畢業(yè)論文-高壓電器電氣特性仿真研究

1、PAGE 哈 爾 濱 理 工 大 學畢 業(yè) 設 計 題 目： 高壓電器電氣特性仿真研究 院、 系： 電氣工程及其自動化 姓 名： 指導教師： 系 主 任： 2012 年 6 月 哈爾濱理工大學畢業(yè)設計（論文）任務書學生姓名： 學號：學 院： 電氣與電子工程學 專業(yè)：高電壓專業(yè)任務起止時間： 2012 年2月 27日至 2012 年 6 月 24日畢業(yè)設計（論文）題目：高壓電器電氣特性仿真研究畢業(yè)設計工作內容：查閱國內外相關參考文獻，要求閱讀15篇以上文獻，其中必須有3篇以上為外文文獻，要將其中1篇外文文獻譯成中文，不少于3000漢字。分析高壓電器仿真研究的意義與必要性，綜述國內外研究現狀；熟練

2、掌握Matlab軟件編程與Simulink編程仿真；編制不同結構母線交流電動力計算程序 .m文件；建立電弧數學模型，利用Simulink仿真研究開關動作時恢復電壓；仿真研究電容器組投切過程涌流問題與限制措施；總結研究工作，撰寫畢業(yè)論文，進行畢業(yè)答辯。資料：劉會燈，朱飛.MATLAB編程基礎與典型應用，北京：人民郵電出版社，2008徐國政，張節(jié)容，錢家驪等.高壓斷路器原理和應用，北京：清華大學出版社，2000魏克新，王云亮，陳志敏.MATLAB語言與自動控制系統設計，北京:機械工業(yè)出版社，1997指導教師意見：簽名：年 月 日系主任意見：簽名：年 月 日教務處制表哈爾濱理工大學學士學位論文 -高

3、壓電器電氣特性仿真研究摘要隨著計算機的普及和應用，高壓電器借助一些具有強大仿真功能的軟件平臺進行電路仿真實驗，從而掌握電器產品的性能，減少重復樣機的制作，降低試驗費用。本文主要從高壓電器中幾個具體的實例通過MATLAB7.0建立模型進行仿真研究。介紹了斷路器短路電流開合仿真。針對適用于小電流電弧仿真的mayr電弧模型，完整闡述了Matlab7.0環(huán)境下電弧模型的建立，以便于日后7.0 用戶進行電弧建模及仿真。同時，進一步分析了模型參數對輸出波形的影響，證實與實際斷路器的投切現象較好地符合，對斷路器投切或者線路故障燃弧等現象的研究都能起到積極的作用。通過MATLAB的m文件編程來計算不同結構的母

4、線的交流電動力。利用MATLAB進行了電容器組投切的仿真，對目前常用的無功補償電容器投切控制方案所存在的不足進行了詳細的分析,給出了補償電容器投切的優(yōu)化控制方案,并在MATLAB 電力仿真環(huán)境下進行了仿真試驗。關鍵詞 高壓電器；MATLAB；電弧；電動力；電容器Study on Electrical Performance Simulation of High Voltage ApparatusAbstractWith the popularity of computer and high-voltage electrical appliances with the software plat

5、form that has powerful simulation capabilities for circuit simulation experiments, in order to grasp the performance of electrical products, to reduce duplication of prototype production, reduce test costs. In this paper, a few specific examples from the high-voltage electrical appliances by MATLAB7

6、.0 model simulation study. Opening and closing of the circuit breaker short-circuit current simulation. For small current arc simulation the mayr arc model, complete expounded Matlab7.0 environment arc model, arc modeling and simulation for 7.0 users in the future. The same time, further analysis of

7、 the impact of the model parameters on the output waveform, and confirmed with the actual circuit breaker switching phenomenon with switching the circuit breaker or line fault arc phenomena can play an active role. MATLAB m-files programmed to calculate the different structure of the AC power bus. M

8、ATLAB simulation of capacitor bank switching, carried out a detailed analysis of the shortcomings of the currently commonly used in reactive power compensation capacitor switching control scheme, given the optimal control of the compensation capacitor switching and power simulation in MATLAB environ

9、ment simulation test.Keywords high-voltage electrical appliances;MATLAB;arc;power bus; capacitor目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328555082 摘要 PAGEREF _Toc328555082 h I HYPERLINK l _Toc328555083 Abstract PAGEREF _Toc328555083 h II HYPERLINK l _Toc328555084 第1章 緒論 PAGEREF _Toc328555084 h 1 HYPERLINK

10、 l _Toc328555085 1.1 課題背景 PAGEREF _Toc328555085 h 1 HYPERLINK l _Toc328555086 1.2 高壓電器仿真研究現狀 PAGEREF _Toc328555086 h 1 HYPERLINK l _Toc328555087 1.3 本文主要內容 PAGEREF _Toc328555087 h 4 HYPERLINK l _Toc328555088 第2章 基于MATLAB斷路器短路電流開合仿真 PAGEREF _Toc328555088 h 5 HYPERLINK l _Toc328555089 2.1 Mayr電弧模型的理論體

11、系 PAGEREF _Toc328555089 h 5 HYPERLINK l _Toc328555090 2.1.1 Mayr電弧的動態(tài)數學模型 PAGEREF _Toc328555090 h 5 HYPERLINK l _Toc328555091 2.1.2 模型的下層文件 PAGEREF _Toc328555091 h 6 HYPERLINK l _Toc328555092 2.1.3 子系統的封裝 PAGEREF _Toc328555092 h 8 HYPERLINK l _Toc328555093 2.2 電路仿真 PAGEREF _Toc328555093 h 9 HYPERLIN

