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高职专业建设管理网站,网站建设 好发信息网,专业集团门户网站建设公司,网络营销策划方案的结构静止无功补偿装置的设计与仿真 摘要 随着科技的发展#xff0c;电网中非线性设备的大量应用#xff0c;引起网侧电压和网侧电流之间产生的相位差增加#xff0c;造成电网中原有无功补偿容量相对不足。传统的无功补偿技术主要采用同步调相机或电容投切来完成#xff0c;存在…静止无功补偿装置的设计与仿真摘要随着科技的发展电网中非线性设备的大量应用引起网侧电压和网侧电流之间产生的相位差增加造成电网中原有无功补偿容量相对不足。传统的无功补偿技术主要采用同步调相机或电容投切来完成存在动态特性差、有功损耗大的问题。这会使电能质量受到严重影响会引发电压波动闪变、功率因数角升高、杂波谐波增加等问题且当问题严重时会对电力系统的安全性提出更加严峻的考验。而为解决这些问题就要利用能够实时快速调节的无功补偿装置对电能质量进行调节。因此采用静止无功发生器SVG ( Static Var Generator )对电网侧无功功率进行补偿以达到减小电压电流之间相位差的目的同时保证系统运行中具有较好的动态性能和较低的有功损耗保证电能质量优良。关键词无功补偿电网侧无功功率补偿AbstractWith the development of technology and the widespread use of nonlinear devices in the power grid, the phase difference between grid side voltage and grid side current has increased, resulting in a relative shortage of reactive power compensation capacity in the power grid. The traditional reactive power compensation technology mainly uses synchronous phase-shifting camera or capacitor switching to complete, which has the problems of poor dynamic characteristics and large active power loss. This will seriously affect the quality of electrical energy, causing voltage fluctuations, flicker, increased power factor angle, and increased clutter harmonics. When the problems are severe, it will pose even more severe challenges to the safety of the power system. To solve these problems, it is necessary to use reactive power compensation devices that can be adjusted in real time to regulate the quality of electrical energy. Therefore, the Static Var Generator (SVG) is used to compensate for reactive power on the grid side, in order to reduce the phase difference between voltage and current, while ensuring good dynamic performance and low active power loss during system operation, and ensuring excellent power