1、静止无功补偿器在电力系统中的电力教育系统模拟器摘要：本文介绍了一种新型的基于微机的静态无功补偿器（SVC）的安装在实验室模块，在细节上教导学生 SVC 如何影响系统电压，负载均衡，功率因数，及传输线的损失。 SVC合并成一个旧的丰富的电能电力工程教育的系统模拟器。SVC 的结构是晶闸管控制电抗器固定电容器（TCR-FC） 。两种控制算法，反馈控制和前馈控制，用于开发和比较。目的是为了方案的灵活性和便携性，一个基于微计算机的 YMEBus 被用于合成 SVC 的控制器。几个实验显示了分布系统的 SVC 的补偿影响。SVC 极大地促进了电源系统模拟器的性能。说明国立台湾工业技术学院（南通工学院）以
2、前使用的模拟电源系统模拟器，如下图所示在图 1，在电力系统实验室实验研究使用过程中。在模拟器上，传统电感稳压器和电容器组被用来做电压的控制。最近由于快速反应能力的发展，静态无功（VNR）补偿器（SVC ）已被广泛用于在电力系统作为电压控制的设备。因此，为了广泛的功率工程教育，有必要在电力系统模拟器中纳入 SVC 广泛的电力工程教育。图 1 图 1 电力系统仿真器和所用的 SVC一般来说，SVC 用于两个应用程序：加载补偿和电压支持 1，2。在负载补偿中，一个SVC 主要用于相位平衡和功率因数校正，特别是在一个分布系统，供给大容量的不平衡负载，例如电弧炉和单相高速铁路系统。在电压支持中，SVC
3、被用来稳定/支持系统的电压和功率系统的稳定性。对于不同的应用，有许多开发出来的 SVC 的控制方案。控制计划可分为两类：前馈控制和反馈控制。在一般情况下，前馈控制具有更快的补偿速度，并能提供快速响应独立的相位控制，所以，这是很适合于负载补偿中。在对比中，反馈控制具有更高的精度。通过反馈控制的闭环跟踪，SVC 用于在电压支持 。在本文中，前馈和反馈控制策略，都运用在新安装的 SVC。SVC 的控制计划合成在一个基于微型计算机的 VME 总线 3。用户可以方便地改变控制根据不同的教育需求的计划。基于所述 SVC 和额外的测量设备，电力系统模拟器可以扩展其教育领域，从稳定状态，平衡到动态和不平衡的条
4、件。几个建议性的实验可以提供给那些已经学习了一些基本电源工程课程的研究生和高年级本科生。基本方案新纳入的 SVC 的结构如图 2 所示。一个简单的辐射状配电系统代表简化的电力系统仿真模型。该电源系统模拟器的设计最初是为了平衡条件。添加一个单相的负载，用以模拟一个不平衡负载条件。 SVC，由 连接的晶闸管可控电抗器和固定电容器（TCR-FC）安装在工业负荷总线。一个三相降压变压器是用来减少 SVC 的操作电压。 换能器组成的模块，这些模块的线到线有功功率（P） ，无功功率（Q） ，和电压（V ）的换能器是安装在靠近工业负载的地方。市售的基于 VME 总线的摩托罗拉微计算机系统是用来合成 SVC
5、的控制器。微机系统由 MVME-147 板（MC6803OCPU/MC68882FPU） ， A/ D 板，D/ A 板，和其他辅助单位组成。一个 PC/486 用于编辑微型计算机的控制程序。图 2 SVC 的框图SVG 补偿方案是可选的，根据教育的需求。一些基本的补偿计划载于附录。触发控制信号被发送到三个独立的选通电路。每个门控电路包括一个相位控制电路，和一个隔离电路。其中一个门电路的如图 3 所示。一个西门子 TCA785 相位控制 IC 被用于合成相位控制电路。使用一个标准的相位控制 IC 可以尽可能保持门电路的简单。该放大器 AD210 是用来创建控制器和电源侧之间的隔离。触发信号送到
6、每个晶闸管以控制 TCR 的导通角，为了得到所需的补偿电纳。TCR 的熄火故障可由负载电流引起的磁通量的屏蔽而避免。SVC 的各相可以工作在非独立模式和独立模式。通过正确的安装换能器可以得到反馈控制和前馈控制。用于触发控制的另一个可用的方法是锁相回路（PLL）技术 。PLL 技术可以提供更高的分辨率和触发角度。然而，它在这里不被使用，是因为它会使系统更复杂。控制系统SVC 的整体控制系统示于图 4。九个线到线的 P，Q，和 V 换能器的输出电压被发送到SVC 的控制器。在所述负载补偿应用中，电源系统模拟器上设置不平衡的条件和前馈控制方案。SVC的每相电纳根据负载补偿方案独立地调谐。在电压支持应
7、用程序中，电源系统模拟器被设置在平衡条件下，运用了反馈控制方案。V 的换能器的输出电压被用作反馈信号。尽管该系统被设置的稍微达到平衡，但负载总线相电压可能会有所不同，因此把三个 V 的输出信号的平均值用作一个反馈电压。它们之间的误差及参考电压和反馈电压被发送到一个电压调节器，然后被一个附录中提及的量化器合成，所需的补偿电纳转移到一个触发电压。备用辅助信号输入在这里不被使用，这是为未来的应用准备的，例如低频振荡的衰减。图 3 TCR 的门电路图 4 控制系统的原理框图控制算法控制程序的流程图由图 5 所示，起初微机得到的 9 个输出电压由 A/ D 转换而来，然后再衡量这些电压以匹配实际功率值。
