CN104102752A - 一种静止无功补偿器的仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种静止无功补偿器的仿真建模方法，所述静止无功补偿器包括一组晶闸管控制电抗器和至少一组滤波电容器，各滤波电容器由电阻、电感和电容串联而成；所述方法包括如下内容：在仿真软件中搭建主回路模型和通用控制器模型，其中，主回路模型中设计有主回路参数计算器；输入静止无功补偿器的容量和母线电压；主回路参数计算器计算相控电抗器的电感参数，分配各组滤波器的容量；主回路参数计算器计算确定各组滤波电容器中的电容、电感及电阻的参数。此方法可避免系统仿真人员在每次改变SVC容量时都要重新设计主回路参数的麻烦，极大地方便系统仿真人员在电网各节点处灵活配置静止无功补偿器进行系统仿真研究。

Description

一种静止无功补偿器的仿真建模方法

技术领域

本发明属于大功率电力电子领域，特别涉及一种高压大容量静止无功补偿领域的仿真建模方法。

背景技术

静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）是柔性交流输电装置家族中典型的并联无功补偿装置,其可靠性、有效性已得到了理论和实践的验证,是增加线路输送能力、提高系统稳定性、阻尼系统振荡的较为经济的设备。静止无功补偿器通过变压器6接入高压输电系统，所述静止无功补偿器由一组晶闸管控制电抗器（Thyristor Control Reactor，TCR）和多组滤波电容器（FilterCapactior，FC）组成，其中，TCR由相控电抗器1与晶闸管阀组2串联后按角形接线，FC由电阻3、电感4、电容5串联组成。

目前对电力电子设备进行仿真研究的方法均为在仿真软件中搭建好一次回路，然后对控制算法建模，主回路一次参数通过事先人为计算进行设置，每次修改SVC容量或母线电压时，都要对一次参数重新进行计算，有时也会不可避免地出现人为计算错误。

随着静止无功补偿器在电网中应用得越来越广泛，在进行系统仿真时不可避免的需要研究SVC挂网后的电网运行特性，然而目前系统仿真人员对SVC一次参数的设计知之甚少，每次改变SVC容量时需要对主电路参数重新进行设计，降低了系统仿真人员的工作效率。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种静止无功补偿器的仿真建模方法，其可避免系统仿真人员在每次改变SVC容量时都要重新设计主回路参数的麻烦，极大地方便系统仿真人员在电网各节点处灵活配置静止无功补偿器进行系统仿真研究。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种静止无功补偿器的仿真建模方法，所述静止无功补偿器包括一组晶闸管控制电抗器和至少一组滤波电容器，其中，晶闸管控制电抗器由三条相同的支路以三角形连接而构成，所述每条支路均由至少一个相控电抗器和至少一个晶闸管阀组串联而成，各滤波电容器由至少一个电阻、至少一个电感和至少一个电容串联而成，所述晶闸管控制电抗器的任一顶点与各滤波电容器的一端均连接至变压器的一端，而变压器的另一端接入高压输电系统，所述所有滤波电容器的另一端并接；所述方法包括如下步骤：

（1）在仿真软件中搭建静止无功补偿器的主回路模型和通用控制器模型，其中，主回路模型中设计有主回路参数计算器；

（2）输入静止无功补偿器的容量和母线电压；

（3）主回路参数计算器计算相控电抗器的电感参数；

（4）主回路参数计算器根据晶闸管控制电抗器运行时产生的主要谐波次数和谐波幅值分配各组滤波器的容量；

（5）主回路参数计算器根据需要补偿的基波容量、调谐频率和品质因数，计算确定各组滤波电容器中的电容、电感及电阻的参数。

上述步骤（3）中，主回路参数计算器根据下式计算相控电抗器的电感参数L_TCR：

$L_{\mathrm{TCR}}=f\left(\mathrm{\α}\right)\frac{U_{2n}^2}{{\mathrm{\ω}}_1{Q}_{\mathrm{SVC}}}$

其中，Q_SVC表示静止无功补偿器的容量，U_2n表示母线电压，ω₁表示基波角频率，f(α)表示静止无功补偿器额定触发角所对应的晶闸管控制电抗器电纳标幺值。

上述步骤（4）中，无源滤波器组的总容量为晶闸管控制电抗器容量的一半。

上述步骤（5）中，主回路参数计算器利用下式计算确定各组滤波电容器中的电容、电感及电阻的参数：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_h=\frac{Q_{\mathrm{FCh}}}{{\mathrm{\ω}}_1{U_{2n}}^2}(1-\frac{1}{h^2})\\ L_h=\frac{1}{h^2{{\mathrm{\ω}}_1}^2{C}_h}\\ R_h=\frac{{\mathrm{h\ω}}_1{L}_h}{q}\end{array}\right.$

其中，C_h表示电容的参数，L_h表示电感的参数，R_h表示电阻的参数，Q_FCh表示滤波器基波容量，h表示滤波器调谐次数，U_2n表示母线电压，ω₁表示基波角频率，q表示单调谐滤波器品质因数。

