基于Matlab的静止无功补偿装置仿真分析

２０１３年第５期　煤矿机　电　・６３・　基于Ｍａｔｌａｂ的静止无功补偿装置仿真分析　卫林林，孙岩洲　（河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作４５４００３）　摘　要：　静止无功补偿装置（ＳＶＣ）作为一种新的电压调控手段，可以对安装处的电压进行快速、　准确和连续地调节，更好地维持安装处的电压水平，改善暂态稳定性，以及降低电力系统的振荡阻　尼。为研究ＳＶＣ的特性，利用Ｍａｔｌａｂ的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱，对ＳＶＣ装置完成了建模和仿真分析。仿　真结果表明，静止无功补偿装置在稳态和动态下可维持母线电压在一定的范围之内，并具有一定的　稳定控制能力。　关键词：　静止无功补偿装置；晶闸管控制的电抗器；晶闸管投切的电容器；仿真　中图分类号：ＴＭ７１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—０８７４（２０１３）０５—００６３—０４　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｔａｔｉｃ　Ｖａｒ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍａｔｌａｂ　Ｗｅ　Ｌｉｎｌｉｎ，Ｓｕｎ　Ｙａｎｚｈｏｕ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｎａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ　４５４００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　Ｓｔａｔｉｃ　Ｖａｒ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ（ＳＶＣ）ｉｓ　ｏｎｅ　ｎｅｗ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖｏｌｔａｇｅ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｒａｐｉｄｌｙ，　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　ａｄｊｕｓｔ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ａｒｅａ．Ｓｏ　ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｏ　ｓｕｓｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｌｅｖｅｌ，　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ＳＶＣ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓ　ｏｎｅ　ＳＶＣ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｄｏ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＳＶＣ　ｃａｎ　ｍａｉｎｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｂｕｓ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｎ　ｓｏｍｅ　ｓｃｏｐｅ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｌｅ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｔａｂｌｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｓｔａｔｉｃ　ｖａｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ（ＳＶＣ）；ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｒｅａｃｔｏｒ（ＴＣＲ）；ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ　ｓｗｉｔｃｈｅｄ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　（ＴｓＣ）；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　０　引言　统的无功补偿装置。