1緒論

1.1課題研究背景與意義
近年來隨著工業(yè)現(xiàn)代化的迅速發(fā)展,越來越多的非線性負荷和沖擊性負荷應用到了工業(yè)生產(chǎn)上,這些負荷大量的并入到電網(wǎng),造成電網(wǎng)的污染,使得電能質(zhì)量的問題越發(fā)嚴重。而且當前許多基于微處理器的電力電子設備的應用也越來越多,這種設備對電能質(zhì)量十分的敏感,要求電能有更高的品質(zhì)⑴。電力系統(tǒng)中頻繁出現(xiàn)的電壓偏差、頻率偏差、電壓波動和閃變、三相不平衡、功率因數(shù)低等都是電能質(zhì)量問題。其中,電壓與功率因數(shù)的質(zhì)量問題占整個電能質(zhì)量問題的80%左右[2]。因此抑制電壓波動和閃變、提高功率因數(shù)成為急需解決的問題。對系統(tǒng)與負荷的無功功率進行實時補償以維持電壓穩(wěn)定和提高功率因數(shù)成為改善電能質(zhì)量的重要措施之一。靜止無功補償裝置(SVC)是一種技術(shù)成熟的無功補償設備,隨著國內(nèi)電力電子技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)也擁有了較為成熟的SVC成套設備的制造技術(shù)。作為一種改善電能質(zhì)量的設備,SVC在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。SVC通過快速和連續(xù)的對無功功率進行補償,使三相負荷保持平衡狀態(tài),提高系統(tǒng)的功率因數(shù),改善用戶最關心的電壓波動和閃變問題,提高了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。使用SVC對電力系統(tǒng)中的負載進行無功補償己經(jīng)得到了廣泛的應用。這種方法在改善功率因數(shù)方面已經(jīng)有了令人滿意的結(jié)果,但是由于響應速度的原因,在抑制電壓波動和閃變的問題上仍然不完美。影響響應速度的主要原因是信號檢測的算法,而傳統(tǒng)的算法檢測到的電壓電流信號含有較多的諧波會導致響應延時而且有誤差。瞬時無功功率理論提出的對無功功率的瞬時檢測的方法推動了無功補償技術(shù)的發(fā)展[3],但是該理論在靜止無功發(fā)生器(Static VarGenerator,簡稱SVG)和有源電力濾波器應用比較廣泛,很少應用于SVC中。隨著工業(yè)企業(yè)中沖擊性負荷與不對稱負荷造成的電壓波動和閃變的問題越來越嚴重,需要從根本上解決這個問題。利用瞬時無功功率理論研究SVC的控制算法對抑制電壓波動和閃變有很大的現(xiàn)實意義。
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1.2無功補償?shù)囊饬x
無功功率對電力系統(tǒng)中負荷的正常運行十分重要。系統(tǒng)中的大多數(shù)負載需要消耗無功功率,這些無功功率需要從電力網(wǎng)絡中獲取,但是由發(fā)電機來進行長距離的傳送無功功率是不合理的。無功補償?shù)淖饔镁褪窃谙臒o功功率的地方產(chǎn)生無功功率,這樣,無功能量只在補償裝置和負載之間流動,不再由電網(wǎng)提供這些能量,這種方法經(jīng)濟而且高效。無功補償分為兩類:一是面向系統(tǒng)的補償,即輸配電系統(tǒng)中的線路補償;二是面向負荷的補償,主要是沖擊性負荷與不對稱負荷。負荷補償適用于低壓配電網(wǎng)中的就地補償,主要用來在負荷端對大量消耗無功的負荷進行補償[6]。在大負荷用電企業(yè)中,無功補償裝置安裝在局域配電網(wǎng)中,補償了負荷的感性部分,使在局域配電網(wǎng)中流通的無功電流大量減少,可以有效減少線路上的損耗,提高功率因數(shù)。沖擊性負荷是指在電力系統(tǒng)中急劇且頻繁變化的負荷,這種負荷會造成電力系統(tǒng)的電壓和頻率的波動,嚴重的影響電能的質(zhì)量,而不對稱負荷會造成電力系統(tǒng)的三相不平衡,產(chǎn)生負序電流[7]。其中,無功性質(zhì)的沖擊性負荷與不對稱負荷會造成電力系統(tǒng)中電壓偏差和電壓波動。這種偏差和波動不但影響到電力系統(tǒng)的正常運行,也會對其他的用電設備造成影響。比如:損害電氣設備的絕緣部分,產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng);電動機長時間低電壓運行會造成電動機發(fā)熱甚至燒毀;損壞照明設備,使電氣照明質(zhì)量受到嚴重影響;影響電磁類的設備正常工作,使電子控制系統(tǒng)失靈;影響對電壓波動比較敏感的電氣、電子設備,使其不能正常工作[8]。在工業(yè)企業(yè)中存在著大量的沖擊性負荷與不對稱負荷,對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和用電設備的使用造成很大影響。因此,使用無功補償裝置就地補償無功功率顯得很有必要。
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2靜止無功補償裝置的基本原理介紹

