【導(dǎo)讀】在電力系統(tǒng)中廣泛采用的各種靜態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置的原理及功能。本原理，分析其代表性的并聯(lián)電容補(bǔ)償方式。并簡要介紹了晶閘管相控電抗。電抗器的工作原理及應(yīng)用。用Matlab對TCR型無功補(bǔ)償進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。力系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　

【正文】 為工作電壓和工作電流， di 為直流控制電流。若不考慮晶閘管和二極管的瞬時(shí)開關(guān)特性，電抗器在一個(gè)工頻周期的運(yùn)行狀態(tài)可分析如下： 狀態(tài) 1： V VD 斷開， V1 導(dǎo)通； 狀態(tài) 2： V V2 斷開， VD 導(dǎo)通； 狀態(tài) 3： V VD 斷開， V2 導(dǎo)通。 設(shè)電網(wǎng)電壓為 tUuA ?sin2? ，則上述各狀態(tài)與 Au 和晶閘管觸發(fā)角 ? 之間的關(guān)系如圖 所示。 24 圖 各狀態(tài)與 Au 和晶閘管觸發(fā)角 ? 之間的關(guān)系圖 可控電抗器的不同攻工作狀態(tài)、是由晶閘管與二極管所承受的電壓、電流及觸發(fā)脈沖信號決定。當(dāng) ??? ，晶閘管 V V2 不觸發(fā)導(dǎo)通，電抗器為空載狀態(tài)。如 ??? ，當(dāng)電源為正版波， ???t 時(shí)，電抗器處于狀態(tài) 2，即 V V2斷開， VD 導(dǎo)通，此時(shí) V1 承受正向電壓， V2 承受反響電壓。當(dāng) ???t 時(shí)， V1 觸發(fā)導(dǎo)通，可控電抗器進(jìn)入狀態(tài) 1，此時(shí) V1 不會(huì)截止， V2 也不會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)電源電壓為負(fù)半波時(shí)， V1 截止， VD 導(dǎo)通，此時(shí)， V1 承受反向電壓， V2 承受正向電壓。當(dāng) ??? ??t 時(shí)， V2 觸發(fā)導(dǎo)通，進(jìn)入狀態(tài) 3，這樣可控電抗器在一個(gè)周期內(nèi)按照狀態(tài) 2→狀態(tài) 1→狀態(tài) 2→狀態(tài) 3 的次序輪流切換、工作。 可控飽和電抗器 SVC 的原理圖如圖 所示，它主要包括 飽和電抗器、電容器組 (兼做濾波器 )和調(diào)節(jié)器 (由直流電源和控制單元 組成 )三部分。 三相飽和電抗器的工作繞組連接在電網(wǎng)上，改變飽和電抗器控制繞組 Wk 電流的大小，就可以改變工作繞組 Wg 的感抗，從而改變無功功率 LQ 的值，以補(bǔ)償負(fù)載無功功率的沖擊。如當(dāng)負(fù)載無功功率 FQ 突然增大時(shí)，使控制回路的電流減小，飽和電抗器的 LX 的增大，從而使電抗器吸收的無功功率 LQ 減小 [19]。這樣，負(fù)載無功功率的恒定部分由電容器補(bǔ)償，而變動(dòng) 部分由飽和電抗器調(diào)節(jié)，以保證電網(wǎng)輸入的無功功率 SQ = )( CLF Q ?? 保持恒定。 25 圖 可控飽和電抗器補(bǔ)償原理圖 可控飽和電抗器的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 以快速響應(yīng)的磁飽和可控電抗器和并聯(lián)電容器 組成的補(bǔ)償元件，配以相應(yīng)的快速無功功率檢測環(huán)節(jié)組成的無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)，可以保證補(bǔ)償?shù)目焖傩?、準(zhǔn)確性和合理性，能夠快速補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率，使功率因數(shù)保持較高水平。但是由于這種裝置中的飽和電抗器造價(jià)高，比并聯(lián)電抗器大 2～ 3 倍。另外這種裝置還 有振動(dòng)和噪聲，而且調(diào)整時(shí)間長，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償速度慢。由于具有這些缺點(diǎn)，所有飽和電抗器的 SVC 目前應(yīng)用的比較少，一般只在超高壓輸電線路才使用。 26 第四章 無功補(bǔ)償裝置的仿真 仿真 原理 采用 晶閘管控制電抗器 的方法對負(fù)載進(jìn)行靜態(tài)無功補(bǔ)償。 