1、一 课题的意义目的： 为使学生能更好地了解无功补偿装置的特性，基于 Matlab 和电力 电子知识，使学生加深对理论知识的理解，同时结合仿真验证所学知 识。二 设计的来源及背景： 随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置应用的日 益广泛，电力系统中的谐波污染问题也越来越严重，而大多数电力电 子装置功率因数较低，也给电网带来额外负担，并影响供电质量。因 此抑制谐波和提高功率因数已成为电力电子技术和电力系统研究领域 所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题不外乎两 种途径: 一种是装设补偿装置，如有源滤波器、无功功率补偿器等， 设法对谐波
2、进行抑制和对无功进行补偿;另一种是对电力电子装置本 身进行改进，使其不产生谐波也不消耗无功功率，或根据需要对其 功率因数进行调节。后一种方法需要对现有电力电子设备进行大规 模更新，代价较大，并且只适用于作为主要谐波源的电力电子装置， 因此有一定的局限性。而前一种方法则适用于各种谐波源和低功率 因数设备，并且方法简单，己得到广泛应用。三 无功补偿的作用： (1)增加设备容量。无功功率的增加，使总电流增大，以及视在 功率增大，从而使发电机、变压器及其它电气设备容量增加。 (2)设备及线路损耗增加。无功功率增加，使总电流增大，因而 使设备及线路的损耗增加。 (3)使线路压降增大。如果是冲击性无功功率
3、负载还会引起电压 剧烈波动，导致供电质量严重降低。 (4)功率因数降低，设备容量利用少。四 无功功率补偿的基本理论 4.1 无功功率补偿的基本原理 补偿功率因数的方法有很多，下面仅以改善电压调整的基本功能 为例，对无功功率动态补偿的原理作简要介绍。 图 4. la 所示为系统、负载和补偿器的单相等效电路图。其中 U 为 系统线电压;R 和 X 分别为系统电阻和电抗。设负载变化很小，故有U 远小于 U。则假定 R 远小于 X 时，反映系统电压与无功功率关系的特性 曲线如图 2.1b 中实线所示，由于系统电压变化不大，其横坐标也可换 为无功电流。可以看出，该特性曲线是向下倾斜的，即随着系统供给 的
4、无功功率 Q 的增加，供电电压下降。（a) 单相电路 （b) 动态补偿原理图 4.1 无功功率动态补偿的原理 可见，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。投入补偿器之 后，系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即Q = QL + Qr 因此，当负载无功功率 QL 变化时，如果补偿器的无功功率 Qr 总能 弥补 QL的变化，从而使 Q 维持不变，即Q=0，则U 也将为 0，供电电 压保持恒定，这就是对无功功率进行动态补偿的基本原理。图 2.1b 示 出了进行动态的无功补偿,并使系统工作点保持在 Q-QA=常数的示意图。 当使系统的工作点保持在Q=0 处，即图中的 C 点时，就实现了功
5、率因数 的完全补偿。可见补偿功率因数的功能可以看作是改善电压调整功能 的特例。4.2 静止无功补偿装置（SVC)的原理： 在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重 要的指标。为确保电力系统正常运行，供电电压和频率必须稳定在 一定的范围内。频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控 制的重要方法之一是对电力系统的无功功率进行控制。静止无功补偿装置主要有以下三大类型:一类是具有饱和电抗器 的静止无功补偿装置(SR: Saturated Reactor);第二类是晶闸管控制 电抗器(TCR: Thyristor Control Reactor),晶闸管投切电容器(TSC: Thyr
6、istor Switch Capacitor)，这两类装置通称为 SVC (Static Var Compensator);第三类就是采用自换相变流技术的静止无功补偿置 动态无功补偿器(SVG)。下面简要说明 SR 和 SVC 的原理。 4.2.1 具有饱和电抗器的无功补偿装置(SR) 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无 功补偿装置也就分为两种，具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠 电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发 出或吸收无功功率的大小;可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工 作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控 制无功