它的投切是利用无触点的晶闸　管进行的，其操作寿命几乎是无限的，并且投切时刻　可以精确控制，能够将电容器、电抗器等设备快速无　冲击的接入电网，投切时的操作困难和冲击涌流大　大减少，其动态响应时间大约为０．０１～０．０２　Ｓ。同　时，晶闸管投切的电容器（ＴＳＣ）能快速跟踪响应冲　击负荷的突变，使任意时刻电网功率因数都保持在　随着电力电子技术、计算机控制技术的飞速发　展，各种新型的自动、快速无功补偿装置的相继出　现　１　Ｊ。早期的机械投切电容装置，其分组投切是用　断路器或接触器来实现的，当电网中使用断路器投　入电容器或滤波器时，一方面有可能产生拉弧等现　象，会减少断路器的动作次数，另一方面由于机械断　最佳值，从而实现动态无功补偿，减少电压的波动，　提高电能质量　。　１　ＳＶＣ仿真模型的构建　１．１　ＳＶＣ系统仿真　采用ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ工具箱，建立一个７５０　ｋＶ　路器触头动作时间的分散性，同步陛较差，不可避免　会产生过渡过程，造成系统振荡，尤其是频繁投切断　路器会使系统不稳定　。　新型的静止无功补偿装置（ＳＶＣ）是属于晶闸管　投切型并联补偿设备，它是在机械透切式并联电容　和电感的基础上，采用大容量晶闸管代替断路器触　点式开关而发展起来的，是一种广泛应用于配电系　的ＳＶＣ仿真模型　：系统的短路容量为６　０００　Ｍｖａｒ，　线电压为７３５　ｋＶ，开路电压为７３７．９４　ｋＶ，系统所带　・６４・　煤矿机　电　２０１３年第５期　负荷为２００　ＭＷ，负荷侧并联一个３００　Ｍｖａｒ的ＳＶＣ　设备。ＳＶＣ结构包括一台７３５　ｋＶ／１６　ｋＶ、３３３　Ｍｖａｒ　的耦合变压器，一台１０９　Ｍｖａｒ的晶闸管控制的电抗　—　器（ＴＣＲ），三台９４　Ｍｖａｒ的晶闸管投切的电容器　（ＴＳＣ）［７－ｓ］。　ＳＶＣ系统仿真模型图如图１所示。　ＩｌＢ　　里ｌ　信号输入　标幺值　ＳＶＣ　ＳＶＣ控制器　图１　ＳＶＣ系统仿真模型图　１．２仿真参数　１）仿真参数设置：仿真开始时间（０　Ｓ），结束时　间（１　Ｓ），微分方程解算器选择变步长，ｏｄｅ２３ｓ（ｓｔｉｆｆ／　Ｐ．Ｕ．，所需的回落时间大约为０．１３５　Ｓ，见图２（ｄ）。　此刻所有的ＴＳＣ全部关断，且ＴＣＲ几乎完全导通　（Ｏｔ：９４。）。从图形分析得知，由于ＴＣＲ的投人工　作，此阶段的电压和电流不同步，电压几乎超前电流　９０。。　Ｍｏｄ　Ｒｏｓｅｎ　Ｂｒｏｃｋ）　；最大步长、最小步长、初始步　长都选择自动方式；相对容差为（１×１０　），绝对容　差为自动方式　Ｊ。　２）电力系统的扰动参数设置：扰动时刻为０　ｓ、　０．１　Ｓ、０．４　Ｓ、０．７　Ｓ，分别对应的电压为１．００４　Ｐ．Ｕ．、　０．４　Ｓ时，电源电压突然跌落到０．９３４　Ｐ．Ｕ．，　ＳＶＣ开始向系统发送无功功率来抵制电压的降低，　使得电压增大到０．９７４　Ｐ．Ｕ．，此时３个ＴＳＣ均导　通，ＴＣＲ吸收４０％左右的额定感性无功功率（　＝　１２０。）。从图２（ｅ）和（ｆ）的波形图可以看出，ＴＳＣ每　导通一组，ＴＣＲ均要由阻态到通态变化一次。由于　ＴＳＣ的投入，此阶段的电流超前电压几乎是９Ｏ。。　１．０２９　Ｐ．Ｕ．、０．９３４　Ｐ．Ｕ．、１．００４　Ｐ．Ｉ１．。并将ＳＶＣ的　控制方式选为“电压调节”方式，参考电压设置为　Ｖｒｏｆ＝１．０　Ｐ．ｕ．。　２仿真分析　由图２（ｆ）可以看出ＴＳＣｓ的投切顺序。每次一　个ＴＳＣ投入，ＴＣＲａｌｐｈａ角突然从１００。（导通）改变　到１８０。（导通）。在ＴＳＣ切除时，ＴＣＲａｌｐｈａ角突然　从１８０。（不导通）改变到１００。（导通）。　ｔ＝０．７　Ｓ时，电压恢复到１．０　Ｐ．ｕ．，ＳＶＣ输送　２．１　正常工作时的仿真分析　ＳＶＣ仿真波形如图２所示。