2.1 SVC的基本類型
靜止無功補償裝置(SVC)是一種能夠跟蹤電力系統(tǒng)或負載的無功功率變化,進行實時且快速的補償無功的裝置,主要應用于電力系統(tǒng)的線路無功補償和沖擊性負荷與不對稱負荷的就地補償。SVC的補償元件通常是由固定電容器和可調(diào)節(jié)的電抗器等儲能元件組成,因此可以補償感性無功也可以補償容性無功,二者之間可以平滑的調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)SVC與電力系統(tǒng)或負荷之間交換的無功功率大小可以維持其端電壓保持穩(wěn)定,抑制電壓波動和電壓閃變,提高功率因數(shù)。SVC的兩種常用類型分別是TCR和TSC,TCR通常與TSC組成TCR+TSC,或者與FC組成TCR+FC,在負荷補償中通常采用TCR+FC⑴]。下面對TCR和TSC分別介紹。單相TCR的基本結(jié)構(gòu)是由電抗器與一對反并聯(lián)晶間管串聯(lián)組成。在高壓系統(tǒng)中,由于晶間管的耐壓能力有限,在實際安裝過程中一般采用多個反并聯(lián)晶鬧管串聯(lián)后組成晶鬧管閥接入系統(tǒng),以滿足電壓和容量的需求[12]。在一般的負荷補償中,也需要做好晶鬧管的保護工作。
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2.2 SVC的無功功率特性分析和補償容量計算

圖2-5b所示為無功功率需求和無功功率輸出之間的補償特性曲線。因為SVC輸出總的無功功率是TCR支路的感性無功功率與電容器支路的容性無功功率抵消后的凈無功功率,通過調(diào)節(jié)TCR的無功功率可以使得SVC的補償范圍從感性范圍延伸到容性范圍[26]。如圖2-5b所示,橫坐標是無功功率需求,左側(cè)為容性需求,右側(cè)為感性需求;縱坐標為無功功率輸出;最上面的斜線表示TCR的吸收的感性無功功率;最下面的平行直線表示FC輸出的容性無功功率;中間的斜線表示SVC的合成的凈無功功率輸出[27]。從補償特性曲線可以得出結(jié)論:根據(jù)負載的變化當需要SVC輸出最大的容性無功功率時,將TCR的觸發(fā)延遲角c<設置為180° ,即將TCR支路斷開,則此時SVC輸出為FC的容性無功功率逐漸減少晶間管觸發(fā)延遲角a,則TCR的感性無功功率會隨之增加;當合成無功功率曲線到達零點時,TCR的感性無功功率和FC輸出的容性無功功率相等而恰好抵消,凈輸出無功功率為零;繼續(xù)減小則TCR吸收的感性無功功率超過FC輸出的容性無功功率,SVC此時輸出的凈無功功率為感性無功功率,實現(xiàn)了無功功率從容性到感性平滑調(diào)節(jié)功能;當a =90°時,TCR支路完全導通,則SVC裝置輸出的感性無功功率達到最大值[28]。為了滿足無功調(diào)節(jié)范圍從-0到+0,假設FC的無功容量為2,則TCR支路的容量至少為22。

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3無源濾波器及電抗器的設計......14
3.1無源濾波器......14
3.1.1單調(diào)諧濾波器......14
3.1.2高通濾波器......16
3.1.3雙調(diào)諧濾波器......17
3.2無源濾波器的元件參數(shù)計算......18
3.3基于Ansoft Maxwell的電抗器的設計......21
3.4本章總結(jié)......26
4瞬時無功功率理論及無功電流檢測......27
4.1瞬時無功功率理論介紹......27
4.2瞬時無功功率的坐標變換及無功電流檢測......27
4.3本章總結(jié)......33
5 SVC的控制策略分析與仿真驗證......34
5.1傳統(tǒng)的SVC傳統(tǒng)的控制策略仿真分析......34
5.2基于瞬時無功功率理論的SVC控制策略分析與仿真......37
5.3實驗驗證......47
5.4本章總結(jié)......48

