基于MATLAB的500kV变电站无功补偿仿真研究
作者：付凯　岳学彬
来源：《科学与财富》2016年第25期
        摘 要：通过对SVC技术的原理分析研究，利用Simulink构建了SVC装置的仿真模型，并验证了该模型对500kV变电站有很好的无功补偿效果。仿真结果表明，SVC装置可快速调节其发出的无功，对电站动态无功补偿，调节系统电压，提高系统电压的稳定水平。
        关键词：SVC；无功补偿；500kV；TCR
        1 引言
        随着电力电子技术的发展，大量的电力电子非线性负载接入电网，降低了电网的电能质量，SVC无功补偿装置具有吸收和发出无功，调节电力系统电压，提高系统的功率因数，从而提高电力系统的电能质量。SVC技术是灵活交流输电（FACTS）技术之一。
        2 TCR型的SVC装置的结构及原理
        2.1 TCR型的SVC装置的结构
        由于大功率电力电子器件制造技术的发展，SVC从早期的SSR过渡到TCR/TSC方式，并成为SVC的主流实用技术。国外TCR/TSC型的SVC装置从上世纪70年代投入商业运行以来，其装置集成技术、控制原理、设备制造技术已趋于成熟，是目前仍广泛使用的动态无功补偿设备[2]。根据结构原理的不同，SVC技术又分为：自饱和电抗器型（SSR-Self-saturable Reactor）、晶闸管相控电抗器型（TCR -Thyristor Controlled Reactor）、晶闸管投切电容器型（TSC–Thyristor Switched Capcitor）、高阻抗变压器型（TCT）和励磁控制的电抗器型（AR）等[1]。
        我国目前在TCR的SVC装置技术方面也趋于成熟，但是在更高电压等级变电站用超大容量SVC应用技术还有待研究[3，4]。本文主要就是通过MATLAB仿真来研究500kV变电站用超大容量TCR型SVC装置来调节系统的无功，稳定系统的电压，从而达到提高电能质量的目的。
        TCR型SVC装置主要由滤波、电容支路和TCR支路组成，其结构和接线如图1所示。
        2.2 TCR型的SVC技术的原理
        从图1可以看出，TCR型SVC无功调节是通过电力电子器件控制电感电容元件来实现的，能够实现容性无功和感性无功连续性调节，其输出电压和电流曲线如图2所示[1]。
        由图2可知，系统无功电纳B在大于Bcmax和小于Blmax之间变化，TCR型SVC装置就可以正常调节系统的无功功率从而使系统的电压达到稳定。Vref是电压给定值，即系统额定电压。通常情况下系统在电压变化1%至4%，无功输出可调。V-I特性曲线描述方程如下：
        （1）
        其中，V是正序基波电压。I是无功电流。Xs是下垂电抗。Bcmax是最大电容。Blmax最大电感。
        3 TCR型SVC装置建模
        根据TCR型SVC的 V-I 特性曲线及其方程建立Simulink仿真模型[5，6]。单相TCR型SVC模型及控制模块如图3所示。
        单相TCR型SVC控制模型由四个小模块组成：
        1.电压测量系统，检测实际电压，与参考电压作比较。
        2.电压控制器，通过对比给定电压和检测电压的误差来调节无功功率，保证系统电压的稳定。
        3.集成的TSC和TCR系统，通过开关控制TSC与TCR的投切使得TCR型SVC装置产生容性和感性无功，从而达到控制无功功率的目的。
        4.锁相环和脉冲发生模块，保证一次电压和二次电压相位同步及输出开关动作。
        4 系统仿真
        本文仿真中，忽略了三相电压电流测量装置的测量时间，近似的将系统看作具有闭环时间常数的一阶系统。该时间常数为：
        其中Xn系为统电抗，Xs为下垂电抗。
        本文仿真中给定的系统参数，Ki = 300 ；Xn = 0.0667 pu/200 MVA ；Xs = 0.03 pu/200 MVA。从而得到系统闭环时间常数Tc = 0.0345 s。
        500kV变电站模型由一个可变电源和一个RLC参数模块组成对系统分别进行两次仿真实验，分别验证了本文建立的TCR型SVC模型对500kV变电站系统的无功功率具有可调和连续可调的作用。
        仿真1：如图5所示其中黄的曲线是实际的无功功率B1和实际系统基波电压V，粉的线是控制器发出的无功功率信号Bc和SVC测量系统测出的虚拟电压Vm。其中上半部分为电纳变换曲线，下半部分为系统电压变化曲线。
        系统初始状态电压稳定在1.00pu，该装置不工作。t=0.1s时，系统电压突然下降到0.97pu，为了抵制系统电压下降，该装置迅速产生无功功率补给系统。t=0.15s时，系统电压回升到1.0.pu， t=0.6s时，系统电压突然上升至1.03pu， 该装置快速吸收系统产生的无功功率。仿真1reactor 原理表明TCR型SVC装置能够及时的发出或者吸收无功功率补偿给系统，从而缓解了系统电压的突变稳定了系统电压，提高了系统的稳定性。
        仿真2：如图6所示，其中上半部分为电纳变换曲线，下半部分为系统电压变化曲线。系统初始状态电压稳定在1.00pu，该装置不工作。当t=0.1s时，系统电压突然下降到0.97pu并且持续到0.4s，TCR型SVC装置迅速产生无功功率抵制系统电压的下降，最终使系统电压稳
定在0.99pu。t=0.4s时，系统电压突增至1.03pu，该装置能够快速的吸收系统的无功功率抑制系统电压突增，最后使系统电压稳定在1.01pu。t=0.7s时，系统电压恢复到1.00pu，这时该装置停止工作。仿真2表明了系统电压持续发生变化时，TCR型SVC装置能够持续的调节无功功率并且实现了容性和感性连续性调节，最终使系统电压稳定在允许的基波电压值内，保证系统电压稳定，从而提高了系统的稳定性。
        5 结论
        本文利用Simulink构建了TCR型SVC模型和500kV变电站仿真模块，并且仿真实现了该模型对500kV变电站模块系统的无功功率调节。仿真表明：本文建立模型能够实现对500kV变电站的无功调节，在系统电压可调节范围内，可以快速地调节系统无功，使系统电压稳定在额定电压，最终达到提高系统电能质量降低网损的目的。

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