基于晶闸管的静态无功补偿器- MATLAB和Simulink

晶闸管式静态无功补偿器

简介

本节通过实例说明了的应用Simscape™电气™专门研究电力系统稳态和动态性能的软件静态无功补偿器(SVC)。SVC是使用电力电子器件的柔性交流传输系统(FACTS)家族的分流设备。它通过产生或吸收无功功率来调节电压。

由于大型电力系统中机电振荡频率较低(通常为0.02 Hz至2 Hz)，这种类型的研究通常需要30-40秒或更长时间的模拟时间。

本例中描述的SVC模型是特定SVC拓扑的详细模型(使用晶闸管控制反应堆(TCR)和晶闸管开关电容器(TSCs))，完全代表电力电子。这种类型的模型需要在固定的时间步长(在本例中为50µs)进行离散模拟，通常用于在更小的时间范围(几秒)内研究SVC性能。典型的应用包括优化控制系统，谐波的影响，瞬态和在故障时对功率元件的应力。

SVC的描述

建模SVC的单线图如图所示SVC单线图．它代表一个300mvar SVC连接在735kv输电系统上。

此示例可在power_svc_1tcr3tsc模型。加载此模型并将其保存到您的工作目录为例2允许对原始系统进行进一步修改。这个模型显示在735kv电力系统300mvar SVC的SPS模型(power_svc_1tcr3tscs)．

SVC单线图

735kv电力系统300mvar SVC的SPS模型(power_svc_1tcr3tscs)

SVC功率组件

SVC由一台735kv / 16kv、333mva耦合变压器、一台109mvar TCR组和三个94mvar TSC组(TSC1 TSC2 TSC3)连接在变压器的二次侧组成。

TSCs的输入和输出开关允许二次无功功率以94 Mvar的步骤从零到282 Mvar电容(在16 kV)的离散变化，而TCR的相位控制允许从零到109 Mvar电感的连续变化。考虑到变压器的泄漏电抗(0.15 pu)，从一次侧看到的SVC等效电纳可以从-1.04 pu/100 MVA(全感性)到+3.23 pu/100 Mvar(全容性)连续变化。

SVC控制器监测一次电压，并向24个晶闸管(每三相组6个晶闸管)发送适当的脉冲，以获得电压调节器所需的电纳。

每个三相组都连接在增量中，这样，在正常平衡运行期间，零序三次谐波(3、9、…)仍被困在增量中，从而减少谐波注入到电力系统中。

电力系统由等效电感(6000 MVA短路电平)和200 mw负载表示。等效系统的内部电压可以用a来改变三相可编程电压源块，观察SVC对系统电压变化的动态响应。

SVC控制系统

SVC控制器模型

SVC控制系统由以下四个主要模块组成:

测量系统测量正序一次电压。该系统采用离散傅里叶计算技术计算单周期运行平均窗口内的基波电压。电压测量单元由锁相环(PLL)驱动，以考虑系统频率的变化。
Voltage Regulator使用PI调节器在参考电压(1.0 pu)下调节初级电压SVC控制器块菜单)。在电压调节中加入电压降以获得具有斜率的V-I特性(在本例中为0.01 pu/100 MVA)。因此，当SVC工作点从全容性(+300 Mvar)变为全感性(-100 Mvar)时，SVC电压在1-0.03=0.97 pu和1+0.01=1.01 pu之间变化。
配电单元使用主电纳B_svc由电压调节器计算，以确定TCR发射角α和三个TSC分支的状态(开/关)。发射角α作为TCR电纳B的函数_细胞受体是由方程中的查找表实现的吗

$B_{T C R} ＝ \frac{2 （ π - α ） + 罪（ 2 α ）}{π}$

B_细胞受体为额定TCR无功功率(109 Mvar)的TCR电纳单位为pu
发射单元由三个独立的子系统组成，每个阶段一个(AB, BC和CA)。每个子系统由一个同步于线对线二次电压的锁相环和用于每个TCR和TSC分支的脉冲发生器组成。脉冲发生器使用发射角α和来自配电单元的TSC状态来产生脉冲。TSC分支的发射可以是同步的(每个周期在正负晶闸管发送一个脉冲)或连续的。同步发射模式通常是首选的方法，因为它可以更快地减少谐波。验证同步射击模式已在发射单元对话框。

SVC的稳态和动态性能

现在观察系统电压变化时的稳态波形和SVC动态响应。运行模拟并观察波形SVC范围块。这些波形重现如下。

说明SVC对系统电压阶跃动态响应的波形

最初源电压设置为1.004 pu，当SVC停机时，SVC终端的电压为1.0 pu。当参考电压Vref设置为1.0 pu时，SVC初始为浮动(零电流)。这一工作点是在TSC1服役时获得的，TCR几乎处于全传导(α = 96度)。

在t=0.1s时，电压突然增加到1.025 pu。SVC通过吸收无功功率(Q=-95 Mvar)将电压恢复到1.01 pu。95%的沉淀时间约为135 ms。此时所有TSCs都停止工作，TCR几乎处于完全传导状态(α = 94度)。

在t=0.4 s时，源电压突然降低到0.93 pu。SVC通过产生256 Mvar的无功功率进行反应，从而将电压提高到0.974 pu。

此时，3台TCR已投入使用，TCR吸收了约40%的名义无功功率(α =120度)。

观察作用域的最后一个痕迹，TSCs是如何依次打开和关闭的。每次TSC接通时，TCR α角从180度(无导通)变为90度(全导通)。最后，在t=0.7 s时，电压增加到1.0 pu, SVC无功功率降低到零。

您可以打开信号和范围子系统来观察其他波形。TCR AB示波器显示分支AB中的TCR电压和电流以及晶闸管脉冲。下图是发射角α为120度时的三个循环。

TCR AB中的稳态电压和电流

TSC1点火失败

最后一个案例研究模拟了TSC失灵。

每次TSC关闭时，TSC电容器上的电压仍然被捕获。如果你观察信号和示波器子系统内部的TSC1失火示波器，你可以观察到分支AB的TSC1电压(第一个迹线)和TSC1电流(第二个迹线)。通过正晶闸管(传导正电流的晶闸管)的电压显示在第三个迹线上，发送到该晶闸管的脉冲显示在第四个迹线上。注意，当阀电压最小时，正晶闸管在最大负TSC电压下被发射。

如果错误地没有在正确的时间发送发射脉冲，可以在TSC阀门中观察到非常大的过流。看看里面SVC控制器关于如何在TSC1上模拟失败的块。一个计时器Block和或块用于将脉冲添加到来自发射单元的正常脉冲中。

打开计时器块菜单并删除100乘法因子。计时器现在被编程为在时间t= 0.121 s时发送一个持续一个采样时间的失火脉冲。

重新启动仿真。在TSC1点火范围内观察到的波形再现如下。

TSC电压和电流由TSC1故障造成

观察到，在TSC阻塞后，当阀门电压为最大正时，就会发送失火脉冲。晶闸管失火产生大的晶闸管过流(18 kA或6.5倍的标称峰值电流)。此外，在晶闸管阻塞后，晶闸管电压立即达到85 kV(公称峰值电压的3.8倍)。为了防止这种过流和过压，晶闸管阀通常由金属氧化物避雷器保护(这里不模拟)。