静止无功补偿器的研究

毕业设计说明书(论文)
作者: 学号：
系：
专业: 电气工程及其自动化
题目: 静止无功补偿器的研究
指导者：
(姓名) (专业技术职务)
评阅者：
(姓名) (专业技术职务)
2014 年 5 月
毕业设计（论文）评语
学生姓名：班级、学号：
题目：静止无功补偿器的研究
综合成绩：
毕业设计（论文）评语
毕业设计说明书（论文）中文摘要
毕业设计说明书（论文）外文摘要
目次
１绪论 (1)
1.1 本文的研究背景 (1)
1.1.1 研究背景 (1)
1.1.2 静止无功补偿技术的发展趋势 (3)
1.2 静止无功补偿的工程应用 (4)
1.2.1 国际上的SVC应用 (4)
1.2.2 国内的SVC应用 (5)
1.3 本课题的研究内容 (7)
2 静止型电力系统无功补偿 (8)
2.1 具有饱和电抗器的无功补偿器(SR) (8)
2.1.1 自饱和电抗器型静止无功补偿器 (8)
2.1.2 可控饱和电抗器型静止无功补偿器 (10)
2.2 晶闸管控制电抗器(TCR) (11)
2.3 晶闸管投切电容器(TSC) (11)
2.4 新型静止无功发生器(SVG) (12)
2.5 本章小结 (13)
3 基于MATLAB的静止无功补偿器的仿真研究 (14)
3.1 SVC的工作原理 (14)
3.2 MATLAB及SIMULINK的介绍 (15)
3.2.1 MATLAB的介绍 (15)
3.2.2 Simulink的简介 (15)
3.3 基于晶闸管的静止无功补偿装置仿真 (16)
3.3.1 基于MATLAB仿真模型的建立 (16)
3.3.2 SVC仿真结果及分析 (23)
3.4 本章小结 (24)
结论 (25)
致谢 (26)
参考文献 (27)
１绪论
1.1 本文的研究背景
1.1.1 研究背景
随着电力系统中电力电子设备越来越多的投入使用，谐波污染也逐渐变成了很严重的问题，因为很多电力电子设备功率因数很低，给电网造成了多余的压力，对供电质量也有很大的影响,所以我们必须更加关注无功功率和谐波问题。

谐波的抑制，无功功率的补偿就都是我们需要去研究的重点项目，很多人都对此比较关心，成为近年来各方面关注的热点之一[1-3]。

无功功率和谐波会产生很多问题和危害。

越来越大的无功功率会致使视在功率和电流变大，变压器、发电机、电气装置容量都会变大，线路和设备的消耗也会变大,而且电力用户的起动和控制设备以及测量仪表的规格和尺寸同样要变大。

谐波会导致电网中使用的装置产生额外的消耗，用电装置效率的降低，经过中性线的3次谐波过多时可能会造成很严重的后果，所有电气装置的正常工作都会被谐波严重影响，它还会导致电网中某些部分产生串联和并联谐振，会将谐波放大，这样会使谐波对装置的损害越来越大，以至于引发及其严重的事故。

谐波会致使继电保护和自动装置产生误动作，还会导致电气测量仪表计量有误差[20]。

通常可以用两种方法来处理电力电子设备产生的谐波污染和低功率因数问题,一种是改造设备本身，令它不产生谐波也不消耗无功功率，或者按要求调整它的无功功率；另一种是加装补偿设备，补偿无功功率[4]。

前一种方法要大面积的换掉和改进已有的设备，需要比较大的代价，而且仅适合比较重要的谐波源设备，从而有不小的局限性。

相比而言，后者的方法则适合所有低功率因数的设备和各种谐波源，方法实现比较简单，已经得到了大量的应用，并且具有非常广阔的应用前景。

装设无源滤波器与无功补偿电容器是通常的补偿谐波与无功功率的重要措施，该措施的优点是有比较清楚的结构，不仅可以对无功功率进行补偿，还可以对谐波进行有效的抑制，获得了大量的使用,它们只能用于补偿固定频率的谐波，很难对电网动态变化的谐波和无功功率进行十分有效的补偿[4]。