12、K l _Toc328555094 2.3 本章小結 PAGEREF _Toc328555094 h 11 HYPERLINK l _Toc328555095 第3章 不同結構母線交流電動力計算 PAGEREF _Toc328555095 h 12 HYPERLINK l _Toc328555096 3.1 畢奧薩伐爾定律計算電動力 PAGEREF _Toc328555096 h 12 HYPERLINK l _Toc328555097 3.2 單相電動力 PAGEREF _Toc328555097 h 13 HYPERLINK l _Toc328555098 3.3 三相平行導線間的電動力

13、PAGEREF _Toc328555098 h 13 HYPERLINK l _Toc328555099 3.4 短路時的電動力 PAGEREF _Toc328555099 h 16 HYPERLINK l _Toc328555100 3.5 本章小結 PAGEREF _Toc328555100 h 17 HYPERLINK l _Toc328555101 第4章 電容器組投切過程涌流問題與限制措施 PAGEREF _Toc328555101 h 18 HYPERLINK l _Toc328555102 4.1 電容器組的最優(yōu)投切控制研究 PAGEREF _Toc328555102 h 18

14、HYPERLINK l _Toc328555103 4.2 基于MATLAB的投切控制的仿真研究 PAGEREF _Toc328555103 h 20 HYPERLINK l _Toc328555104 4.2.1 補償電容殘壓為零條件下的仿真 PAGEREF _Toc328555104 h 20 HYPERLINK l _Toc328555105 4.2.2 補償電容殘壓不為零條件下的仿真 PAGEREF _Toc328555105 h 22 HYPERLINK l _Toc328555106 4.3本章小結 PAGEREF _Toc328555106 h 25 HYPERLINK l _T

15、oc328555107 結論 PAGEREF _Toc328555107 h 26 HYPERLINK l _Toc328555108 致謝 PAGEREF _Toc328555108 h 27 HYPERLINK l _Toc328555109 參考文獻 PAGEREF _Toc328555109 h 29 HYPERLINK l _Toc328555110 附錄A PAGEREF _Toc328555110 h 30 HYPERLINK l _Toc328555111 附錄B PAGEREF _Toc328555111 h 32 -第1章 緒論1.1 課題背景高壓電器是在高壓線路中用來實現

16、關合、開斷、保護、控制、調節(jié)、測量的設備。一般的高壓電器包括開關電器、測量電器和限流、限壓電器 。進入二十一世紀以后，隨著計算機的普及和應用，電類專業(yè)借用電子設計自動化工具進行模擬實驗，以加深對所學內容中的理解和掌握。主要電器仿真的主導思想：是借助一些具有強大仿真功能的軟件平臺進行電路仿真實驗。高壓電器仿真技術的應用改變了長期以來人們用傳統工程計算方法進行特性分析所造成的精度差的缺點，可以在樣機制作和實驗分析前，掌握電器產品的性能，減少重復樣機的制作，降低試驗費用，同時縮短新產品的開發(fā)周期，提高產品性能指標。計算機仿真技術在高壓電器研發(fā)中創(chuàng)造了條件。MATLAB是矩陣實驗室（Matrix La

17、boratory）的簡稱，是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。他將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態(tài)系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種更全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平1。1.2 高壓電器仿真研究現狀傳統的高壓直流輸電系統普遍采用晶閘管和自然換相技術, 而晶閘管是一種只具有控制接通而無自關斷能力的半控型器

18、件, 在換相過程中, 需要外部電網提供換相電壓, 當受端電網比較弱時,容易發(fā)生換相失敗。因此, 針對上述不足, ABB 公司研制開發(fā)了輕型直流輸電系統( HVDC Lig ht ) , 它采用電壓源型換流器( V SC) , 功率開關由絕緣柵雙極晶體管( IGBT) 組成。電壓源換流器采用脈寬調制控制技術, 無需任何換相電壓, 可以向各種有源或無源網絡輸電。IGBT 是具有自關斷能力的全控型器件, 開關速度快、頻率高、損耗小。1997 年3 月, 世界上第一條10 kV 的輕型直流輸電系統在瑞典的赫爾斯揚( Hellsjon) 工程正式投入運行, 并取得了較為滿意的實驗結果 25 。圖1-1

19、輕型直流輸電系統MATLAB 仿真模型圖通過建立基于MATLAB 的仿真模型, 并以一單機為例經過整流和逆變直接向負荷供電, 整流側和逆變側分別采用定直流電壓控制和定交流電壓控制的控制方式, 針對三相接地故障的情形, 對整個輕型高壓直流輸電系統的模型進行了仿真和分析。隨著電力電子技術的不斷進步, 采用各種控制方式的現代電機調速系統迅速發(fā)展; 調速系統結構的復雜程度不斷增加, 同時變流裝置非正弦供電下電機的運行條件和性能都產生了很大變化;而將控制算法直接用實驗系統驗證需要花費大量的時間和精力, 而且缺乏柔性。因此, 在實際系統實施前往往需要對系統的性能、參數、實現方法等進行仿真, 驗證方案的可行

