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十电力 电予开关实现 的新型用户端混合性无功补偿技术 黄松清，等 基于电力电子开关 实现的新型用户端混合性无功补偿技术 黄松清， 夏励 ( 安徽工业大学电气信息学院 安徽马鞍 山， 2 4 3 0 0 2 ) 摘 要：柔性交流输 电系统 ( F A C T S ) 技术的出现， 为提高电 的可控忡 与可靠性提供了更新更有效的方法， 已 经成为近年来电力系统所研究的前沿课题之 。 静 I 卜 无功补偿器 ( S v C ) 和 叮控串联补偿器 ( T C S C ) 做为F A C T S 装置L 卜 I 应用最广泛 的重要组成成员， 是提高电力系统稳定性最有效的工具。 因此， 研究S v c与T C S C在电力系统中的应用具 有非常重要 的理论意义和实用价值。 本文研究Tcs C、 Sv C的特性 ， 推导出它们的参数模型。 通过M at l a b软件，建立 了S V c 与T C S C 两种 F A C W S 装置的仿真模型。 T C S C为串联补偿装置， 通过连续改变其等效阻抗， 从而改变输电线路上 的串补程度； S V C为并联补偿装置 ， 改善系统 的功率冈数。 通过改变晶闸管 的触发角， 对晶闸管进行控制。 关键词：T CS C ；SV C ；混合无功补偿 Abs t r a c t ： T h e e me r g e n c e o f F l e x i b l e AC T r a n s mi s s i o n S y s t e ms t e c h n o l o g i e s ， b e c o me s a n e w me t h o d o f i mp r o v i n g t h e c o n t r o l l a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f p o we r s y s t e m, w h i c h i s o n e o f t h e f r o n t a l s u b j e c t s o f pow e r s y s t e m i n r e c e n t y e a r s T h y r i s t o r C o n tr o l l e d S e r i e s C o mp e n s a t o r ( T C S C ) and S t a t i c V a r C o mpen sat o r ( s v c ) a r e t h e i mpor t a n t e l e me n tso f F A C T Sandu s e f u l t o o l s toi mp r o v e t h e pow er s y s t em s tab i l i ty T h e r e s e a r c ho nT CS C a n d S VC to thep o we r s y s t e m h a s s i g n i fi c a n t the o reti c a l me a n i n gandp mc t i a l v a l u e Th i s p a p er s t u d i e sTCS C， S VC c h a r a c t e r i s t i C St h e nthep a r a me t e r so f t h emod e l a r ed e r i v e d S i mu l a ti o nmo d e l i sd o n ei nMa t l a band s e t u pt wok i n d s o f F ACTS d e v i c e s S VC and T CS C s i mu l i o n mo d e 1 TCS C a s t h e s e r i e s c o mp e n s a t i o n c a n s u c c e s s i v e l y c h an g e s t h e e q u i v a l e n t i mp e d a n c e