采用上述方案后，本发明只需仿真人员输入SVC容量和SVC母线电压，仿真模型自动计算出SVC主回路中的相控电抗器、滤波器组参数，使得系统仿真人员不必掌握SVC的参数设计方法，就可以在电力系统各节点处灵活配置不同容量的SVC进行系统仿真研究。

附图说明

图1是静止无功补偿器的架构示意图；

图2是本发明中一次参数计算示意图。

具体实施方式

本发明提供一种静止无功补偿器的仿真建模方法，所述静止无功补偿器包括一组晶闸管控制电抗器和至少一组滤波电容器，其中，晶闸管控制电抗器由三条相同的支路以三角形连接而构成，所述每条支路均由相控电抗器1和晶闸管阀组2串联而成，各滤波电容器由电阻3、电感4和电容5串联而成，所述晶闸管控制电抗器的任一顶点与各滤波电容器的一端均连接至变压器6的一端，所有滤波电容器的另一端并接在一起，而变压器6的另一端接入高压输电系统；需要说明的是，所述静止无功补偿器中的相控电抗器1、晶闸管阀组2、电阻3、电感4、电容5的数量均为至少一个，但是在仿真模型中，为了降低仿真运行时间，可将数量分别限制为1个；所述方法包括如下步骤：

（1）在仿真软件中搭建静止无功补偿器的主回路模型和通用控制器模型，其中，主回路模型中设计有主回路参数计算器；

（2）输入静止无功补偿器的容量和母线电压；

（3）主回路参数计算器根据下式计算相控电抗器的电感参数L_TCR：

$L_{\mathrm{TCR}}=f\left(\mathrm{\α}\right)\frac{U_{2n}^2}{{\mathrm{\ω}}_1{Q}_{\mathrm{SVC}}}$

其中，Q_SVC表示静止无功补偿器的容量，U_2n表示母线电压，ω₁表示基波角频率，f(α)表示静止无功补偿器额定触发角所对应的晶闸管控制电抗器电纳标幺值。

（4）主回路参数计算器根据晶闸管控制电抗器运行时产生的主要谐波次数和谐波幅值分配各滤波电容器的容量，滤波电容器的总容量为晶闸管控制电抗器容量的一半；

（5）主回路参数计算器根据需要补偿的基波容量、调谐频率和品质因数，利用下式计算确定各组滤波电容器中的电容、电感及电阻的参数：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_h=\frac{Q_{\mathrm{FCh}}}{{\mathrm{\ω}}_1{U_{2n}}^2}(1-\frac{1}{h^2})\\ L_h=\frac{1}{h^2{{\mathrm{\ω}}_1}^2{C}_h}\\ R_h=\frac{{\mathrm{h\ω}}_1{L}_h}{q}\end{array}\right.$

其中，C_h表示电容的参数，L_h表示电感的参数，R_h表示电阻的参数，Q_FCh表示滤波电容器基波容量，h表示滤波器调谐次数，U_2n表示母线电压，ω₁表示基波角频率，q表示单调谐滤波器品质因数。

以下将结合附图，以SVC容量100MVar和母线电压35kV为实施例，对本发明做进一步的说明。

图1描述了静止无功补偿器示意图：其中相控电抗器1与母线电压和SVC容量有关，是建模仿真需要设置的一个参数；晶闸管阀组2可以选择通用的晶闸管模型，仿真时无须额外设置参数；滤波电容器中的电阻4、电感5、电容6也是与母线电压和SVC容量相关的参数；变压器6是电力系统最基本的一次设备，其参数一般是固定的。因此，在进行不同电压等级、不同容量的SVC仿真时，需要修改的只有相控电控器和滤波器组的参数，而这些参数设计正是系统仿真人员所不熟悉的。

图2描述了主回路一次参数计算的示意图：系统仿真人员输入静止无功补偿器的容量和母线电压，相控电抗器电感计算按式（1）进行计算：

$L_{\mathrm{TCR}}=f\left(\mathrm{\α}\right)\frac{U_{2n}^2}{{\mathrm{\ω}}_1{Q}_{\mathrm{SVC}}}---\left(1\right)$

其中，Q_SVC表示SVC（静止无功补偿器）的容量，U_2n表示母线电压，ω₁表示基波角频率，f(α)表示静止无功补偿器额定触发角所对应的晶闸管控制电抗器电纳标幺值。该函数关系可在相关SVC书籍中查阅，目前SVC的额定触发角通常为105°，对应的电纳f(α)=0.6742，代入SVC容量Q_SVC=100Mar和SVC母线电压U_2n=35kV，可计算出L_TCR=0.0263H。

滤波电容器容量分配是根据TCR（晶闸管控制电抗器）运行时产生的主要谐波次数和谐波幅值来配置滤波器组，TCR运行时产生的谐波幅值a_n如式（2）所示，其中，α为触发角，n为谐波次数：