20、性, 并為系統的設計和調試提供參考和依據。目前, Matlab及其Simulink可視化仿真平臺在控制系統中應用非常廣泛。Simulink具有模塊化、可封裝、結構圖編程以及高度可視化等特性, 使仿真建模大大簡化。然而, 在復雜的電氣控制系統中, 如何準確地進行仿真, 一直是比較困難的問題。電機調速系統中往往包含功率開關和旋轉電機。用Simulink提供的基本模塊如開關觸發(fā)器來構造功率開關非常費力,電機需要抽象成狀態(tài)空間模型, 再加上各環(huán)節(jié)采用簡化的傳遞函數, 很多細節(jié)都會被忽略, 導致仿真模型和實際系統有很大差異, 而且不能在電氣連接上一一對應, 使仿真結果不能有效指導硬件設計。從Matlab

21、5.2開始推出的電氣系統模塊庫( Power System Blockset PSB ) 終于解決了這一問題。利用電氣系統模塊庫, 用戶不需要自己編程,也不需推導系統的數學模型, 只需要把所需的電氣元件按電氣結構進行物理連接, 系統模型的結構非常接近實際電路, 且電氣元件比較全面地反映相應實際元件的電氣特性, 仿真結果可信度很高?；贛atlab 電氣模塊庫的調速系統仿真方法, 并構建雙饋電機的定子磁場定向矢量控制模型, 以說明PSB在調速系統中的應用6。利用PSB 模塊和Simulink 模塊可以構成該系統的仿真模型。整個仿真系統的Matlab如圖1-2所示, 所用版本為Matlab7.07

22、。圖1-2 基于PSB的雙饋電機調速系統仿真模型隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展, 電力系統容量不斷增加, 電網結構日益復雜和龐大, 系統的穩(wěn)定性問題日益突出。由于在技術和經濟上的優(yōu)越性, 電弧爐煉鋼技術在國內外鋼鐵行業(yè)得到了日益廣泛的應用。煉鋼電弧爐是一種典型的隨機性非線性負載 ,具有沖擊性, 是電壓波動和閃變的一個主要因素, 致使電壓波動和閃變已成為威脅許多重要用戶供電穩(wěn)定性的主要原因之一。因此, 電壓波動和閃變的抑制已成為一個十分重要的研究課題無功功率變動量是導致電壓幅值波動的主要因素。因此, 安裝并聯無功補償裝置是抑制電壓波動和閃變最常用的措施8 ?，F有的磁控電抗器(MCR) 是一種有效的無功補

23、償方法,但是由于響應速度較慢, 限制了其在抑制電壓閃變方面的應用?；诖?將一種特殊的接線方式 外延三角形接線引進此磁控電抗器的繞組中, 應用諧波抵消原理消除自身諧波, 同時通過設置飽和曲線和直流勵磁控制相配合, 提高響應速度, 使其在要求響應速度快的電弧爐熔化期主要工作于自飽和狀態(tài), 能夠有效地抑制電壓波動和閃變。采用MATLAB&Simulink仿真軟件建立了相應的仿真模型，如圖1-3, 檢驗其對電弧爐引起的電壓波動和閃變進行抑制的效果。圖1-3 電弧爐供電系統模型1.3 本文主要內容本文主要從高壓電器中幾個具體的實例通過MATLAB7.0建立模型進行仿真研究。首先介紹了斷路器短路電流開合

24、仿真。針對適用于小電流電弧仿真的Mayr電弧模型，完整闡述了Matlab7.0環(huán)境下電弧模型的建立，以便于日后7.0 用戶進行電弧建模及仿真。同時，進一步分析了模型參數對輸出波形的影響，證實與實際斷路器的投切現象較好地符合，對斷路器投切或者線路故障燃弧等現象的研究都能起到積極的作用。其次,利用MATLAB的m文件編程來計算不同結構的母線的交流電動力。最后,主要進行了電容器組投切的仿真，對目前常用的無功補償電容器投切控制方案所存在的不足進行了詳細的分析,給出了補償電容器投切的優(yōu)化控制方案,并在MATLAB 電力仿真環(huán)境下進行了仿真試驗。第2章 基于MATLAB斷路器短路電流開合仿真2.1 May

25、r電弧模型的理論體系長期以來，高壓斷路器的設計和研制只能依靠物理過程的定性分析、簡單估算、經驗和大量的試驗研究進行，效率低、耗資大?？萍既藛T希望能找到電弧的動態(tài)物理模型，借以提高效率，節(jié)約資金并可使設計優(yōu)化。由于電弧是個十分復雜的物理、化學過程，它牽涉到物質的組成和物性變化、可壓縮流體的流動、電磁場的分布、熱的發(fā)散和吸收等，又是空間分布和快速時變過程，而其中很多參數是高度非線性的，求解電弧模型的困難是不言而喻的。求得電弧的模型的基礎首先是實驗，只有大量、多方面的試驗才能逐步揭示電弧物理過程并提供可供計算的原始數據。在此基礎之上，通過對多方面物理現象的公式推導和數學演算可以得到電弧模型。為了達到

26、這一結果，當然必須做出大量的假設。所有這些都說明求得電弧模型是一個漫長的艱苦的路程。開關電器的電弧開斷特性是開關電器設計和研制的關鍵。為了分析斷路器開斷現象利用MATLAB軟件對開關電器電弧開斷進行仿真計算。為了分析斷路器開斷現象，利用MATLAB 軟件對開關電器電弧開斷進行仿真計算。闡述了在MATLAB 軟件平臺上構建電弧模型的原理與方法,最后用Mayr電弧模型對高壓斷路器電弧開斷進行了實例計算。結果表明,這一方法對開關電器電弧開斷的定性分析是實用的和有效的9。2.1.1 Mayr電弧的動態(tài)數學模型最早得出的電弧模型是1939年的克西（Cassie）模型和1943年的麥也爾（Mayr）模型1