同步调相机如图1.1所示，是一种老式的无功功率动态补偿设备，它曾经在电力系统无功功率控制中起到了很重要的作用,不过因为它是旋转电机，所以有很大的噪声和消耗，反应比较慢，在许多状况下已无法快速的进行无功功率控制了，静止无功
补偿器开始逐渐取代了同步调相机，现在有不少国家都已经不再使用同步调相机了[4]。

它是静止的，反应较快,还有很多毛病，也无法分相调节来达到平衡负荷的目的，因此一直未能够占据静止无功补偿装置的主流。

图1.1 同步调相机
由于电力电子技术的不断进步，快速地对谐波进行无功补偿是十分必要的。

自1970起，由于电力电子技术的出现和发展，动态的控制谐波和无功功率设备才有了可能。

最近这些年，电力电子技术在电气拖动方面有了大量的使用，积累了大量的实用经验，技术也越来越成熟。

晶闸管得到普遍应用以后，以晶闸管投切电容器和晶闸管控制电抗器为代表的静止无功补偿设备有了充分的发展，可以对不断变化的无功功率进行动态补偿[4]。

最近这些年，电力电子器件由不可控器件、半可控器件及全控器件发展到了智能化的功率器件，出现的新设备令电力电子变换电路自身和控制系统发生了非常大的变化，由传统的整流器跨入了以直流逆变变成各种频率的交流逆变器时代，所有形式的变流器才有了在交流系统中的使用的可能[4]。

自1980起，因为瞬时无功功率理论的提出和电力电子技术的不断发展，所以研究出了一种更加先进的使用自换相变流电路的静止无功补偿器。

在谐波抑制方面，则研究出了电力有源滤波器，它从补偿目标中测出谐波电流，补偿设备会随之产生一个
与这个谐波大小相等而极性相反的补偿电流，令电网电流仅含基波分量，它和新型静止无功补偿设备有一样的基本原理[4]。

图1.2就是电力有源滤波器。

图1.2 电力有源滤波器
1986年美国电力科学研究院博士提出了FACTS的概念，它的目标是，使用电力电子技术去革新交流输电的系列技术，控制交流电的电抗和无功，因此能显著提高交流输电系统的稳定性，使常规的交流输电系统更加灵活，确保电力系统的运行安全与经济,FACTS技术已得到了很大的发展，陆续出现了很多的FACATS设备。

事实上SVC、STATCOM等都是“柔性交流输电系统”中的设备[4]。

1.1.2 静止无功补偿技术的发展趋势
电力电子技术的不断发展和各学科的相互影响，静止无功补偿有以下几个方面的发展趋势：
(1)在网络改革中，运行单位一般都要求在配电变压器的低压侧同时加装配电综合测试仪和无功补偿控制器，于是提出了配电综合测试仪和无功补偿控制器的一体化的问题[4]。

(2)对系统的无功功率参数进行迅速精确地测量，提高反应时间，快速投切电容器，克服工作条件不佳时的状况。

由于智能控制理论与计算机数字控制技术的不断发展，不妨在无功补偿中加入少许先进的控制方法。

传统的模拟调节器也将逐渐被数字化的调节器所取代。

(3)当前无功补偿技术主要应用于低压系统。

高压系统因为受晶闸管和二极管耐
压程度的制约，需经过变压器降压接入。

高压动态无功补偿设备的发展是非常重要的，解决补偿设备二极管和晶闸管的耐压是关键。

(4)以前只能进行单一的无功功率补偿，现在已经具备了滤波甚至能抑制谐波的功能。

电力电子技术的不断发展和电力电子产品的推广使用，供电系统中会含有很大的谐波。

研究开发有电力滤波器和无功补偿两个好处的晶闸管开关滤波器是一种改善系统功率因数、抑制谐波的可靠方法[4]。

现在静止无功补偿装置已成为一种2有效的控制无功功率的手段,静止无功补偿设备关于电弧炉等波动性负荷的补偿技术也越来越成熟，大致上完成了国产化,电气化铁道等方面还需要研究，提高静止无功补偿设备的国产化水平，开发出具备自主知识产权的静止无功补偿设备很重要,电网无功补偿是朝着优化补偿的方向发展的，以后的静止无功补偿设备会进一步的发展和提高动态响应和数据处理等能力[4]。