t h e n c h an g ethel e v e l o f the s e r i e s c o mp e n sat i o n S VC a s ap a ml l d c o mp e n s a ti o nwhic hi mp r o v i n g s y s t e m po we rf a c tor By c h an g ingt h et r i g g e fi n g a n g l e o f thet h y r i s t o rto c o n t r o l o f t h ethy r i s t o r Ke ywo r d s ： TCS C ： S VC ； Hy b ridrea c ti v epo we rc o mper u s a t i o n 中图分类号：T M 5 6 4 8 文献标识码：8 文章编号：1 O 0 1 - 9 2 2 7 ( 2 0 1 2 ) O 1 0 1 1 4 - 0 5 1 引言 存企业内部电恻中， 供 、 配 电线路距离大都在 ( 5 6) 公 或更短 ， 首 、 术 端短路时故障电流无明 区别 。 输 电 线路的主要任务是输送有功功率， 为了实现有功功率 的 传输和 电网无功功率的平衡， 般也需要输送一 定量的无 功功率。 月外 ， 具有电感元件的供电设备也需要消耗无功功 率。这些无功功率如果都要由发 电机提供并经过长距离传 送是不合理的。 采用无功功率补偿后，电源输送的无功功 率减少 了， 相应 的使 电力 网和变压器中的功率损耗下降。 电能质量 的静态衡 量标准之 是 电压水平 。当 电力 有能力 向负荷供给足够 的无功功率 时，负荷的 电压就能 维持在 常 的水平。如果无功容量不足 ，负荷 的端 电压就 会降低 。所 以我们要保 证电力系统的电压质量，就必须先 保证电力系统无功功率的平衡 。 无功功率从电源端经线路 和变压 器向负荷端输送， 要产生 电压损耗 ( 高压线路和变 乐器的 电压损耗主要取决于通过的无功功 率) ， 无功功率 潮流的变化也会相应 的引起电压损耗的变化 。 无功电源的 不足会 引起系统电压水平的下降， 存无功 电源小足的情况 下 能存 较低的 电压下达到无功功率 的平衡 。 收稿 日期： 2 0 1 1 1 0 1 8 ，作者简介： 黄松清( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 江苏靖江人， 中国电机工程学 会会 员，副教授 ，硕士生导师，主要研 究方向为电力电子技术、 电能质 量控制 、高性 能运 动控制 系统 、非线性控制 等。 1 1 4 应按照就近补偿 的原则存需要无功 功率的地方补偿 无功 功率 。 进行 无功补偿 的意义：提 高变压 器 的负荷能 力； 减 少发、 供电设备的设计容量；町以改善电能质量 ， 降 低线损 。 传统 的无功功率动态 补偿装置 是 同步调相机 ，它是 专 门用来产生无功功率的同步 电机 。在过励磁或欠励磁的 同情况下 ， 可 以分别发 出 同大小的容性或感性无功功 率 。 但是它的缺点是 由于它是旋转 电机 ， 损 耗和噪声都较 大 ， 运 行维护 复杂， 响应速度慢 ， 在很多情况下 已绎不能 满足快速无 功功率 控制的要求 。 同步调相 机开始逐渐 被无功功 率补偿装 胃取 代 。 期的静 I 卜 无功补偿装置是饱和 电抗 器型的 。 但是它的缺点 是铁芯lT作在饱和状态 ， 因而损耗和噪声都很大 ， 又不能 分相调节 以补偿 负荷的 平衡 。 F A C T S技术能够非常有效的控制电 的相关参数， 它 不仅可以连续控制系统 的功率潮流，同时还 能够使系统 中 产生的振荡得到十分有效的抑制 ， 控制输电线路能够运行 存其 热稳定允许的 常水平之 内。 F hC T S装置有多种分类方法 ， 通常可以按其 与系统的 连 接形 式来分 为 以下三 种：串联型 、 并联 型 以及 综合 型 F A C T S 装置。 十M a t l a b的仿真平台建立了仿真模型对其进行了 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 白动化与仪器仪表2 0 1 2年第 l 期 ( 总第 1 5 9期) 仿 真研究 ， 为混合无功补偿 的进一步研 究打下 了基础 。 