静止无功补偿器的改进非线性度变换PI电压控制研究Word文档下载推荐.docx
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issuesofconcernto
everyoneisalways
surroundedbyprotectionandenergy
environment
conservation.Therefore,advancedcontroltechnology
ismoreandmoreimportant
forthefulluseofenergy
andstabilityof
theelectricpower
system.
Thispaperfirst
introducestheresearchbackground,againstofstaticvarcompensator(SVC)inthedevelopmentofcontroltechniqueathomeandabroadandabriefdescriptionofthesignificance.FollowedbyabriefintroductiontotheworkingprincipleofSVCandclassificationfeatures,andintroducestheprinciplecharacteristicsofPIDcontrol.Thispaper
presents
theimproved
nonlinear
transformof
the
new
PIcontrollerdesignmethod:
inthetraditional
PIcontroller
byaddinganonlineartransformation
asthereference
basis,
plusnonlinear
degree
beforetheproportionand
integral
(notthesame),
and
voltageintheSVC
controlsystemcontrol
unittorealize.ThenonMatlab/Simulinksimulationplatformforsimulationexperiments,andmakeacomparativeanalysisoftheirsimulationresults.Bycomparisonof
twokindsof
controller
simulationresults,
theimprovednonlinearnormtransformationPIcontrollerhasfastresponse,
smallovershoot
andstatic
anddynamicstability
goodadvantage.
Keywords:
staticvarcompensator;
reactivepowercompensation;
voltagecontrol;
improvednonlinearnormtransformationPIcontroller
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题背景1
1.2SVC国内外研究现状及其研究意义1
1.2.1SVC国内外研究现状1
1.2.2SVC的研究意义2
1.3本设计主要工作3
2SVC的工作原理4
2.1引言4
2.2无功功率补偿技术4
2.3SVC的结构5
2.4饱和电抗器(SR型)7
2.5晶闸管控制电抗器(TCR型)9
2.6晶闸管投切电容器(TSC型)10
2.7晶闸管控制的高阻抗变压器(TCT型)11
3改进型非线性度变换PI控制13
3.1PID控制的原理特点13
3.2非线性度变换PI控制14
3.3改进型NNTPI控制14
3.4SVC控制系统15
4仿真结果17
4.1SIMULINK简介17
4.2改进型NNTPI的建模17
4.3仿真结果及分析18
结束语23
致谢24
参考文献25
1绪论
1.1课题背景
随着科学技术日益发展的今天,静止无功补偿器(SVC)在无功补偿技术中普遍运用。
SVC可以提高系统电压稳定性,可以快速平滑的提供一定需要的感性无功功率,以达到改善电力系统稳态的效果。