随着电网管理部门对功率因数考核要求的提高，静止无功补偿设备在电网中将会有越来越好的前景。

1.2 静止无功补偿的工程应用
1.2.1 国际上的SVC应用
从1970年静止无功补偿设备首次加入商业使用到现在，这些年中全世界都不断有大容量静止无功补偿设备加入使用并取得了十分可观的收益,至2004年，全球装设的静止无功补偿设备总容量超过了93000MVA，还有200多台静止无功补偿设备装设于超高压输电系统。

国外有资料记录的大部分静止无功补偿设备项目，尤其是100Mvar以上的大容量项目，都是由一些大型跨国公司如ABB、Siemense和日本东芝等公司承接的[11]。

纳米比亚的一家公司建立了一条400kV输电系统，输电系统把南非和纳米比亚连接在了一起，但新增线路的谐振和电压稳定成为了新的问题，NamPower的Auas变电站如果有50Hz的共振影响时电压就会变得很大，电压增大会使NamPower系统不能被我们使用。

为了控制系统电压，Auas变电站加装了一台SVC。

双调谐滤波器稳定工作时，可减少谐波[5]。

图1.3就是它的整个装置的结构示意图。

图1.3 Auas变电站330MvarSVC
加装了无功功率补偿装置的墨西哥Temascal400kV变电站，主电路由4台TCS和4台TCR组成（如图1.4所示），目的是为了改善墨西哥南部水电站与城地区之间输电线路系统的送电安全性；除此之外，还装设了9个机械投切电抗器，装设了SVC之后，输电线路的传输容量大大提高，应用的还是很成功的[5]。

图1.4 墨西哥600MvarSVC
1.2.2 国内的SVC应用
上世纪80年代和90年代，我国在建立500kV电网时，曾经引进欧洲电气公司生产的静止无功补偿装置。

引进的静止无功补偿设备和技术由于技术落后，结构复杂，故障率高，都已经陆续的退出了使用。

鞍山红一变是东北电力系统中一个非常重要的变电站，起到供电的作用，最早有4台主变压器，400MVA的总容量。

鞍山钢铁公司使用两个电容器进行无功补偿，鞍山地区无法提供足够多的能源，不能对鞍山红一变进行很好地无功补偿。

2002年，鞍山
红一变是很重要的示范项目，它是全国电网系统中的首个国产化SVC项目，为整个电网SVC国产化应用起到了带头作用，整个示范项目的系统主接线如图1.5所示[5]。

图1.5 鞍山红一变SVC国产化示范工程
随着铁路电气化的迅速发展，人们越来越关注牵引供电系统的质量。

图1.6所示为某铁路牵引变电所的SVC接线图，加装SVC系统之前，在只有固定电容器的补偿下，功率因数只有不足0.9，每个月都要缴纳低功率因数罚款；加装SVC系统以后，功率因数超过0.9，获得了嘉奖，当地的投资费用电力部门也在很短一段时间内收回，在全国铁路行业装设SVC，结果补偿效果还是不错的[5]。

图1.6 某牵引变电所SVC接线图
1.3 本课题的研究内容
本次设计主要是学习有关电力系统无功补偿的相关概念和基本理论，研究静止无功补偿器的基本原理，以TCR-TSC型静止无功补偿器为例分析了静止无功补偿器的补偿特性，研究静止无功补偿器的结构和相关的电路,学习仿真软件，以MATLAB为工具建立仿真模型，并进行仿真分析。

2 静止型电力系统无功补偿
2.1 具有饱和电抗器的无功补偿器(SR)
饱和电抗器分为可控饱和和自饱和两种。

饱和电抗器可以被控制来改变工作绕组来改变工作线圈中的电流，更好的控制无功电流。

它是依赖电抗器本身特有的能力来稳定电压的,发出或吸收无功功率需要通过铁心的饱和特性加以控制,这种元件组成的无功补偿设备属于首批静止无功补偿器,这类电抗器造价高，并且补偿速度慢,因为有上述的一些问题，现在已经很少有人使用饱和电抗器型SVC了，通常被用于超高压输电线路[6]。