7、电流的大小。 4.2.2 晶闸管控制电抗器（TCR) 4.2.2 晶闸管控制电抗器（TCR) 两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图如图 4.2 两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图如图 4.2 其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电 路接电感性负载，此电路的有效移相范围为 90180。当触发角 a=90时，晶闸管全导通，导通角=180，此时电抗器吸收的无功 电流最大。图 4.2 TCR 补偿器原理图 TCR 补偿器原理图 TCR 的三相接线形式大都采用三角形联结，也就是所谓支路控制 三角形联结三相交流调压电路的形式，如图 4.3所示，这种接线形
8、比 其他形式线电流中谐波含量要小。图 4.3 TCR 的三相接线形式 TCR 的三相接线形式 单独的 TCR 由于只能吸收感性的无功功率，因此往往与并联电容 器配合使用，并联上电容器后，使得总的无功功率为 TCR 与并联电容 器无功功率抵消后的净无功功率，因而可以将补偿器的总体无功电 流偏置到可吸收容性无功的范围内。另外，并联电容 器串联上小的 调谐电抗器还可兼作滤波器，以吸收 TCR 产生的谐波电流。 2.2.3 晶闸管投切电容器(TSC) 为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC 装置应运而生。其单相 原理图如图 4.4 所示，两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或 从电网中断开，串联的小
9、电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能 产生的冲击电流。图 4.4 TSC 补偿器原理图 选取投入时刻总的原则是，TSC 投入电容的时刻，也就是晶闸管 开通的时刻，必须是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻。因 为根据电容器的特性，当加在电容上的电压有阶跃变化时(若电容器 投入的时刻电源电压与电容器充电电压不相等就会发生这样的情况)， 将产生冲击电流，则很可能破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利 影响。五 MATLAB/Simulink 简介 MATLAB/Simulink 简介随着电力工业的发展，电力系统规模越来越大，特别是随着互联电 网的出现，系统的节点数由原来的几十个上升到几百个甚至上
10、千个。对 于如此大的电力网络想用原来的手算方法进行电力系统的分析和计算已 是不可能，我们必须借助于先进的计算机技术和强大的系统仿真软件进 行电力系统的分析和计算，从而加深我们对电力系统的理解，进一步指 导我们在电力系统的工作。 在MATLAB 中，电力系统模型可以在 Simulink 环境下直接搭建，也可 以据所研究对象物理模型建立其数学模型，并进行封装和自定义为用户 自己的模块库，充分显现了其仿真平台的优越性。同时更重要的是， MATLAB 提供了丰富的工具箱资源。以及大量的实用模块，在 Simulink 环 境下，不仅可以进行电力系统的仿真计算，还可以实现复杂的控制方法 仿真，使得我们更加
11、深入地研究电力系统的行为特性。六 无功补偿装置的 MATLAB 的建模与仿真 无功补偿装置的 MATLAB 的建模与仿真图 6-1 无功补偿装置 Simulink 仿真模型 无功补偿装置 Simulink 仿真模型6.1 模型建立 图 6-1 为无功补偿装置 simulink 的仿真模型，现试分析图 4-1 的建 模过程。 （1）在 Simulink 窗口下的 File 菜单中选择 New 命令创建一个 untitled空白文件窗口。 （2）双击 Simulink 的 SimPowerSystems 模块库，打开Electronics Sources 模块库,将三相可编程电压源 Three-P
12、hase Programmable Voltage Source 模块从该模块库窗口拷贝到 untitled 窗口，并将其命 名为Programmable Voltage Source，其属性参数设置对话框如图 6-2 所示： （3）其它模块的调用和参数的设置与步骤（2）相似，在这里不 做过多阐述。图 6-2 Three-Phase Programmable Voltage Source 模块的属性参数 Three-6-2 无功补偿装置的仿真 建立好图 6-1 所示的 Simulink 模型后，将参数设置好 便可进行仿 真。仿真结果如图 6-3、所示：6-3 SVC 仿真波形 SVC 仿真波形6.3 仿真波形分析 仿真结果表明:无功功率补偿器能够很好地补偿无功功率，使补 偿后的功率因数接近 1，达到了补偿的目的。电压和电流都能够稳定。 我们还能够看到补偿器能够很好的跟踪无功功率的变化，并且进行 实时补偿，补偿后的电流与电压相位相差不大，补偿后的电流在很 大程度上降低了线路损耗。 但是从波形中我们还可以看出 :电源侧的电流波形有毛刺，即补偿后 的电流含有高次谐波成分。这主要是因为主电路中的电力电子器件在 高频通断过程中产生了其工作频率附近的一些频率很高的谐波。另外， 电容上的电压有一定的振荡，但是很快就又趋于稳定了。
