基于MATLAB的SVG型静止无功补偿器提高系统电压的理论研究

SVG型静止无功补偿器提高系统电压的理
论研究
摘要
随着电力电子设备、交直流电弧炉和电气化铁道等非线性、冲击性负荷的大量接入电网，引起了电网无功功率不足、电压波动与闪变、三相供电不平衡以及电压电流波形畸变等其它一系列电能质量问题，并严重威胁着电力系统的安全稳定运行。

静止无功发生器(Static var Generation，简称SVG)适于实时补偿冲击性负荷的无功冲击电流和谐波电流。

IGBT、GTO 等电力电子元件的开发，使大功率高电压的变流器的应用可靠性有了显著提高, 而且由于采用了微处理机和大规模集成电路组件，使复杂的控制电路也提高了经济性和可靠性，由于SVG具有补偿无功功率、提高功率因数、抑制电压波动和闪变、抑制三相不平衡、提高电路输电稳定性等优点，从而使矢量控制的新型SVG得到了广泛的开发应用。

首先，本文介绍了无功功率的基本概念，介绍了无功功率对电力系统的影响以及无功补偿的作用。

并详尽的阐述了国内外无功补偿装置的历史以及现状。

其次，本文详细分析了SVG的基本结构，控制方法和工作原理，以及SVG的优特点。

并且阐述了静止无功发生器的工作特性。

再次，本文着重进行了对SVG型静止无功补偿器提高系统电压的理论研究。

通过公式的推导运算，阐述了SVG如何稳定系统电压。

最后，本文利用MATLAB/SIMULINK仿真软件对SVG工作方式及利用SVG动态提高系统电压的原理进行仿真研究。

并对仿真结果进行了全面分析。

关键词：无功补偿；SVG；稳定电压
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Abstract
With the power electronics equipment, AC and DC electric arc furnace and electric railways, and other non-linear, the impact of a large number of load connected to the grid, causing a power shortage of reactive power, voltage fluctuation and flicker, three-phase voltage and current power imbalances, and a series of waveform distortion and other power quality problems and a serious threat to security and stability of power systems.
STATCOM (Static var Generation, referred to as SVG) for real-time compensation for the impact of the impact of load reactive current and harmonic current. IGBT, GTO and other power electronics development, the power converter high voltage applications have been significantly improved reliability, and because the use of microprocessor and LSI components, complex control circuits to improve the economy and reliability, as SVG with reactive power compensation, improve power factor, voltage fluctuation and flicker suppression, inhibition of phase imbalance and improve the stability of the circuit transmission, etc., so that the new SVG vector control has been widely development and application.
First, this paper introduces the basic concepts of reactive power, reactive power described the impact on the power system and the role of reactive power compensation. and a detailed exposition of the international history of reactive power compensation device and the status quo.
Secondly, a detailed analysis of SVG basic structure, control methods and work principles, as well as the advantages and features of SVG. And describes the work of SVG features.
Again, this paper focuses on SVG for Static Var Compensator improve the system voltage theory. Operations through the derivation of the formula to explain how to stabilize the system voltage .
Finally, we use MATLAB/SIMULINK simulation software works and the use of SVG dynamic principle improve the system voltage simulation. And a comprehensive analysis of the simulation results.
“Key words: Reactive compensation；SVG；Stable voltage
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目录
摘要 (I)
Abstract ...................................................................................................................................... I I 1 前言.. (4)
1.1 课题研究的目的和意义 (4)
1.1.1 无功功率的基本概念 (4)
1.1.2 无功补偿的作用.......................................................... 错误！未定义书签。

1.2 国内外研究状况 ..................................................................... 错误！未定义书签。

1.2.1 国内情况 (6)
1.2.2 国外情况 (7)
1.2.3 常见无功补偿装置 (7)
1.2.4 静止无功发生器的优点 (9)
1.3 论文的主要研究内容 (10)
2 SVG的基本结构及工作原理 (11)
2.1 引言 (11)
2.2 SVG的基本原理 (11)
2.3 SVG的工作特性 (16)
2.3.1 SVG的电压-电流特性 (16)
2.3.2 SVG的谐波特性 (16)
2.3.3 SVG的其他特性 (17)
2.4 本章小结 (17)
3 SVG稳定系统电压的理论研究 (18)
3.1 引言 (18)
3.2 SVG稳定系统电压的理论研究 ............................................ 错误！未定义书签。

3.3 SVG的控制方法 (20)
3.3.1 电流间接控制 (21)
3.3.2 电流直接控制 (22)
3.4 本章小结 (23)
4 SVG工作原理的仿真研究 (24)
4.1 引言 (24)
4.2 SVG仿真模型的建立 (24)
4.3 SVG的波形分析 (25)
4.4 本章小结 (28)
5 结论 (29)
参考文献 (30)
致谢 ........................................................................................................ 错误！未定义书签。