2.1.1 自饱和电抗器型静止无功补偿器
自饱和电抗器型静止无功补偿设备算是同步调相机的补偿设备，采用铁心的饱和特性，令滞后相位的无功功率跟着端电压的变化而变化，图2.1（a）是无斜率校正的自饱和电抗器型静止无功功率补偿装置的原理图，图（b）为该装置的工作特性曲线,I
C 与外加电压U之间的关系为超前相位的线性关系（曲线1），装置中自饱和电抗器的电流与电压的关系如曲线2，它们的合成曲线3就是该装置的外特性曲线,从图b能够发现，当母线电压波动加大∆U时，那么按特性曲线规律以后电流加大∆I,此后电流在网络电抗X
上产生压降-∆U，使电力系统的电压保持不变[4]。

S
（a）原理图
（b）电压-电流特性
图2.1 自饱和电抗器（无斜率校正）静止无功补偿装置
图2.2为带有斜率校正的自饱和电抗器型静止无功补偿装置的原理图。

(a)原理图
（b）电压-电流特性
图2.2 自饱和电抗器（有斜率校正）静止无功补偿装置
靠电抗器侧电容器C
S 来实现斜率的校正，由于感抗X
L
比容抗X
C
大很多，因此该
支路的电流是滞后的，电流I
S 与加在C
S
上的电压U
C
的关系如b图中第4象限的曲线3，
改变C S 的大小，就可以调节U C ～C S 的斜率，以此来改变装置的外特性的斜率（曲线5）,研究电容器C S 时，要是饱和电抗器在饱和工作于AB 段时（曲线2），在电容器两端的电压降U C 与电抗器两端的电压降U L 相消，表现为零阻抗，因此，综合后的电压和电流关系4接近水平线，并联电容器U P 特性曲线1与曲线4合成了曲线5[4]。

2.1.2 可控饱和电抗器型静止无功补偿器
图2.3是可控饱和电抗器型静止无功功率补偿装置的原理图。

三相饱和电抗器的工作绕组联接在电网上，改变饱和电抗器控制绕组W g 中电流的I d 大小，就能改变工作绕组的W g 感抗，以此来改变无功功率Q L 的值，补偿负载无功功率的冲击,当负载无功功率Q F 忽然变大时，控制回路的电流I d 减小，饱和电抗器的X L 变大，因此电抗器吸收的无功功率Q L 变小,如此，负载无功功率的恒定部分可以用电容器补偿，变动部分可以用饱和电抗器调节，确保电网输入的无功功率Q S 恒定[4]。

s Q F
Q C
图2.3 可控饱和电抗器型静止无功补偿装置原理图
2.2 晶闸管控制电抗器(TCR)
图2.4是一个电抗器与两个反并联的晶闸管串联构成的单相TCR原理图。

由晶闸管的导通角与TCR的等效电纳间的关系不难看出,当触发角等于90°时,晶闸管处于全通状态,导通角为180°,串联的电抗都在电网中,电抗器吸收的无功电流最大；触发角在90°到180°之间时导通角小于180°,晶闸管有一部分开通。

为了减小补偿电流中的基波分量，触发角增大，补偿器的等效电纳就会减小,无功功率也会减少，因此想要改变补偿器的无功分量,只需要调整触发角的大小就可以了[6]。

U
图2.4 TCR单相电路图
一个TCR只可以吸收无功,但不可以发出无功,对于这种情况,通常的解决办法是混合使用TCR和并联电容器。

按照元不同的组合,又可以分为混合使用的TCR和投切电容器型SVC、TCR与固定电容器型SVC,具备了TCR之后的补偿器灵活性变得比较好,广泛应用于全国电力系统[6]。

2.3 晶闸管投切电容器(TSC)
为了处理切换多个电容器组的麻烦,TSC设备随即出现了。

图2.5所示的是它的单相原理图，两个反并联的晶闸管只是将电容器接入电网或断开电网,电容器在电网中运行时可能产生冲击电流，需要串联一个小电抗器来进行抑制。

不对称负荷网络使用三角形连接，对称网络使用星形连接,为了尽可能调节无功电流,电容器越多级数越好,
通常用K-1个电容值为C的电容和电容值为C/2的电容构成2K级的电容组数以确保系统经济、实用[6]。