27、0。這兩個模型實際上只是定性的模型，很難用來計算，但時至今日科技界仍常引用其來分析電弧開斷現象。Mayr方程比較適用于小電流，包括零區(qū)的電弧過程。Mayr方程可以寫為單位長電弧的形式，即 （2-1）式中：ga單位長電弧電導；e 電弧電位梯度；No單位長電弧散熱功率，取為常數； 電弧時間常數，取為常數。Mayr方程有明確的物理意義，它是基于熱平衡、熱慣性、熱游離三個基本原理推導而成。式右側ei為電弧功率，N0 為散熱功率；（ei-N0）為貯存于電弧內的熱功率。當（ei-N0）0，電弧溫度應增加，熱游離加強，所以dga/dt0，即電弧電導ga有增加的趨勢。由于電弧有熱慣性，也即有時間常數，使得電弧

28、升溫或電導的增加趨于緩慢，因此，dga/dt與電弧時間常數成反比。公式中左右兩側的分母ga和N0是使公式變?yōu)橄鄬χ档墓?，顯得比較簡潔。2.1.2 模型的下層文件圖2-1是mayr電弧模塊的下層文件。圖2-1 mayr電弧模塊下層文件該模塊中包括了DEE、Hit crossing、Step、CCSource 元件。1）DEE（微分方程編輯器）DEE 的參數設置如下：u(1)作為第一個輸入變量，代表電弧電壓u。u(2)為第二個輸入變量，代表斷路器開斷狀態(tài)，當斷路器閉合時u(2)=0，打開時u(2)=1。x0 為狀態(tài)量的初始值，在這里，代表的電弧電導的初始值：g(0)。x(1)為微分方程的狀態(tài)變量

29、，即電弧電導的自然對數：ln(g)。y 是DEE 的輸出量：電弧電流i。因此，mayr 電弧方程如下：=（） （2-2）y= i= (2-3)圖2-2 微分方程編輯器2）Step（階躍信號）Step 的參數設置：cb_trip 為變量名，在下面封裝子系統時將用到，可作為外部參數由用戶輸入。其余參數一目了然。3）Hit crossing（定值檢測）在這里，Hit crossing 的作用就是找到電流的過零點。4）CCSource可控電流源， 在這里起到了Sim PowerSystems blocks 和Simulink blocks 的連接作用，輸出電流受到輸入信號的控制。圖2-3 階躍信號2.

30、1.3 子系統的封裝圖2-4 封裝子系統編輯窗口由圖可見，子系統有4個子標簽，分別為“圖標”、“參數”、“初始化”、“文檔”。最重要的是參數標簽，其余設置可以由用戶根據個人習慣任意設置。參數標簽設置如圖所示，其中，tau，p，x0，cb_trip 變量名與上述子系統元件內參數一一對應；對變量說明（prompt）的設置都將在最后封裝模塊的參數對話框中顯示，如圖2-5。圖2-5 封裝模塊參數對話框可見，通過以上設置，可見斷路器的四個參數都可以在雙擊子系統（即電弧封裝模塊）后，在彈出的模塊參數對話框中自行輸入。2.2 電路仿真下面對封裝電弧進行簡單電路模擬（見圖2-6）圖2-6 斷路器模擬圖斷路器的

31、斷開時間可在模塊參數對話框（circuit breaker contact separation starts at s）設置，過零點在不同時刻的仿真波形如圖所示。AB圖2-7 開關電流過零點為負半周時仿真波形圖中，A點為過零點，B點為瞬時恢復電壓最大值Bt= A圖2-8 開關電流過零點為正半周時的仿真圖中，A點為過零點，B點位瞬時恢復電壓由圖可知，斷路器只有在電流過零點時熄弧，而熄弧瞬間出現恢復電壓，在極短時間內就上升到最大值，其值可達到電源電壓幅值的1.41.5 倍，但最終要恢復到電源電壓。而斷路器的熄弧必須在斷路器動作時間t 之后一個過零點，方可成功。2.3 本章小結本文在Matlab7

32、.0中成功地完成了mayr電弧模型的搭建，并分析了mayr 斷路器的動作特性，以及參數值P 與t 的改變對斷路器動作的影響，與實際中的斷路器特性相符，可用以作為小電流下電弧現象的研究，同時，其它電弧模型，如Kema、Habedank、Schavemaker 等相對應電弧模型的搭建可參照此例，對科研人員進行電弧建模，分析電弧現象具有積極的意義。第3章 不同結構母線交流電動力計算3.1 畢奧薩伐爾定律計算電動力在磁場中的任一載流導體都要受到力的作用，這是安培于1820年發(fā)現的。通電導體的周圍有磁場存在，而磁場對通電導體又有作用力。因此，兩個或幾個相互有電耦合的導體之間必有相互作用的力，我們把載流導

33、體之間的作用力稱為“電動力”。畢奧薩伐爾定律是計算電動力最常用的方法。載流導體所受電動力與導體回路及導體截面有關。在忽略導體截面對電動力的影響時，可假設導體截面無限細。 （3-1）式中：處的磁感應強度； 與間的夾角。對于同一平面內的兩導體間的電動力， （3-2）C稱為回路系數，是一個無量綱系數。它只與所研究的導電系統的幾何尺寸、形狀有關。計算出回路系數C的數值，再知道I1與I2就可以得出電動力的數值。所以式是計算電動力的一般通用式，對不同的具體情況只是回路系數不同而已。常用的C值，在手冊中可查出，給電動力的計算帶來很大方便。交流電動力的計算方法12與前面分析的一樣，不同之處只是交流電流是隨時間

