1緒論

1.1課題研究背景與意義
近年來(lái)隨著工業(yè)現(xiàn)代化的迅速發(fā)展,越來(lái)越多的非線性負(fù)荷和沖擊性負(fù)荷應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)上,這些負(fù)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(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重。而且當(dāng)前許多基于微處理器的電力電子設(shè)備的應(yīng)用也越來(lái)越多,這種設(shè)備對(duì)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(dòng)和閃變、三相不平衡、功率因數(shù)低等都是電能質(zhì)量問(wèn)題。其中,電壓與功率因數(shù)的質(zhì)量問(wèn)題占整個(gè)電能質(zhì)量問(wèn)題的80%左右[2]。因此抑制電壓波動(dòng)和閃變、提高功率因數(shù)成為急需解決的問(wèn)題。對(duì)系統(tǒng)與負(fù)荷的無(wú)功功率進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)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(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)是一種技術(shù)成熟的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備,隨著國(guó)內(nèi)電力電子技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)也擁有了較為成熟的SVC成套設(shè)備的制造技術(shù)。作為一種改善電能質(zhì)量的設(shè)備,SVC在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。SVC通過(guò)快速和連續(xù)的對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償,使三相負(fù)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(guān)心的電壓波動(dòng)和閃變問(wèn)題,提高了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。使用SVC對(duì)電力系統(tǒng)中的負(fù)載進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償己經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)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(yīng)速度的原因,在抑制電壓波動(dòng)和閃變的問(wèn)題上仍然不完美。影響響應(yīng)速度的主要原因是信號(hào)檢測(cè)的算法,而傳統(tǒng)的算法檢測(cè)到的電壓電流信號(hào)含有較多的諧波會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)延時(shí)而且有誤差。瞬時(shí)無(wú)功功率理論提出的對(duì)無(wú)功功率的瞬時(shí)檢測(cè)的方法推動(dòng)了無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展[3],但是該理論在靜止無(wú)功發(fā)生器(Static VarGenerator,簡(jiǎn)稱SVG)和有源電力濾波器應(yīng)用比較廣泛,很少應(yīng)用于SVC中。隨著工業(yè)企業(yè)中沖擊性負(fù)荷與不對(duì)稱負(fù)荷造成的電壓波動(dòng)和閃變的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重,需要從根本上解決這個(gè)問(wèn)題。利用瞬時(shí)無(wú)功功率理論研究SVC的控制算法對(duì)抑制電壓波動(dòng)和閃變有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
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1.2無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x
無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)中負(fù)荷的正常運(yùn)行十分重要。系統(tǒng)中的大多數(shù)負(fù)載需要消耗無(wú)功功率,這些無(wú)功功率需要從電力網(wǎng)絡(luò)中獲取,但是由發(fā)電機(jī)來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)距離的傳送無(wú)功功率是不合理的。無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔镁褪窃谙臒o(wú)功功率的地方產(chǎn)生無(wú)功功率,這樣,無(wú)功能量只在補(bǔ)償裝置和負(fù)載之間流動(dòng),不再由電網(wǎng)提供這些能量,這種方法經(jīng)濟(jì)而且高效。無(wú)功補(bǔ)償分為兩類:一是面向系統(tǒng)的補(bǔ)償,即輸配電系統(tǒng)中的線路補(bǔ)償;二是面向負(fù)荷的補(bǔ)償,主要是沖擊性負(fù)荷與不對(duì)稱負(fù)荷。負(fù)荷補(bǔ)償適用于低壓配電網(wǎng)中的就地補(bǔ)償,主要用來(lái)在負(fù)荷端對(duì)大量消耗無(wú)功的負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償[6]。在大負(fù)荷用電企業(yè)中,無(wú)功補(bǔ)償裝置安裝在局域配電網(wǎng)中,補(bǔ)償了負(fù)荷的感性部分,使在局域配電網(wǎng)中流通的無(wú)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(fù)荷是指在電力系統(tǒng)中急劇且頻繁變化的負(fù)荷,這種負(fù)荷會(huì)造成電力系統(tǒng)的電壓和頻率的波動(dòng),嚴(yán)重的影響電能的質(zhì)量,而不對(duì)稱負(fù)荷會(huì)造成電力系統(tǒng)的三相不平衡,產(chǎn)生負(fù)序電流[7]。其中,無(wú)功性質(zhì)的沖擊性負(fù)荷與不對(duì)稱負(fù)荷會(huì)造成電力系統(tǒng)中電壓偏差和電壓波動(dòng)。這種偏差和波動(dòng)不但影響到電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行,也會(huì)對(duì)其他的用電設(shè)備造成影響。比如:損害電氣設(shè)備的絕緣部分,產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng);電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低電壓運(yùn)行會(huì)造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱甚至燒毀;損壞照明設(shè)備,使電氣照明質(zhì)量受到嚴(yán)重影響;影響電磁類的設(shè)備正常工作,使電子控制系統(tǒng)失靈;影響對(duì)電壓波動(dòng)比較敏感的電氣、電子設(shè)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(fù)荷與不對(duì)稱負(fù)荷,對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和用電設(shè)備的使用造成很大影響。因此,使用無(wú)功補(bǔ)償裝置就地補(bǔ)償無(wú)功功率顯得很有必要。
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2靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的基本原理介紹

