基于MATLAB/Simulink的可視化對(duì)比調(diào)壓實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

梁營(yíng)玉，張志，查雯婷

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)受負(fù)荷變化、系統(tǒng)運(yùn)行方式改變等因素影響不可避免地會(huì)發(fā)生電壓偏移現(xiàn)象，為了保證良好的供電質(zhì)量，需要安裝無功補(bǔ)償裝置來確保電壓在允許范圍內(nèi)[1]。相關(guān)知識(shí)較為抽象且難以理解，學(xué)習(xí)難度較大。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生深入了解無功補(bǔ)償裝置調(diào)壓原理和控制策略以及理解無功功率與電壓調(diào)整的關(guān)系，本文基于MATLAB/Simulink 可視化仿真軟件設(shè)計(jì)了靜止同步補(bǔ)償器調(diào)壓實(shí)驗(yàn)和并聯(lián)電容器調(diào)壓實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生在掌握基本理論知識(shí)的前提下，深化所學(xué)知識(shí)，對(duì)不同無功補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為將來工作學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。

1 對(duì)比調(diào)壓實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

靜止同步補(bǔ)償器和并聯(lián)電容器對(duì)比調(diào)壓實(shí)驗(yàn)在Matlab/Simulink 可視化仿真軟件中搭建而成。實(shí)驗(yàn)主電路圖分別如圖1、圖2 所示。對(duì)比調(diào)壓實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜缦拢?/p>

圖1 靜止同步補(bǔ)償器調(diào)壓實(shí)驗(yàn)

圖2 并聯(lián)電容器調(diào)壓實(shí)驗(yàn)

1)熟練使用Simulink進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真建模；

2)掌握并聯(lián)電容器的調(diào)壓原理；

3)掌握靜止同步補(bǔ)償器的調(diào)壓原理及控制策略；

4)加深無功功率平衡與電壓調(diào)整關(guān)系的理解；

5)掌握并聯(lián)電容器調(diào)壓和靜止同步補(bǔ)償器調(diào)壓的區(qū)別和各自優(yōu)缺點(diǎn)。

學(xué)生在進(jìn)行對(duì)比調(diào)壓實(shí)驗(yàn)時(shí)可以充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的靈活性，自由改變電力系統(tǒng)運(yùn)行工況。通過將并聯(lián)電容器接入后電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化與靜止同步補(bǔ)償器調(diào)壓時(shí)電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化進(jìn)行對(duì)比，分析兩種調(diào)壓方式的區(qū)別和各自優(yōu)缺點(diǎn)。

2 教學(xué)應(yīng)用實(shí)例

2.1 理論支撐

2.1.1 并聯(lián)電容器調(diào)壓實(shí)驗(yàn)原理

電容器是一種低成本的無功補(bǔ)償裝置，主要通過向電力系統(tǒng)輸送感性無功功率來提高電力系統(tǒng)功率因數(shù)，改善系統(tǒng)電能質(zhì)量，維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。并聯(lián)電容器調(diào)壓實(shí)驗(yàn)通過改變不同時(shí)刻投入電容器的數(shù)量，就地補(bǔ)償負(fù)載消耗的無功，減小線路上流通的無功功率，降低輸電線路上的功率損耗和電壓損耗，達(dá)到調(diào)節(jié)母線電壓的目的，其工作原理示意圖如圖3所示。

圖3 并聯(lián)電容器工作原理示意圖

并聯(lián)電容器進(jìn)行調(diào)壓時(shí)需要將電容器進(jìn)行分組投切，屬于離散化調(diào)節(jié)方式，不能實(shí)現(xiàn)電壓連續(xù)調(diào)節(jié)。電容器向電網(wǎng)輸送的感性無功功率與其兩端電壓平方成正比，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓下降時(shí)，電容器提供的無功功率將顯著減少，調(diào)節(jié)性能差。例如，電壓下降到0.8pu，而電容器提供的無功將下降到0.64pu。但其成本較低，使用靈活，維護(hù)簡(jiǎn)單方便。

2.1.2 靜止同步補(bǔ)償器調(diào)壓實(shí)驗(yàn)原理

靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)是柔性交流輸電系統(tǒng)中重要的無功補(bǔ)償裝置，其采用現(xiàn)代電力電子器件，既可以向電力系統(tǒng)中發(fā)出感性無功功率，也可以從系統(tǒng)中吸收感性無功功率，以此調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量。實(shí)際應(yīng)用中通常采用電壓源型靜止同步補(bǔ)償器，其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 靜止同步補(bǔ)償器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗愿淖冹o止同步補(bǔ)償器輸出電壓的幅值和相位來改變其運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，達(dá)到調(diào)節(jié)母線電壓的目的[3-5]。與傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置調(diào)壓相比，靜止同步補(bǔ)償器調(diào)壓具有響應(yīng)速度快、諧波少、運(yùn)行范圍寬、無沖擊電流的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)雙向調(diào)節(jié)。

2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

2.2.1 并聯(lián)電容器調(diào)壓仿真結(jié)果

并聯(lián)電容器調(diào)壓實(shí)驗(yàn)分別在0.4s、0.5s、0.6s 時(shí)各投入一組容量為1Mvar 的電容器，改變不同時(shí)刻投入電容器的數(shù)量，觀察電容器投入后系統(tǒng)波形特征，流過電容器的電流波形和系統(tǒng)母線電壓波形分別如圖5(a)和(b)所示，流過B3、B4母線的功率分別如圖5(c)和(d)所示。

