基于MATLAB的TCR_TSC型无功补偿装置_SVC_仿真研究_孙楷淇

12作者简介：孙楷淇（1981-），男，山东烟台人，硕士，主要从事无功补偿、配网运行维护的研究。E-

mail ：skq23@126．com 基于MATLAB 的TCR-TSC 型无功补偿

装置（SVC ）仿真研究

孙楷淇

（阜阳市供电公司，安徽阜阳236017）

摘要：本文阐述了一种TCR-TSC 型无功补偿装置（SVC ）设计，对系统级模型进行理论分析，

利用了交流无触点开关系统与矢量控制系统，采用MATLAB 对模拟系统进行了仿真，仿真结

果表明了该设计方法的正确性和有效性。

关键词：TCR ；TSC ；无功补偿；SVC ；MATLAB

中图分类号：TM761+．12文献标识码：A 文章编号：1672-

9706（2011）增刊-0001-05Simulation Research on TCR-TSC Static Var Compensator （SVC ）

Based on MATLAB

SUN Kai-qi

（Fuyang Power Supply Company ，Fuyang 236017，China ）

Abstract ：A TCR-TSC static var compensator （SVC ）is designed in this paper．It is theoretically ana-lyzed that the SVC system-level model to use the AC non-contact switching system and vector control sys-tem．Then the model system is simulated by using MATLAB．Simulation results show the correctness and effectiveness of the design．

Key words ：TCR ；TSC ；reactive power compensation ；SVC ；MATLAB

1无功补偿在电力系统中的意义

随着我国工业现代化的迅速发展，现代电力系统规模日益扩大，对电网运行的可靠性要求也越来越

高。改善电网运行质量，

提高电网功率因数、减少网络损耗是一件十分重要的工作。在电力负荷中，有相当一部分属感性负荷。这些负荷投入运行之后除了消耗大量的有功之外还要吸收大量变化的滞后无功。大量无功的存在，就会使用户功率因数降低，其结果造成线路有功损失加大，用户电压降低，电力设

备得不到充分应用，

破坏电力系统的稳定性［1］。2无功补偿在电力系统中存在的问题及本装置优点

目前国内广泛使用的无功补偿装置仍主要是以交流接触器作为电容器投切开关的，它的一个主要缺陷是电容器的投切动作时常会引起较严重的电流冲击和操作过电压，从而造成交流接触器的触点烧损或是补偿电容器的内部击穿。近年来，以可控硅为投切执行元件的低压无功补偿装置得到了普遍重

视，

它能够快速跟踪冲击性负荷的动态行为，并克服了电流冲击和过电压等缺陷，但是长期承载电容器电流时，功耗大，发热高，易受干扰。

综合以上这两种优缺点笔者采用了一种新型开关，机电一体化开关，它是用晶闸管与接触器并接的方式，

作为电容器投切的执行单元。在接通和断开的瞬间采用晶闸管，在正常导通期间采用接触器。它既具有晶闸管过零投切涌流小、无过电压的优点，又具有接触器主触点无功耗、可靠性高、使用寿命长的

第十六卷增刊

Vol．16，Supplement 安徽电气工程职业技术学院学报

JOURNAL OF ANHUI ELECTRICAL ENGINEERING PROFESSIONAL TECHNIQUE COLLEGE 2011年10月October 2011

优点，这是一个创新。

在静止无功补偿装置的实际应用中，主要有两个问题应合理解决：一是电容器投入过程中防止过渡过程的产生；二是电容器的频繁投切问题。

基于上述存在的问题，引入了晶闸管控制电抗器（TCR ），将可投切电容器与可控电抗器并联组合起来，就可以通过投切电容器和控制电抗器中的电流，实现从容性电流到感性电流的调节，组成了在本文

中所介绍的TCR-

TSC 型静止无功补偿系统（SVC ）。3无功补偿装置的仿真电路图

利用MATLAB 软件仿真［2，3］，无功补偿装置的电路结构主要有以下几部分组成：耦合变压器；晶闸

管控制电抗器（TCR ）；晶闸管投切电容器（TSC ）；无功补偿系统控制器状态显示部分。无功补偿系统的仿真电路图如图1

：

图1无功补偿仿真电路图

3．1

耦合变压器仿真图

图2耦合变压器仿真电路图

这是电力系统与静止无功补偿器（SVC ）的三相变压器，原边是星形联结，而副边是三角形联结。这样的连接能够减少静止无功补偿器产生的谐波干扰，把补偿器产生的谐波抑制在变压器的副边，可以减小对电网的冲击，使电网电压稳定。