投切电容器时刻的选择是TSC的关键，通过分析与研究,晶闸管两端电压为零的时刻是最佳投切时间,这时冲击电流为零,为了确保投切能够顺利进行,务必预先对电容器进行充电,充电结束再使用[6]。

I
L
U
C
图2.5 TSC单相电路图
2.4 新型静止无功发生器(SVG)
电力电子技术的不断发展,尤其是可以使用变流器进行无功补偿之后,不久就研制出了新型静止无功发生器SVG，它可以通过电抗器并联到电网上，也可以通过将自换相桥式电路直接并联到电网上，SVG依据直流侧使用两种不同的储能元件，电感和电容,分为电流型和电压型[16]。

图2.6所示的原理图为电压型SVG
图2.6 电压型SVG
2.5 本章小结
本章介绍并深入分析了静止无功补偿的几种装置类型，分别是具有饱和电抗器的无功补偿器SR、晶闸管控制电抗器TCR、晶闸管投切电容器TSC、静止无功发生器SVG。

3 基于MATLAB的静止无功补偿器的仿真研究
3.1 SVC的工作原理
静止无功补偿器是晶闸管控制投切电抗器与电容器构成的，因为晶闸管控制信号反应迅速，通断也是不限次数的。

静止无功补偿器在电压改变时调节是快速的，以此来达到动态无功补偿的要求，而且还能分相补偿；能很好的适应三相不平衡负荷和冲击负荷性；然而因为晶闸管在电抗器投切时容易产生高次谐波，所以要装设滤波器[17]。

图3.1所示的是SVC的原理图，SVC产生的谐波电流会被滤波器所吸收,TCR支路是两个反向并联的晶闸管与电抗器串联组成的，把上述的电抗器换成电容器就是TSC 支路，它们的控制元件都是晶闸管。

通过晶闸管导通角β的函数可以算出TCR支路的等值基波电抗，改变β就能改变并联在系统中的等值电抗,电力电子器件可以控制TSC支路，电容器并联在系统中或电容器退出运行是它的两种运行状态[8]。

滤
波
器
图3.1 SVC原理图
3.2 MATLAB及SIMULINK的介绍
3.2.1 MATLAB的介绍
MATLAB可用于算法开发、数据分析等。

MATLAB不仅拥有矩阵运算、绘制函数等普通功用，还能够调用其它语言编写的程序。

MATLAB大多用于数值运算，但使用很多附加工具箱也适应其他领域的使用，比如图像处理、金融建模等。

此外相对应的Simulink可用于嵌入式系统开发、系统模拟等方面。

MATLAB的指令表达式与数学中经常使用的形式很像，相比用其他语言，用MATLAB 来解决问题比较简单，而且MATLAB吸取了Mathematica等的精华，变成了一个更强大的软件。

MATLAB界面如图3.2。

图3.2 MATLAB界面
3.2.2 Simulink的简介
Simulink是MATLAB很重要的组成部分，只要经过简单直接的鼠标操作，就能创造出一个复杂的系统,Simulink具备适应面广、仿真精细、灵活等长处，因为上述优
点Simulink被大量用于控制理论等[19]。

Simulink不仅能够进行连续采样、离散采样、两种混合的采样，也适用于多速率系统，就是系统中的不同部分有不同的采样速率。

Simulink提供了一种了更直接明了的方式，而且用户可以马上看到系统的仿真结果。

SIMULINK界面如图3.3所示。

图3.3 SIMULINK界面
Simulink与MATLAB是一体的，可以直接用MATLAB的工具研发算法、分析和可视化仿真、定制建模环境等。

3.3 基于晶闸管的静止无功补偿装置仿真
3.3.1 基于MATLAB仿真模型的建立
选用MATLAB中的simulink模块来进行仿真，建立了SVC仿真模型，如图3.4所
示。

图3.4 SVC仿真系统图
本系统是由200MV的负荷和短路功率为6000MVA的RL电压源串联构成的，负荷侧并联了一个300Mvar的SVC装置。

SVC由一个735kV/16kV、333MVA的耦合变压器，三个94Mvar的TSC和一个109Mvar的TCR所构成。

TSC的导通或阻断可以改变变压器二次绕组输送的容性无功功率；不断改变TCR可以获得从0～109Mvar连续变化的感性无功功率[8]。

耦合变压器如图3.5所示,耦合变压器是电力系统中的一种三相变压器，原边为星形联结，副边则为三角形联结,如此连接静止无功补偿器产生的谐波就会减少，产生的谐波也大都被抑制在了变压器的副边，对电网的冲击将会减小，确保电网电压处于一种稳定的状态[17]。