quality.Keywords: reactive power compensation; Grid side; Reactive power compensation;目录摘要 1abstract 21 绪论 41.1 研究背景与研究意义 41.2 国内外研究现状 41.2.1 国内研究现状 41.2.2 国外研究现状 51.3 研究内容 52 相关理论基础 72.1 无功补偿 72.1.1 概念 72.1.2 基本原理 72.2 无功补偿器的类型 102.3 电能质量现象的成因及危害 113 静止无功补偿装置设计 133.1无功功率分析 133.2 SVG基本原理 133.3基于瞬时无功理论算法 143.4 SVG数学模型的建立 163.5 SVG控制策略 184静止无功补偿装置仿真 214.1系统仿真图 214.2仿真结果图 225 总结 27参考文献 281 绪论1.1 研究背景与研究意义进入21世纪以来中国经济呈现快速发展态势作为国民经济基础的能源系统也因需求的不断增加而变得越来越庞大。在工业、农业、研究、交通等现代产业中。对电力的需求和依赖越来越强导致近年来电力系统的快速发展。据统计中国装机总量和发电量居世界第二位成为能源工业的主要基地国。此外在我国经济发展和社会效益的巨大压力下用电量仍在快速增长不同地区正在建设许多大型发电厂。同时为了满足需求在不久的将来不可避免地会创建一个大规模的公共电力系统。然而问题是如何在保证能源质量的前提下确保这个庞大系统的稳定、安全和经济运行提高电力效率这已成为目前的一个重要问题[1,5,7]。无源电源的存在是电力系统创建以来最大的隐患主要是由于变压器和电机等电气设备必须建立和维护电磁场才能实现能量转换和传输。作为能量转换的桥梁它提供了降低能源和负载之间电压所需的电动势而无需进行外部工作[6.7]。因此尽管无功功率为能量交换和传输提供了必要的条件但同时大量无功功率在电力系统中流动造成重大损失、电压降影响能源质量这会对从发电到供配电的整个电力系统产生不利影响。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状中国输电系统中五个500kV变电站使用的SVC容量为105至170 MVar所有这些变电站都是进口的采用TCRTSC或固定电容器组FC的形式。一些SVC还支持关断电容器BSC或关断电抗器BSR进行补偿。SVC在国内工业应用中主要应用于10~55MVar钢铁行业。例如用于电弧炉补偿的SVC包括河南平顶山舞阳钢铁公司、河南安阳钢铁厂、天津钢管公司、福建中钢公司、大冶钢铁厂、广州钢铁厂和韶关钢铁厂。钢铁厂采用西门子、ABB、西门子和宝钢冷轧板厂。其中TCR设备约有50套其中不到三分之一是在国内生产的。公司已有部分公司具备SVC的供货能力如中国电力科学研究院电力电子公司、西安整流器厂、鞍山荣信公司等。然而与上述大型外国公司相比技术水平仍存在显著差距。与国内公司相比国外公司在冶金企业使用SVC设计方面有很多经验也非常熟悉电弧炉和冶金厂等经验冲击载荷参数。这就是为什么所设计的SVC工作良好。随着电力电子技术的发展和SVC应用的不断普及SVC的生产和应用技术在国际上普遍成熟特别是BOD和光触发晶闸管等新器件的使用进一步提高了其可靠性。计算机控制系统的应用和瞬时无功功率理论的引入提高了控制精度和反应速度[5]。随着单个晶闸管器件的强度电压和功率不断增加8.5kV6kASVC朝着更紧凑的方向发展。动态无功补偿技术是指根据系统需要并联可调无功补偿装置快速调节无功功率达到保持母线电压接近额定值的要求。这对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的潜力非常重要。其主要功能包括提供相位调制功能降低设备容量和功率损耗系统电压调节改善电能质量增加系统的负载和功率因数防止电压降抑制系统共振平衡三相负载的有源和无源功率[7]。无功静态补偿器SVC是FACTS家族中最早的实际应用之一[8]。其典型代表是晶闸管控制电抗器TCR和晶闸管开关电容器TSC这两种类型的静态无功功率补偿装置。晶闸管控制电抗器TCR[9]可以在90度和180度之间连续调节晶闸管释放角[10]电抗器电流也可以从额定值变为零。