SVC在大功率电网中主要用作电压控制以获得更好的效果,SVC还还能够提高系统的阻尼,提高系统的稳定性,提高电力系统的输送能力,可达到提高系统的暂态稳定极限的效果。
为了SVC的这些特性得到更高要求的运用,学者们主要在它的控制特性和控制方法这方面来进行研究。
SVC的控制方法有很多,PID控制是应用最普遍的控制方法。
由于PID控制的结构不是太复杂,易实现,运用普遍,但是PID控制在系统大扰动的情况下,没能准确的反应出系统的动态特性,所以人们开始研究先进的控制技术,使SVC的电压控制稳定。
如模糊-PI控制、神经网络、最优控制、智能控制等多种控制方法都有着良好的控制能力,但它们有着很复杂的控制算法。
在我国现代电网中,大量的分布式发电机组的无功功率消耗很大,这些分布式发电机组长距离长时间大容量的输电会增多,所以提高输送能力的研究很重要。
如果无功功率得不到一定的补偿,对系统的运行、电网安全会造成不可估量的伤害。
比如设备的供电能力下降有功功率输出减少;
如果设备的功率因数太低,电气设备的容量利用不好,线路电压流失大,电能损耗多。
此外若没有足够的无功储备来补偿,会导致电压晃动,电压水平降低。
因此研究SVC先进的控制技术有着十分重要的实际指导意义。
1.2SVC国内外研究现状及其研究意义
1.2.1SVC国内外研究现状
静止无功补偿装置(SVC)是20世纪70年代就已经发展起来,并获得了成功运用的一项技术,它属于FACTS装置中得到很成熟运用的一种。
同步调相机运行时损耗和噪音都挺大的,响应速度不快、操作和维护复杂,不能满足理想的快速动态补偿的要求。
并联电容器补偿无功功率的优点有经济性不高、结构简单。
但也有阻抗不可变的缺点,所以它不能随着负荷无功的大小变化而做出相应的改变,即无功功率的动态补偿很难以实现。
所以在无功补偿装置的运用中被静止无功补偿器逐渐取代。
静止无功补偿技术在20世纪70年代开始出现,并通过二十多年的不断发展研究,让其成为成熟广泛的运用的无功补偿装置。
静止无功补偿装置开始是饱和电抗器型与饱和电容器,有着静止,响应速度快等一些优点;
但由于其自身存在一些缺点而在无功补偿装置的市场中没能得到大力发展。
因此随着科学技术的发展,与其在电力系统中的应用,随着学者们不断研究和创新的加深,使用晶闸管技术的静止无功补偿装置得到广泛成熟运用。
在电力电子技术迅猛发展的背景下,大功率可控硅元件,取代了FACTS设备的传统的机械式高压开关,已成为现实。
从而根据系统的需要我们能够快速调整系统的电气参数(比如线路阻抗、功角、电压等),以达到增强电网传输能力的作用,提高电流、电压的可控性。
目前SVC广泛应用于国内外输配电系统,用于改善电压不平衡度、抑制电压闪变、无功补偿等问题,且有良好的性能,合适的性价比,技术开发难度符合我国科学技术的发展水平,是国内选择此类装置的最好选择。
静止无功补偿装置在国外从70年代开始投产,应用于电力系统以提高系统的稳定性为目的,用以提高输配电系统、工业用户的电网供电能力。
国内研究SVC的运用与技术,起步于80年代。
我国实施的第一套±
500kV直流输电项目,当时国内很多技术人员被派送到BBC公司,进行有关SVC技术方面的培训,并且自行设计了我国第一套SVC系统,这个系统用于改善炼钢过程中产生的三相不平衡等问题。
随后很多公司企业也开始开发研制和生产SVC装置,随着越来越多局域电网的联网,人们对高电能质量的要求,SVC的市场需求将得到更大的发展。
在工业的实际控制中,由于PID控制具有简单的结构原理、比较成熟的技术,比较强的实用性,从而在化工,机械和电力等领域得到广泛的应用。
电力系统中,有着很多基于PID控制来设计的设备元件,如电力系统稳定器(PSS)。
在现实运用中,处于微小扰动环境下的电力系统在经过一段时间后,系统会在原始的平衡节点重新达到稳定,由此可见PSS的控制效果是比较理想的;
但是如果系统在遭受大扰动的情况下,如三相短路故障发生后,系统经过一段时间重新稳定在一个新的平衡点,而且该平衡点的距离要远于原来的平衡点,这时PSS控制效果相对小扰动环境下而言就差了。
近年来,人们提出了智能控制、模糊控制、非线性控制、神经网络、自适应控制等先进的控制方法,以这些控制算法通过仿真计算得到的效果在一定程度上得到了很好的改善与提高。