2.1 SVC的基本類型
靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)是一種能夠跟蹤電力系統(tǒng)或負(fù)載的無(wú)功功率變化,進(jìn)行實(shí)時(shí)且快速的補(bǔ)償無(wú)功的裝置,主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的線路無(wú)功補(bǔ)償和沖擊性負(fù)荷與不對(duì)稱負(fù)荷的就地補(bǔ)償。SVC的補(bǔ)償元件通常是由固定電容器和可調(diào)節(jié)的電抗器等儲(chǔ)能元件組成,因此可以補(bǔ)償感性無(wú)功也可以補(bǔ)償容性無(wú)功,二者之間可以平滑的調(diào)節(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)SVC與電力系統(tǒng)或負(fù)荷之間交換的無(wú)功功率大小可以維持其端電壓保持穩(wěn)定,抑制電壓波動(dòng)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(fù)荷補(bǔ)償中通常采用TCR+FC⑴]。下面對(duì)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(duì)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(shí)際安裝過(guò)程中一般采用多個(gè)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(fù)荷補(bǔ)償中,也需要做好晶鬧管的保護(hù)工作。
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2.2 SVC的無(wú)功功率特性分析和補(bǔ)償容量計(jì)算

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

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3無(wú)源濾波器及電抗器的設(shè)計(jì)......14
3.1無(wú)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(wú)源濾波器的元件參數(shù)計(jì)算......18
3.3基于Ansoft Maxwell的電抗器的設(shè)計(jì)......21
3.4本章總結(jié)......26
4瞬時(shí)無(wú)功功率理論及無(wú)功電流檢測(cè)......27
4.1瞬時(shí)無(wú)功功率理論介紹......27
4.2瞬時(shí)無(wú)功功率的坐標(biāo)變換及無(wú)功電流檢測(cè)......27
4.3本章總結(jié)......33
5 SVC的控制策略分析與仿真驗(yàn)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(shí)無(wú)功功率理論的SVC控制策略分析與仿真......37
5.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證......47
5.4本章總結(jié)......48

5 SVC的控制策略分析與仿真驗(yàn)證

從第二章節(jié)的SVC的補(bǔ)償原理的內(nèi)容分析中得知,為了使得SVC能夠快速而準(zhǔn)確的補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功功率,首要的工作就是根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化計(jì)算出TCR需要投入的等效電納,以針對(duì)系統(tǒng)的功率因數(shù)低與負(fù)荷不對(duì)稱兩方面能夠快速的補(bǔ)償相應(yīng)的無(wú)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(fù)荷為控制目標(biāo),利用瞬時(shí)無(wú)功功率理論,以提高負(fù)荷的功率因數(shù)為目的制定了 SVC的控制策略。為了驗(yàn)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(yīng)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(bǔ)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(duì)電力系統(tǒng)中的三相不平衡為目標(biāo),以瞬時(shí)無(wú)功功率理論為依據(jù),重點(diǎn)設(shè)計(jì)了針對(duì)負(fù)荷補(bǔ)償?shù)撵o止無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC的控制算法。由于SVC會(huì)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(dǎo)了濾波器的元件電容器與電抗器的計(jì)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(jìn)行了有限元的計(jì)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(shè)計(jì)方法。最后利用基于瞬時(shí)無(wú)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(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種策略的可行性。本文的主要工作如下:
(1)詳細(xì)分析了常用的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置TCR+FC的電路結(jié)構(gòu)與接線方式,推導(dǎo)了......TCR的基波電流、等效導(dǎo)納、觸發(fā)延遲角的關(guān)系,并重點(diǎn)分析了 SVC的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理及保持電壓穩(wěn)定的根據(jù),推導(dǎo)了在實(shí)際安裝工程中的TCR的安裝容量與補(bǔ)償容量的關(guān)系。
(2)對(duì)無(wú)源濾波器做了詳細(xì)的分析與公式推導(dǎo),在實(shí)際工程中,由于TCR會(huì)發(fā)出大量諧波,一般總會(huì)和濾波器并聯(lián)使用。濾波器的關(guān)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(huì)達(dá)到更好的濾波效果。
(3)電抗器是SVC的重要的無(wú)功補(bǔ)償部分,目前電抗器的使用范圍與數(shù)量越來(lái)越大,傳統(tǒng)的電抗器制作方法不僅會(huì)造成成本和經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi),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(jì)算SVC等效導(dǎo)納,達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。利用斯坦米茲理論與瞬時(shí)無(wú)功功率理論結(jié)合的方法,針對(duì)不平衡負(fù)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(jìn)行了控制算法的仿真,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性.
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參考文獻(xiàn)(略)

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本文編號(hào)：38949