TCR+FC型SVC的研究及MATLAB仿真

关键词：无功功率，SVC，三相平衡，功率因数

1? 引言随着电力工业的顺猛发展,越来越多的高能非线性电力装置以及现代家庭的电力电子器件的广泛应用,如电解槽,电弧炉,整流器,开关电源等,对电网构成严重危害,如低功率因数,电压波形畸变。现在能源问题是世界范围都迫切面对的,对于有限的能源供给,在做到高效的利用就是一种极大的节约方式。具体到电力能源上,也就是要电网电能的功率因数高,电压波形畸变小,保证电能高效高品质。过去通常的作法是固定电容器补偿,其优点是装置简单,投入成本小。但由于阻抗恒定,电容只能提供恒定的容性无功来平衡电网的感性无功,不能适应负载瞬时变化需要功率不同的特点,也就不能实现无功功率的动态补偿。而且系统谐波容易被补偿电容放大,导致如过载,过热及损耗过大现象。因此,在本论文里,设计用TCR+FC方式的SVC装置来解决电网无功功率的补偿问题,SVC系统的提供无功范围定为-300kvar到+300kvar。用三相不控整流带L-R(阻抗负载)模拟三相对称电路,用晶闸管投切负载模拟瞬时扰动。

2? SVC系统工作原理图1为TCR+FC型SVC主电路图。a、b、c为三相市电,经整流后接阻感负载,FC为容性无功功率补偿装置及滤波器组,滤波器在滤除5、7、11…等次谐波的同时对基波提供容性无功功率。

以A、B相间TCR为例,双向反并联晶闸管按相控方式互成180度触发,设晶闸管的控制触发角为α,由TCR的工作原理知,当α在90°到180°之间变化时,电抗器L中电流的基波分量I1与α之间的关系为:

式中Umab—A、B相电压峰值;XL—与晶闸管串联电抗器感抗值。α=90°时,晶闸管完全导通,I1最大;α=180°时, 晶闸管完全关断,I1为0。因此,通过改变晶闸管的触发角就可以控制电抗器L中的电流的大小。即α在90°到180°之间变化时,TCR向系统提供的滞后电流基波无功分量是动态可调的[1]。由于电网系统中负载是在不断变化的,设负载的无功功率变化量为Ｑload,瞬时改变TCR的触发角α就可以维持系统的无功功率为恒定值,此时,只需要使TCR提供的无功的变化量与负载的变化量是等值反向就可以了,甚至通过改变α可以维持电网电压为恒定值。

3? TCR的控制策略控制系统的目标有:1: 当电网中负载发生扰动时,能够控制电网电压为给定值。2: L在保证电网电压为给定值的同时,要使系统的功率因数≥0.95。TCR控制系统的控制原理如图2所示。

根据控制的要求,要得到恒定的电压,需引入电压闭环控制。电压环内为导纳补偿环,其目的就是系统应对负载扰动时能够得到更高的响应速度。当负载发生扰动,瞬时检测到负载的无功导纳的变化量,TCR根据检测到的无功导纳的变化计算出触发角α,改变TCR的输出瞬时抵消由于负载无功导纳的变化,同时由于负载有功导纳也发生变化,电压调节器输出来改变导纳的给定值,来维持系统的电压不变。此时,由于调节器输出的给定值发生了变化,系统的功率因数也随之发生变化,在设计时使其功率因数在0.95～1的范围内变化。

控制环节还包括线性化处理和六脉冲触发器。由(1)式知道,TCR中电流的基波分量I1与晶闸管触发角α之间呈非线性关系,为了使PI的输出与TCR中电流I1呈线性关系,需要引入线性化环节,在本文中采用的是MATLAB中SIMULINK中的LOOKUP TABLE模块来实现的。图为MATLAB中的仿真模型中的控制环节和非线性处理环节。

TCR主回路中,三相反并联晶闸管的触发在MATLAB中采用的是六脉冲发生器,(如图4)采三角形接法晶闸管管的触发顺序为:

本文中设计TCR的总容量为600Kvar,则每相需要消耗无功200 Kvar,以ab相为例,由

得:Lab=0系统采用ode23t仿真算法。

4? 瞬时无功功率信号的检测快速、准确检测出在SVC系统中所需要的电压、电流是决定其动态补偿的前提。考虑瞬时值,设传输线的三相电压分别为:ua、ub、uc,电流为ia、ib、ic,FC的三相电流为isa、isb、isc,TCR(三角形联结)的电流分别为iTab,iTbc,iTca。设用于计算的三相电压为正弦波,且分别为

式中Em——电压的幅值。将(1)式转化为、坐标系得

三相电流为ia、ib、ic,则根据三相电路瞬时无功功率理论得出

将三相电流ia、ib、ic进行3/2变换得

将式(5)代入(4)得?

由于流通电容器组中的电流IFC主要是无功电流,认为IFC=iq,则

同样认为流入TCR的电流ITCR全部为无功分量,并考虑到TCR为三角形联接,得

作进一步推广,用ua、ub、uc代替(6)式ia、ib、ic得线电压Uline为

式