而这些控制很多在电力系统的大扰动后都能够适应平衡点的偏移,显然具有自适应的功能,使这些变量的变化趋势得以动态追踪实现预期的控制效果。
1.2.2SVC的研究意义
然而在电力系统这个特殊的环境中,无功功率补偿的不足和不合理的分配,无功功率造成电网的损耗而且其本身还不能做有功,导致了电网电力的运行存在着很多的麻烦。
无功功率不但使输配电设备效率的降低,网络损耗的变大,而且还对日常的供电质量造成严重的影响。
在电网中随着用户不断的运用大功率感性负荷的增多,对电网的谐波和冲击带来了严重的影响。
无功调节手段的缺少会让电网中的母线电压跟着运行方式的变动而造成很大的改变,使得电网的损耗变大,导致系统的电压合格率不高。
随着电网发展研究的深入,系统的稳定性在电力系统环境中已越来越重要。
这些问题的解决方法,主要是增大电网变压器的容量和扩大配电的线路,提高供电能力。
但是增大变压器容量的成本高,较长的周期,较大的施工的工程量。
而且线路末端负荷是由压侧集中补偿系统提供无功的,所以效率不高的问题依然存在。
因此,减小线路的无功电流,在一定程度上变压器低压侧到末端负荷间线路的损耗会减少,有功输送的能力也得到提高,以改善末端电压的质量的效果。
随着电力电子技术的发展和控制技术的深入研究,电力系统的稳定性对我们是越来越重要。
从而需要先进的输配电技术来改善系统的稳定性和提高电能的质量是很需要的,使得FACTS这种能够改变输电能力的新技术自然出现。
静止无功补偿器(SVC)属于FACTS的核心装置之一,这让国内外学者们很重视其技术的研究和开发。
我国的南北互供,西电东送和区域联网这一项目的实施,采用了静止无功补偿技术实现了动态无功补偿,改善了电网的系统稳定性和输电能力。
SVC在电力系统中作为无功补偿技术得到了广泛、成熟的应用,提高了设备利用率和功率因素,提高了系统的安全运行,使电力系统的电压稳定性、电压波动和抑制电压跌落的问题得到了较好的解决。
因此,SVC技术的研究问题对于电力系统电压稳定性的提高来说具有极其重要的实际指导意义。
1.3本设计主要工作
本课题主要是针对静止无功补偿器的控制技术进行研究,分析了该课题的由来背景,总结了静止无功补偿器SVC在国内外的发展状况和研究意义,叙述了无功补偿技术的发展趋势,大概介绍了静止无功补偿器的工作原理与分类特点等。
介绍了PID控制在的原理及作用。
在传统PI控制器为参照的基础上添加一个非线性变换环节,在比例和积分环节之前加非线性度(不相同),并在SVC控制系统中的电压调节单元来实现。
2SVC的工作原理
2.1引言
它大多用于负荷补偿和输电线路电压的补偿,还可以用在大功率电网进行电压控制等,解决系统阻尼、稳定性的提高等问题。
静止无功补偿器不存在旋转部件这一结构,能够达到快速、平滑可控制的对动态无功来进行补偿的效果。
它是由可控的电抗器和电力电容器并联组合来使用的,可以达到快速响应的无功补偿装置。
静止无功补偿器能够快速有效的对电力系统的无功功率来进行补偿,快速调节无功功率和保持系统电压的稳定的效果。
无功补偿的作用主要是:
1)系统功率因数可以得到提高,可以减少设备容量的需求和降低功率耗损。
2)改善电网电压的稳定、提高供电能力,在远程输电线路合适的节点处,进行安装动态无功补偿装置来解决,可以达到改善系统的稳定性的作用,减少线路的电压损耗,提高系统的输电质量。
3)通过一定的无功补偿可以在电弧炉、电气化铁道等三相负载不平衡的场合,达到平衡三相负载的有功和无功功率的效果。
4)可以减少设备损害,梳理负序电流。
5)减少用户电费支出情况,降低产品生产成本,资金得到节省。
静止无功补偿器SVC主要用来达到系统良好电压控制的效果,提高系统的稳定性。
SVC的结构主要由一些无功补偿元件组合而成,其典型代表有:
晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器。
2.2无功功率补偿技术
静态无功功率补偿指:
阻抗是固定的,它的补偿容量不会跟着负荷无功功率的改变而跟着改变,一般是一种只用在来提供固定无功功率补偿容量的无功功率补偿方式。
主要有两种方式来把无功功率补偿装置接进到系统:
串联、并联。
串联无功功率补偿装置:
以串联方式接入系统。
并联无功功率补偿装置:
以并联方式接入系统。