3．2晶闸管控制电抗器（TCR ）

TCR 控制策略采用闭环控制系统，其包含以下三部分电路：检测电路—

——检测控制所需的系统变量和补偿器变量；控制电路—

——获得所需的稳态和动态特性对检测信号和给定参考输入量进行处理；触发电路—

——根据控制电路输出的控制信号产生相应的触发延迟角的晶闸管触发脉冲。晶闸管控制电抗器（TCR ）是无功补偿系统中的重要部分，它的开关系统是反并联晶闸管结构，根据对α角的控制，可以连续调节流过电抗器的电流，从而调节补偿器从电网中吸收的无功功率。

安徽电气工程职业技术学院学报第十六卷增刊

图3TCR 仿真电路图

3．3晶闸管投切电容器（TSC ）

TSC 的无触电开关是两个反并联的晶闸管，并加装串联电抗器。在工程中一般将电容器分成几组，每组都可由晶闸管投切

。

图4TSC 的电路图

晶闸管在电流过流时关断。电容器电流的过零时刻就是电容器电压达到峰值的时刻。如果电流由晶闸管关断，电容器将保持充电状态。因此晶闸管将承受供电电压和电容器电压之间的电压差，这个电压差就是晶闸管阀的阻断电压，它在下一个供电电压峰值到来时会比供电电压高很多。

3．4无功补偿系统控制器

无功补偿控制器是无功补偿装置中重要的部分。首先它从电网中采集信号，

经过控制器内部复杂的运算，产生控制TSC 和TCR 的脉冲，并根据补偿装置反馈的信号，来修正控制信号。其主要有以下几部分。

孙楷淇：基于MATLAB 的TCR-

TSC 型无功补偿装置（SVC ）仿真研究

图5无功补偿系统控制器仿真图

3．4．1测量系统

测量系统SVC 控制器实施控制提供必要的输入信号。SVC 控制器完成不同的控制功能时，需要不同的输入信号。有一部分信号可以直接测量，而其他信号可以通过基本的电压和电流信号在控制系统中转换得到。电压测量系统的目的是产生一个与三相平衡基频电压方均根值（rms ）成正比的直流信

号，采用基于锁乡相环的同步系统，SVC 的母线电压首先通过电压互感器（PT ）降压，然后采用坐标变

换。这种方法基于从三相（A 、

B 、

C ）到dq0变换的矢量控制模型

。图6电压调节器电路图3．4．2电压调节器

SVC 电压调节器的作

用是：通过处理测量所得

到的系统变量产生一个与

希望的补偿无功功率成比

例的输出信号。根据SVC

应用场合的不同，电压调

节器中的控制变量和传递

函数也是不同的。为了提

高系统的稳定性，SVC 需要大量的无功功率储备。

当系统发生扰动时，快速电压调节器利用SVC 的大部分可控无功功率将端电压维持在预先设定的值

上。因此，

控制系统中配备有一个慢速的电纳调节器，用来改变电压参考值从而使SVC 的无功输出功率返回到预先设定的值，一般情况下这个值是很小的。

3．4．3

触发脉冲发生器

图7触发脉冲发生器电路图

从电压调节器输出的电纳参考信号被传送到触发脉冲发生单元，该单元产生适合于SVC 中所有晶安徽电气工程职业技术学院学报第十六卷增刊

闸管和晶闸管投切设备的触发脉冲，从而在SVC 母线上得到期望的电纳，并达到设定的控制目标。4TCR-TSC 型无功补偿装置（SVC ）仿真分析

该仿真系统为300Mvar 的静止无功补偿器（SVC ）调节电压在6000MVA735kV 的系统。SVC 由一个735kV /16kV333MVA 的耦合变压器，一个109Mvar 的晶闸管控制电抗器（TCR ）和连接在变压器副边的

