基于PSIM的TCR型靜止無功補(bǔ)償裝置仿真

李必春

摘 要：靜止無功補(bǔ)償作為一種新型無功補(bǔ)償方式，能快速、平滑地調(diào)節(jié)無功功率輸出，以滿足動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)男枰瑢τ谌嗖黄胶庳?fù)荷及沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中?；陔娏ο到y(tǒng)仿真軟件PSIM平臺，建立TCR型靜止無功補(bǔ)償裝置模型，在以功率因數(shù)為目標(biāo)的控制策略下進(jìn)行仿真，模擬裝置在實(shí)際工況下的補(bǔ)償效果。仿真結(jié)果表明，裝置能達(dá)到設(shè)計要求，同時，利用PSIM仿真軟件對深入理解和改進(jìn)動態(tài)無功補(bǔ)償裝置具有積極意義。

關(guān)鍵詞：靜止無功補(bǔ)償裝置;PSIM;快速傅里葉變換FFT;功率因數(shù)

中圖分類號：TM761文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）05-0016-04

Abstract： As a new type of reactive power compensation， static var compensation can quickly and smoothly adjust the output of reactive power to meet the needs of dynamic reactive power compensation， whcih has strong adaptability to three-phase unbalanced load and impact load， and is widely used in power system. Based on the PSIM platform of power system simulation software， the TCR static var compensation device model is established， the simulation is carried out under the control strategy with power factor as the objective， and the compensation effect of the device under the actual working conditions is simulated. The simulation results show that the device can meet the design requirements， at the same time， the use of PSIM simulation software has a positive significance for further understanding and improving the dynamic reactive power compensation device.

Keywords： static var compensation device;PSIM;fast fourier transform FFT;power factor

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，越來越多的高科技設(shè)備投入使用，而配電系統(tǒng)大量使用含有電力半導(dǎo)體器件的設(shè)備，給電網(wǎng)來了嚴(yán)重的污染，具體表現(xiàn)為：電壓偏差、電壓波動和閃變、三相不平衡、暫態(tài)過電壓、波形畸變等。這些問題不僅會帶來經(jīng)濟(jì)損失，還會影響電力設(shè)備的穩(wěn)定性和安全運(yùn)行。靜止無功補(bǔ)償（TCR型）作為一種新型的補(bǔ)償裝置，具有快速、平滑的無功功率輸出，快速補(bǔ)償負(fù)載在動態(tài)過程中所需的無功，減少電壓波動和網(wǎng)損，提高輸配電的效率。為更好掌握靜止無功補(bǔ)償裝置的特性，本文將利用PSIM電力仿真軟件，通過系統(tǒng)建模和裝置的仿真，驗(yàn)證靜止無功補(bǔ)償裝置的動態(tài)補(bǔ)償效果。

1 靜止無功補(bǔ)償裝置工作原理

靜止無功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensator，SVC）是并聯(lián)接入系統(tǒng)，裝置的輸出電流可控，調(diào)節(jié)使之輸出為容性或者感性，以滿足系統(tǒng)對無功性質(zhì)的需求。本文分析的是晶閘管控制電抗器型（Thyristor Controlled Reactor，TCR）靜止無功補(bǔ)償裝置，主要結(jié)構(gòu)由可調(diào)的電抗器和固定容量的濾波電容器組構(gòu)成，其工作原理是通過控制晶閘管的開通時間來改變流過電抗器的感性電流有效值，改變其吸收感性無功功率的大小，濾波電容器組則提供固定的容性無功功率，二者同時作用可使裝置產(chǎn)生的無功連續(xù)可調(diào)。

在工程應(yīng)用中，TCR基本結(jié)構(gòu)是兩個正反并聯(lián)的晶閘管閥組與一個電抗器串聯(lián)，三相電路結(jié)構(gòu)大多數(shù)采用三角形方式接入電網(wǎng)，實(shí)際應(yīng)用時將每相電抗器分成兩部分，分別接在晶閘管閥組的兩端，這種結(jié)構(gòu)可以使晶閘管閥組得到保護(hù)，同時閥組的對地電壓降為原來的一用半。另外，要設(shè)置濾波電容器組，根據(jù)工況可設(shè)置多條濾波支路，用以濾除裝置產(chǎn)生的諧波或系統(tǒng)中諧波，同時提供一定的容性無功容量，靜止無功補(bǔ)償裝置原理如圖1所示。

2 PSIM電力仿真軟件介紹

PSIM是專門用于電力電子以及電機(jī)控制領(lǐng)域的專業(yè)化仿真軟件，該軟件包含SIMCAD和SIMVIEM兩個模塊，具有快速的仿真功能和友好的用戶界面等優(yōu)點(diǎn)，針對不同用戶，可以提供一種強(qiáng)有效的仿真環(huán)境。PSIM高效的算法克服大多數(shù)仿真軟件的收斂失敗、仿真時間長的問題，可控制任意大小的電力變換回路，控制回路仿真功能，在不同系統(tǒng)的仿真領(lǐng)域、控制環(huán)的設(shè)計以及電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。PSIM作為仿真工具以及設(shè)計工具使用，可大大提高工作效率和生產(chǎn)性能，對降低開發(fā)成本和縮短研發(fā)時間都起到重要的作用。