1 无功补偿的原理及方法 进 行无功 功率补 偿 的方法有很 多种 ， 包括 采用 同步 电机、同步调相机 、 并联 电容器 、 统 一潮流控制器和静 止 无功补偿装置等。 按照补偿方式可 以分为串联补偿和并联 补偿 及混合无功 补偿 。 本 文 的无 功补偿 利用 晶闸管代 替机械 开关 ，主要 是 冈为有 以下三个方面 的优点：晶闸管从理论上说其操作寿 命是无 限的；晶闸管开关投切的时刻可以通过 同步触发 电 路进行精确 的控制 ，减小暂态过 电压和过 电流 的发生；晶 闸管动作速度快 ， 可以对 电容进行快速投切 ， 进而 有效地 改善系统性 能。 1 1 串联补偿装置 串联补偿可 以减少 电压降落 ， 提 高线路末端 电压 ，使 负荷点的 电压保 持在额定 范围内 。 1 1 1 T C S C 的基本工作原理 串联补偿 可分 为固定 串联补偿 与 可控 串联补偿 。固 定 串联补偿只 能在补偿和不补偿这两种状态下选择运行 。 固定 串联补偿不能够迅速提高补偿度 ， 固定串联补偿还会 引起发电机 的次 同步谐振 。 晶闸管控制的串联电容补偿，简称TCS C。町控 串联补 偿与 固定 串联补偿相 比， 可控 串联补偿不仅可 以提高输 电 线路 的输送容量 、增进系统稳定 ， 而 且还可 以阻尼低频功 率振荡和抑制次 同步谐振 ( 通过改变输电线路的综合阻 抗 ， 达到提高输 电容 量的 目的 ) 。 r C S C主要 由以下几个部分构成：旁路断路器、 电容C 、 旁路电感L 、 个反并联晶闸管对 S C R 。 T C S C的工作模式分 为 以下四种：( 1 ) 旁路模式 ： ( 2 ) 闭锁模式 ： ( 3 ) 感性调节模 式 ： ( 4 ) 容性调节模式。 r e S C单元典型结构如 图1 所示。 图1 T C S C 单元典型结构 T C S C主要是通过改变 晶闸管的触发角， 从而改变其 中电感支路上电流的大小， 所 以T C S C可 以连续地对其等 效 电抗进行 改变 ， 从 而改变 该线路 上的无 功补偿程度 。 1 1 2 T C S C 的阻抗特性 在 整个线路中T C S C就是一个司 控 的电力 电J了元件 ， 通过其对 晶闸管的相控达到调整线路阻抗的 目的。 设r C S C 的等效 阻抗 为X ， 其与 晶闸管 的触发角存在 以下的关系 X = 万 一 2 a 2 o( 7 r 一 ) 。 删 C 7 r ( c o 0 ) C r oC( c o C O o ) 4 o ) c o o c o s 2 c t x t a n ( c ( r e ) ) + ( z + 。 ) s n 2 】 ( 1 ) 式 中：O f为晶闸管触发延迟角；0 9 。为系统基波角频 率； 为T C S C的自然振荡频率。 式中系统基波角频率w 和T C S C自然振荡频率w 都是定 值， 所以T C s c 的基波阻抗x 是晶闸管触发延迟角 的连续 函数。 通过改变触发延迟角就可 以改变 T C S C的基波阻抗。 1 2 并联补偿的基本概念 并联补偿 控制电压参数 ， 它没有 白调节性， 不能实现 动态补偿 ， 它产生 的无功 与 电压的平方成正 比。 1 2 1 静止无功补偿器的分类 S V C通常包括晶闸管控制电抗器 ( T C R) ， 晶闸管投切 电容器 ( T S C) ，以及这两者的混合装置 ( T C R + T S C) ， 或者晶 闸管控制电抗器与固定电容器的混合装 ( T C R + F C ) ， 晶闸管 控制 电抗器与机械投切 电容器的混合装置 ( T CR + MS C) 等。 其中， T C R ( T h y r i s t o r C o n t r o 1 1 e d R e a c t o r ) 是晶闸管投 切电抗器型静止无功补偿装置， 由于单独 的T C R只能吸收 感性 的无功功率 ， 因此往往与并联 电容器配合使用 ， 并联 电容器后， 使得总的无功功率为T C R与并联 电容器无功功 率抵消后 的净无功功率 ， 其特点是可 以连续调节补偿装置 的无功功率， 有谐波产生， 般与 T S C或F C滤波器配套使 用。 