5 SVC的控制策略分析與仿真驗證

從第二章節(jié)的SVC的補償原理的內(nèi)容分析中得知,為了使得SVC能夠快速而準確的補償系統(tǒng)的無功功率,首要的工作就是根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)變化計算出TCR需要投入的等效電納,以針對系統(tǒng)的功率因數(shù)低與負荷不對稱兩方面能夠快速的補償相應的無功功率。本章首先是介紹了傳統(tǒng)的以電壓穩(wěn)定為目的SVC的控制策略,然后分析了一種新的控制策略,即以不平衡負荷為控制目標,利用瞬時無功功率理論,以提高負荷的功率因數(shù)為目的制定了 SVC的控制策略。為了驗證電壓反饋的控制策略可以很好的穩(wěn)定電壓,利用PSCAD軟件搭建了 SVC的仿真模型。PSCAD是廣泛使用的電磁暫態(tài)仿真軟件,可以應用在電力系統(tǒng)許多類型的模擬研宄,結(jié)果非常精確。其中,PSCAD提供了專業(yè)的靜止補償器的模塊,為搭建仿真模型創(chuàng)造了很大的便利性。利用圖5-1的控制方法搭建的仿真模型如下圖所示:
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總結(jié)

本文針對電力系統(tǒng)中的三相不平衡為目標,以瞬時無功功率理論為依據(jù),重點設計了針對負荷補償?shù)撵o止無功補償裝置SVC的控制算法。由于SVC會產(chǎn)生諧波,必須要加裝濾波裝置,因此分析了常用的單調(diào)諧濾波器與高通濾波器,并以單調(diào)諧濾波器為例推導了濾波器的元件電容器與電抗器的計算公式。以三維立體卷鐵芯電抗器為例,在有限元電磁仿真軟件AnsoftMaxwell中建立了電抗器的模型,并進行了有限元的計算與電磁仿真,這是一種區(qū)別與傳統(tǒng)的制作電抗器的新的設計方法。最后利用基于瞬時無功功率的?-‘算法制定了 SVC的控制策略,并利用Matlab/Simulink建立了仿真模型,通過仿真與實驗驗證了這種策略的可行性。本文的主要工作如下:
(1)詳細分析了常用的靜止無功補償裝置TCR+FC的電路結(jié)構(gòu)與接線方式,推導了......TCR的基波電流、等效導納、觸發(fā)延遲角的關系,并重點分析了 SVC的動態(tài)補償原理及保持電壓穩(wěn)定的根據(jù),推導了在實際安裝工程中的TCR的安裝容量與補償容量的關系。
(2)對無源濾波器做了詳細的分析與公式推導,在實際工程中,由于TCR會發(fā)出大量諧波,一般總會和濾波器并聯(lián)使用。濾波器的關鍵要素就是電容與電感的配合使用,選擇參數(shù)合適的電感與電容會達到更好的濾波效果。
(3)電抗器是SVC的重要的無功補償部分,目前電抗器的使用范圍與數(shù)量越來越大,傳統(tǒng)的電抗器制作方法不僅會造成成本和經(jīng)濟的浪費,也不再適用于如今的生產(chǎn)規(guī)模。本文以三維立體卷鐵芯電抗器為例,按步驟分析了 Ansoft Maxwell的使用方法,建立了電抗器的模型并仿真了電抗器的內(nèi)部磁通分布,為制作電抗器提供了新的便利的方法。
(4)傳統(tǒng)的SVC的控制方法是基于平均功率的電壓控制方法,以電壓的變化為參考量計算SVC等效導納,達到穩(wěn)定電壓的目的。利用斯坦米茲理論與瞬時無功功率理論結(jié)合的方法,針對不平衡負荷與電網(wǎng)側(cè)的故障,可以很好的提高功率因數(shù)。并在Matlab/Simulink中搭建了SVC的模型與控制系統(tǒng),進行了控制算法的仿真,通過仿真和實驗驗證了算法的可行性.
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參考文獻(略)

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本文編號：38949