8、根据传感器增益和潜在的变压器匝数比和电流互感器。例如，各自有功功率的值是从功率传感器的反馈电压得到的，然后乘以反馈值。P 传感器的增益，潜在的变压器匝数比，和电流互感器的匝数比用来计算实际有源功率值。无功功率和实际电压值可以相似的方式获得然后乘以反馈值。功率传感器的增益，潜在的变压器匝数比、和电流互感器的匝数比来计算实际有源功率值。无功功率和实际值电压可以以相似的方式获得。该传感器增益和电压互感器和电流互感器转比见附录，这个值用来计算 SVC 的补偿电纳，TCR 每相的电纳由下式给出：TCR 的导通角和相应的电纳的关系由（ 2）式给出：导通角的计算由一个在线的牛顿拉夫逊迭代实现。然后，计算这三
9、个触发角度使用关系式 计算并转移到触发电压，5 到 10 伏代表 90 至 180 度。最后触发电压由 D =2/ A 转换器发送到三个门电路。控制程序首先在 C 语言开发，然后编译和链接到执行文件。然后将执行文件向下加载到基于 VME 总线的微机。C 语言的便携式特性使控制程序更灵活。控制程序可以方便地移动到任何微机。系统配备了一个 C 编译器和足够的 U0 接口。图 5 微机控制器流程图拟议的实验为了后续学习，有以下三个建议的 SVC 的实验：1. 电压支持和功率因数校正。2. SVC 相位平衡和功率因数校正。3. 综合控制。在实验 1 中，电力系统仿真模型和 SVC 是在平衡的条件下操作
10、。在电压支持实验，在SVC 的目的是要补偿配电线路上的电压降。在功率因数校正实验中，SVC 的目的是纠正统一总线的负载功率因数。实验 1 可以看做是介绍 SVC 根本特性的。SVC 的功能在实验 2 和3 延伸。在这些实验中，一个并联连接的单相负载与三相加载来模拟不平衡负载条件。在实验 2 SVC 的功能是平衡系统，在实验 3，是为了恢复配电线路上的压降，补偿计划见附录。1. 电压支持和功率因数校正图 6 给出了电压支持和功率因数校正的简图。为了保持设备在较高的效率下，当负载频繁改变时负载总线电压需保持在额定电压的附近。在电压支持实验中，SVC 提供了一个平衡的无功功率补偿，以保持负荷母线电压
11、在指定的值。只有 SVC 控制器的反馈控制环被运用了。SVC 的另一项运用是对局部的感性负载提供无功功率。一个实用程序，应该避免长距离的从远程电源传输无功功率。因此，现场功率因数校正在电力系统运行中是一个重要思想。在功率因数校正的实验中，采用了负载平衡补偿计划（前馈控制） 。要求学生们填表 1 并分析 SVC 带来的改善，例如负载能力的提高，电压控制的改进，以及线路传输损耗的减少。在使用 SVC 和不使用 SVC 的情况下，当负载变化时，负载母线电压变化显示在图 7。SVC 对负载母线电压支持的效果是显而易见的。当有 SVC 时，负载母线电压可以一直维持在一个设定值的附近。图 6 电压支持和功
12、率、频率校正简图图 7 当负载改变时负载母线电压改变曲线。图（a）是没有 SVC 时， （b）是有 SVC 时2. 相平衡和功率因数校正图 8 给出了相平衡和功率因数校正的简图。这个实验中电力系统是在不平衡条件下的。SVC 利用反馈控制策略，如等式 3 给出的，来补偿由单相负载引起的负载不平衡条件。通常两种不平衡比率是电压和电流，如等式 3 和 4 所示。用在这里来评估不平衡程度。利用和不用 SVC 的实验结果记录在表 2 里。学生们可以观察到 SVC 明显降低了不平衡程度，校正功率因数到 0.908，几乎到一了。在使用 SVC 和不使用 SVC 的情况下，稳态配电线路的电流波形显示在图 9。
13、补偿阶段配电线路电流响应显示在图 10。在切换上单相负载后刚刚结束的前几个周期里，配电线路的电流最初是不平衡的，此后补偿到了平衡状态，三触发角的 TCR 的动态响应显示于图 11。TCR 的稳态电流波形示于图 12。图 9 不平衡负载下配电线路电流 （a）是无 SVC（b）是有 SVC图 10 当切换上单相负载且有 SVC 补偿时的配电线路电流响应图 11 当切换上单相负载时三触发角 TCR 的动态响应图 12 相平衡和功率因数校正实验中 TCR 的稳态电流3. 联合控制在联合控制实验中，前馈控制和反馈控制被结合在一起。前馈控制用来负载补偿，可以平衡负载电流并校正功率因数。一般来说，反馈控制增
14、加了额外的电容纳，可以支持负载母线电压保持在一个设定值的附近。实验的测试结果记录在表 2。学生们可以观察到负载母线电压仅仅在 SVC 提供了平衡控制和功率因数校正后有了提高 。因为 SVC提供了额外的无功功率，使功率因数提高了。其他实验除了上述几个建议的实验，最新增加的 SVC 准备扩展自己的功能，以便在一下几个课题上有所建树：1. 同步发电机引起的低频振荡抑制。2. 远距离输电线路的电压支持。3. 感应电机的动态补偿。4. 为改善电压骤降和电压闪变而改进的应用程序的新的控制策略。结论一个基于微机的 SVC 已经成功设计和安装在电力系统模拟器。得益于新研发的 SVC，电力系统模拟器还可以将其教育领域从平衡扩展到不平衡。从新近增加的实验中学生可以有一下收益：1. 在负载平衡时了解 SVC 在电压调节，功率因数，和传输线损耗上的特性和补偿效应。2. 用不同的控制算法获得 SVC 不同的补偿方式。3. 现代微机在电力行业应用的一个例子。