T S C( T h y r i s t o r S w i t c h e d C a p a c i t o r ) 则是晶闸管投 切 电容器型静 止无功补偿装置，电容器 的投切开关为晶闸 管， 其特 点是可断续调节补偿装置的无功功率 ， 无谐波产 生， 可单独使用或 与FC滤波器配套使用 。 1 2 2 S V C 的基本工作原理 静止无功补偿器 ( S V C ) 是使用晶闸管来快速控制串联 电抗器等效感抗 的大小或者分组投切电容器组。 可 以调节 系统 电压 、 降低线路损耗 、 增强 电力系统的稳定性及提高 输 电线路 的输 电能力。 本文采用的是非曲直 T C R 型S V C ， T C R的基本结构就是 将两个反 向并联 的晶 闸管与一个 电抗器 串联， 通过控制 晶 闸管 的导通角使 电抗器的等效感抗连续变化， 从而实现无 功功率 的连续调节 。 本文采用 的是通过功率 因数的大小来 控 制晶闸管 的触发延迟 角。 T C R型S V C的电纳值可表示为： ： - - = O- s i n _ O ：2 n - 2 a+ s i n2 a ( 2 ) 死 x， lL 一 由于T C R 与F C是并联的， 因此整个 S V C的等效电纳为 B B I B c ( 3 ) 为晶闸管触发延迟角， 0 为导通角； 两者的关系是 = 2 ( x ) ；B 为电容上的电纳， 1 3 混合无功补偿的基本概念 串联 补偿可 以提 高线路末 端 电压 ， 并联 补偿作用是 可 以补偿 电力系统感性无功功率，以提高功率因数 。 并联 补偿一般是 以功率因数 的提高为标准的，并未考虑到用它 来调节 电压偏 差 。 如果采用晶闸管控制的串联电容补偿 ( T C S C ) 和并联 无功补偿 ( S V C ) 补偿无功功率 ， 就可以收到较好的效果： 可 以提高线 路末端 电压 ， 减 少 电压 降落又可 以提 高功率 因 数。 混合补偿 电路 等效阻抗为： ： + 1 ( 4) B 把 ( 1 ) 、 ( 2) 、 ( 3 ) 的公式代入可得 l 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表2 0 1 2年第 1 期 ( 总第 1 5 9期) 图6 B C 模块的仿真电路 图6为补偿模块， 通过双 向晶闸管并经输 出滤波器滤 波 后接至隔离变 压器 ， 其中隔离变压器的主要作用是：使 次侧 与 二次侧 的 电气完全 绝缘 ，也使该 回路 隔离 。 另 外， 利用其铁芯的高频损耗 大的特 点， 从而抑制高频杂波 传入控制回路。 隔离变压器的副边 串联补偿 电容 C。 图7 功率因数波形 通过观 察功 率因数 波形 ，我们 可 以观 察 出补 偿后相 对于 补偿 前功率 因数变高 了。 2 2 并联补偿仿真 并联 补偿根据 无功功率 的变 化较 为迅速 地发 出或者 吸收无功功率 。 根据被控物理量 的不 同， 可以分为功率 因 数控 制、无功 功率控制和 多参量综合控 制。 其主要 优点是 ， 能够跟踪 负载突变并做 出快速 响应 ， 具有 连续调节无 功补偿 的特性 ， 改善系 统的功率 因数 。 图8 S V C 仿真电路图 图8 中A C 为电压源， 有效值为2 2 0 V ， 频率为5 0 H z ： J C 为 检测模块 ： K Z 为控制模块 ： B C 为补偿模块。 先通过检测模块 测出系统 的功率因数， 然后进入控制模块控制晶闸管 的动 作 ， 然后 再进 入补偿模块 。 图9 j c 模块仿真 电路图 图9检测模块检测 出系统的功率 因数 。 根据 公式 P = I 1 l l o s e ( 3 ) 画出功率 因数 的仿真 图。 图l 0 K z 模块仿真电路图 图 1 0为控制模块是通过对功率因数的控制来控制晶 闸管的动作 。 图1 l B c 模块仿真电路图 图l 1为补偿模块 ， 为通过双 向晶 闸管并经输 出滤波 器滤波后接至隔离变压器 ， 隔离变压器 的副边并联补偿电 容C 。 通过波 形图观察 出补偿 后的功率 因数 比补偿 前 的功 率因数提高 了， 并且波形变平滑 。 并联补偿可 以提高功率 因数 ， 平衡负荷 。 