通过观察仿真波形　可以得知，由于ＳＶＣ的参考电压为１．０　Ｐ．ｕ．，ＳＶＣ　为悬置状态，其端口电流为０。在此运行方式下，　ＴＳＣ１导通（Ｑ　＝一９４　Ｍｖａｒ）；ＴＣＲ基本全通（Ｏｔ＝　９６。）。　的无功功率降低为０。　根据以上波形分析可知，该系统能够实现从感　性到容性连续的进行控制调节，并且响应时间比较　０．１　Ｓ时，电源电压忽然增加到１．０２９　Ｐ．Ｕ．，　ＳＶＣ的端口电压也同时增加到１．０２５　Ｐ．ｕ．，为了使　快，其控制能力，电压控制，按相控制都比较好。　２．２换相失败时的仿真分析　在ＳＶＣ工作过程中，晶闸管投切电容器（ＴＳＣ）　端口电压回落到１．０　Ｐ．Ｕ．，ＳＶＣ开始吸收无功功率　（Ｑ　＝９５　Ｍｖａｒ），从而抑制电压的上升，使得电压从　１．０２５　Ｐ．ｕ．回落至０　１．０２５—０．９５×（１．０２５—１．０１）　关断时刻，将在ＴＳＣ的电容中留有残压。如果脉冲　２０１３年第５期　煤矿机　电　・６５・　２　１　ｌ０　０５　０Ｏ　９５　９０　０一。　一２　（ａ）变压器一次侧电压　（ｄ）电压均值和参考值　．——　嘲嘲嘲自ｋ　嘲嘲蕊　ｒ　（ｅ）ＴＣＲ触发角　４　３　—　（ｂ）变压器一次侧电流　一２　１　Ｏ　１　０　ｒｒ＾Ｉ，　％　一。）／毽　（ｃ）变压器一次侧无功功率　＼籁七ｕ∽　（ｆ）导通的ＴＳＣ个数　＞　＿【ｕ∽　．．　《　＿【Ｕ∞　．　《　图２　ＳＶＣ仿真波形　的触发时刻出现错误，ＴＳＣ的晶闸管上将出现很大　的过电流。为了模拟分析这种情况，调整控制系统　的参数，在ｔ＝０．１２１　Ｓ时，ＳＶＣ控制器将向ＴＳＣ１发　送触发脉冲。　仿真开始，观察ＴＳＣ１中的电压和电流的变化，　如图３所示。图中波形从上到下依次为变压器二次　侧绕组侧ａｂ相线电压和ＴＳＣ１中电容器Ｃ　上的电　压、ＴＳＣ１中晶闸管上的电压、ＴＳＣ１中电容器Ｃ　ｂ的　电流、ＴＳＣ１晶闸管上的触发脉冲。　０　由图３可见，在０．１２１　Ｓ时，ＴＳＣ１已经阻断，晶　闸管上承受的正向电压最大，这时误发触发信号，晶　闸管导通并产生一个巨大的过电流，大约为１８　ｋＡ，　（ｂ）　该电流过零后熄灭，晶闸管开始承受反向电压，幅值　达到８５　ｋＶ。通过分析可知，ＳＶＣ在换相失败时，对　器件造成的危害极大，为了避免晶闸管承受过大的　过电压和过电流冲击，通常需要在晶闸管上加装金　属氧化物避雷装置，以提高ＳＶＣ无功补偿的可靠性　和安全性。　３　结论　基于Ｍａｔｌａｂ的静止无功补偿装置（ＳＶＣ）是一　种先进、经济、节能的技术。通过仿真分析可知，该　系统能够实现从感性到容性连续地进行控制调节，　（ｄ）　图３换相失败时ＴＳＣ１上的电压和电流波形　参考文献：　其响应时间比较快，控制能力、电压控制、按相控制　也都比较好，对降低网损、稳定电网电压、提高电能　质量，加强对低频振荡阻尼和谐波的治理煤矿都起　到重要的作用。　［１］谷永刚，肖国春，王兆安．晶闸管投切电容器技术的进展［Ｊ］．　高压电器，２００３，３９（２）．　［２］李涛．１０ｋＶ晶闸管投切电容器在变电站的应用［Ｊ］．电气时　代，２００８（７）：９６０８．　・６６・　煤矿机　电　２０１３年第５期　基于Ａｂａｑｕｓ的采煤　机行走机构啮合动态仿真　杜成林，张芝侠，贾龙　（西安重工装备制造集团有限公司，陕西西安７１００５４）　摘要：　采用三维设计软件Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ和有限元分析软件Ａｂａｑｕｓ，动态仿真ＭＧ２２１０型采煤机齿　轨轮和销排行走机构的啮合运动。以齿轨轮的弯曲应力为指标，发现齿轨轮和销排齿啮合时出现　三个应力峰值点，分析得出齿廓形状是导致出现应力峰值的原因，为今后的齿轨轮齿廓优化设计提　供了理论依据。　关键词：采煤机；齿轨轮；齿根强度　中图分类号：ＴＤ４２１．