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TSC型动态无功补偿半物理仿真系统设计

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耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻型动态无功补偿半物理仿真系统设计

生龙1袁暴正阳2袁陆锋2

（1.中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院，新疆克拉玛依834000；2.南京航空航天

大学自动化学院，江苏南京211106）

摘要：针对在研究冲击性负荷的无功补偿策略时面临的实验条件苛刻、成本高、危险性大等问题，提出了一

种基于QuaRC平台和DSP控制器的TSC型动态无功补偿半物理仿真系统。根据典型冲击性负荷———点

焊机的实际工况，在仿真环境中建立了实验对象，选取了一种无功补偿策略并在DSP控制器中实现。仿真

结果符合实际情况，验证了本系统设计方案的合理性。

关键词：冲击性负荷；点焊机；晶闸管投切电容器；无功补偿；半物理仿真系统

中图分类号：TG438.2文献标志码：A文章编号：员园园员原圆猿园猿（圆园员9）02原园园24-06阅韵陨：10.7512/j.issn.1001-2303.2019.02.05

DesignofTSCdynamicreactivepowercompensationhardware-in-the-loopsimulationsystem

SHENGLong1，BAOZhengyang2，LUFeng2

（1.CollegeofEngineering，ChinaUniversityofPetroleum-BeijingatKaramay，Karamay834000，China；2.CollegeofAutomationEngineering，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing211106，China）

粤遭泽贼则葬糟贼：Inviewofproblemssuchasharshcondition，high-costandhigh-riskinexperimentsintheresearchofreactivepowercompensationforimpactload，aTSCdynamicreactivepowercompensationhardware-in-the-loopsimulationsystembasedonQuaRCplatformandDSPisproposed.Accordingtoworkingcharacteristicsoftypicalimpactload，spot-welders，experimentalsubjectisestablishedinthesimulationenvironment，andareactivepowercompensationstrategyisselectedandimplementedintheDSP.Simulationresultconformingwithactualconditions，thereasonabilityofthedesignofthesystemisverified.运藻赠憎燥则凿泽：impactload；spot-welder；thyristorswitchcapacitor；reactivepowercompensation；hardware-in-the-loopsimulationsystem第源9卷第2期圆园员9年2月灾燥造援源9晕燥援2Feb.圆园员9耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻

本文参考文献引用格式：生龙，暴正阳，陆锋.TSC型动态无功补偿半物理仿真系统设计[J].电焊机，2019，49（02）：24-29.

收稿日期院2018-10-22基金项目院中国石油大学（北京）克拉玛依校区科研启动基金（RCYJ2018A02-001）作者简介院生龙（1981—），男，博士，讲师，主要从事网络控制系统、多智能体系统、迭代学习控制、半物理仿真等研究。E-mail：shenglong@cup.edu.cn。0前言

无功功率的存在会导致输配电设备的视在电

流和视在功率增大，带来损耗加大、用电端电压质

量变差等问题。从经济效益、节能减排和电能质量

方面来讲都迫切需要对系统设备进行无功补偿[1]。

除了包含一般感性负荷的用电设备外，现代工业中

冲击性负荷的运行对电网电能质量会造成恶劣影

响，如功率因数低、产生谐波、引起电压波动、三相不平衡等[2]。在冲击性负荷的无功补偿策略的研究

中，晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchCa-pacitor，TSC）因其控制简单、成本较低、跟踪快速等优势得

到了广泛关注与应用。然而具有冲击性负荷的用电

设备多为大型用电设备，如交流电弧炉、汽车工业

点焊机群、轧钢机以及电气化铁路等，在控制策略

的研究设计阶段其实验条件难以满足。一些研究存

在实验条件苛刻、成本高、危险性大等问题，而采用半

物理仿真（Hardware-In-the-LoopSimulation，HILS）

可以在一定程度上规避这些问题。随着计算机控制

技术的发展及其在机电系统中广泛集成，半物理仿

真应用越来越广泛，基于半物理仿真系统的研发方

案在航空、航天、汽车、机器人等多个领域得到了广

24窑窑

耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻泛认同[3]。本研究以具有冲击性负荷的点焊机为研

究对象，提出了基于TSC型动态补偿策略的半物理

仿真系统的设计方案。

1半物理仿真系统总体架构

面向冲击性负荷的TSC补偿装置的结构如图1所示[4]，其基本原理是通过实时采集电压、电流，

使用一定的算法获得实时的无功功率[5-7]，根据所需

无功功率投入相应电容量以实现补偿。TSC型动态无功补偿半物理仿真系统结构如

图2所示，系统主要由仿真部分和实物部分组成。

一套完整的点焊机的TSC型动态无功补偿实验设

备主要包括电网、点焊机、电容器、电流电压传感

器、AD采样芯片、DSP控制器等，在设计的半物理

仿真系统中，电网、点焊机、电容器和电流电压传感

器作为仿真部分由QuaRC平台相关套件实现，而无功功率补偿策略的运算则依赖AD采样芯片和DSP控制器等实物部分实现。图1TSC结构Fig.1SchematicofTSC

