1、“靈活交流輸電”課程報告靜止無功補償器（SVC）的仿真實例的研究學 院 專 業(yè) 學生姓名 學 號 完成日期 靜止無功補償器（SVC）的仿真實例的研究摘要 并聯(lián)無功補償裝置時電力系統(tǒng)的常用裝置。在輸電網(wǎng)中，其主要功能是調(diào)整系統(tǒng)中的無功潮流的分布。在配電網(wǎng)中，其主要功能是提高供電質(zhì)量，減小負荷對電網(wǎng)的不利影響。傳統(tǒng)的并聯(lián)無功裝置實在倍補償?shù)墓?jié)點上安裝電容器、電抗器或者它們的組合以向系統(tǒng)注入或者吸收無功功率。并聯(lián)在節(jié)點上的電容器、電抗器通過機械開關投入或退出。靜止無功補償裝置用電力電子元件代替機械開關，從而實現(xiàn)了補償?shù)目焖俸瓦B續(xù)平滑調(diào)節(jié)。理想的SVC可以支持所補償?shù)墓?jié)點電壓接近常數(shù)。良好的動、靜調(diào)節(jié)

2、特性使得SVC得到了廣泛的應用。關鍵詞：SVC；電壓調(diào)整近年來， 一些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)迅速發(fā)展成負荷中心，部分負荷中心缺乏大電源支撐，發(fā)生嚴重的多重故障時，可能導致電網(wǎng)電壓崩潰。 另外，大電源功率外送時，可能造成部分輸電斷面潮流較重；長期接近甚至超過穩(wěn)定極限運行， 可能會導致電網(wǎng)按原運行方式設置的無功補償裝置容量不足，電壓難以控制。目前，電網(wǎng)電壓主要依靠發(fā)電機無功出力，并聯(lián)無功補償設備和變壓器分接頭調(diào)節(jié)。 為加強電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)手段， 提高電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓運行水平和擾動后的暫態(tài)電壓水平，可采用 SVC 等動態(tài)無功補償措施。1 SVC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理靜止無功補償器 SVC 作為一種并聯(lián)補償裝

3、置已廣泛應用于電力系統(tǒng)的動態(tài)補償， 其典型代表是晶閘管投切的電容器 （thyristor switched capacitor，TSC） 和晶閘管控制的電抗器 （thyristor controlled reactor，TCR）。 這兩種無功補償器有各自的局限性：TCR 只調(diào)節(jié)電抗器，補償感性無功；TSC 只快速投切電容器，補償容性無功。 為擴大無功調(diào)節(jié)范圍，使無功控制范圍從容性無功變化到感性無功， 可將TCR、并聯(lián)電容器（FC）和 TSC 組合使用。 常用的方式有 TCR+TSC、TCR+FC、TCR+TSC+FC。TSC+TCR 型 SVC 是連續(xù)控制的無功補償器，諧波含量低，而且響應速度

4、快，可快速改變發(fā)出的無功，具有較強的無功調(diào)節(jié)能力，提供動態(tài)無功補償，從而提供動態(tài)電壓支撐，加快暫態(tài)電壓恢復，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平。SVC原理圖如圖1所示，圖中的降壓變壓器是為了降低SVC的造價，而引入濾波器則是用來吸收SVC裝置所產(chǎn)生的諧波電流。圖1-1 SVC原理圖TCR 的基本元件是一個電抗器，與雙向晶閘管開關串聯(lián)。通過控制觸發(fā)角，晶閘管可在電源頻率的正負半周輪流導通。 TCR 可看作一個可變電納，連續(xù)可調(diào)，但只在感性無功范圍內(nèi)。TSC 只調(diào)節(jié)電容器， 可補償系統(tǒng)所需的無功功率。 如果級數(shù)分得足夠細，基本可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。 但由于每級均需晶閘管閥，從性價比考慮，不宜分得太細。 TSC 的每個

5、分級之間的無功功率可通過 TCR 來連續(xù)調(diào)節(jié)，所以 TSC 裝置一般與電感并聯(lián)，即組成TSC+TCR 補償器。 圖 1 為 SVC 和電力系統(tǒng)的 V/I 特性，通過 TCR 和 TSC 配合，SVC 無功調(diào)節(jié)范圍可實現(xiàn)從容性無功到感性無功變化， 能連續(xù)調(diào)節(jié)補償裝置的無功功率，使補償點的電壓接近維持不變。TSC 只在容性無功范圍內(nèi)變化，TCR 只在感性無功范圍內(nèi)變化。 當系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)過程、 電壓偏低時，TSC 投入，發(fā)出容性無功，提升電壓，使系統(tǒng)電壓恢復。 但一次投入的 TSC 的容性無功，其多余的量存在于 SVC， 需 TCR 動作來抵消多余的容性電納，最終使電壓保持接近于 1 p.u.。 因