3 基于PSIM的TCR型SVC裝置結(jié)構(gòu)建模及仿真

構(gòu)建完善的仿真模型對于系統(tǒng)實(shí)際仿真效果極為重要，本文依據(jù)實(shí)際工程來建立仿真模型，主要從主電路、控制電路、控制脈沖電路、監(jiān)測電路、系統(tǒng)電源、裝置投切控制電路等方面對SVC系統(tǒng)進(jìn)行建模。其以功率因數(shù)為控制目標(biāo)，主要由參數(shù)采樣、數(shù)據(jù)處理、PI調(diào)節(jié)器等部分構(gòu)成。通過控制電路的電壓和電流傳感器取出系統(tǒng)的電壓和電流信號，進(jìn)行傅里葉變換，分別得到電壓和電流的幅值和相位，利用PI控制器模塊和對其進(jìn)行控制，輸出控制信號觸發(fā)TCR主回路，達(dá)到控制功率因數(shù)的目的，控制原理框圖如圖2所示。

3.1 TCR及濾波支路主電路模型

主電路包括TCR支路和FC支路。晶閘管控制電抗器TCR，其結(jié)構(gòu)是由兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個電抗器串聯(lián)而成的，三相電路采用三角形連接并入電網(wǎng)。每相電抗器等分成兩部分，分別接在晶閘管閥組的兩端，主要起到保護(hù)晶閘管閥組作用;濾波支路FC結(jié)構(gòu)是由電容器和電抗器串聯(lián)而成的，設(shè)置5、7、11次濾波支路，主要作用是提供容性無功功率，并濾除由TCR支路產(chǎn)生的諧波電流。在TCR和FC支路前均設(shè)置有投切開關(guān)，可以控制二者投入系統(tǒng)的時刻，便于觀察系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的變化。

3.2 控制電路模型

控制方式設(shè)計的好壞直接影響補(bǔ)償仿真的效果?？刂破飨到y(tǒng)應(yīng)能檢測系統(tǒng)相關(guān)變量，根據(jù)檢測變量和給定參考輸入量的大小，產(chǎn)生相應(yīng)的晶閘管觸發(fā)延時角，以調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置吸收的無功功率[1-3]。本文以功率因數(shù)為控制目標(biāo)建立仿真模型，穩(wěn)態(tài)下的功率因數(shù)控制環(huán)節(jié)由參數(shù)采樣、PI調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理等構(gòu)成。通過仿真軟件提供電壓傳感器和電流傳感器模型對電網(wǎng)電壓、電流進(jìn)行采樣，再進(jìn)行快速傅里葉變換，得到電壓和電流相位的實(shí)時數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)計算模塊換算以及PI增量控制，得到隨系統(tǒng)功率因數(shù)變化的控制信號。

3.3 控制脈沖電路模型

控制脈沖電路是根據(jù)控制電路輸出的控制信號產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)延時角的晶閘管觸發(fā)脈沖[4-5]。晶閘管的導(dǎo)通角大小決定感性無功功率的輸出多少，其角度應(yīng)受控于系統(tǒng)的電壓和電流電量參數(shù)，通過變換得到如前所述的控制電路輸出的信號波形，以其為門限值，采用三角波與該波形進(jìn)行比較，得到PWM輸出控制脈沖信號波形。采用的三角載波信號頻率為50Hz，因晶閘管閥組為正反向并聯(lián)，因此，每相為兩組三角波信號源，且相位相差180°，三相之間相位各自相差120°，Control為控制電路輸出信號，TCR-AB+、TCR-AB-、TCR-BC+、TCR-BC-、TCR-CA+、TCR-CA-對應(yīng)TCR主電路晶閘管的控制信號。

3.4 監(jiān)測電路模型

監(jiān)測電路主要作用是當(dāng)系統(tǒng)投入TCR支路和電容器支路時，反映系統(tǒng)功率因數(shù)和功率的變化情況。利用PSIM仿真軟件提供的電壓傳感器和電流傳感器模塊，將采集系統(tǒng)的電壓和電流進(jìn)行快速傅里葉變換，得到電壓、電流信號的幅值和相位，通過豐富的數(shù)學(xué)運(yùn)算模型組合計算得到系統(tǒng)的有功功率、無功功率和功率因數(shù)。在設(shè)定的仿真時間內(nèi)，實(shí)時采集系統(tǒng)的參數(shù)，當(dāng)投入電容器和TCR支路時，利用Simview窗口觀測到相關(guān)參數(shù)的變化。