图2半物理仿真系统结构Fig.2SchematicofHILSsystem

2仿真部分设计

2.1QuaRC平台

QuaRC平台由加拿大Quanser公司开发，是一

款实时快速控制原型平台，主要包括QPIDe数据采

集装置和基于MATLAB/Simulink的QuaRC软件。QPIDe数据采集装置集成了8路16位高速

AD、8路16位高速DA、8路PWM和56个数字I/O

口。由于QPIDe具有超低的I/O转换时间且能对每

个I/O同步采样，QPIDe可适用于各种复杂控制结

构的研究。QPIDe包含QPIDe控制板和QPIDe连

接终端两部分，其中QPIDe连接终端是QuaRC仿

真环境与外接设备连接的接口，通过此连接终端可

以方便快捷地获取外部信号或者对外部输出信号。QuaRC软件部分在计算机上运行，实现了QPIDe

数据采集装置与MATLAB/Simulink模型的互联。因此，可在MATLAB/Simulink中可视化地进行电网、电

容器和冲击性负荷仿真模型设计，然后通过QuaRC

生成实时代码在QPIDe控制板中运行，最后通过QPIDe连接终端实现仿真模型与物理设备的结合。

2.2仿真运行过程

QuaRC仿真环境中电网、冲击性负荷、电容器

等通过Simulink下QUARCTargets中的模块和SimPowerSystems中的模块进行搭建。仿真的电压、

电流信号在数值上缩放到-10~+10之间，再通过HILWriteAnalog模块传输给PIDe连接终端以模

拟量输出，DSP通过AD采样芯片获取PIDe连接

终端提供的电压、电流数据，经运算得出需要实时

补偿的无功功率，选择相应的电容器投切策略，并

将电容器投切信号输出到QPIDe连接终端，经过HILReadDigital模块送入QuaRC仿真环境控制相重点关注生龙，等：TSC型动态无功补偿半物理仿真系统设计第2期

25窑窑

耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻应的电容器动作，实现实时的无功补偿。2.3仿真模型搭建