串联补偿方式一般情况下人们都很少运用,是因为它本身有一定的缺点的,因串联补偿方式的操作相对比较复杂,接线也不是太方便,对系统可靠性影响大所以导致使用范围不是很广。
并联补偿方式由于其操作相对来说比较简单接线也比较方便,对系统稳定性造成的影响也比较小,所以大多得到人们广泛的运用。
电力系统中一般都不使用串联补偿这一种方式,大多都是在并联补偿方式因不能够满足要求的情况下才使用的。
动态无功补偿是指:
它的阻抗是可以调节的、它的补偿容量是可以跟着负荷无功功率的改变而跟着改变的从而达到动态补偿效果的一种无功功率补偿方式。
它的输出能够实时的自动跟踪着给定的控制目标,这也是动态无功补偿的最大特征,是静态无功补偿所不能实现的。
它主要是能够对无功功率迅速并连续地控制,也就是能够以较快的响应速度的通过发出或者吸收无功功率,来达到控制它所连接的输电系统的节点电压的作用。
成本消耗低,灵活性高是以并联电容器的静止无功补偿器的主要优点,但也有它自身的缺点,就是用常规接触器来进行电容投切,所以只能对它进行有级调节,并且它的机械开关影响了其动作时间,导致减慢响应速度,在对频繁波动的无功负荷补偿这点也是满足不了要求的,还可能会让系统存在谐波放大的问题,在严重的情况下甚至会出现并联谐波,所以不能够给无功功率进行动态无功补偿。
因此,在科学技术迅速发展的今天,大量的现代工业其交通技术和电力系统也随之发展上来,因此一些动态变化的非线性负荷(炼钢电弧炉,电气化铁道和可逆式大型轧钢机等)在电力系统中经常得以应用。
这些负荷的主要特点是随着时间的改变,有功功率的改变无功功率也会跟着快速的改变,由此使得供电电压的波动闪变甚至其电压的波形畸变的现象产生,而且不平衡的负荷会造成三相供电电压也不平衡,功率因数不好。
因此随着电力电子技术的发展,能够对无功功率进行实时的快速跟踪补偿的动态无功补偿器开始取代了以并联电容器为代表的静止无功补偿器装置。
2.3SVC的结构
SVC的结构是由一个耦合变压器(735kV/16kV、333MVA)的和SVC(300Mvar)设备并联组成的,SVC包括一个TCR(109Mvar),3个TSC(94Mvar)。
TSC的导通或阻断与否,可以向变压器二次绕组输出0、94、188、282Mvar的容性无功功率;
控制TCR得感性无功功率(0~109Mvar)。
由变压器的漏抗0.15p.u.得漏抗
:
(2.1)
当SVC吸收感性无功功率为109Mvar得感抗
(2.2)
当SVC发送容性无功功率为282Mvar得容抗
(2.3)
因此一次绕组侧最大感抗
是:
(2.4)
一次绕组侧最小感抗
(2.5)
用100Mvar、16kV作参数,则等效电纳是:
(2.6)
(2.7)
所以变压器一次绕组侧的等效电纳为-1.04p.u./100MVA到3.23p.u./100Mvar连续地变化。
由“LookunderMask”功能可打开TCR与TSC子系统得到结构图,如图2.1和图2.2所示。
由图2.1和图2.2可知,TCR与TSC是
连接,正常稳态运行时,这种
接线方式可对谐波进行阻止3的倍数次流进系统,使谐波注入系统的含量变小。
图2.1TCR的子系统图
图2.2TSC的子系统图
2.4饱和电抗器(SR型)
SR型SVC有两种类型:
饱和电抗器和自饱和电抗器。
SR型补偿器是由一个可投切电容器和一个多相的谐波补偿自饱和电抗器并联构成的。
在电力系统中,自饱和电抗器是运用得最早的一种并联补偿器,并且补偿效果还是很成功的,它可以根据本身固有的特性来稳定电压,不需要调节器。
自饱和电抗器内部机构的铁芯的有着自身的饱和特性,端电压的变化可以使感性无功功率随着而变化。
(1)SR型的构成
如图2.3所示,自饱和电抗器型SVC主要组成是:
斜率校正电容器,旁路尼滤波器,由自饱和电抗器和并联电容器。
图2.3SR型SVC原理图和工作特性曲线
图2.3中Cs,Ls分别为斜率校正电容和自饱和电抗器,C为固定电容器组。
由图可知感性电流
会随着母线电压升高
而增加,遵循特性曲线;
当电流在Xs上产生压降
时,系统电压维持不变。
相反,如果母线电压下降
,容性电流会随着增加
,如果该电流在Xs上的电压上升到
,那么系统电压维持不变。