6、此，TCR+TSC 型SVC 的協(xié)調(diào)控制原則是以 TSC 作分級粗調(diào)、以 TCR作相控細調(diào)， 從而達到從容性無功到感性無功連續(xù)可調(diào)的目的。 若只投 TCR 則不能發(fā)出容性無功，無法提供動態(tài)電壓支撐；若只投 TSC，當系統(tǒng)電壓恢復時，多余的容性無功沒有感性無功來抵消，就會導致電壓過高。 因此，TCR 和 TSC 二者需協(xié)調(diào)配合。TCR支路的等值基波電抗是晶閘管導通角和觸發(fā)角的函數(shù)，調(diào)整它們可以平滑的調(diào)整并聯(lián)在系統(tǒng)的等值等值電抗。其從系統(tǒng)中吸收的無功功率為 （1-1） 式中，L為電抗器的電感值。TSC支路受電力電子器件控制使電容器只有兩種運行狀態(tài)，即將電容器直接并聯(lián)在系統(tǒng)中或?qū)㈦娙萜魍顺鲞\行。由于

7、TSC投切電容器是由電力電子器件控制完成的，因此它比機械可投切電容器要快的多，動態(tài)特性可以滿足系統(tǒng)控制的需要。當TSC支路投入系統(tǒng)中后，其向系統(tǒng)注入的無功為 （1-2）式中，C為電容器的電容值。由以上兩式可得SVC向系統(tǒng)注入的無功功率為 （1-3）可見當時，SVC向系統(tǒng)注入的無功功率可以連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)。一般為了擴大SVC的調(diào)節(jié)范圍，SVC裝置中可采用多個TSC支路，而且為了保持調(diào)整的連續(xù)性，通常TCR的容量略大于一組TSC的容量。若投入的TSC的總?cè)萘繛镃，則SVC的等值電抗為 （1-4）SVC的等值伏安特性由TCR和TSC組合而成，其伏安特性如圖2所示，Vref為SVC的參考電壓。SVC的可

8、調(diào)范圍在直線范圍內(nèi)，當系統(tǒng)電壓的變化超出SVC控制范圍時，SVC就變成一個固定阻抗，即或。圖1-2 SVC的伏安特性曲線2 Simulink中的SVC模塊介紹2.1 SVC模塊的基本功能SimPowerSystems庫中提供了SVC模塊，該模塊可以仿真任何拓撲結(jié)構(gòu)的SVC，并可與Powergui模塊結(jié)合對電力系統(tǒng)的暫態(tài)和動態(tài)特性進行分析。SVC模塊示意圖如圖2-1所示。SVC模塊的端子功能如下：A、B、C為SVC連接系統(tǒng)的電氣端子；m端子包含6個信號的矢量。這些信號的組成與定義見表2-1.Vref為仿真輸入的參考電壓控制信號。此端子只有在SVC參數(shù)設置對話框中選中“External contr

9、ol of reference voltage Vref ”才會顯示出來。雙擊SVC模塊，打開其參數(shù)設置對話框，在“顯示（Display）”下拉菜單列表中選擇“功率數(shù)據(jù)（Power Data）”選項，將顯示功率數(shù)據(jù)參數(shù)設置對話框，如圖2-2所示。參數(shù)定義如下：System nominal voltage and frequency：系統(tǒng)額定電壓（單位V）和額定頻率（單位Hz）。Three-phase base power Pbase：三相基準容量（單位VA）。Reactive power limits：SVC在額定電壓下能夠產(chǎn)生的無功功率極限，正值為容性，負值為感性。Average time

10、delay due to thyristor valves firings：晶閘管觸發(fā)的平均延遲時間。表2-1 SVC模塊的輸出信號信號序號信號組信號名稱定義13Power Iabc（cmplx）Ia（pu）Ib（pu）Ic（pu）輸入SVC的相電流Ia、Ib、Ic，單位p.u.4ControlVm（pu）測量到的正序電壓（單位p.u.）5ControlB（pu）SVC的電納輸出單位p.u.，正值為容性6ControlQ（pu）SVC的無功功率輸出（單位p.u.），正值為電感圖2-1 SVC模塊示意圖圖2-2 SVC模塊功率數(shù)據(jù)參數(shù)設置對話框圖2-3 SVC模塊控制參數(shù)設置對話框在“顯示（Di