通过调整触发角的大小可以改变补偿器吸收的无源功率[11]实现无源功率快速平稳调整的效果。由于单个晶闸管控制电抗器只能吸收无源功率而不能产生无源功率因此必须与并联电容器结合使用。晶闸管开关电容器TSC在开关状态下工作不能使用触发角调节电流。切换两个反调节晶闸管的功能是将电容器与系统连接或断开。在实际应用中电容器通常分为几组每组可由晶闸管开关[12]控制以根据电网的无源功率需求切换电容器。为了抑制电网中电容器启动时可能产生的巨大过电压电流使用了串联电抗器。晶闸管开关电容器的本质是一种动态无源功率补偿器它中断并调节产生电容性无源功率。虽然不能实现连续调节但损耗低运行时不会产生谐波。由于晶闸管开关电容器只能成组开关无法实现连续的无功功率调节因此它们通常与晶闸管控制的电抗器结合使用以创建混合TCRTSC补偿装置。SVC因其调节平稳、响应快等特点在动态无功补偿技术中得到了广泛的应用现已成为电力系统中一种成熟的装置和技术。这些装置在改善系统相位调节、电压调节和稳定性方面发挥了重要作用。在一些发达国家的负荷中心动态无功补偿技术被广泛用于防止电网中潜在电压的崩溃。1.2.2 国外研究现状世界上第一台用于电网的SVC由美国通用电气公司制造[13]安装在三态GT系统中主要用于电压控制。另一种用于电压和稳定性控制的SVC由西屋电力公司在能源研究所EPRI的监督下制造并于1978年安装在明尼苏达州的电力和照明系统中[15]。20世纪80年代初西屋电气向加拿大提供了250 MVar的补偿装置向新墨西哥州提供了300 MVar的赔偿装置。随后ABB、BBC、西门子和三菱等公司对TCR和TSC等静态补偿装置进行了研究并推出了相关产品[16]。经过30年的发展SVC在国外已经成为一项成熟的技术在世界各地的输配电系统中运行了近400年的SVC机组。1.3 研究内容a)全系统仿真模型应包含220V交流电压母线和交流负载b)自行选定负载并确定其功率因数可用等效电路模型替代c)对负载有功功率和无功功率进行计算并分析其对交流母线可能造成的影响d)确定系统控制方法并通过仿真模型实现。e)SVG工作前系统母线电压、电流仿真波形f)SVG工作后系统母线电压、电流仿真波形g)其它必要的仿真波形2 相关理论基础2.1 无功补偿2.1.1 概念在恒流的情况下其电压和电流的乘积称为电功率由此可以推导出公式PUI。自法拉第提出电磁感应定律以来人们的生活也受到了感应电机的影响各种变化不断发生。因此交流电路中的电功率表达式不再仅以PUI的形式计算而必须与电压和电流之间的相位关系相结合以提供更准确的计算结果。它的公式可以演变为PUI cosφ表示功率因数。其主要功能是分析和体验有功功率分量在当前总电力中的份额。因此在计算交流电路的功率时我们应该同时考虑有功功率和无源功率。在交流电网系统中电感和电容元件都会对其产生一定的影响从而产生无源功率。这是因为整个系统中设计的一些设备具有某些电感和电容组件并且产生的功率与有功功率不同。在循环过程中不会造成能耗因此不会造成实际能耗。然而在能量转换过程中会出现无源功率这可以通过无源电流来反映。无功功率不影响能量转换但也可以提供类似电磁场的介质通过电力设备、家用电器等将电能转化为热能、机械能等能量。在电压转换过程中为了避免传输过程中线路上的过度损耗选择高压传输工作。发电机将机械能转化为电能并在传输前使用变压器提高电压。变压器利用无源电流建立磁场进行能量传递因此没有无源电源就不需要对无源电压进行合理的调节和控制感应电机的运行与无功功率之间存在密切的相关性。如前所述无源电源在转换电磁能的过程中可以发挥重要作用。如果无源电源不存在磁场就无法构建设备就不再具有其原有的功能其功能也无法得到体现这也是无源电源的重要作用。但是应该指出的是无功功率不仅起作用而且有不利因素。如果系统中的感应无功功率过高整个系统的电压将显著下降这将阻碍设备的运行相对而言如果它所包含的电容性无功功率过高整个系统的电压将显著增加最终导致设备在过高电压下损坏。此外应该强调的是在长距离输电系统中电容性无功功率将随着线路的进一步增加而增加。当距离达到一定长度时电力无法传输。因此无功功率补偿装置可以安装在线路的正确位置以更好地保护电气设备。2.1.2 基本原理传统的无源功率补偿装置无法从实际负载情况中改变缺乏灵活性。