QuaRC仿真环境中的电路主要由电源、补偿电

容器、点焊机（冲击性负荷）三部分构成。

（1）电源供电模块参数。该模块由3个交流电

源与1个三相变压器构成，模拟电网为负载供电。

变压器一次线电压有效值为10kV，变压器容量

为1600kVA，采用星形带中线接法，电压变比为10kV/0.4kV。

图3电源供电模块Fig.3Powersupplymodule

（2）补偿电容器模块参数。对于每相的无功功

率均由独立的电容器组进行补偿，即需要为A、B、C三相设置对应的TSC-A、TSC-B、TSC-C三个电容器组，3个电容器组采用星形带中线接法，如图4

所示。

图4补偿电容器组Fig.4Capacitorgroup

每个电容器组的电容器按1颐2颐4颐8比例设置，单

位无功容量设为34.5kvar。每组共有24=16种投切

组合。以TSC-C组为例，其内部实现如图5所示。电

容的接入通过双向反并联晶闸管实现[8]，Pc1、Pc2、Pc3、Pc4为控制4个电容器是否接入的逻辑信号。

（3）点焊机模块参数。通过分析点焊机的工作

状态，其模型可用电阻和电感串联表示。每台点焊

机的工作/间歇用断路器的闭合/断开实现，其间歇

期间（断路器断开）模型为1赘电阻与2.5mH电感

串联，其工作期间模型为额外并入1条0.5赘电阻

与5mH电感串联的支路。以A、B线间接入的1台

模拟点焊机为例，其具体实现模型如图6所示。

各个模块的结构如上所述，其具体参数应根据具体实验要求而定。本研究仿真的实验情形为三相

不平衡负荷的无功补偿，故在A、B间接入1台模拟

点焊机，B、C间接入2台模拟点焊机，A、C间接入3台模拟点焊机。在此基础上为各模块设置了如上

所述的参数。图5单个补偿电容器组内部结构Fig.5Innerstructureofacapacitorgroup重点关注第源9卷

26窑窑

合集下载

TSC+HVC无功补偿装置技术规格书

TSC+HVC无功补偿装置技术规格书

1

变电站工程

TSC+HVC无功补偿

技术规格书

2009年02月

2

1.总则

1。1本技术规范书用于变电站工程 高压（TSC+HVC)无功功率补偿项目。在本规范书中提出了该设备的功能、性能，结构、参数、动力及控制、综合保护方面的技术要求。解释权归买方.

1。2本技术规范书提出的是最低限度的技术要求,并没有对一切技术细节作出规定，没有充分引述有关标准和规范的条文,供方应提供符合本技术规范和相关的国际、国内有关标准的优质产品，并提供产品型式试验报告,对国家有关安全、环保等强制性标准必须满足其要求。

1.3如果供方没有对本规范书中的条文提出书面异议,则意味着供方提供的产品完全符合本技术规范和有关的国标要求。否则，由此引起的异议由供方负责。

1。4本技术规范书所使用的标准如遇有与供方所执行的标准发生矛盾时，按较高标准执行.

1。5在合同签订后，需方有权提出因标准、规范、规程、现场条件变化而产生的修订要求,具体事宜由供、需双方协商确定。

1.6本技术规范书经供需双方确定后作为合同的技术附件，与合同正文有同等效力。

1。7供方在投标书中应采用国际单位制。

1。8设备采用的专利技术涉及到的全部费用均被认为已包含在设备报价中，由此引起的专利纠纷和费用全部由供方负责。

1。9供方对变电站工程高压(TSC+HVC）无功功率补偿成套设备负全责(包含辅助系统、电控设备、综合保护设备），由此引起的引进费用也由供方全额承担。

1.10本工程要求投标方提供高压TSC、HVC的型式试验报告及高压生产许可证,并具有三套以上煤炭行业的供货业绩.

2.招标项目名称及内容

序号 项目名称 规格型号 补偿电容器额定 数量 备注

3 容量 电压 （套）

1 高压（TSC+HVC)无功功率补偿装置 TSC+HVC-B—10/5100-5 5100KVAR 10KV 2 7组:300T、600T、1200T、1500H、1500H

矿用隔爆型动态无功补偿装置(SVG、TSC)的原理介绍及优缺点比较-1

矿用隔爆型动态无功补偿装置(SVG、TSC)的原理介绍及优缺点比较-1

矿用隔爆型动态无功补偿装置（SVG、TSC）

原理介绍及优缺点比较

一、 原理简介

1、 静止无功发生器SVG（Static Var Generator）

SVG的基本原理是，将电压源型逆变器，经过电抗器并联在电网上。电压源型逆变器包含直流电容和逆变桥两个部分，其中逆变桥由全控型可关断的半导体器件IGBT组成。

BJS-500/1140型SVG原理简图

工作中，通过调节逆变桥中IGBT器件的开关，可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位，因此，整个装置相当于一个调相电源。通过检测系统中所需的无功，可以快速发出大小相等、相位相反的无功，实现无功的就地平衡，保持系统实时高功率因数运行。

上图为SVG原理图，将系统看作一个电压源，SVG可以看作一个可控电压源，连接电抗器或者可以等效成一个线形阻抗元件。表1给出了SVG三种运行模式的原理说明。

表1 SVG的三种运行模式

运行模式 波形和相量图 说 明

空载运行模式

UI = Us，IL = 0，SVG不吸发无功。

容性运行模式

UI > Us，IL为超前的电流，其幅值可以通过调节UI来连续控制，从而连续调节SVG发出的无功。 感性运行模式

UI < Us，IL为滞后的电流。此时SVG吸收的无功可以连续控制。

SVG在中低压动态无功补偿与谐波治理领域得到越来越广泛的应用，其具有以下重要功用：

● SVG可以补偿基波无功电流，补偿后功率因数可达到0.95以上，使被补偿网络的线电流下降30%以上，大大减小线路损耗，提升移动变压器带载能力，节能效果明显。

● SVG通过补偿基波无功电流，有效降低被补偿网络的无功突变，减小网络电压波动，抑制闪变，使供电电压更加平稳。

● SVG同时也具有有源滤波功能（APF），可对谐波电流进行补偿，能有效抑制被补偿网络中的5、7、11次谐波。

2、 晶闸管投切电容器TSC（Thyristor Switched Capacitor）

1、高压TSC动态无功功率补偿装置产品简介(1)

