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        基于MATLAB/Simulink的可視化對比調(diào)壓實驗設(shè)計

        2022-09-21 07:55:46梁營玉張志查雯婷
        電腦知識與技術(shù) 2022年24期
        關(guān)鍵詞:補償器調(diào)壓線電壓

        梁營玉,張志,查雯婷

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

        電力系統(tǒng)運行時受負(fù)荷變化、系統(tǒng)運行方式改變等因素影響不可避免地會發(fā)生電壓偏移現(xiàn)象,為了保證良好的供電質(zhì)量,需要安裝無功補償裝置來確保電壓在允許范圍內(nèi)[1]。相關(guān)知識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)計了靜止同步補償器調(diào)壓實驗和并聯(lián)電容器調(diào)壓實驗。讓學(xué)生在掌握基本理論知識的前提下,深化所學(xué)知識,對不同無功補償裝置的特點進行實驗驗證,為將來工作學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。

        1 對比調(diào)壓實驗設(shè)計

        靜止同步補償器和并聯(lián)電容器對比調(diào)壓實驗在Matlab/Simulink 可視化仿真軟件中搭建而成。實驗主電路圖分別如圖1、圖2 所示。對比調(diào)壓實驗的實驗?zāi)康娜缦拢?/p>

        圖1 靜止同步補償器調(diào)壓實驗

        圖2 并聯(lián)電容器調(diào)壓實驗

        1)熟練使用Simulink進行電力系統(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)壓和靜止同步補償器調(diào)壓的區(qū)別和各自優(yōu)缺點。

        學(xué)生在進行對比調(diào)壓實驗時可以充分發(fā)揮虛擬仿真實驗的靈活性,自由改變電力系統(tǒng)運行工況。通過將并聯(lián)電容器接入后電力系統(tǒng)運行參數(shù)的變化與靜止同步補償器調(diào)壓時電力系統(tǒng)運行參數(shù)的變化進行對比,分析兩種調(diào)壓方式的區(qū)別和各自優(yōu)缺點。

        2 教學(xué)應(yīng)用實例

        2.1 理論支撐

        2.1.1 并聯(lián)電容器調(diào)壓實驗原理

        電容器是一種低成本的無功補償裝置,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)定運行[2]。并聯(lián)電容器調(diào)壓實驗通過改變不同時刻投入電容器的數(shù)量,就地補償負(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)電容器進行調(diào)壓時需要將電容器進行分組投切,屬于離散化調(diào)節(jié)方式,不能實現(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)點電壓下降時,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,維護簡單方便。

        2.1.2 靜止同步補償器調(diào)壓實驗原理

        靜止同步補償器(STATCOM)是柔性交流輸電系統(tǒng)中重要的無功補償裝置,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。實際應(yīng)用中通常采用電壓源型靜止同步補償器,其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 靜止同步補償器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

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

        2.2 實驗現(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)壓實驗分別在0.4s、0.5s、0.6s 時各投入一組容量為1Mvar 的電容器,改變不同時刻投入電容器的數(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,電容器兩端會有沖擊電流產(chǎn)生,沖擊電流可能會損壞電容器并威脅其他電氣設(shè)備的安全,對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行產(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 靜止同步補償器調(diào)壓仿真結(jié)果

        靜止同步補償器調(diào)壓實驗中的靜止同步補償器容量為±3Mvar,交流電源電壓在0.2s時升高、0.3s時跌落,流過靜止同步補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,采用靜止無功補償器調(diào)壓時,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,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 性能對比分析

        通過對并聯(lián)電容器調(diào)壓實驗和靜止同步補償器調(diào)壓實驗仿真結(jié)果對比分析可得以下結(jié)論:

        1)與靜止同步補償器調(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),而采用靜止同步補償器調(diào)壓時不存在沖擊電流,電流能夠快速平穩(wěn)發(fā)生改變;

        2)并聯(lián)電容器不能實現(xiàn)電壓連續(xù)調(diào)節(jié),并聯(lián)電容器調(diào)壓為有級調(diào)節(jié),實際母線電壓與額定電壓可能存在偏差。而靜止同步補償器能夠?qū)崿F(xiàn)電壓連續(xù)調(diào)節(jié),調(diào)壓為無級調(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,而靜止同步補償器可以向電網(wǎng)發(fā)出或吸收感性無功功率,實現(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,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)計的對比調(diào)壓實驗增加了教學(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)系以及不同無功補償調(diào)壓裝置的特點??梢暬瘜Ρ日{(diào)壓實驗旨在將理論知識與實驗驗證相結(jié)合,提高學(xué)生課程參與程度,加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和動手能力。

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