三个94Mvar 的投切电容器（TSC1、

TSC2、TSC3）组成。投切TSC 将使副边无功功率按照94Mvar 的顺序产生从0到282Mvar 的离散性变化，

并且呈容性（16kV ）。然而TCR 的相控产生从0到109Mvar 的连续性变化，呈感性。考虑变压器的漏电抗（15%），从原边看到的SVC 的等效电纳能够从－1．04pu /图8无功补偿装置仿真波形100MVA （完全感性）到+3．23pu /100Mvar （完全容性）连续性

变化。为了得到电压调压器所需的电纳，

SVC 控制器监控原边的电压并且把适当的脉冲送给24个晶闸管（每个三相桥6

个晶闸管）。

电力系统一个等效电感（6000MVA 短路时）和一个200MW

的负载组成。将所有的参数设定好以后，电力系统的扰动不变，

时间为（00．10．40．7），对应的电压为（1．01．0250．93

1．0）。SVC 在电压控制模式下，参考电压设置为Vref =1．0pu 。

调节器的电压降为0．01pu /100MVA （0．03pu /300MVA ）。因此

当SVC 运行点从完全容性（+300Mvar ）到完全感性

（－100Mvar ）变化时，SVC 的电压在1－0．03=0．97pu 和1+

0．01=1．01pu 之间变化。仿真波形如图8。

注：在第一个图形Va ［pu ］Ia ［pu /100MVA ］中。白线代表电压，黑线代表电流。

在第二个图形Q ［Mvar ］中，曲线代表SVC 产生或吸收无功功率的多少。

在第三个图形Vmeas Vref ［pu ］中，曲线代表测量所得的电压，直线代表参考电压。

在第四个图形alpha TCR ［deg ］中，曲线代表TCR 的触发角。

在第五个图形number of TSCs 中，曲线代表投入TSC 的多少。

当SVC 不工作时，初始源电压设置在1．0pu ，

SVC 终端得到1．0pu 的电压。当参考电压Vref 设置为1．0pu 时，SVC 初始是不稳定的（零电流）。该运行点由串联其中的TSC1获得，并且TCR 是在半导通状

态下（alpha =130度）。在t =0．1s 时电压突然增加到1．025pu 。为了使电压回到1．0pu ，

SVC 通过吸收无功功率（Q =－95Mvar ）抑制电压上升。95%的回落时间大约是135ms 。此时所有的TSCs 都不工作并且TCR 几乎是在完全导通状态下（alpha =100度），由于TCR 的投入，很明显在第一个图形中这个阶

段的电压和电流不同步，

电流几乎滞后电压90度。在t =0．4s 时原电压突然降低到0．93pu 。SVC 通过产生100Mvar 的无功功率来抵制电压的降低，因此把电压增加到0．95pu 。此时三个TSCs 都工作，而TCR 几乎是不吸收任何无功功率（alpha =180度），由于TSC 的投入，第一个图形中此阶段的电流超前

电压几乎是90度。在最后一个图形上观察TSCs 是怎样按顺序投切的。每次一个TSC 投入，

TCRalpha 角突然从100度（导通）改变到180度（导通）。在TSC 切除时，

TCRalpha 角突然从180度（不导通）改变到100度（导通）。最终在t =0．7s 时电压增加到1．0pu 并且SVC 无功功率降低到零。

所以，该系统能够实现从感性到容性连续的进行控制调节，并且响应时间比较快，其控制能力，电压控制，

辅助稳定信号，按相控制都比较好。5结论

综上所述，该TCR-

TSC 型无功补偿装置（SVC ）能够解决以前电力无功功率补偿系统中的很多问题，该系统在国内外都是比较先进的，能够实现从感性到容性连续地进行控制调节，并且响应时间比较快，其控制能力、电压控制、辅助稳定信号、按相控制都比较好。因为TCR 的存在，产生谐波，但TCR 的容量比较小，所以谐波产生就比较小，在TCR 中需要滤波器。无旋转惯性，并且损耗较小。

参考文献：

［1］姜齐荣．新型静止无功发生期建模及其控制研究［D ］．北京：清华大学电机系，1997．

［2］孙亮．MATLAB 语言与控制系统仿真［M ］．北京：北京工业大学出版社，2001：233-239．

［3］陈桂明，张明照．应用MATLAB 建模与仿真［

M ］．北京：科学出版社，2001：162-165．孙楷淇：基于MATLAB 的TCR-

TSC 型无功补偿装置（SVC ）仿真研究