1、高压TSC动态无功功率补偿装置产品简介(1)

HIT WEIHAN

高压TSC动态无功功率补偿装置

产品简介

制造厂名称：哈尔滨威瀚电气设备股份有限公司

地址：哈尔滨开发区哈平路集中区渤海路25号

日期：二零一二年 哈尔滨威瀚电气设备股份有限公司

－1－ 高压TSC动态无功功率补偿装置

产品简介

1、无功补偿的目的

所谓补偿就是吸收和供给可变的无功功率。负荷补偿就是对无功功率进行调度以改善交流电力系统的供电质量，以达到功率因数矫正、改善电压质量、调节负荷平衡等目的。功率因数校正应尽可能靠近需要无功的负荷处产生无功。通常工业负荷多为感性，吸收无功，功率因数是滞后的，母线电流大于供给负载有功电流值。在能量转换中，无功功率作为损耗掉了，却不能转化为有用功。

无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。因此，粗略地说，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不过大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载需要消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，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，也是极不经济的，通常也是不可能的。由于负荷对于无功功率的需求是变化的，无功的为化会引起电压的变化，导致不同用户的负荷间相互干扰。一般规定电源电压的变化范围为5%（平均值），特殊场合，如大负荷的急剧变化所产生的电压降会危害保护设备的正常运行或产生损害视力的电压闪烁现象，规定其范围要比5%小的多。超过了规定的电压范围时就要进行补偿。

通常根据负荷要求的最大有功功率来确定系统的规模，而用补偿器调节无功。无功补偿的作用主要有以下几点：

（1）提高系统功率因数，提高系统效率，降低设备容量，减少功率损耗；

并网型风电场动态无功补偿方案的仿真

并网型风电场动态无功补偿方案的仿真

新能源与风力发电《ＥｌＪＩｃＡ　电ＳＬ－Ｏａ￣ｉ：制应用２０１１，３８（１１）　

并网型风电场动态无功补偿方案的仿真　

杨志越，　李凤婷　（新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐８３００４７）　

摘要：目前对于并网型风电场内无功不足进行无功补偿普遍采用的方式是在异步风力发电机端并联　电容器组。随着电力电子技术的迅猛发展，该补偿方式已经显现出明显弊端，将动态无功补偿装置应用到风　电场中已经成为一种必然趋势。给出了风电机组模型、动态无功补偿装置模型；建立了并网风电场的仿真模　型；将ＳＶＣ和ＳＴＡＴＣＯＭ这两种动态无功补偿装置分别应用到风电场中并进行了仿真对比。　关键词：风电场；异步风力发电机；无功补偿　中图分类号：ＴＭ　３１５文献标志码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２ｏｔ１）１１４３０３４４３５　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　

Ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　Ｇｒｉｄ－Ｂａｓｅｄ　Ｗｉｎｄ　Ｆａｒｍ　

ＹＡＮＧ　Ｚｈｉ—ｙｕｅ，ＬＩ　Ｆｅｎｇ—ｔｉｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｕｒｕｍｑｉ　８３００４７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｆｏｒ　ｌａｃｋ　ｏｆ　ｍｄ　ｔｙｐｅ　ｗｉｎｄ　ｆａｒｍ　ｔｏ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｗａｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａ－　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｓｈｕｎｔ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｂａｎｋｓ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒａｐｉｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｔｅｃｈｎｏｌｏ－　ｇＹ，ｓｕｃｈ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｇｕｎ　ｔｏ　ｓｈｏｗ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｄｅｆｅｃｔｓ，ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅｓ（ＳＶＣ　ａｎｄ　ＳＴＡＴＣＯＭ）ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｆａｒｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｂｅｃｏｍｅ　ａｎ　ｉｎｅｖｉｔａｂｌｅ　ｔｒｅｎｄ．Ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｇｉｖｅｎ，　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ　ｍｏｄｅｌ；ａ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ；ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅｓ（ＳＶＣ　ａｎｄ　ＳＴＡＴＣＯＭ）ｗｅｒｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｆａｒｍ　ａｎｄ　ｓｉｍ－　ｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ　ｆａｒｍ：ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ＩＩｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