６　１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—０８７４（２０１３）０５—００６６—０３　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｇｅａｒｉｎｇ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｈｅａｒｅｒ’Ｓ　Ｗａｌｋｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａｂａｑｕｓ　Ｄｕ　Ｃｈｅｎｇｌｉｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｚｈｉｘｉａ，Ｊｉａ　（Ｘｉ’ａｎ　Ｈｅａｖｙ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ　７　１００５４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　３　Ｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ　ａｎｄ　ｉｆｎｉｔ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ａｂａｇｕｓ，ｃａｒｒｉｅｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅａｒｉｎｇ　ｍｏｖｅ　ｏｆ　ＭＧ２２１０　ｓｈｅａｒｅｒｓ’ｗａｌｋｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ　ｏｆ　ｗａｌｋｉｎｇ　ｇｅａｒ　ａｎｄ　ｐｉｎ—ｒａｉｌ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｔ　ｇｅａｒ—ｒｏｏｔ，ｔｈｒｅｅ　ｐｅａｋ　ｓｔｒｅｓｓ　ｐｏｉｎｔｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｆｏｕｎｄ，ａｎｄ　ｅｏｕｆｉｌｑ＇ｎｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｌｋｉｎｇ　ｇｅａｒ　ｉｓ　ｃａｕｓｅｓ　ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ　ａｂｏｖｅ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　ｗａｌｋｉｎｇ　ｇｅａｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｓｈｅａｒｅｒ；ｗａｌｋｉｎｇ　ｇｅａｒ；ｇｅａｒ・ｒｏｏｔ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　０　引言　机整机的工作可靠性十分必要　。　１建立有限元模型　采煤机行走机构一旦出现故障，采煤机将不能　正常作业。针对采煤机齿轨轮的断齿现象，基于有　限元分析软件Ａｂａｑｕｓ，以齿轨轮齿根应力为分析指　标，对采煤机齿轨轮与销排啮合过程进行接触动态　分析，找出齿轨轮断齿的原因。优化齿轨轮设计，提　建立的有限元模型进行了适当简化，在模拟实　际工况的前提下，为创建后续力学模型提供合理平　台。牵引机构的简化模型包括齿轨轮、销排、齿轨轮　轴、顶板和底板刚等。　首先对齿轨轮齿廓部位，销排与齿轨轮接触的　电测与仪表，２０１２，４９（６）．　［８］　王晶，翁国庆，张有兵．电力系统的ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＬＩＮＫ仿真与　高齿轨轮的使用寿命，对于提高行走机构，乃至采煤　［３］　赵新卫，等．中低压电网无功补偿实用技术［Ｍ］．北京：电子　工业出版社，２０１１．　［４］　李定珍，陈彬彦．基于ＭＡＴＬＡＢ的静止同步补偿器研究［Ｊ］．　电测与仪表，２０１ｌ，４８（１１）．　［５］　沈国敏，郝服明，毛开富，等．低压电动机的静态和动态无功　功率补偿［Ｊ］．甘肃工业大学学报，２０００，２６（１）．　［６］　陈桂明，张明照．应用ＭＡＴＬＡ建模与仿真［Ｍ］．北京：科学出　版社，２０ｏ１．　应用［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００８．　［９］李华．利用Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂｌｏｃｋｓｅｔ仿真电力系统［Ｊ］．四川电　力技术，２００１（４）：２７－３２．　作者简介：卫林林（１９８６一），男，在读硕士研究生。研究方向为电　力系统继电保护及安全稳定控制，发表论文２篇。　（收稿日期：２０１３—０３—０８；责任编辑：姚克）　［７］　基于直接电流控制的Ｄ－ＳＴＡＴＣＯＭ动态建模与系统仿真［Ｊ］．