11、splay）”下拉表中選中“控制參數(shù)（Control parameters）”選項，將顯示控制參數(shù)設置界面，如圖2-3所示。Mode of operation：定義SVC的運行模式，包括“電壓調(diào)整（Voltage regulation）”和“無功控制（Var control）”兩種模式。External control of reference voltage Vref： 當此項選中時，在仿真模塊上將會顯示Vref端子，允許由外部信號來控制電壓參考信號。Reference voltage Vref：參考電壓值（單位p.u.）。Droop Xs：只有在“電壓調(diào)整（Voltage regulati

12、on）”模式下才有此參數(shù)，用于定義SVC伏安特性的斜率。Voltage regulatorKp Ki：只有在“電壓調(diào)整（Voltage regulation）”模式下才有此參數(shù)，用于定義電壓調(diào)整器的比例和積分常數(shù)。Bref for var control mode：只有在“無功控制（Var control）”模式下才有此參數(shù)，用于定義無功控制模式下的參考電納2.2 SVC模塊的控制系統(tǒng)一個通用的TSC-TCR型SVC控制系統(tǒng)的框圖如圖2-4所示。主要包含電壓測量系統(tǒng)、電壓調(diào)節(jié)器、同步單元觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。其中的電壓調(diào)節(jié)器將測量得到的控制變量與參考信號相比較，然后將誤差信號經(jīng)過控制器的變換后輸出

13、了一個標幺值Bref信號，這個信號的大小可以使誤差減小，并達到穩(wěn)態(tài)誤差為零。Bref信號再經(jīng)過電壓同步系統(tǒng)和觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號，從而實現(xiàn)對TSC和TCR支路的晶閘管進行導通控制。圖2-4 SVC控制系統(tǒng)框圖3 SVC系統(tǒng)的仿真模擬圖3-1 具備并聯(lián)補償設備的簡單系統(tǒng)為了分析SVC裝置所安裝處的電壓控制效果，設一個具有并聯(lián)補償設備的簡單系統(tǒng)如圖所示，假設計算電壓降落時可略去其橫分量，則無功補償前母線i的電壓Ui為 （5）式中，Uj為設置不成設備前母線j的電壓。當裝設無功補償裝置后，母線j的電壓變?yōu)閁jc，則母線i的電壓為 （6）設這兩種情況下Ui保持不變，則有上式可得 （7）由此可得 （

14、8）式中方括號內(nèi)第二項的數(shù)值一般不大，可略去。從而可以簡化為 （9）根據(jù)式就可以按照調(diào)壓的要求計算補償設備的容量Qc。參考Matlab的例程power_svc，進行SVC的仿真驗證，仿真模型如圖3-2。圖3-2 相控模式下SVC仿真系統(tǒng)圖SVC常用于500kV，300MVA系統(tǒng)的電壓調(diào)整，當系統(tǒng)電壓低的時，SVC發(fā)出無功；當系統(tǒng)電壓高時，SVC吸收無功。系統(tǒng)的參數(shù)如仿真圖所示。在整個仿真過程中，可編程電源的電壓變化設置如下：1）00.1s時電壓源幅值為1.0p.u.。2）0.10.4s時電壓源幅值為0.97p.u.。3）0.40.7s時電壓源幅值為1.03p.u.。4）0.71.0s時電壓源幅

15、值為1.0p.u.。運行仿真，結(jié)果如圖3-3所示。（a）正序電納的實際值Bactual、SVC的電納輸出曲線（b）母線實際電壓Vactual、SVC測量到的正序電壓以及電源電壓變化曲線（c）SVC補償設備的容量Qc曲線圖3-3 仿真結(jié)果圖從圖3-3中可見，在電壓源發(fā)生變化時，SVC裝置輸出的無功也隨之變化，限制了母線電壓的升高或降低。當母線電壓降低時，SVC裝置可以發(fā)出無功功率防止母線電壓降低過多。當母線電壓降低時，SVC裝置從系統(tǒng)中吸收無功功率，可以限制電壓的升高。上面的分析雖然表明了SVC裝置動作的正確性，但并不能說明SVC裝置對母線電壓的控制效果。通過對比未加SVC裝置和加裝SVC裝置后的母線電壓Uj隨電源電壓變化的情況。從圖中可以看出，當電源電壓變化相同時，加裝SVC后的母線電壓比未加裝SVC的電壓波動要小