这个装置的响应速度对于电压波动影响的效果相对来说还是很好的,当不把旁路滤波器影响在考虑范围内,无斜率校正时响应时间小于1ms的时候,斜率校正的响应时间也会达到10ms~20ms,而当旁路滤波器与电容器在经过斜率校正后,最快会使动态响应时间减少到1至2个周期。
但其自身也有缺点,就是在运行的时候,电抗器的硅钢片会达到饱和状态,因此使铁芯的损耗会变大,并产生有噪音和伴有振动现象的产生。
自饱和电抗器与变压器都具有短时过载负荷的功能,在感性范围内存有着线性特性。
这种特性使SR型SVC能够降低短时过电压从而达到稳定电压的作用。
(2)SR型的应用及优缺点
因为SR的高轻度磁滞伸缩噪音使其安装不便,大多安装在很厚且包裹起来的地方。
用来保护带负荷分接头切换开关与火花间隙,但总的来说,饱和电抗器这一设备还是挺可靠的。
它通常用在直流输电终端来进行无功补偿,控制电压偏移的大幅度产生,还用在电压闪变的缓解。
SR性补偿器不可以另加外部控制器,因此不会提高交流系统阻尼,从而有着提高交流系统稳定性的能力。
饱和电抗器(SR)的主要优点有:
1)系统维护方便,工作可靠性高。
2)响应速度还是比较快的,具有部分平衡化功能的控制效果。
3)在感性工作时有较好的过载能力,可以快速连续的进行容、感性调节。
4)自身能够产生谐波的含量低。
缺点主要是:
1)运行时有较大的噪音。
2)控制的灵动性不是很好,且不能够对其进行分相调节。
3)超高压电网不能够与其直接连接。
4)单位容量的损耗挺高的,产品生产成本较大。
2.5晶闸管控制电抗器(TCR型)
晶闸管控制电抗器(TCR)是SVC组成元件的主要部分之一,TCR也是一种并联型晶闸管控制电抗器,通过对控制晶闸管导通时间的调节可以让其有效电抗不断的改变。
晶闸管控制电抗器(TCR型)由电抗器与晶闸管连接组成,无功调节部分由电抗器来实现,具有反应速度快,价格便宜、分相调节、运行可靠等主要优点。
并且对不对称负荷能够起到抑制作用,还能实现对每一相的独立控制功能。
(1)TCR型的构成
基本的单项TCR的构成主要是:
固定电抗器和双向导通晶闸管,晶闸管的通断能力一般是3k~6kA、3k~9kA。
在实际应用的时候为了满足电压和容量的要求需要往往采用多个晶闸管串联来使用,来同时触发串联晶闸管才可以导通,但电流过零时会自行阻断。
基本单项TCR的原理结构图如下图2.4。
图2.4TCR单项原理图
TRC正常工作,晶闸管对电压每个正负半周的后四分之一周波进行触发使晶闸管导通,从而电抗器导通。
晶闸管的触发瞬间是用触发延时角
(电压最大峰值点至触发时刻的电角弧)来表示的,所以可以得出电抗器的电流i的有效值。
(2)TCR型的应用及优缺点
TCR型SVC具有很多优点:
如可以平滑调节补偿,能进行分相调节、平衡有功,反应时间快,运行可靠性高,价格不高,适用范围大等,这决定了它在实际应用中得到比较广的应用。
基本上都采用这种型式来解决电弧负荷产生的电压闪变的问题。
在对高压大容量进行无功补偿的时候作为电压支撑来使用,控制其无功潮流,提高它的系统稳定性,并使得电压波动减弱。
因为TCR自身有着谐波产生的原因,所以基本上会和固定的滤波器或电容器一起连接使用,现在大多用来与电容器联用(FC-TCR)来进行动态无功补偿。
如今国内很多设备都应用这类型的SVC来进行无功补偿:
如轧钢机,提升机,电弧炉,远距离电力传输的补偿设备等。
TCR的主要优点有以下几点:
1)较高的运行可靠性,较快的动态响应时间。
2)灵活控制,调节方式多样,能够进行分相调节,能够连续进行感性和容性无功调节。
3)较齐全的保护措施,较小噪音的产生。
4)耗少的单位容量损,有比较好的吸收控制谐波的能力。
5)广泛用在负载的动态无功补偿。
缺点主要有:
1)能够产生谐波。
2)超高压电网不能够与其直接连接。
3)运行维护比较复杂。
2.6晶闸管投切电容器(TSC型)
(1)TSC型的构成
基本的单项TSC的组成部分:
电容器、反并联晶闸管、限流电抗器(阻抗值很小)。
限制晶闸管阀因误操作引起的浪涌电流,是限流电抗器的主要作用,这种错误的操作一般都是操作者控制不规范而导致电容器进行投入的时间不对引起的。
并且限流电抗器还能让参数和电容器互相搭配,使它和交流系统电抗在一些特定频率上不会出现谐振现象。
单项TSC的原理结构
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