基于MATLAB/Simulink的可视化对比调压实验设计

梁营玉，张志，查雯婷

(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京 100083)

电力系统运行时受负荷变化、系统运行方式改变等因素影响不可避免地会发生电压偏移现象，为了保证良好的供电质量，需要安装无功补偿装置来确保电压在允许范围内[1]。相关知识较为抽象且难以理解，学习难度较大。为了激发学生学习兴趣，提高教学质量，让学生深入了解无功补偿装置调压原理和控制策略以及理解无功功率与电压调整的关系，本文基于MATLAB/Simulink 可视化仿真软件设计了静止同步补偿器调压实验和并联电容器调压实验。让学生在掌握基本理论知识的前提下，深化所学知识，对不同无功补偿装置的特点进行实验验证，为将来工作学习打下良好基础。

1 对比调压实验设计

静止同步补偿器和并联电容器对比调压实验在Matlab/Simulink 可视化仿真软件中搭建而成。实验主电路图分别如图1、图2 所示。对比调压实验的实验目的如下：

图1 静止同步补偿器调压实验

图2 并联电容器调压实验

1)熟练使用Simulink进行电力系统仿真建模；

2)掌握并联电容器的调压原理；

3)掌握静止同步补偿器的调压原理及控制策略；

4)加深无功功率平衡与电压调整关系的理解；

5)掌握并联电容器调压和静止同步补偿器调压的区别和各自优缺点。

学生在进行对比调压实验时可以充分发挥虚拟仿真实验的灵活性，自由改变电力系统运行工况。通过将并联电容器接入后电力系统运行参数的变化与静止同步补偿器调压时电力系统运行参数的变化进行对比，分析两种调压方式的区别和各自优缺点。

2 教学应用实例

2.1 理论支撑

2.1.1 并联电容器调压实验原理

电容器是一种低成本的无功补偿装置，主要通过向电力系统输送感性无功功率来提高电力系统功率因数，改善系统电能质量，维持系统安全稳定运行[2]。并联电容器调压实验通过改变不同时刻投入电容器的数量，就地补偿负载消耗的无功，减小线路上流通的无功功率，降低输电线路上的功率损耗和电压损耗，达到调节母线电压的目的，其工作原理示意图如图3所示。

图3 并联电容器工作原理示意图

并联电容器进行调压时需要将电容器进行分组投切，属于离散化调节方式，不能实现电压连续调节。电容器向电网输送的感性无功功率与其两端电压平方成正比，当节点电压下降时，电容器提供的无功功率将显著减少，调节性能差。例如，电压下降到0.8pu，而电容器提供的无功将下降到0.64pu。但其成本较低，使用灵活，维护简单方便。

2.1.2 静止同步补偿器调压实验原理

静止同步补偿器(STATCOM)是柔性交流输电系统中重要的无功补偿装置，其采用现代电力电子器件，既可以向电力系统中发出感性无功功率，也可以从系统中吸收感性无功功率，以此调节系统电压稳定，提高系统电能质量。实际应用中通常采用电压源型静止同步补偿器，其基本拓扑结构如图4所示。

图4 静止同步补偿器基本拓扑结构图

通过适当的控制策略改变静止同步补偿器输出电压的幅值和相位来改变其运行工况，实现动态无功补偿，达到调节母线电压的目的[3-5]。与传统无功补偿装置调压相比，静止同步补偿器调压具有响应速度快、谐波少、运行范围宽、无冲击电流的特点，可以实现无级双向调节。

2.2 实验现象

2.2.1 并联电容器调压仿真结果

并联电容器调压实验分别在0.4s、0.5s、0.6s 时各投入一组容量为1Mvar 的电容器，改变不同时刻投入电容器的数量，观察电容器投入后系统波形特征，流过电容器的电流波形和系统母线电压波形分别如图5(a)和(b)所示，流过B3、B4母线的功率分别如图5(c)和(d)所示。

从图5(a)中可以看出，当电容器投入瞬间，由于电容器电压不能突变，电容器两端会有冲击电流产生，冲击电流可能会损坏电容器并威胁其他电气设备的安全，对电力系统稳定运行产生不利影响。从图5(b)中可以看出，由于每组电容器额定容量固定，并联电容器调压为离散化调压方式。当母线电压跌落后，每组电容器投入会使母线电压上升。第二组投入后，母线B3电压仍小于1.0pu，而当第三组电容器投入后，母线B3 电压高于1.0pu。从图5(c)中可以看出，流经B3母线的有功功率和无功功率随着电网电压的波动而变化。当电容器投入后，由于B3母线电压升高，使得B3母线上的负荷消耗的有功和无功略微增大。由图5(d)，电容器投入后向电网发出感性无功功率，每投入一组电容器，大约增加1Mvar的无功。

图5 并联电容器调压仿真结果

2.2.2 静止同步补偿器调压仿真结果

静止同步补偿器调压实验中的静止同步补偿器容量为±3Mvar，交流电源电压在0.2s时升高、0.3s时跌落，流过静止同步补偿器的电流波形和系统母线电压波形分别如图6(a)和(b)所示，流过B3、B4母线的功率分别如图6(c)和(d)所示，通过仿真波形观察电网电压变化后静止同步补偿器调节特性。

图6 STATCOM调压仿真结果

从图6(a)中可以看出，当电网电压发生突变，采用静止无功补偿器调压时，其两端没有冲击电流产生，电流能够快速平稳发生改变，电流波形较为平滑。从图6(b)中可以看出，静止无功补偿器调压为连续调压，当电网电压改变，B3母线电压能够迅速调整并恢复至1.0pu。从图6(c)中可以看出，由于STATCOM良好的调节性能，B3 母线上的电压可以维持在1.0pu,使得B3母线上有功功率和无功功率基本不变。从图6(d)中可以看出，当电网电压发生改变时，B4 母线上有功功率基本为0(STATCOM基本不消耗有功)，无功功率发生变化，静止无功补偿器可以向系统发出或吸收感性无功功率。

2.3 性能对比分析

通过对并联电容器调压实验和静止同步补偿器调压实验仿真结果对比分析可得以下结论：

1)与静止同步补偿器调压相比，采用并联电容器调压，电容器投入瞬间存在一定程度的冲击电流，不利于电力系统稳定运行，需要采取措施避免冲击电流的影响(如串联小电感)，而采用静止同步补偿器调压时不存在冲击电流，电流能够快速平稳发生改变；

2)并联电容器不能实现电压连续调节，并联电容器调压为有级调节，实际母线电压与额定电压可能存在偏差。而静止同步补偿器能够实现电压连续调节，调压为无级调压，调压性能优于并联电容器调压；

3)STATCOM采用全控型电力电子器件，响应速度更快；

4)并联电容器只能向电网发出感性无功功率，而静止同步补偿器可以向电网发出或吸收感性无功功率，实现无功功率双向调节。当采用并联电容器调压，电网电压突然上升时，可以通过切除并联电容器来维持系统电压稳定。

3 结束语

基于MATLAB/Simulink 可视化仿真软件设计的对比调压实验增加了教学方法的多样性和趣味性，通过Simulink中的可视化模块将抽象的知识具体化，让学生通过可视化图形更直观地理解无功功率平衡与电压调整的关系以及不同无功补偿调压装置的特点。可视化对比调压实验旨在将理论知识与实验验证相结合，提高学生课程参与程度，加深学生对所学知识的理解，培养学生创新和动手能力。