無(wú)功補(bǔ)償MATLAB仿真

1、一 課題的意義目的： 為使學(xué)生能更好地了解無(wú)功補(bǔ)償裝置的特性，基于Matlab和電力 電子知識(shí)，使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)結(jié)合仿真驗(yàn)證所學(xué)知 識(shí)。二 設(shè)計(jì)的來(lái)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(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)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(lái)額外負(fù)擔(dān)，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(gè)重大課題，正在受到越來(lái)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(wèn)題不外乎兩 種途徑:一種是裝設(shè)補(bǔ)償裝置，如有源濾波器、無(wú)功功率補(bǔ)償器等， 設(shè)法對(duì)諧波進(jìn)行抑

2、制和對(duì)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償;另一種是對(duì)電力電子裝置本 身進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波也不消耗無(wú)功功率，或根據(jù)需要對(duì)其 功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。后一種方法需要對(duì)現(xiàn)有電力電子設(shè)備進(jìn)行大規(guī) 模更新，代價(jià)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(jiǎn)單，己得到廣泛應(yīng)用。三 無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔茫?(1)增加設(shè)備容量。無(wú)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(jī)、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(wú)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(wú)功功率負(fù)載還

3、會(huì)引起電壓 劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致供電質(zhì)量嚴(yán)重降低。 (4)功率因數(shù)降低，設(shè)備容量利用少。四 無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)幕纠碚?4.1 無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)幕驹?補(bǔ)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(duì)無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑碜骱?jiǎn)要介紹。 圖4. la所示為系統(tǒng)、負(fù)載和補(bǔ)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(fù)載變化很小，故有U 遠(yuǎn)小于U。則假定R遠(yuǎn)小于X時(shí)，反映系統(tǒng)電壓與無(wú)功功率關(guān)系的特性 曲線如圖2.1b中實(shí)線所示，由于系統(tǒng)電壓變化不大，其橫坐標(biāo)也可換 為無(wú)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(wú)功功率Q的增加，供電電壓下降。（

4、a)單相電路 （b)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理圖4.1無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑?可見(jiàn)，無(wú)功功率的變化將引起系統(tǒng)電壓成比例地變化。投入補(bǔ)償器之 后，系統(tǒng)供給的無(wú)功功率為負(fù)載和補(bǔ)償器無(wú)功功率之和，即Q = QL + Qr 因此，當(dāng)負(fù)載無(wú)功功率QL變化時(shí)，如果補(bǔ)償器的無(wú)功功率Qr總能 彌補(bǔ)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(duì)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)幕驹怼D2.1b示 出了進(jìn)行動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償,并使系統(tǒng)工作點(diǎn)保持在Q-QA=常數(shù)的示意圖。 當(dāng)使系統(tǒng)的工作點(diǎn)保持在Q=0處，即圖中的C點(diǎn)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù) 的完全補(bǔ)償?？梢?jiàn)補(bǔ)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(wú)功補(bǔ)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(gè)最基本、最重 要的指標(biāo)。為確保電力系統(tǒng)正常運(yùn)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(duì)電力系統(tǒng)的無(wú)功功率進(jìn)行控制。靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有以下三大類(lèi)型:一類(lèi)是具有飽和電抗器 的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SR: Saturated Reactor);第二類(lèi)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(lèi)裝置通稱(chēng)為SVC (St

