TSC-TCR型静止无功补偿器仿真设计

董莹

青海民族大学物理与电子信息工程学院, 青海 西宁 810007

0 引言

我国从国外进口的静止无功补偿装置由于不同地区电网系统的差异，设备在使用过程中出现了很多问题和故障.鉴于这种情况，辽宁荣信电力电子公司在1998年借鉴国外的研究技术和方案设计，成功研制出了国产静止无功补偿装置，弥补了国内关于静止无功补偿的缺憾.程磊(2013)提出为了提高系统实时性以及稳定性，需要对传统的SVC装置进行改进，在MTLAB的应用基础之上搭建仿真电路，通过平衡TCR与TSC的应用补偿系统，更好地实现SVC装置的无功补偿[1].蔡婷婷，徐青山等人(2015)提出利用TCR型的SVC装置可以抑制其同步振荡，同时利用MATLAB与SVR装置相结合，提高了装置的稳定性[2].郭昆丽，冉媛，巩晓璇(2018)将研究重点置于SVC的抑制同步阻尼策略，利用仿真实验手段验证实验数据的准确性，通过仿真验证，可以看出加装滤波器后的系统抑制效果最佳，可以实时有效地解决同步共振过程中出现的问题[3].综上所述，利用MATLAB建立TSC-TCR型静止无功补偿器的仿真模型这种方式还处于研究空白阶段，基于此笔者建立仿真模型，将电容器分组，按照需要补偿无功功率的大小来投切电容器，降低装置运行过程中产生的谐波，降低损耗节约资源.简要来说就是将电容器分组，达到比较理想的效果.

1 MATLAB建模设计安全范围

1.1 滤波器参数设计安全范围

由谐振条件知，调谐滤波器的谐振点数值计算公式如公式(1)所示：

(1)

谐振点nk是综合考虑电源频率、谐波电容和电感的数值.频率、电容或者电感中的任何一个数值发生变化都会使谐振点偏离原始设计值.所以为了设计的安全性，我们必须考虑到电力系统自身可能发生的变化以及滤波装置可能发生的失谐.变电所或者其他电力系统自身存在的电压幅值跳动约为 5 % ，电网的短路容量不可能保持不变，但会在短路容量的幅值范围内跳动.电源频率通常有0.5 Hz 的变化，即1 % 的变化，数值不等式如公式(2)所示

(2)

温度的忽高忽低或者滤波装置本身的系统误差会导致谐波的波动.环境温度或者较大的气候变化会导致电容器数值波动，波动范围约为2 % .此外生产制造过程中存在的误差也有一定的影响.因此，电容容量的变化如公式(3)所示

(3)

滤波电抗器因为制造误差一般会偏离原始设计参数的±3 %，偏差如公式(4)所示

(4)

由公式(4)可以得到实际值与设计值的偏差范围为0.92 ～1.06.例如设计一个滤波器来抑制五次谐波,当h=5时，安全的设计范围是4.6～4.8.实际应用时要按照系统的实际情况对参数再作适当的调整，在运行过程中发现误差也要调整参数，保证滤波器发挥作用.

1.2 Simulink中SVC模块分析

Sim Power Systems库中提供了SVC模块，该模块可以仿真本次设计所需的TSC-TCR型SVC，然后再利用其他基础模块结合对SVC的动态无功补偿效果进行分析.SVC模块的参数对话框中，有功率因数的参数设置，按照需要定义系统的额定电压和额定频率以及需要补偿的无功功率量，计算晶闸管触发的延迟时间，便于分析SVC模块的无功补偿效果.SVC的运行模式有电压调整和无功控制两种，当参考电压值低于设定值，电压调整模式启动，计算出需要补偿的无功功率，无功控制模式启动.

2 TSC-TCR型SVC系统仿真模拟

为了分析SVC装置的电压控制效果，简单设计一个具有并联补偿设备的系统.假设计算电压降落时可略去其横分量，则无功补偿前母线i的电压Ui如公式(5)所示

(5)

式中Uj为设置补偿设备前母线j的电压.当装备无功补偿设备后，母线的j电压变为Ujc，则母线i的电压如公式(6)所示

(6)

设这两种情况下Ui保持不变，则由上述两式可得如公式(7)

(7)

由此可解得：

(8)

式中方括号内第二项数值一般不大，可略去.从而简化为公式(9)

(9)

根据以上公式就可以按照调压的要求计算出补偿设备的容量QC.

根据公式(9)计算出设备的补充容量：

(10)

根据公式(10)得出设备的补偿容量Qc为73.1 Mvar.在MATLAB下建立了一个500 KV的TSC-TCR型SVC仿真模型，可以分为电网模块、线路模块、负载模块、三相电压电流策略模块、SVC模块、滤波器模块、信号分离模块、示波器模块[4].其中SVC的伏安特性曲线如图1.

如图1所示，当Reactive Current数值低于-1时，Pos.Seq.Voltage数值介于0.5 p.u.～1 p.u.之间，曲线为下降走势；当Reactive Current数值高于1时，Pos.Seq.Voltage数值介于1 p.u.～1.5 p.u.之间，曲线呈上升走势.

3 仿真结果分析

图1 SVC的伏安特性曲线
Fig.1 Volt-ampere characteristic curve of SVC

当电压源发生变化时，SVC装置输出的无功功率也随之变化，限制了母线电压的升高或降低[5].当母线电压降低时，SVC装置可以发出无功功率防止母线电压降低过多.当母线电压升高时，SVC装置从系统中吸收无功功率，可以限制电压的升高.

如图2所示，当仿真时间介于0 s～0.2 s时，电源电压可以控制为1 p.u.；当仿真时间介于0.2 s～0.5 s时，电源电压可以控制为0.94 p.u.；当仿真时间介于0.5 s～0.8 s时，电源电压可以控制为1.06 p.u.；当仿真时间介于0.8 s～1 s时，电源电压可以控制为1 p.u.，与仿真时间介于0 s～0.2 s时相同.

图2 电源电压变化曲线Fig.2 Voltage curve of power supply图3 SVC吸收无功功率仿真图Fig.3 Simulation diagram of SVC absorbing reactive power

如图3所示，表现出SVC装置加装后，对于电压变化的影响，加装SVC后，曲线走势更加平和，对于电压的控制更加精准.为了更好地发挥SVC对电压的控制效果，TCR和TSC装置可以适当增加，但这样会加大前期投资，在日后应用在实际电力系统时，还是要根据需要理智来选择TCR和TSC的组数和容量[6].

如图4所示， SVC装置加入前和SVC装置加入后的Uj随电源电压发生变化，可以看出加装SVC后Uj随电源的变化更加圆滑，比加装前可控性更高.

4 结论

静止无功补偿器对于改善电能质量有十分显著地作用， TSC-TCR作为一种无功补偿性能优越的SVC，对它的基本原理，控制策略以及结构进行分析，计算滤波器参数并确定滤波器设计方案，借助MATLAB软件进行仿真研究，确定装置的无功补偿效果.仿真结果表明静止无功补偿器确实能进行无功补偿，可以很好地改善电能质量.

图4 SVC装置加入前和SVC装置加入后的Uj随电源电压变化图
Fig.4Ujchart of variation with power supply voltage before and after SVC device addition