從圖5(a)中可以看出，當(dāng)電容器投入瞬間，由于電容器電壓不能突變，電容器兩端會(huì)有沖擊電流產(chǎn)生，沖擊電流可能會(huì)損壞電容器并威脅其他電氣設(shè)備的安全，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。從圖5(b)中可以看出，由于每組電容器額定容量固定，并聯(lián)電容器調(diào)壓為離散化調(diào)壓方式。當(dāng)母線電壓跌落后，每組電容器投入會(huì)使母線電壓上升。第二組投入后，母線B3電壓仍小于1.0pu，而當(dāng)?shù)谌M電容器投入后，母線B3 電壓高于1.0pu。從圖5(c)中可以看出，流經(jīng)B3母線的有功功率和無功功率隨著電網(wǎng)電壓的波動(dòng)而變化。當(dāng)電容器投入后，由于B3母線電壓升高，使得B3母線上的負(fù)荷消耗的有功和無功略微增大。由圖5(d)，電容器投入后向電網(wǎng)發(fā)出感性無功功率，每投入一組電容器，大約增加1Mvar的無功。

圖5 并聯(lián)電容器調(diào)壓仿真結(jié)果

2.2.2 靜止同步補(bǔ)償器調(diào)壓仿真結(jié)果

靜止同步補(bǔ)償器調(diào)壓實(shí)驗(yàn)中的靜止同步補(bǔ)償器容量為±3Mvar，交流電源電壓在0.2s時(shí)升高、0.3s時(shí)跌落，流過靜止同步補(bǔ)償器的電流波形和系統(tǒng)母線電壓波形分別如圖6(a)和(b)所示，流過B3、B4母線的功率分別如圖6(c)和(d)所示，通過仿真波形觀察電網(wǎng)電壓變化后靜止同步補(bǔ)償器調(diào)節(jié)特性。

圖6 STATCOM調(diào)壓仿真結(jié)果

從圖6(a)中可以看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生突變，采用靜止無功補(bǔ)償器調(diào)壓時(shí)，其兩端沒有沖擊電流產(chǎn)生，電流能夠快速平穩(wěn)發(fā)生改變，電流波形較為平滑。從圖6(b)中可以看出，靜止無功補(bǔ)償器調(diào)壓為連續(xù)調(diào)壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓改變，B3母線電壓能夠迅速調(diào)整并恢復(fù)至1.0pu。從圖6(c)中可以看出，由于STATCOM良好的調(diào)節(jié)性能，B3 母線上的電壓可以維持在1.0pu,使得B3母線上有功功率和無功功率基本不變。從圖6(d)中可以看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生改變時(shí)，B4 母線上有功功率基本為0(STATCOM基本不消耗有功)，無功功率發(fā)生變化，靜止無功補(bǔ)償器可以向系統(tǒng)發(fā)出或吸收感性無功功率。

2.3 性能對(duì)比分析

通過對(duì)并聯(lián)電容器調(diào)壓實(shí)驗(yàn)和靜止同步補(bǔ)償器調(diào)壓實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比分析可得以下結(jié)論：

1)與靜止同步補(bǔ)償器調(diào)壓相比，采用并聯(lián)電容器調(diào)壓，電容器投入瞬間存在一定程度的沖擊電流，不利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要采取措施避免沖擊電流的影響(如串聯(lián)小電感)，而采用靜止同步補(bǔ)償器調(diào)壓時(shí)不存在沖擊電流，電流能夠快速平穩(wěn)發(fā)生改變；

2)并聯(lián)電容器不能實(shí)現(xiàn)電壓連續(xù)調(diào)節(jié)，并聯(lián)電容器調(diào)壓為有級(jí)調(diào)節(jié)，實(shí)際母線電壓與額定電壓可能存在偏差。而靜止同步補(bǔ)償器能夠?qū)崿F(xiàn)電壓連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)壓為無級(jí)調(diào)壓，調(diào)壓性能優(yōu)于并聯(lián)電容器調(diào)壓；

3)STATCOM采用全控型電力電子器件，響應(yīng)速度更快；

4)并聯(lián)電容器只能向電網(wǎng)發(fā)出感性無功功率，而靜止同步補(bǔ)償器可以向電網(wǎng)發(fā)出或吸收感性無功功率，實(shí)現(xiàn)無功功率雙向調(diào)節(jié)。當(dāng)采用并聯(lián)電容器調(diào)壓，電網(wǎng)電壓突然上升時(shí)，可以通過切除并聯(lián)電容器來維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

基于MATLAB/Simulink 可視化仿真軟件設(shè)計(jì)的對(duì)比調(diào)壓實(shí)驗(yàn)增加了教學(xué)方法的多樣性和趣味性，通過Simulink中的可視化模塊將抽象的知識(shí)具體化，讓學(xué)生通過可視化圖形更直觀地理解無功功率平衡與電壓調(diào)整的關(guān)系以及不同無功補(bǔ)償調(diào)壓裝置的特點(diǎn)。可視化對(duì)比調(diào)壓實(shí)驗(yàn)旨在將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，提高學(xué)生課程參與程度，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和動(dòng)手能力。