檢測有關(guān)電量和設(shè)定量的大小來改變與電抗器串聯(lián)的晶閘管的導(dǎo)通角，能快速連續(xù)改變裝置的電感電流，從而獲得平滑調(diào)節(jié)的無功功率 。 通過這種方法可以達(dá)到對負(fù)載的功率因數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)，使其接近于1，提高系統(tǒng)的利用率。 仿真圖概述 仿真軟件 。 主仿真圖 如圖 : 圖 主仿真圖 27 仿真設(shè)定： 系統(tǒng)的電源為 三相 交流 10KV， 頻率 50HZ，相角 0176。 ， 120176。 ， 120176。 為無限大系統(tǒng) 。設(shè)置如圖 圖 三相 電源 負(fù)載 load1 為 純阻性 ， 額定電壓 10KV， 頻率 50HZ，功率：有功為 P=100KW 無功 為0kvar。 設(shè)置如圖 圖 load1 模塊 28 負(fù)載 load2 為純感性， 額定電壓 10KV， 頻率 50HZ，功率： QL=100kvar。 5s 開關(guān) switch閉合并入系統(tǒng)。 設(shè)置如圖 圖 load2 模塊 定時(shí)開關(guān)模塊于 5s 時(shí)閉合設(shè) 置如圖 ， 圖 switch模塊 29 圖 ThreePhase Breaker模塊 電壓電流測量模塊 ThreePhaseVI Measurement設(shè)置如圖 圖 ThreePhaseVI Measurement模塊 30 功率因數(shù)測量模塊 measurement:如圖 圖 功率因數(shù)測量模塊 作用：通過測取 系統(tǒng) 的電壓，電流，測得負(fù)載的功率因數(shù)。 原理：用 系統(tǒng) 的電壓電流測得有功功率（ P）與無功功率（ Q）， Q/P=tanφ，通過 atan,與 cos模塊，得到功率因數(shù) cosφ。 無功補(bǔ)償模塊 TCR， 補(bǔ)償容量 109kvar。 如圖 圖 TCR 模塊 電 抗 器采用星形連接，通過控制反向并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角， 進(jìn)而控制 電感電流 的變化，達(dá)到 無功補(bǔ)償?shù)哪康?，使系統(tǒng)的功率因數(shù)接近于 1。 31 參數(shù)設(shè)置如下： 晶閘管 Th Th Th5 設(shè)置如圖 圖 晶閘管 Th Th Th5 晶閘管 Th Th Th6 設(shè)置如圖 圖 晶閘管 Th Th Th6 32 電感均為 ，電阻均為 100Ohms 設(shè)置如圖 圖 RL 支路 晶閘管觸發(fā)電路 tigger： 以 A 相為例， 如圖 ， 4. 14， 圖 晶閘管觸發(fā) 電路 圖 PI 模塊 33 圖 三角波模塊 原理： 三角波的周期為 10ms由于 A、 B、 C三相電壓相差 120176。所以 A相三角波的周期為0— 10ms， B相角波的周期為 10/3ms— （ 10+10/3） ms， C相三角波的周期為 20/3ms— （ 10+20/3）ms， 輸出 值為 01。 圖 PI[20]對 Φ進(jìn)行比例積分控制 ， 矯正誤差， 為保有裕量及與三角波進(jìn)行歸一化處理， 通 過 Saturation模塊使輸出值 處于 。 PI輸出值與三角波比較構(gòu)成 01階躍信號對晶閘管進(jìn)行相位控制。 當(dāng) PI輸出 小 于三角波的值時(shí)，比較模塊輸出為 假 ,即輸出 低 電平，晶閘管 不 導(dǎo)通；當(dāng) PI輸出 大 于三角波的值時(shí)，比較模塊輸出為 真 ，即輸出 高 電平 ，晶閘管 導(dǎo)通 。 晶閘管屬于半控型器件，所以三角波的值由高到底，使晶閘管按需求量導(dǎo)通， 原理圖如 ， 。 圖 比較前信號 實(shí)線 — 三角波信號 虛線 — PI模塊輸出信號 34 圖 比較模塊后輸出信號 仿真結(jié)果及其分析 仿真時(shí)間 為 20s，算法采用 ode23t。 預(yù)期目標(biāo)：當(dāng)負(fù)載 為純阻性， 功率因數(shù)為 1， TCR 連入系統(tǒng)后不 工作 ，否則功率因數(shù)會(huì)降低；當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)小于 1， TCR 接入系統(tǒng)后隨功率因數(shù)的大小適量 改變與電抗器串聯(lián)的晶閘管的導(dǎo)通角，能快速連續(xù)改變裝置的電感電流 使功率因數(shù) 保持較高水平（處于 到 1 之間） 。 仿真工作概況：負(fù)載 load1 為純阻性一開始就接入系統(tǒng)， 5 s 開關(guān) switch 閉合，將純感性性負(fù)載 load2 接入系統(tǒng)，系統(tǒng)功率因數(shù)降低。