34、變化的，因此電動力也是隨時間而變化的。計算交流電動力也是運用式（3-2），只要把交流的電流瞬時值帶入即可 （3-3）3.2 單相電動力 1)基本原理公式若不同導體中通過的是同一正弦交流電流，利用式就可以計算電動力 （3-4）電動力最大值為 （3-5）電動力的平均值為 （3-6）2）m文件程序電動力隨時間的變化曲線見圖3-1所示。圖3-1 交流電動力變化曲線3.3 三相平行導線間的電動力1）基本原理公式導線布置情況如圖。導線長度為，相間距離為a，三相電流對稱iA iB iC 即 （3-7） a a A B C圖3-2 水平布置的三相導線A相導線上的電動力 （3-8） 將式中的，分別代入式得 （3

35、-9）B相導線上的電動力 （3-10） C相導線上的電動力（3-11）2)m文件程序A相電動力的變化曲線如圖3-3所示。圖3-3 AB相電動力的變化曲線如圖3-4所示。圖3-4 B相電動力的變化曲線C相電動力的變化曲線如圖3-5所示。圖3-53.4 短路時的電動力 1)基本原理公式交流電路的短路電流除正弦周期分量外，通常還含有非周期分量。非周期分量電流值大小與發(fā)生短路時的電源電壓的相位有關。若在電源電壓過零時的瞬間發(fā)生短路，則短路電流的非周期分量最大，短路電流最大值也最大。此時，短路電流為 （3-12）式中： 短路電流周期分量的最大值； a 電流非周期分量的衰減系數。短路時的電動力計算： （3

36、-13）2）m文件程序單相短路電動力的變化曲線如圖3-6所示。圖3-6 單相短路時的電動力波形圖3.5 本章小結本章利用MATLAB的m文件編程來計算不同結構的母線的交流電動力。它可以很方便地把復雜的計算過程凝聚成一個程序，以后可以隨意調用，為解決學習與工程問題提供便利。第4章 電容器組投切過程涌流問題與限制措施電力無功功率是存在于交變磁場和交變電場中的一種瞬時功率,它和有功電源一樣是維護電力系統穩(wěn)定、保證電能質量和安全運行必不可少的。由于電網負載絕大多數呈感性,因而采用并聯電容器組,通過對并聯電容器組的投切控制來進行無功就地補償是一種較經濟易行的措施并已得到廣泛應用。但由于電力電容器是一種儲

37、能元件,在其通斷時存在暫態(tài)過渡過程,給電容器的投切控制帶來了嚴重問題。若投切控制設計不當,則會嚴重影響投切開關和電力電容器的使用壽命,造成較大的經濟損失并影響電力系統的安全、穩(wěn)定運行。按傳統的方法采用同步調相機并由開關投切的靜止電容器組來調節(jié)電網的無功功率已不能滿足要求。因為這些方法存在著響應速度慢、調節(jié)特性差、自動監(jiān)控性能差、長期運行功率損耗大以及維護和管理不便等缺陷。而采用并聯電容器組，通過對并聯電容器組的投切控制來進行無功補償是一種簡單易行的措施并已得到廣泛應用。傳統方式采用固定電容補償，但這種方式僅適用于用戶負載固定、無功需求相對穩(wěn)定的網絡，不能動態(tài)跟蹤系統所需無功功率的變化，而且還有

38、可能和系統發(fā)生并聯諧振導致諧波放大，因而目前正逐漸被淘汰。靜止無功補償裝置（SVC）近年來獲得了很大的發(fā)展，已被廣泛的用于輸電系統波阻抗補償以及長距離輸電的分段補償，也大量用于負載的無功補償。其典型代表是固定電容器晶閘管控制電容器（Fixed CapacitorThyritor Controlled Reactor，FCTCR）。4.1 電容器組的最優(yōu)投切控制研究(1) 常用晶閘管投切控制分析15晶閘管開關分組投切電容器在理論上完全可以滿足電容器組無過渡過程投切的要求,即只要在電網電壓與電容器電壓極性相同、幅值相同時投入即可,切除時只需去除晶閘管的觸發(fā)信號,則晶閘管在電流過零時自然關斷,也就是

39、所謂的“等電壓投入,零電流切除”控制方案。但嚴格來講，“ 等電壓投入”并非最佳的投入時刻,最佳的投入時刻應把電容器預先充電至電源電壓峰值,而且將晶閘管的觸發(fā)相位也固定在電源電壓的峰值點。因為根據電容器的特性方程ic = Cduc/dt ,若在導通前電容器充電電壓也等于電源電壓峰值,則在電源電壓峰值點投入電容時,由于在這一點電源電壓的變化率為零,故ic也為零,隨后電源電壓(也即電容電壓) 的變化率才按正弦規(guī)律上升,電流ic 即按正弦規(guī)律上升。這樣整個投入過程不但不會產生沖擊電流,而且電流也沒有階躍變化。目前普遍采用的是所謂同步脈沖過零觸發(fā)技術,主要有以下三類:1) 電容器在投入前先由充電電路將其