6、atic Var Compensator);第三類(lèi)就是采用自換相變流技術(shù)的靜止無(wú)功補(bǔ)償置 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器(SVG)。下面簡(jiǎn)要說(shuō)明SR和SVC的原理。 4.2.1具有飽和電抗器的無(wú)功補(bǔ)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(wú) 功補(bǔ)償裝置也就分為兩種，具有自飽和電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置是依靠 電抗器自身固有的能力來(lái)穩(wěn)定電壓，它利用鐵心的飽和特性來(lái)控制發(fā) 出或吸收無(wú)功功率的大小;可控飽和電抗器通過(guò)改變控制繞組中的工 作電流來(lái)控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進(jìn)一步控 制無(wú)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(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián)，其單相原理圖如圖4.2 兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)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(dāng)于交流調(diào)壓器電 路接電感性負(fù)載，此電路的有效移相范圍為90°180°。當(dāng)觸發(fā)角 a=90°時(shí)，晶閘管全導(dǎo)通，導(dǎo)通角=180°，此時(shí)電抗器吸收的無(wú)功 電流最大。圖4.2 TCR補(bǔ)償器原理圖 TCR補(bǔ)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(dú)的TCR由于只能吸收感性的無(wú)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(wú)功功率為T(mén)CR與并聯(lián)電容 器無(wú)功功率抵消后的凈無(wú)功功率，因而可以將補(bǔ)償器的總體無(wú)功電 流偏置到可吸收容性無(wú)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(wèn)題，TSC裝置應(yīng)運(yùn)而生。其單相 原理圖如圖4.4所示，兩個(gè)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(kāi)，串聯(lián)的小電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能 產(chǎn)生的沖擊電流。圖4.4 TSC補(bǔ)償器原理圖 選

9、取投入時(shí)刻總的原則是，TSC投入電容的時(shí)刻，也就是晶閘管 開(kāi)通的時(shí)刻，必須是電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時(shí)刻。因 為根據(jù)電容器的特性，當(dāng)加在電容上的電壓有階躍變化時(shí)(若電容器 投入的時(shí)刻電源電壓與電容器充電電壓不相等就會(huì)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(lái)高頻振蕩等不利 影響。五 MATLAB/Simulink簡(jiǎn)介 MATLAB/Simulink簡(jiǎn)介隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，特別是隨著互聯(lián)電 網(wǎng)的出現(xiàn)，系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)由原來(lái)的幾十個(gè)上升到幾百個(gè)甚至上千個(gè)。對(duì) 于如此大的電力網(wǎng)絡(luò)想用原來(lái)的手算方法進(jìn)行電力系統(tǒng)的分析和計(jì)算已 是不可能，我們必須借助于

10、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真軟件進(jìn) 行電力系統(tǒng)的分析和計(jì)算，從而加深我們對(duì)電力系統(tǒng)的理解，進(jìn)一步指 導(dǎo)我們?cè)陔娏ο到y(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(duì)象物理模型建立其數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行封裝和自定義為用戶(hù) 自己的模塊庫(kù)，充分顯現(xiàn)了其仿真平臺(tái)的優(yōu)越性。同時(shí)更重要的是， MATLAB提供了豐富的工具箱資源。以及大量的實(shí)用模塊，在Simulink環(huán) 境下，不僅可以進(jìn)行電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算，還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)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(wú)功補(bǔ)償裝置的MATLAB的建模與仿真 無(wú)功補(bǔ)償裝置的MATLAB的建模與仿

11、真圖6-1 無(wú)功補(bǔ)償裝置Simulink仿真模型 無(wú)功補(bǔ)償裝置Simulink仿真模型6.1 模型建立 圖6-1為無(wú)功補(bǔ)償裝置simulink的仿真模型，現(xiàn)試分析圖4-1的建 模過(guò)程。 （1）在Simulink窗口下的File菜單中選擇New命令創(chuàng)建一個(gè) untitled空白文件窗口。 （2）雙擊Simulink的SimPowerSystems模塊庫(kù)，打開(kāi)Electronics Sources模塊庫(kù),將三相可編程電壓源Three-Phase Programmable Voltage Source模塊從該模塊庫(kù)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(duì)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(guò)多闡述。圖6-2 Three-Phase Programmable Voltage Source 模塊的屬性參數(shù) Three-6-2 無(wú)功補(bǔ)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(jìn)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(wú)功功率補(bǔ)償器能夠很好地補(bǔ)償無(wú)功功率，使補(bǔ) 償后的功率因數(shù)接近1，達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康?。電壓和電流都能夠穩(wěn)定。 我們還能