基于MATLAB动态无功补偿仿真研究

《工业控制计算机》２０１０年第２３卷第１２期　基于ＭＡＴＬＡＢ动态无功补偿仿真研究　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＡＴＬＡＢ　鲁　庆　（淮阴Ｚ－学院电子与电气工程学院，江苏淮安２２３００３）　摘　要　针对矿井提升机负载给电网造成的无功冲击和谐波污染等危害，介绍了基于电流间接控制的动态无功补偿系统静止　无功发生器（ＳＶＧ），并利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件进行建模仿真，结果表明该方法设计的静止无功补偿器能够快速、准确　地补偿系统无功功率，抑制系统谐波，维持系统的稳定。　关键词：无功补偿．谐波抑制，ＳＶＧ，仿真分析　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｉｍｐａｃｔ　ａｎｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｅｌｅｖａｔｏｒ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎｄｉｒｅｃｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ＳＶＧ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｉｎ　Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｇｅｔ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｔ　ｃａｎ　ｋｅｅｐ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｅａｄｙ　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖａｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，ＳＶＧ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　矿井提升机等大功率，冲击性负荷给电网造成的无功冲击　压。Ｕ．与Ｕｓ不同相，存在一个角度差８，ＳＶＧ从系统吸收有功功　和谐波污染非常严重，研究并设计无功功率补偿装置对于维持　率，补偿内部损耗，使得ＳＶＧ装置中电容上的电压得以维持。　电力系统的安全稳定与经济运行具有重大意义。本文基于电流　ＳＶＧ有两种工作状况，即容性工况和感性工况，８为Ｕ．与　间接控制法，针对冲击性负荷，设计了静止无功发生器ＳＶＧ，并　Ｕ。相位差，以Ｕ。滞后Ｕ．为正，为等效电抗器的阻抗角，Ｕ　为等　仿真研究，结果表明这种方法能够快速准确地补偿系统无功，保　效阻抗器的两端电压。当Ｕｌ滞后Ｕｓ时（８＜０），ＳＶＧ工作于容性　持系统稳定。　工况，此时电流Ｉ超前于电压Ｕｓ，ＳＶＧ从系统吸收容性无功功　１　ＳＶＧ基本原理　率，为系统提供无功支撑；当Ｕ　超前Ｕ。时（８＞０），ＳＶＧ工作于　ＳＶＧ基本结构如图１所示，它由下列几部分组成：电压支　感性工况，此时电流Ｉ滞后于电压Ｕｓ，ＳＶＧ从系统吸收感性无　撑电容，作用是为装置提供一个电压支撑；由大功率电力电子开　功功率。ＳＶＧ从系统吸收容性或感性无功功率的计算公式为：　关器件组成的电压源逆变器，将电容器上的直流电压变换为交　流电压；耦合电抗器，通过它将大功率变流装置与电力系统耦合　Ｑ：　ｓ｜ｎ蚕　／ｆｆ　在一起，还可以通过它将逆变器输出电压中的高次谐波滤除，使　其中，Ｑ为ＳＶＧ吸收的总的无功功率，Ｕｓ为系统相电压，　ＳＶＧ的输出电压为正弦波。　当８＞０时Ｑ＞０，ＳＶＧ吸收感性无功功率；当８＜０时，Ｑ＜Ｏ，ＳＶＧ　吸收容性无功功率。通过控制８的方向，可以在系统无功不足时　提供无功支撑，在系统无功过剩时吸收无功。另外通过控制８的　大小，可以调节ＳＶＧ吸收的感性或容性无功功率的大小。　２　ＳＶＧ控制策略　ＳＶＧ作为动态无功补偿装置，在电力系统中的应用主要实　现两个功能，即改善系统功率因数和调节系统电压。因此，控制　策略的选择应该根据补偿器要实现的功能和应用的场合来决定　采用开环控制、闭环控制或者两者相结合的控制策略。而外闭环　反馈控制量和调节器的选取也应该根据补偿器要实现的功能来　设定。　图１　ＳＶＧ电路基本结构　控制策略上，在ＳＶＧ中，由开环或闭环调节器输出的控制　ＳＶＧ的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直　信号则被视为补偿器应该产生的无功电流（或无功功率）的参考　接并联在电网上，调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，　值。正是在如何由无功电流（或无功功率）参考值调节ＳＶＧ真正　或直接控制其交流侧电流，就可使该电路吸收或发出无功电流，　产生所需要的无功电流（或无功功率）这个环节上，形成了ＳＶＧ　实现无功补偿的目的。　