40、充電至電網電壓的峰值狀態(tài)(待投狀態(tài)) ,當微機控制相位在t = 90或t = 270時,分別觸發(fā)該相正反晶閘管閥,投入該組電容器;2) 電容器組在投入前先通過放電電路將其完全放電至“待投狀態(tài)”,通過過零檢測電路在電網電壓過零時刻發(fā)出投入信號;3) 由微機系統適時檢測欲投電容的殘壓,控制系統只有在電網電壓與電容殘壓相同時才投入電容器。上述三種方法的原理基本相同,但在微機系統和晶閘管之間或補償電容器之間都存在著檢測回路,且電力電子開關器件又較容易受到電磁干擾,使得現場的各種干擾信號容易通過這些回路竄入微機系統或投切開關而造成系統的誤動作。前兩種控制方式需要在每組電容上加充、放電電路,并且二者都要求

41、欲投電容滿足“待投狀態(tài)”的條件時才能投入,無法完全滿足快速投入的需要。第三種方法仍需要適時檢測電容的殘壓并與網電壓相比較,控制系統較復雜,在各種干擾因素的作用下產生誤動作的可能性加大。(2) 晶閘管投切控制的優(yōu)化根據對晶閘管投切控制的分析,抓住晶閘管端壓過零,忽略相位、電壓極性、幅值及電容殘壓的判斷,只要確保晶閘管承受正向電壓且處于端壓過零時刻導通,就可實現電容組無暫態(tài)過程投入且防止晶閘管誤觸發(fā)的發(fā)生。過零觸發(fā)原理如圖4-1 所示。1) 基本原理假設電容器在投入前的殘壓為V C0 ,在晶閘管的兩端加一過零檢測電路且該電路自行工作,與微機控制系統不具備電氣上的聯系,則在晶閘管TRI兩端電壓為零時

42、(即電網電壓變化到與電容器C上的殘壓V C0相等時) 過零檢測電路輸出同步過零脈沖信號并送入“產生觸發(fā)脈沖”模塊。若此時微機系統未發(fā)出投入信號,則“產生觸發(fā)脈沖”模塊不動作,晶閘管不被觸發(fā);只有當微機系統發(fā)出投入信號且過零同步脈沖也到達時,“產生觸發(fā)脈沖”模塊才產生觸發(fā)脈沖并保持,使得晶閘管接通,電容平穩(wěn)投入。需要切除時只要微機系統發(fā)出切除信號(允許觸發(fā)脈沖變?yōu)榈碗妷? ,晶閘管在在其流過的電流過零時自然關斷,電容器被切除。圖4-1 過零觸發(fā)原理圖2) 交流固態(tài)繼電器圖中被虛線框住的部分是一個過零型交流固態(tài)繼電器(AC2SSR) ,具有工作可靠、驅動功率小、無觸點、無噪聲、抗干擾、開關速度快及

43、壽命長等特點。本系統的設計方案就是用它作為補償電容的投切開關,隨著電力電子技術的發(fā)展,大功率的SSR 產品大量出現,其模塊化的結構和良好的抗干擾措施使得補償電容器的投切控制設計更簡單、工作更可靠、價格也不高。3) 優(yōu)化后的控制系統特點a. 電容器電壓輻值小于或等于電網電壓峰值時,無需預充電或放電電路,能保證在半個周波內完成過零觸發(fā)。b. 取消了微機系統與投切開關或補償電容器之間的直接的電氣聯系,投切控制系統大大簡化,控制可靠性大幅提高,生產成本也得到了降低。c. 可適應各種不同的場合、不同的控制器、不同的電壓等級、不同的接線方式,為控制系統的組成提供了靈活性和互換性。4.2 基于MATLAB的

44、投切控制的仿真研究 利用計算機仿真技術可模擬電力系統的實際運行環(huán)境對所設計的應用于電力系統的系統或應用方案進行仿真實驗,使之電力應用系統的試驗更趨于經濟、方便。4.2.1 補償電容殘壓為零條件下的仿真根據過零型交流繼電器的結構、工作原理以及電容器投入運行時的工作過程,在MATLAB的電力系統仿真環(huán)境下建立了圖4-2所示的補償電容器投切仿真模型。圖中兩個反向并聯的晶閘管構成過零型固態(tài)繼電器的開關,以脈沖發(fā)生器作為開關1 、開關2 分別控制兩個晶閘管的通斷。由于開關1 、開關2 發(fā)出脈沖信號的時間可控,故控制開關發(fā)出導通脈沖的時機即可控制晶閘管的導通時機,只要控制晶閘管在電源基波電壓過零時刻導通,

45、就完全仿真了過零型固態(tài)繼電器的接通過程。 補償電容和負載的參數設置如下:負載的功率設為10kVA ,感性無功功率按負載的10%設置,為1kvar ,補償電容的容量按220V下1kvar 計算為660pF。電壓表1和電壓表2分別檢測電壓和補償電容氣的電壓,電流表檢測補償電容氣的無功補償電流?，F對三種情況來研究電容器投入過程中的浪涌電流和電壓閃變情況。圖4-2 投切控制仿真模型1) 在電網基波電壓過零時刻投入電容器參數設置:開關1 在0.02s處發(fā)出高電平脈沖,使晶閘管2 導通;開關2 在0.01s時刻發(fā)出觸發(fā)脈沖,導通經閘管2 ;相當于補償電容在電壓由正到負過零時刻投入。仿真結果如圖4-3所示。