3.5 系統(tǒng)電源電路模型

TCR型靜止無功補(bǔ)償裝置并聯(lián)在電力系統(tǒng)中，采用三相電源模擬電網(wǎng)線路，L為電網(wǎng)系統(tǒng)中的電感，R為系統(tǒng)中的損耗電阻。

3.6 投切控制電路模型

電路主要作用是待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讓TCR支路和FC濾波支路在設(shè)定的時刻投入。主要用到模塊庫中提供的時間元件，該元件是分段線性電壓源的一個特殊情況，它可以看作一個接地電壓源，數(shù)值相當(dāng)于仿真時間。具體采用時間元件與信號源比較方式，經(jīng)過一定的延時，在需要的時刻比較器輸出信號，使各支路開關(guān)閉合，裝置投入。為方便觀察功率因數(shù)變化，這里設(shè)置為0.4s，使TCR和FC的投入開關(guān)閉合，裝置投入。

4 主仿真參數(shù)設(shè)置

4.1 相控電抗器參數(shù)設(shè)置電路

本文以6 kV系統(tǒng)，容量為6 000 kvar的SVC裝置為例進(jìn)行說明。根據(jù)系統(tǒng)電壓、額定容量、出發(fā)角度等參數(shù)計算相控電抗器的電感，計算值按式（1）得到。

式中，[U]為裝置額定電壓;[I]為TCR額定電流;[Ke]為有效電流系數(shù)，取1.02;[α]為晶閘管導(dǎo)通觸發(fā)角，其取值范圍為[[π]/2，[π]]。

觸發(fā)角取110°，按式（1）計算得到電感為32.86 mH，每相電抗器由兩個電抗器串聯(lián)而成，每個電抗器電感為16.42 mH。

4.2 濾波電容器組參數(shù)設(shè)置

TCR支路采用的是三角形連接方式，裝置運(yùn)行時產(chǎn)生的3 n次諧波不會流入系統(tǒng)，因此仿真支路設(shè)置的是5、7、11次電容濾波支路。按照經(jīng)驗(yàn)公式可以得到5、7、11次諧波電流最大標(biāo)幺值分別為0.25、0.18和0.13，按此比例可以計算出各次電容濾波支路的容量，5次支路為2 680 kvar，7次支路為1 920 kvar，11次支路為1 400 kvar。按各次支路容量，可以確定濾波電容器電容量和電抗器電感，如表1所示。

4.3 其余參數(shù)設(shè)置

電網(wǎng)阻抗設(shè)置為純感性0.1 mH，負(fù)載電感為10 H，電阻為50 Ω?？偡抡鏁r間設(shè)置為1 s，在時間為0.4 s時，投入TCR支路和FC支路，仿真運(yùn)行后，通過SIMVIEW調(diào)出相關(guān)參數(shù)，觀察其變化波形。仿真電路如圖3所示。

5 仿真結(jié)果分析

建立了仿真模型，仿真時間為1.0s，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示，圖4為有功功率和無功功率變化趨勢圖，圖5為系統(tǒng)功率因數(shù)變化趨勢圖。從圖中可以看出，第一階段，在0～0.4 s，靜止無功補(bǔ)償裝置未投入時，由于感性負(fù)存在，系統(tǒng)功率因數(shù)較低，大概保持在0.8左右，無功功率缺口較大;第二階段，在0.4～0.6 s，TCR支路和FC濾波支路同時投入，各參數(shù)經(jīng)過裝置一段時間的調(diào)整后穩(wěn)定，無功功率大幅度減小，且功率因數(shù)顯著提高，經(jīng)過一段時間振蕩后穩(wěn)定，穩(wěn)定的時間約為150 ms;第三階段，在0.6 s之后，裝置不再進(jìn)行調(diào)整，功率因數(shù)穩(wěn)定在1。從整個仿真過程可以看到，靜止無功補(bǔ)償裝置所發(fā)出的無功功率能較好補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功缺額，快速補(bǔ)償和提高功率因數(shù)，達(dá)到設(shè)計要求。

6 結(jié)論

本文采用PSIM電力電子仿真軟件，對靜止無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了仿真，具體以功率因數(shù)為控制目標(biāo)對靜止無功補(bǔ)償裝置投入進(jìn)行仿真，其響應(yīng)時間快速（為毫秒級），能夠適應(yīng)無功功率變化頻繁的補(bǔ)償要求。其間通過仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)建模和控制策略的正確性，人們可改變裝置部分設(shè)計參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以便進(jìn)一步掌握靜止無功補(bǔ)償裝置原理和完善補(bǔ)償裝置設(shè)計。PSIM作為用于電力電子以及自動控制領(lǐng)域的專業(yè)化仿真軟件，包含豐富的控制元件庫和強(qiáng)大數(shù)學(xué)運(yùn)算模型，具備控制回路仿真功能，其具有仿真速度快、容易掌握的特點(diǎn)，非常適合電力工程的設(shè)計應(yīng)用，對于提高效率具有重要作用。

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