償器無功功率之和，即Q = QL + Qr 因此，當負載無功功率QL變化時，如果補償器的無功功率Qr總能 彌補QL的變化，從而使Q維持不變，即Q=0，則U也將為0，供電電 壓保持恒定，這就是對無功功率進行動態(tài)補償?shù)幕驹?。圖2.1b示 出了進行動態(tài)的無功補償,并使系統(tǒng)工作點保持在Q-QA=常數(shù)的示意圖。 當使系統(tǒng)的工作點保持在Q=0處，即圖中的C點時，就實現(xiàn)了功率因數(shù) 的完全補償?？梢娧a償功率因數(shù)的功能可以看作是改善電壓調(diào)整功能 的特例

5、。4.2靜止無功補償裝置（SVC)的原理： 在電力系統(tǒng)中，電壓和頻率是衡量電能質(zhì)量的兩個最基本、最重 要的指標。為確保電力系統(tǒng)正常運行，供電電壓和頻率必須穩(wěn)定在 一定的范圍內(nèi)。頻率的控制與有功功率的控制密切相關(guān)，而電壓控 制的重要方法之一是對電力系統(tǒng)的無功功率進行控制。靜止無功補償裝置主要有以下三大類型:一類是具有飽和電抗器 的靜止無功補償裝置(SR: Saturated Reactor);第二類是晶閘管控制 電抗器(TCR: Thyristor Control Reactor),晶閘管投切電容器(TSC: Thyristor Switch Capacitor)，這兩類裝置通稱為SVC (St

6、atic Var Compensator);第三類就是采用自換相變流技術(shù)的靜止無功補償置 動態(tài)無功補償器(SVG)。下面簡要說明SR和SVC的原理。 4.2.1具有飽和電抗器的無功補償裝置(SR) 飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應(yīng)的無 功補償裝置也就分為兩種，具有自飽和電抗器的無功補償裝置是依靠 電抗器自身固有的能力來穩(wěn)定電壓，它利用鐵心的飽和特性來控制發(fā) 出或吸收無功功率的大小;可控飽和電抗器通過改變控制繞組中的工 作電流來控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進一步控 制無功電流的大小。 4.2.2晶閘管控制電抗器（TCR) 4.2.2晶閘管控制電抗器（TCR)

7、兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個電抗器相串聯(lián)，其單相原理圖如圖4.2 兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個電抗器相串聯(lián)，其單相原理圖如圖4.2 其三相多接成三角形，這樣的電路并入到電網(wǎng)中相當于交流調(diào)壓器電 路接電感性負載，此電路的有效移相范圍為90°180°。當觸發(fā)角 a=90°時，晶閘管全導通，導通角=180°，此時電抗器吸收的無功 電流最大。圖4.2 TCR補償器原理圖 TCR補償器原理圖 TCR的三相接線形式大都采用三角形聯(lián)結(jié)，也就是所謂支路控制 三角形聯(lián)結(jié)三相交流調(diào)壓電路的形式，如圖4.3所示，這種接線形比 其他形式線電流中諧波含量要小。圖4.3 TCR的三相接線形

8、式 TCR的三相接線形式 單獨的TCR由于只能吸收感性的無功功率，因此往往與并聯(lián)電容 器配合使用，并聯(lián)上電容器后，使得總的無功功率為TCR與并聯(lián)電容 器無功功率抵消后的凈無功功率，因而可以將補償器的總體無功電 流偏置到可吸收容性無功的范圍內(nèi)。另外，并聯(lián)電容 器串聯(lián)上小的 調(diào)諧電抗器還可兼作濾波器，以吸收TCR產(chǎn)生的諧波電流。 2.2.3晶閘管投切電容器(TSC) 為了解決電容器組頻繁投切的問題，TSC裝置應(yīng)運而生。其單相 原理圖如圖4.4所示，兩個反并聯(lián)的晶閘管只是將電容器并入電網(wǎng)或 從電網(wǎng)中斷開，串聯(lián)的小電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)運行時可能 產(chǎn)生的沖擊電流。圖4.4 TSC補償器原理圖 選

9、取投入時刻總的原則是，TSC投入電容的時刻，也就是晶閘管 開通的時刻，必須是電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時刻。因 為根據(jù)電容器的特性，當加在電容上的電壓有階躍變化時(若電容器 投入的時刻電源電壓與電容器充電電壓不相等就會發(fā)生這樣的情況)， 將產(chǎn)生沖擊電流，則很可能破壞晶閘管或給電源帶來高頻振蕩等不利 影響。五 MATLAB/Simulink簡介 MATLAB/Simulink簡介隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模越來越大，特別是隨著互聯(lián)電 網(wǎng)的出現(xiàn)，系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)由原來的幾十個上升到幾百個甚至上千個。對 于如此大的電力網(wǎng)絡(luò)想用原來的手算方法進行電力系統(tǒng)的分析和計算已 是不可能，我們必須借助于

10、先進的計算機技術(shù)和強大的系統(tǒng)仿真軟件進 行電力系統(tǒng)的分析和計算，從而加深我們對電力系統(tǒng)的理解，進一步指 導我們在電力系統(tǒng)的工作。 在MATLAB中，電力系統(tǒng)模型可以在Simulink環(huán)境下直接搭建，也可 以據(jù)所研究對象物理模型建立其數(shù)學模型，并進行封裝和自定義為用戶 自己的模塊庫，充分顯現(xiàn)了其仿真平臺的優(yōu)越性。同時更重要的是， MATLAB提供了豐富的工具箱資源。以及大量的實用模塊，在Simulink環(huán) 境下，不僅可以進行電力系統(tǒng)的仿真計算，還可以實現(xiàn)復雜的控制方法 仿真，使得我們更加深入地研究電力系統(tǒng)的行為特性。六 無功補償裝置的MATLAB的建模與仿真 無功補償裝置的MATLAB的建模與仿

11、真圖6-1 無功補償裝置Simulink仿真模型 無功補償裝置Simulink仿真模型6.1 模型建立 圖6-1為無功補償裝置simulink的仿真模型，現(xiàn)試分析圖4-1的建 模過程。 （1）在Simulink窗口下的File菜單中選擇New命令創(chuàng)建一個 untitled空白文件窗口。 （2）雙擊Simulink的SimPowerSystems模塊庫，打開Electronics Sources模塊庫,將三相可編程電壓源Three-Phase Programmable Voltage Source模塊從該模塊庫窗口拷貝到untitled窗口，并將其命 名為Programmable Voltage Source，其屬性參數(shù)設(shè)置對話框如圖6-2 所示： （3）其它模塊的調(diào)用和參數(shù)的設(shè)置與步驟（2）相似，在這里不 做過多闡述。圖6-2 Three-Phase Programmable Voltage Source 模塊的屬性參數(shù) Three-6-2 無功補償裝置的仿真 建立好圖6-1所示的Simulink模型后，將參數(shù)設(shè)置好 便可進行仿 真。仿真結(jié)果如圖6-3、所示： 6-3 SVC仿真波形 SVC仿真波形6.3 仿真波形分析 仿真結(jié)果表明:無功功率補償器能夠很好地補償無功功率，使補 償后的功率因數(shù)接近1，達到了補償?shù)哪康摹ｋ妷汉碗娏鞫寄軌蚍€(wěn)定。 我們還能