46、其中，圖中A為投切電流，B為電容器兩端電壓，C為電源兩端電壓。從示波器顯示的波形可以看出,在電壓過零時刻,補償電容被平穩(wěn)的投入,電容器兩端電壓(Vload) 與基波電壓同相,電容上的補償電流的最大幅值約為60A ,既無浪涌電流也無電壓閃變。2) 在電網基波電壓峰值時刻投入電容器參數設置:開關1 在0.01s處發(fā)出觸發(fā)脈沖,使晶閘管2 導通;開關2在0.005s時刻發(fā)出觸發(fā)脈沖,導通經閘管2 ;相當于補償電容在電壓正峰值時刻投入。仿真結果如圖4-4所示,從圖中可以看出,由于補償電容在電壓峰值時刻被投入,電網電壓與補償電容器之間的電壓差為電網電壓的最大幅值,因此電壓投入時會產生較大的浪涌電流,其峰

47、值約為360A ,是穩(wěn)定狀態(tài)下無功補償電流峰值的6倍;同時也有電壓閃變現象,但其幅度不大,大致在基波電壓峰值范圍內。 A B C圖4-3 基波電壓過零時刻投入電容仿真結果 A B C圖4-4 基波電壓峰值時刻投入電容仿真結果4.2.2 補償電容殘壓不為零條件下的仿真由于流過電容器上的無功補償電流為一容性電流,因此它的相位要超前基波電壓信號/ 2 的相角,又因為晶閘管關斷是在電流過零時刻自然關斷,故關斷時補償電容器上的電壓剛好處于電網基波電壓的峰值時刻,即當采用晶閘管元件作為投切開關時,被切除的補償電容器都是帶有殘壓的,且殘壓為電網電壓的峰值;投入時刻電容的殘壓則視電容器自行放電的時間而定。據此

48、,補償電容帶有殘壓被投入使用應是研究的重點,而補償電容殘壓為零被投入則可以看作“等電壓投入”的一種特殊情況。補償電容器殘壓不為零條件下的仿真模型如圖4-5所示。它在原來的模型上增加了一個直流電源、一個理想開關以及一個脈沖信號源,所增加的元件是用來模擬在電容器上加上殘壓。其工作過程為:當電容器沒有投入時,脈沖信號源被控發(fā)出脈沖信號使理想開關處于接通狀態(tài),給電容器充電,使補償電容器具有初始電壓(即電容器投入時的殘壓) ,電容器的充電電壓值通過設置直流電壓源隨意設置,原模型上所有元件的參數不變。仿真原理為:圖4-5 補償電容器殘壓不為零條件下的仿真模型1) 仿真最佳投入時刻情況即在補償電容上加上電網

49、電壓峰值,然后控制開關1和開關2 使晶閘管在基波電壓瞬時值為峰值時刻導通,投入電容并在同一時刻使脈沖信號源的脈沖信號關閉、理想開關斷開,這樣就模擬了系統在基波電壓瞬時值與電容殘壓相等時刻投入補償電容器。仿真結果如圖4-6所示。從仿真結果看,效果非常理想。A B C圖4-6 最佳時刻投入電容仿真結果2) 仿真具有普遍意義上的“等電壓投入”情況 補償電容器上加上電壓后( 殘壓, 這里設為110V) ,控制開關1 和開關2 使晶閘管在基波電壓瞬時值為110V 時刻導通,投入電容并在同一時刻使脈沖信號源的脈沖信號關閉、理想開關斷開,這樣就模擬了系統在基波電壓瞬時值與電容殘壓相等時刻投入補償電容器。仿真

50、結果如圖4-7所示。從仿真結果看,電容在電網基波電壓瞬時值與電容殘壓相等時刻投入也完全可以實現平穩(wěn)投入,無涌流和電壓閃變。但在投入瞬間會產生階躍電流,但因其很小,一般不會對電網造成不良影響。 A B C圖4-7 電容殘壓不為零時等電壓投入仿真結果3) 非等壓投入情況若改變晶閘管導通的時機,使其不在“等電壓時刻投入”,則會產生非常大的浪涌電流。按照所設計的仿真模型的參數進行仿真所得的結果如圖4-8所示。由圖可知,盡管只是瞬態(tài)電流,持續(xù)時間非常短,但由于電流過大,其危害還是不可忽視的。 A B C圖4-8 電容殘壓不為零時不等電壓投入仿真結果4.3本章小結本控制系統采用過零型固態(tài)繼電器作為投切控制

51、開關的設計等,體現了“等電壓投入,零電流切除”的控制原則,可以使補償電容器的投切控制做所更簡單、更安全、更可靠,具有較大的優(yōu)越性。結論MATLAB作為一種有效的電氣仿真軟件，越來越多地得到電氣工程技術界的重視。將MATLAB仿真和高壓電器相結合，是解決高壓電器實際問題的一個新思路和新方法。本文所做工作的主要意義如下：1.在Matlab7.0中成功地完成了Mayr電弧模型的搭建，并分析了Mayr 斷路器的動作特性，以及參數值P 與t 的改變對斷路器動作的影響，與實際中的斷路器特性相符，對科研人員進行電弧建模，分析電弧現象具有積極的意義。2. 利用MATLAB的m文件編程來計算不同結構的母線的交流

52、電動力。它可以很方便地把復雜的計算過程凝聚成一個程序，以后可以隨意調用，為解決學習與工程問題提供便利。3. 對目前常用的無功補償電容器投切控制方案所存在的不足進行了詳細的分析,給出了補償電容器投切的優(yōu)化控制方案,并在MATLAB 電力仿真環(huán)境下進行了仿真試驗。結果表明,所提出的優(yōu)化方案達到較理想的效果。致謝本論文是在導師劉驥教授的悉心指導下完成的。從論文的選題、設計、乃至論文定稿全過程中始終得到了劉驥教授的指導和支持。劉驥教授廣博的知識、嚴謹的治學態(tài)度、精益求精的工作作風、積極的創(chuàng)新意識和樂觀豁達的生活態(tài)度將使我受益終生。謹以拙文表示我對劉教授衷心的感謝和敬意！最后還要感謝我的父母，是他們多年