示波器輸出 PI 控制模塊 波形及測得系統(tǒng)功率因數(shù)波形，檢驗(yàn) TCR 無功補(bǔ)償裝置是否正常工作。 在 matlab 主程序 寫入 指令 令： set(0,39。ShowHiddenHandles39。,39。On39。) set(gcf,39。menubar39。,39。figure39。) 調(diào)節(jié)示波器背景及線的顏色，使得易于觀察，將背景設(shè)置為白色，波形設(shè)置為黑色，線粗度為 ，示波器 Data history 設(shè)置如圖 。 圖 示波器 Data history 35 點(diǎn)擊運(yùn)行得到仿真結(jié)果如圖 圖 仿真結(jié)果 上圖 — PI 模塊輸出值變化 下圖 — 功率因數(shù)變化 仿真結(jié)果分析： （ 1） 05s，負(fù)載為純阻性，功率因數(shù)為 1， PI 輸出 為 0 晶閘管不導(dǎo)通，系統(tǒng)功率因 數(shù) 接 近于 1，由于 無功補(bǔ)償裝置及 系統(tǒng)內(nèi)阻影響，系統(tǒng)功率因數(shù)略低于 1,從圖中可知功率因數(shù)約等于 1 在誤差允許范圍內(nèi)。 （ 2） 520s， 5s 開關(guān) switch 閉合， load2 接入系統(tǒng)， QL=100kvar， 系統(tǒng) 無功 功率 劇烈 增加，功率 因數(shù) 大 幅 降低， 降至 左右 ， TCR 開始工作， Φ 角增大， 通過對 Φ 角進(jìn)行PI 控制使輸出值與三角波比較構(gòu)成階躍觸發(fā)信號 ，使并聯(lián)晶閘管輪流導(dǎo)通，進(jìn)行無功補(bǔ)償， 后系統(tǒng)的功率因數(shù)隨無功補(bǔ)償裝置的調(diào)節(jié)持續(xù)提高，在 18s 左右系統(tǒng)的功率因數(shù)趨于穩(wěn)定約為 1， PI 模塊輸出值約為 將 保持高電平維持無功補(bǔ)償裝置工作， 將系統(tǒng)功率因數(shù)提高到 以上 接近于 1。 考慮到 PI 控制的快速性及穩(wěn)定性，無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償后，系統(tǒng)功率因數(shù)在 — 1 之間小幅波動(dòng)，在可以接受的范圍內(nèi)。 由以上分析可知： 仿真裝置達(dá)到了預(yù)期效果，通過測取 Φ 角，控制 TCR 系統(tǒng)晶閘管觸發(fā)角的變化 ， 進(jìn)而控制 電感電流 的變化，能適度進(jìn)行無功補(bǔ)償，使系統(tǒng)的功率因數(shù)保持在較高水平，提高了系統(tǒng)的效率。 36 結(jié) 束 語 本文對 TCR 型無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了 TCR 無功補(bǔ)償裝置能對系統(tǒng)進(jìn)行快速平滑調(diào)節(jié)使系 統(tǒng)功率因數(shù)保持在較高水平，提高系統(tǒng)利用率。 同時(shí)本文還指出 電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償方式 就 安裝的位置而言，顯然無功就地補(bǔ)償最好，這樣無功負(fù)荷需要的無功功率就及時(shí)得到補(bǔ)償，但由于負(fù)荷比較分散，數(shù)量也比較多，這就要求無功補(bǔ)償裝置體積小、成本低、操作方便、易于維護(hù)和安裝，且須能進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，即隨著負(fù)荷對無功功率的要求而發(fā)出負(fù)荷需要的無功功率。 而早期的無功功率補(bǔ)償裝置主要是電容器及同步調(diào)相機(jī)，其中并聯(lián)電容器由于經(jīng)濟(jì)、靈活、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)中的，但并聯(lián)電容器的主要缺點(diǎn)是其無功功率輸出與電壓平方成正比，無功 不足 時(shí) ，電壓降低，導(dǎo)致電容器發(fā)出的無功功率減少，系統(tǒng)無功更感不足。同步調(diào)相機(jī)，是空載運(yùn)行的同步電機(jī)， 它既可在過勵(lì)磁的時(shí)候發(fā)出感性無功功率，又可在欠勵(lì)磁的時(shí)候吸收感性無功功率，其最大優(yōu)點(diǎn)，是系統(tǒng)無功不足時(shí)，它能發(fā)出更多的無功，從而有效保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。 