图3.5 耦合变压器
图3.6所示的是Powergui模块。

电力系统图形化用户利用Simulink功能连接各种电气元件，是分析电力系统模型非常实用的图形化用户接口工具。

它有以下几个功能:
（1）该模块能够显示系统稳定状态的电流、电压、电路全部的状态变量值；
（2）该模块允许修改初始状态以方便进行仿真；
（3）它能够计算负载潮流；
（4）电路中有阻抗测量模块时，它能够显示阻抗随频率变化的波形；
图3.6 Powergui模块
Signal & Scopes内部封装图如图3.7所示。

图3.7 Signal & Scopes内部封装图 3个TSC产生的控制信号如图3.8所示。

图3.8 控制信号
TSC1不工作的电路信号如图3.9所示。

图3.9 TSC不工作时的信号
TSC1，TSC2，TSC3，TCR的脉冲输出信号如图3.10，3.11,3.12,3.13所示。

图3.10 TSC1的脉冲输出信号
图3.11 TSC2的脉冲输出信号
图3.12 TSC3的脉冲输出信号图3.13 TCR的脉冲输出信号
3.3.2 SVC仿真结果及分析
SVC仿真波形如图3.14所示。

图中波形依次为变压器一次绕组侧电压和电流、流入变压器一次侧的无功功率、SVC端口电压均值和参考值、TCR触发角、TSC的导通个数[8]。

图3.14 SVC仿真波形
在仿真开始的时候，SVC不工作，参考电压设置为1.0p.u.，则SVC为悬置状态，端口电流为零。

此时TSC1导通，并且TCR半导通。

当t=0.1s时，电源电压突然增大到了1.027p.u.，SVC端口电压也变大了，为了使电压回到1.0p.u.，SVC开始吸收无功功率以抑制电压上升。

此时所有的TSC都不工作，TCR几乎处在完全导通状态。

在t=0.4s时，电源电压跌落到0.94p.u.，SVC开始补偿系统的无功功率，因此电压增大到了0.97p.u.。

此时3个TSC都工作，TCR几乎不吸收任何无功功率。

最终，在t=0.7s 时，电压增加到了1.0p.u.，SVC无功功率减到零[8]。

3.4 本章小结
本章主要介绍了静止无功补偿器的工作原理，对MATLAB和Simulink也进行了简单的描述，最后搭建了MATLAB仿真模型，对TCR-TSC型SVC进行了MATLAB仿真，并就仿真结果进行了分析。

结论
电力电子技术推动电力系统不断发展，充分对电能进行利用的同时，用电设备自身又变成了系统中的谐波制造者，产生的谐波也变成了很严重的问题，我们必须进一步研究如何解决谐波及无功功率问题。

本文介绍了静止无功补偿器的国内外发展现状与发展趋势，详细分析了静止无功补偿器的基本原理及装置结构，并对TCR-TSC型静止无功补偿器的无功补偿特性进行了研究，搭建了MATLAB仿真模型，完成了仿真分析。

从结果可以看出，TCR-TSC型SVC能够很好地对电力系统进行无功补偿，该系统在全球范围内都是领先的，能够实现从感性到容性连续地进行控制调节，响应速度快，并有比较好的控制能力，验证了建立的模型是正确的。

致谢
经过2个多月来的努力，完成了毕业论文。

本论文是在指导老师张俊芳副教授精心指导下才得以完成。

张老师深厚的理论功底，严谨和执着的治学态度，一丝不苟的工作作风，诲人不倦的高尚师德，热情帮助学生的精神，平易近人的人格魅力给我留下了深刻的印象。

这一切都将在以后的工作中伴随着我，帮助我去攀登更高的高峰。

在此，谨向张老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
此外，本文能够圆满完成，也离不开各位老师、同学和朋友的关心和支持，这些支持是我能完成课题的坚强保证和不竭动力。