53、來在生活和學習上給予我無微不至的關懷和始終如一的鼓勵，使我能順利完成該論文，他們的恩情我將永遠銘記在心！哈爾濱理工大學學士學位論文哈爾濱理工大學學士學位論文參考文獻1 劉會燈，朱飛.MATLAB編程基礎與典型應用，北京：人民郵電出版社，20082 Jiang H B. Multiterminal HVDC systems in urban areas of large cities J . IEEE T ran s on Power Delivery, 1998, 13( 4) : 1 278- 1 284.3 王鳳川. 電壓源換流器式輕型高壓直流輸電J.電網技術,1999, 23( 4) :

54、 74- 76.4 Hirokazu S , T atsuhito N. Development of testing of prototype models for a high-performance 300 MW self-commutated AC /DC converter J . IEEE T ran s on Power Delivery, 1997, 12( 4) : 1 589- 1 597.5 李庚銀, 呂鵬飛, 李廣凱, 等. 輕型高壓直流輸電技術的發(fā)展與展望J.電力系統自動化,2003,27(4): 77- 81.6 秦小平, 王克成. 感應電動機的雙饋調速和串級調速M

55、 .北京: 機械工業(yè)出版社, 1990.7 高景德, 王祥衍, 李發(fā)海. 交流電機及其系統分析M . 北京: 清華大學出版社, 1993.8 翁利民, 田智萍.電弧爐的電壓閃變及其抑制對策1J). 冶金動力, 2002,89(1): 1-4.9 徐國政，張節(jié)容，錢家驪等.高壓斷路器原理和應用，北京：清華大學出版社，200010 金海望，楊炳元，鄭日紅等. Matlab7.0下電弧模型的建立與分析.電氣技術，2011,12: 90-9211 Ran Yu,Zhouxing Fu,Qingliang Wang,etc.Modeling and Simulationg Analysis of Sin

56、gle Phase Arc Grounding Fault Based on MATLAB. International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology,2011: 4607-461012 張宜華.精通MATLAB.北京：清華大學出版社，199913 魏克新，王云亮，陳志敏.MATLAB語言與自動控制系統設計，北京:機械工業(yè)出版社，199714 鄭錦聰.MATLAB進階.哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999姚孟君,基于MATLAB仿真的無功補償電容器投切控制研究.煤礦機電，200

57、3,6： 16-1915 文哲蓉.微機控制動態(tài)無功補償技術的研究J.蘭州鐵道學院學報（自然科學版），2003（3）附錄A電動力計算的m文件編程1 單相電動力公式程序:function F single_phase (c,Im,x)F=c*(Im*sin(x).2*10.(-7)運行程序：x=0:pi/100:2*piy=triple_phaseA(6.62,75000,x)plot(x,y)2 三相平行導線間的電動力A相電動力 公式程序function FA=triple_phaseA (Im,l,a,x)FA=2*10.(-7)*Im.2*l/a*(3/8*cos(2*x)-3.(1/2)/

58、8*sin(2*x)-3/8)運行程序x=0:pi/100:2*piy=triple_phaseA (Im,l,a,x)plot(x,y)B相電動力公式程序Function FB=triple_phaseB(Im,l,a,x)FB=2*10.(-7)*Im.2*l/a*(3/4*cos(2*x)-3.0.5/4*sin(2*x)運行程序x=0:pi/100:2*piy=triple_phaseB(Im,l,a,x)plot(x,y)C相電動力公式程序function FC=triple_phaseC(Im,l,a,x)FC=2*10.(-7)*Im.2*l/a*(-3/8*cos(2*x)+3

59、.0.5/8sin(2*x)-3/8)運行程序x=0:pi/100:2*piy=triple_phaseC(Im,l,a,x)plot(x,y)短路時的電動力公式程序function F=shortcircuit(c,Im,x)F=10.(-7)*c*(Im*(1-cos(x).2運行程序 x=0:pi/100:2*piy= shortcircuit(c,Im,x)plot(x,y)附錄B中文翻譯將MATLAB Simulink和VHDLAMS快速仿真建模的有效調制應用于Sigma-Delta架構的CT功能摘要通過使用晶體管等級的仿真例如CANDENCE中的Spectre或PSpice仿真器時

60、，像Sigma-Delta連續(xù)時間調制器電路這樣的復雜的的設計、仿真和優(yōu)化才需要大量的計算時間。為了減少概念上的努力應被視為有效的高層次的系統建模。然而，閉環(huán)結構特點和技術的要求，應嚴格遵守各自的模型要求。在這項工作中，我們提出了導致應用程序的工具的設計方法，并暗示了強勁的宏觀模型MATLAB的SIMULINK仿真和VHDL-AMS的模擬元素的Cadence原理圖的提取。根據設計師的選擇，得出的宏模型可以在SIMULINK面向對象的環(huán)境或基于代碼的模擬VHDL的過程。用來實現和優(yōu)化整個調制器在SIMULINK面向對象的環(huán)境或基于代碼的模擬VHDL的過程。使用建議的方法，一個六階CT的Sigma