近年來，由于電力電子技術(shù)的快速發(fā)展， 出現(xiàn)了柔性交流輸電技術(shù)，它 關(guān)鍵部分是由電力電子器件，代替了傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)， 其重要 的家庭成員 為 SVC，靜止無功功率補(bǔ)償器，它 主要 包括 TCR， TSC。 TCR 可以通過改變觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)無功功率的快速、平滑調(diào)節(jié)； TSC雖然不能連續(xù)調(diào) 節(jié)無功功率，但具有損耗小，運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生諧波的優(yōu)點(diǎn)。 相信未來電力系統(tǒng)的發(fā)展必定以電力電子技術(shù)的發(fā)展為動(dòng)力，發(fā)揮其越來越大的作用。 誠然，此篇文章對 有些 問題認(rèn)識還有些不夠深入，如最新的無功補(bǔ)償技術(shù)，無功功率發(fā)生器、電力有源濾波器等以及相關(guān)的控制系統(tǒng)未予介紹，主要是由于資料的匱乏及本人的學(xué)識不高，所以介紹較為粗淺，仿真較為簡單，但也許這未必是這篇論文的終點(diǎn)，相反它更是起點(diǎn)，由于電力系統(tǒng)知識及裝置日新月異，使人必然樹立終身學(xué)習(xí)的目標(biāo)，而未來由于工作實(shí)際的需要，我可能會(huì)再次從這個(gè)起點(diǎn)出發(fā)，去進(jìn)行進(jìn)一步的探索。 37 參考文獻(xiàn) ??? 戴曉亮 . 無功補(bǔ)償技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用 [J]. 電網(wǎng)技術(shù) , 1999, 23(6): 1114. [2] 莊侃沁 , 李興源 . 變電站電壓無功控制策略和實(shí)現(xiàn)方式 [J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化 , 20xx, 25(15): 4750. [3] 陸安定 .功率因數(shù)與無功補(bǔ)償 [M]. 上?？茖W(xué)普及出版社 , 20xx. [4] 朱罡 . 電力系統(tǒng)靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展 [J]. 電力電容器與無功補(bǔ)償 , 20xx (4): 3134. [5] 任丕德 , 劉發(fā)友 , 周勝軍 . 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng) 用現(xiàn)狀 [J]. 電網(wǎng)技術(shù) , 20xx, 28(23): 8183. [6] 蘇玲 , 宋珊 , 陳建業(yè) . 靜止無功補(bǔ)償器 (SVC) 應(yīng)用的最新進(jìn)展 [J]. 國際電力 , 20xx, 8(1): 4449. [7] 浩忠 . 電力系統(tǒng)無功與電壓穩(wěn)定性 [M]. 中國電力出版社 , 20xx. [8] 杜修柯 . 電網(wǎng)配電線路的最優(yōu)無功補(bǔ)償研究 [J]. 電力學(xué)報(bào) , 20xx, 23(2): 98100. [9] 李民族 , 李秦偉 . 晶閘管串聯(lián)調(diào)壓電容無功補(bǔ)償方法 [J]. 電力電子技術(shù) , 20xx, 34(1): 2124. [10] 朱靈子 , 彭志煒 , 劉金森 . 電力系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償 [J]. 貴州電力技術(shù) , 20xx (3): 810. [11] 姜衍智 , 程國建 . 配電網(wǎng)無功集中補(bǔ)償最佳配置 [J]. 西安石油學(xué)院學(xué)報(bào) , 1996, 11(3): 4548. [12] 劉傳銓 , 張焰 . 電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償點(diǎn)及其補(bǔ)償容量的確定 [J]. 電網(wǎng)技術(shù) , 20xx, 31(12): 7881. [13] 劉乾業(yè) . 并聯(lián)電抗器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J]. 電工技術(shù)雜志 , 1994, 6(6): 3032. [14] 馬安仁 , 周志文 , 吳韜 . TCR 無功補(bǔ)償控制新方法的研究 [J]. 電氣自