2 3 混合补偿仿真 T C S C和并联补偿混合使用 的无功补偿仿真电路 图见 图 l 2。 图1 2 混合无功补偿仿真电路图 j c 1 为图4 ， K Z 1 为图5 ， B C 1 为图6 ， J C 2为图9 ， K Z 2 为图 1 0 ， B C 2为图1 1 。 采 用混合 补偿时 可以收到较好 的效果 ，既平 衡 了负 荷 ， 提高 了功率因数又使得负荷点的电压保持在规定范 内。 4 结束语 本文简要介绍 了可控 串联补偿、 并联补偿，和混合无 1 1 7 嚼 一 一 嚣 r j 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 于电力 电了 关实现 的新型用， ! ， 端混合性无功补偿技术 黄松清 ， 等 功补偿， 并在M a t l a b S i m u l i n k 下对这三种无功补偿方法进 行了建模和仿真 。 随着 电 ， J 电子器件 的发展 ，电力系统 中 大量引进F A C T S 装置。 S V CI c s c是应用最广的F A C T S 装置， 冈此 ， 研究S v c和 T C S C联合补偿在电力系统中的应用具有 重要 的意义 。 参考 文献 1 k a b i r i ，H e n s c h e l S ，D o m m e l H W R e s i s t i v e b e s t tt a v i o o f T h y r J s t o r c o n t r ol l e d Se r i e s C a p a ci t o r s at S u b s v n c h r O n o u s F r e q u e n t i e s J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r D e 1 i v e r y ， 2 0 0 4 ， 1 9( 1 ) ： 3 7 4 3 7 9 2 张彩， 周 倍 口 J 控中补系统 的稳定性控制 J r I J 同电力， 1 9 9 8 ， 3 l ( 3 ) ： 3 - - 6 3 fj 兆安， 杨 谐波分析和尤功补偿 M 北京 ： 机械 I 业出版 l 十 ， 2 0 0 6 4 洪乃刚 1 乜 力电子和 U 力拖动 制系统的M A T L A B仿真 M 北 京： 机械 I ： 业 版社， 2 0 0 7 ( 上接 第 1 1 3 页 ) 序， 另 部分是放存各个 引导驱动器引导扇区中的操作系 统 的引导程序 。 而在嵌入式系统 中， 为了简化硬件系统的 结构，除了少数嵌入式硬件半台存嵌入式 C P U中阎化 启动 程序外 ， 大多数嵌入式硬件半 台都 f 提供启动程序 ，冈此 存嵌入式系统的 发L 卜 I ， 我们 一 般首先要对嵌入式硬件半 台进行引导程序的烧0 j 。 我们把这段程序称为B 0 0 t L o a d e r 程序。 B o 0 t L o a d e r 程序其实就是在操作系统内核运行之前 运行的 段小程序。 通过这段小程序 的运行 ， 我们 叮以初 始化硬件设备 、 建立 内存卒f H J 映射 图，从而将系统的软硬 件环境带到 个合适状态，以便为最终调用操作系统 内核 准备好 I 翔的环境 。 现存嵌入式系统中常见的B 0 0 t l o a d e i - 程序有以下几 种， R e d h a t 公司的R e d b o o t 、 由开源项目P P C B o o t 发展起来 的U B o o t 、 康柏 ( C o m p a q ) 公司发布的B o o t l d r 和V i v i 等等。 V i v i 引导稃序是 由韩同M i Z i 公司专 f J 针对A R M 9 处理器丌 发的 款B o o t 1 o a d e r 程序， 支持$ 3 C 2 4 1 0 处理器。 冈为本文 使用的嵌入式处理器芯片是S 3 C 2 4 1 0 ， 所用采用 V i v i 作为 引导程 序 。 从Mi Z i公刮的 站下载VI vI引导成员的源代码 ， 修 改Ma k e f i e文件，建立板级支持包，进行开发板 的 胃。 修改h e a d S 文件， 为N a n d F 1 a S h 和N o r F a l s h进行分又 = 。 