多种多样的具体控制方法，主要可以分为电流的间接控制和电　单相等效电路原理图如图２所示，其中Ｒ表示ＳＶＧ的损　流的直接控制两种方法。　耗，连接阻抗Ｘ，ＳＶＧ输出电　直接控制法由于是对电流瞬时值的跟踪控制，要求主电路　压为Ｕｌ，电网电压为Ｕｓ，主　ｊＸＬ　电力半导体器件有较高的开关频率，这对于较大容量的ＳＶＧ目　电路电流Ｉ，逆变器输出电压　前是难以做到的。所谓电流的间接控制，就是按照ＳＶＧ的工作　幅度和相位根据输入系统的，，　原理，将ＳＶＧ看作一个交流电压源，通过对ＳＶＧ变流器所产生　无功功率进行调节，从而如　的交流侧电压基波的相位和幅值的控制，来间接控制ＳＶＧ的交　同步发电机一样产生相位和　流侧电流。分析图２，以容性工况为例来进行说明，可以得到以　幅度可以调节的三相正弦电　图２单相等效电路　下三角关系式：　３０　基于ＭＡＴＬＡＢ动态无功补偿仿真研究　ｓｉｎ６＝　ｓｉｎ　９０（　。＝　ｓｉｎ　９０　十（ｂ）　（　。＋　一８）　（２）　一　一　ｉ　｝　ｆ　ｌ　｝　　｝ｊ　　．其中８是ＵＩ滞后Ｕｓ的角度，由此可以得到等效电抗器两　端电压为：　Ｕｓ　ｓｉｎ５　：＿＿＝Ｉ　ｉ　１　（３）　Ｃ０鼬　因此，可以推导出稳态时ＳＶＧ从电网ｒ｛Ｊ吸收的容性无功电　流和有功电流的有效值分别为：　｜。　—　ｓ　ｔ％ｏ　＝　ｎ　ｔ４　１ｆ’　一｝　ｌ　　｝．　Ｉ　ｉ４　，　ｔ＂ｉ　Ｉ。　ｉ　０　、　¨　仁　ｕ：　！　∞ｓｃ　ｓ，＝差（１－ｃｏｓ　，　！　ｃ５　（６）　１　一　在感性工况下，ＳＶＧ从电网巾吸　的电流同样满足式（４）和　（５１．不过此时吸收的是感性电　流、另外，由Ｊ弋（３）可以得到：　ＣＯＳ击　图５补偿后系统电压电流波形　如果在上述方法中，对ＳＶＧ吸收的无功电流（或无功功率）　进行反馈控制，则对无功电流的控制精度和响应速度都将得到　显著提高，将需补偿的电流参考值与ＳＶＧ吸收的电流值进行实　时比较，对其差值进行比例积分调节，产生的８值控制ＳＶＧ的　脉冲触发。原理图如图３所示。　广－　Ｐｌ谰节　—　ｓＶ。¨ｕｌ并～　图３电流闭环间接控制法　图６　系统电流波形频谱分析图　３建模与仿真分析　４结束语　利用Ｍａｔｌａｂ仿真软件中的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ＿Ｉ：具箱进行系统仿真　研究。图４为无功补偿系统的仿真模型，主要包含电源、负荷、静　止无功发生器和触发脉冲发生模块等。　Ｂ１　本文针对矿井提升机等冲击性负荷给电网造成的无功冲击　和谐波污染问题，采用电流间接控制的ＳＶＧ，基于ＭＡＴＬＡＢ软　件建立仿真模型，对电压电流信号检测分析，结果表明本文采用　的方法设计的补偿装置能够迅速准确地补偿系统无功，抑制谐　波，对工程实践具有一定的指导意义。　参考文献　‘＿＿＿ｆｌ　　Ｉ　ｔ　一『　　●　｝　｝［１］孟伟，包蕊，等．利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对变电站电压无功综合模糊控制的仿　真［Ｊ］电测与仪表。２０Ｏ７（１１）：１７—２Ｏ　［２］杨好强，邵林，等无功就地补偿在空压机中的应用［Ｊ］．矿山机械，　２００６，３５（５）：１４３—１４５　，？　｝　～　ｆｌＩ　●＾　｝　　¨　●　＿＿＿．．　［３］罗安．电网谐波治理和无功补偿技术及装备［Ｍ］．北京：中国电力出版　社，２００６　一　　一¨　－　｛Ｊ　图４系统仿真模型　［４］王兆安，杨君，等．谐波抑制和无功功率补偿［Ｍ］北京：机械工业出版　社．２００６　从仿真波形可知，当补偿装置投入补偿后，系统电流电压相位　角明显调整，相位差几乎为零，说明系统无功得到了很好的补偿，补　［５］伏祥运，等．不平衡系统中Ｄ—ＳＴＡＴＣＯＭ的控制策略［Ｊ］电力系统　及其自动化学报，２００７，１９（４）：９３－９９　［收稿日期：２０１０．９．２８］　偿后系统电流频谱分析图说明系统电流谐波得到了有效的抑制。　（上接第２８页）　卡或ＣＦ卡作为存储器，可将实时采集的数据保存人数据采集　服务器中，以备上位机调用查询，这样将对杂散电流的分布情况　５结束语　本系统在深圳地铁四号线已经运行了半年，运行过程中，数　有了更清楚、详细的了解，也更能保证数据的完整性。　参考文献　［１］邸荣光地铁迷流监控系统研究［Ｊ］．华东交通大学学报，２０ｏ８，２２　（２）：３３—３５　据采集运算满足运营要求，数据信息传输可靠，系统设备工作稳　定，实现了地铁杂散电流信息的在线监测、越限报警、历史曲线，　报表显示等功能，各项技术指标均能满足设计要求。　相比以往的监测方式，本系统网络结掏简洁、清晰，设备采　用成熟的模块化产品，稳定可靠；存当前城市轨道交通建设的大　潮中，积极推广本产品，必将带来可观的经济效益和社会效益。　［２］亚控科技发展有限公司．组态王６．５０使用手册［Ｋ］，２００６　［３］研华科技股份有限公司ＡＤＡＭ一６５００用户使用手册［Ｋ］，２００５　［４］叶子嵌入式ＷｉｎＣＥ多线程编程研究与实现［Ｊ］．数字技术与应用，　２０１０（１）：４５—４６　［收稿日期：２０１０．７．１２．】　下一步将在数据采集服务器中『Ｊｌｌ人数据库功能，并用ＳＤ