$a_n=\frac{4\sin n\mathrm{\α}\cos \mathrm{\α}-4n\cos n\mathrm{\α}\sin \mathrm{\α}}{(n^2-1)\mathrm{n\π}}---\left(2\right)$

按三角形接线的TCR运行时主要产生比较大的5次和7次谐波，因此配置5次和7次滤波电容器，其容量比为a₅/a₇，其中，a₅为5次谐波最大幅值，a₇为7次谐波最大幅值，分别取n=5和n=7对式（2）进行最大值求解，可得a₅=0.0545，a₇=0.0257。

为了使得SVC具备同等的感性和容性无功调节能力，滤波电容器的总容量为TCR容量的一半，因此，5次和7次滤波电容器组容量如式（3）所示：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{FC}5}=\frac{a_5}{a_5+a_7}\×\frac{1}{{2Q}_{\mathrm{SVC}}}\\ Q_{\mathrm{FC}7}=\frac{a_7}{a_5+a_7}\×\frac{1}{{2Q}_{\mathrm{SVC}}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

代入a₅=0.0545，a₇=0.0257，Q_SVC=100Mar，可得Q_FC5=34Mar，Q_FC7=16Mar。

滤波电容器计算根据需要补偿的基波容量、调谐频率和品质因数来确定电阻、电感和电容的参数，具体计算如式（4）：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_h=\frac{Q_{\mathrm{FCh}}}{{\mathrm{\ω}}_1{U_{2n}}^2}(1-\frac{1}{h^2})\\ L_h=\frac{1}{h^2{{\mathrm{\ω}}_1}^2{C}_h}\\ R_h=\frac{{\mathrm{h\ω}}_1{L}_h}{q}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，h表示滤波器调谐次数，q为单调谐滤波器品质因数，一般为30～60。取值q=36，计算得C₅=84.81μF，L₅=4.78mH，R₅=0.21Ω，C₇=40.73μF，L₇=5.08mH，R₅=0.31Ω。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种静止无功补偿器的仿真建模方法，所述静止无功补偿器包括一组晶闸管控制电抗器和至少一组滤波电容器，其中，晶闸管控制电抗器由三条相同的支路以三角形连接而构成，所述每条支路均由至少一个相控电抗器和至少一个晶闸管阀组串联而成，各滤波电容器由至少一个电阻、至少一个电感和至少一个电容串联而成，所述晶闸管控制电抗器的任一顶点与各滤波电容器的一端均连接至变压器的一端，而变压器的另一端接入高压输电系统，所述所有滤波电容器的另一端并接；其特征在于所述方法包括如下步骤：

（1）在仿真软件中搭建静止无功补偿器的主回路模型和通用控制器模型，其中，主回路模型中设计有主回路参数计算器；

（2）输入静止无功补偿器的容量和母线电压；

（3）主回路参数计算器计算相控电抗器的电感参数；

（4）主回路参数计算器根据晶闸管控制电抗器运行时产生的主要谐波次数和谐波幅值分配各组滤波器的容量；

（5）主回路参数计算器根据需要补偿的基波容量、调谐频率和品质因数，计算确定各组滤波电容器中的电容、电感及电阻的参数。

2.如权利要求1所述的一种静止无功补偿器的仿真建模方法，其特征在于：所述步骤（3）中，主回路参数计算器根据下式计算相控电抗器的电感参数L_TCR：

$L_{\mathrm{TCR}}=f\left(\mathrm{\α}\right)\frac{U_{2n}^2}{{\mathrm{\ω}}_1{Q}_{\mathrm{SVC}}}$

其中，Q_SVC表示静止无功补偿器的容量，U_2n表示母线电压，ω₁表示基波角频率，f(α)表示静止无功补偿器额定触发角所对应的晶闸管控制电抗器电纳标幺值。

3.如权利要求1所述的一种静止无功补偿器的仿真建模方法，其特征在于：所述步骤（4）中，无源滤波器组的总容量为晶闸管控制电抗器容量的一半。

4.如权利要求1所述的一种静止无功补偿器的仿真建模方法，其特征在于：所述步骤（5）中，主回路参数计算器利用下式计算确定各组滤波电容器中的电容、电感及电阻的参数：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_h=\frac{Q_{\mathrm{FCh}}}{{\mathrm{\ω}}_1{U_{2n}}^2}(1-\frac{1}{h^2})\\ L_h=\frac{1}{h^2{{\mathrm{\ω}}_1}^2{C}_h}\\ R_h=\frac{{\mathrm{h\ω}}_1{L}_h}{q}\end{array}\right.$

其中，C_h表示电容的参数，L_h表示电感的参数，R_h表示电阻的参数，Q_FCh表示滤波器基波容量，h表示滤波器调谐次数，U_2n表示母线电压，ω₁表示基波角频率，q表示单调谐滤波器品质因数。