然而随着电力系统的不断发展对快速动态无功补偿的需求日益增长。电力系统也加大了在这一领域的研究力度。快速动态补偿可以更好地在正确的时间校正当前无源负载的实际功率因数降低过电压避免次同步振荡和电流不平衡现象。应该指出的是尽管这些功能目前是相互关联的但在实践中静态无源功率补偿器只能控制其中的一个或几个因此它们的控制策略在使用过程中并不一致。其中一些功能旨在补偿一个或多个负载而另一些功能旨在提高整体效率并有效增加容量。然而调整和提高电压稳定性是上述两个功能的一致目标[4]。图2-1 SVC功率补偿原理图2-1 SVC功率补偿原理表示电路本身、负载和补偿器的单相等效值。U代表系统的电压而R和X代表电阻和反应。这里假设其负载没有显著变化我们可以得到ΔUU如果RX图2.1b显示了当前系统电压与无功功率之间的相关性。系统的电压一般没有显著变化其水平轴也可以转换为无源电流。从这个角度来看整体特性曲线处于下坡状态换句话说当系统提供的无功功率Q继续增加时系统电压将相应下降。根据图2-1锂的分析。a 可以注意到在工程计算过程中电力负荷通常与系统相结合来完成计算过程。在这种情况下它类似于系统的内阻系统类似于具有内阻的电压源。从图中可以看出等效电压源是由间歇框指示的部分。此外部分电压源相当于图2-2所示的方框。如果不考虑系统的电阻值我们可以认为它们完全相同。U-I的具体特征如图2-3所示其形状更像一条水平线。这里的电流属于无源电流同时电压也处于恒定状态因此也可以将其视为无源电压功率的特性曲线。图2-3显示IC属于电容电流而IL属于感应电流。图2-2 不计电阻后的等效电路图图2-3 电压和电流关系图基于前面的分析对图2.1b和图2.3的进一步分析表明当系统没有设计无源功率补偿装置时系统的无源功率会导致电压sΔU发生变化。在设计了无源功率补偿器件的系统后整个系统的电压也开始稳定不再发生电压变换。上述装置具有一定程度的U-I特性仅基于理论研究就具有理想的补偿状态。然而从实际应用中可以看出不会出现系统所需的无源功率与补偿装置产生的无源功率一致的现象因此电压与无源电流关系的特性曲线也是正斜率曲线。同时其斜率应适当保持不宜过大以免引起电压变化过大。同时斜率也是正的确保系统的电压可以随着其无源电流的增加而增加。该设计旨在将无功功率补偿与系统的电压稳定性相结合以确保其实用性。图2-4 补偿装置等效电路图图2-5补偿后电压和电流关系图2.2 无功补偿器的类型1饱和电抗器SR)有两种不同类型的饱和反应器[5]一种是自饱和反应器早期广泛用作并联补偿装置。它根据电抗器本身的特性确保电压稳定性而无需调整设备。它可以利用磁芯的饱和特性来完成其工作。这一特征的存在使自饱和反应堆的反应速率更快但也可能导致堆芯损失增加甚至振动和噪声。二是可控饱和电抗器这是一种人类使用的补偿装置可以合理改变晶闸管的导通角有效调节饱和电抗器绕组中的电流合理控制铁芯的磁通密度。然而当母线电压发生显著变化时第二种电抗器更合适但仍然不能解决高振动和噪声的问题。2同步调相机SC同步调相机从本质上来看属于传统型的无功补偿设备它可以借助于对励磁电流的调节来有 效地控制输出无功功率。当同步移相相机连接到通信系统时如果它在无励磁下运行它可以等效于同一个反应堆如果它在过度激励下运行它可能相当于一个电容器。如果处于正常工作状态移相同步相机和电网系统之间没有无源功率交换同时端电压和电网电压是一致的。自20世纪二三十年代以来近一个世纪的发展已经过去同步移相相机的作用不容忽视。然而这会造成巨大的损失和噪音后期的维护非常复杂因此无法满足今天的实际使用需求。3晶闸管控制电抗器(TCR)TCR具有响应快、运动频繁等优点在当前的应用中得到了广泛的应用。动态无功功率补偿可以在各种情况下进行如大冲击、不平衡和非线性负载。同时它可以有效抑制负载引起的电压波动解决电压失真、波动和闪变等各种问题对电能质量也有积极的推动作用。4晶闸管投切电容器 (TSC)晶闸管的组成并不复杂包括与电容器和电抗器串联的成对晶闸管。反应的主要功能是更好地确保电流不会发生显著变化并被控制在合理的范围内。当晶闸管中的电压为0时将触发脉冲导通当脉冲停止时当电流处于过零时晶闸管也会关闭。因此合理的晶闸管触发脉冲控制可以有效地控制实际支路电容器的无功功率输出。它对工作寿命没有影响属于几乎无限的寿命可以精确地实现晶闸管开关时间的有效控制。