重新编译 v I v I引 导成员的源代码生产我们需要的二进制 文件 。最后进行烧 。 2 3 内核移植 所 谓Li n u X内核的移植， 就是针对具体 的嵌入式 目标 半 台埘 L i nl l X做必要的精简后，安装到该 目标平 台并使其 【 f 确运 行 的过程 。 本 内容包括： 获取某 版本的 n U X内核源码 。 根据具体的 目标平 台， 对源码进行必要的精简， 主 要是修改有关体系结构的部分，然后添加 一 些驱动 ， 打逃 款适合 目标平 台的新的操作系统 。 埘 该系统 进行针对 目标平 台的交叉编译 ，生成。 个 内核映像 文件 。 将该映像文件烧 写、 安装到 目标平 台L I 。 在 内核烧 写 前 ， 先 要 根 据嵌 入 式 系统 应 用功 能 对 L i i 1 U X操作系统进行精简 ， 将 需要的内核部分剔除 ， 以 减 少系统所 u J ， 精简后需要进行重新编译 ， 将生产 新 的适合十我们所用系统的压缩内核 Z I m a g e映像文件。 有 了 1 1 8 新的内核映像文件 Z I ll l a g e ， 就町以对L i n u X的内核进行移 植烧 了。 2 4 生成根文件系统 L i n u X 采用文件系统组织系统中的文件和设备， 为设 备和用， 0 程序提供统 接 口。 他支持C R A M F S， J F F S 2 R A M D I S K 等 多种文件系统。 本系统使用可读写的Y A F F S 2根 文件系统 。 根文件系统包括L i n I I X操作系统启动时所必须 要的目录和关键性文件。 例如： L i n L 1 X启动时要用到 i n i t 目录下的 些文件 ， L i F 1 1 X 操作系统挂载不 同分 时 定 要用到 e t c f S t a b目录下的这个挂载文件等等， 任何包含 L i r l L I X操作系统启动时所必须要的文件和 目录都 以称为 是L i n u x系统的根文件系统。 Y A F F S 2 文件系统能够很好地支持N A N D F L A S H ， 是 种 类似十JFF S的号 为FL A S 设计的嵌入式文件系统。与 J F F S相 比， 它减少 了 些功 能， 冈此速度更快、 用 内存 更少。 N A N D F L A S H 大多采用M T D + Y A F F S 的模式， 通过Y A F F S 文件系统， 可 以像操作硬盘上的文件 样操作 F L A s H中的 数据， 在系统断电后数据仍然存储存 F L A S H芯片中。 3 结语 本文通过对 于S 3 C 2 4 1 0 芯 的嵌入式 1 i n L I X系统丌 发平 台的构建，分析 了嵌入式系统中引导程序 的功能。阐 述 了L i r i l l X 内核的移植方法， 同时也说明了嵌入式 f l U X 操 作系统Y A F F S 2 文件系统的概念。 意在给嵌入式系统半台的 搭建有个整体的把握和认识 ，以降低进入 a F m嵌入式 发 应用领域 的槛 ， 进 步推进嵌 入式软硬件开发 的进程 。 参考 文献 f 1 罔洋 嵌入式系统开发与应用教程 M 北京： 北京航卒航人人 学出版 ， 2 0 0 5 2 j丁晓宁， 下振 ， 张少兵， 姚帆 L i F l U X 操作系统 A R M 9 处理器 的移植 J 化T 自 动化及仪表， 2 0 1 0 ， 3 7 ( 2 ) ： 6 7 6 9 3 贸志平 嵌入式系统原弭与接 口技术 M 北京： 清华人学出版 ，20 0 4 1 4 潘伟森， 邓胡滨 嵌人式L i iq U X s 3 c 2 4 1 0卜 的移植分析 J 仪 器仪_表用厂 t ， 2 0 0 8 ， 1 5 ( 2 ) ： 1 2 1 1 2 2 5 l 臭易敏， 罩君恺 应用A R M 9 2 0 T 的s 3 C 2 4 1 0 A与P c 问的异步串行通 信设计 J 现代制造 ： 程， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 9 6 9 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m