此外与TCR相比TSC不能实现连续的无源功率调节但不会产生谐波损耗非常低这是它的独特优势。当负载产生较大的谐波电流时TSC无法再可靠运行。因此在谐波注入过程中最终会导致故障在严重的情况下还会发生爆炸。5静止无功发生器SVG它是迄今为止最先进的无源功率补偿方法也称为静态无源相位调制器。它可以电容性地产生无功功率也可以电感性地吸收无功功率。与SVC相比它不需要大型电抗器和电容器具有更好的调节能力。它还可以有效地调节电能质量。此外它具有响应快、操作范围广、体积小等特点是目前使用的最佳设备。到目前为止静态无源功率补偿器在各种项目中的应用越来越多在实际选择过程中应根据实际需要选择最佳补偿装置。表2-1提供了不同类型设备性能的具体比较。2.3 电能质量现象的成因及危害无源功率不足阻碍了系统的运行对能源系统产生了很大的影响。1.随着现代家庭生活水平的提高家用电器的数量显著增加这导致了无源功率的增加公式表达 (2-1)在方程式1-1中S是视在功率P是有功功率Q是无功功率。随着无源功率的增加电线采用的安全裕度也会相应增加这增加了用户的用电成本。2由于电网中无功功率的增加电线中的电流也会增加。从上述方程中可以看出视在功率的平方等于有功功率和无源功率的平方和。无源功率的增加将不可避免地导致视在功率的增加从而导致电网中线路损耗的增加。这种情况不仅降低了电力系统的功率因数而且:1 大量的无源功率也会导致设备显著发热严重影响其正常使用寿命。为了保持设备的正常使用维护成本会增加2 电网中线路损耗增加如果大量电力通过电网线路输送到电气设备大量的无源电力将导致线路损耗增加。线损计算公式如下:(2-2)在式(1-2)中P线损为所要计算的线路损耗Ip和Iq分别为有功、无功电流式中为无功功率线路损耗的表达式由此可以看出:无功功率增加而导致的整体线路损耗P线损增大使得电能的可用效率降低。3它将显著降低电源质量导致电压和电流波失真。电网中大量的无功功率不仅导致电力和配电稳定性差功率因数角增大而且还会引起一系列严重问题如严重的电流波动和三相电源不平衡。从以上三点可以看出在没有任何补偿装置的情况下无源电力直接由发电装置或电力系统的另一侧提供。然而通过提供正常的有功电源作为视在功率的一部分供应给电气设备的无功功率远远不够。在电力系统的供配电情况下具有适合特定地区的分布式或现场无功功率补偿装置尤为重要。无源功率补偿装置具有足够的灵活性和便携性。它可以进行分布式补偿并有针对性地安装适当的无功功率补偿装置从而实现有功配电网容量的实时调节和高效运行。充足的电能质量也得到了很好的优化和改善。3 静止无功补偿装置设计3.1无功功率分析在工频交流电路中如果是线性阻抗负载则电路中的电压u和电流在任何时候都可以表示为:(3-1)(3-2)在式(2-1)、(2-2)中 Um、Im 分别是正弦稳态电路中电压、电流的最大值而在正弦电流的表达式(2-2)中可以看到其电流瞬时值的相位与电压瞬时值的相位存在相位差——φ因此电流ip和iq可分别表示为:(3-3)IP是处于电压相位的电流的有源元件无源电流的相应元件是IQ与电压相位的相位差为p/2。设有效正弦交流电压和电流值为U I则可以表示I、ip、iq与有效电流值I之间的关系:(3-4)则有功功率PUIcosφ无功功率QUIsinφ视在功率SUI。则可得到:(3-5)则功率因数的表达式(其中相位差φ可称为功率因数角)为:A (3-6)无功功率可以用单相能量交换来解释有功功率的能量流从能量源单向传输到电阻器而非功能量在正弦交流周期的中间被电感器吸收。在周期的后半段电感器使用前一周期积累的能量返回电源和电阻器电感器不消耗这些能量而是将其存储起来。无源功率越高电源和电感器之间的能量流动程度就越高而非线性元件的电感器本身不消耗能量。当然无源功率的大小会影响整个电路。对于三相电路如果三相电路在对称的三相工作状态下工作类似于上述单相电路三相电路的无源能量也会在电源和电感器之间来回吸收和释放。如果三相电路对称运行如果无功功率被吸收为正发射为负则其任何时候添加的无功功率分量的瞬时值应为零。3.2 SVG基本原理本文设计的SVG电路的主要结构是一个对称的三相系统。如果将主电路与直流侧储能元件严格区分开来它可以分为两种不同的结构电压源桥电路和电流源桥电路。