- III -
1 前言
1.1 课题研究的目的和意义
作为一个人口众多、资源又相对不足的国家，水、电、煤、天然气、土地等很多能源的日益减少已经成为制约我国实现可持续发展的重要因素，而且伴随人口的继续增长和资源的减少，这种矛盾还会不断加剧。

随着我国经济发展方式的转变和建设“节约型”社会口号的提出，电力系统无功补偿也成为研究的热点。

改革开放30年来，我国经济飞速发展，对能源特别是电能的需求不断增加，电力系统装机容量逐年增加，据预测到2020年，我国发电装机容量将达9~10亿kW，今后每年投运的机组容量至少2千万kW；另一方面要节约电能，提高电能的利用效率[1]。

在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大比例。

异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。

异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。

电力系统中的电抗器和架空线路等也消耗一些无功功率。

阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。

电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。

如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变换器，在工作时基波电流滞后于电网电压，需要消耗大量的无功功率。

另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，而谐波源都是要消耗无功功率的。

二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，所以基本不消耗基波无功功率。

但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率[2,3]。

1.1.1无功功率的基本概念
无功功率在电气技术领域是个必不可少的重要物理量。

变化的磁场产生变化的电场，变化的电场产生变化的磁场，这正是无功功率交换的规律。

因此，有磁场空间和电场空间才能存在无功功率产生的空间。

在正弦电路中，无功功率的概念有清楚的物理意义，无功功率表示有能量交换，但不消耗功率，其幅值可作为能量交换的量度。

传统上无功功率一般采用平均无功功率概念，它是电路中储能元件与电源间交换功率的最大值，也是储能元件与电源间交换能量的一种量度。

在非正弦电路中，无功功率的概念却很抽象，并且至今未获得公认的无功功率定义。

于是，在非正弦波情况下，有关平均无功功率的有两种学派：一种学派是依据Budeanu的定义。

采用频域分析法；另一种学派是Fryze 的定义，采用时域分析法。

近年来，国内外学者又提出了广义平均无功功率、瞬时无功功率以及广义瞬时无功功率的概念。

近年来，随着我国电力工业的不断发展，大范围的高压输电网络逐渐形成，同时对电网无功功率的要求也日益严格。

无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、降低电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分。

电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故。

因此，无功功率对电力系统是十分重要的，研究无功功率具有重要的现实意义，归纳如下：
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（1）研究无功功率，可以解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列技术问题。

与无功功率问题相关的技术问题很多，主要有：无功功率静态稳定问题；电容性无功功率引起的发电机自励磁问题；冲击性无功负荷的调节问题；无功功率的高次谐波公害和闪变问题；跟随馈电系统引起的负荷功率因数的变化与改善问题。

（2）研究无功功率可以促进节能。

无功功率在电网中不断循环，造成很大的浪费。

一个10GW的电力系统，如果无功功率问题处理得好，每年冲这个电网的发电厂、变电所、用户中节约的电能超过10亿kWh，并且可以减少系统中200~300MW容量的输变电设备。

（3）研究无功功率，掌握它的经济规律。

通过统计、理论分析和各项技术措施来达到经济运行的目的。

（4）研究无功功率，可以保证电能质量，促使电力系统安全运行。

1.1.2 无功功率的影响
无功功率对公用电网和负荷的影响主要体现在以下几个方面[4]：
（1）增加设备容量。

无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器等各种电气设备的容量和导线的容量增加。

同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。

（2）设备及线路损耗增加。

无功功率的增加，使得总电流增大，因而使得设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。

（3）使线路和变压器的电压降增大，如果是冲击性无功负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。

在一般的电网中，有这样的结论：有功功率的波动对电网电压一般影响较小，电网电压的波动主要是由无功功率的波动引起的。

电动机起动时功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动，甚至会使接在同一电网上的用户无法正常工作。

电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功冲击，也会严重影响电网的供电质量。

（4）对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升。

为了保证转子绕组正常工作，发电机就不允许达到额定出力。

此外，原动机的效率是按照有功功率衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。

可见，无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的。

无功补偿技术，对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的潜力是十分必要的。

由于无功功率完全由发电机提供并经过长距离传送在经济上是不合理的，在技术上也是不可行的。

因此，合理的方法应当是，在需要消耗无功功率的地方产生无功功率[5,6]，即进行无功补偿。

无功补偿的主要作用包括以下几个方面[7]：
（1）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。

在长距离输电线路中选择合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，增加变压器带载容量，提高输电能力。

（2）提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗，节约能源。

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（3）在三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平衡三相有功功率及无功负荷。

（4）通过控制功率变化，阻尼系统振荡。

无功补偿在电力系统中的广泛应用，将大大提高电力系统的安全稳定性，供电可靠性和运行效率，同时大大提高供电系统的电能质量。

因此，无功功率补偿就成为保持电网高质量运行的主要手段之一，也是当今电力系统研究领域的一个重大课题。

1.2 国内外研究状况
由于电力系统中无功功率的有害性，人们很早就对各种补偿技术有所认识。

在电力系统中，控制无功功率的方法很多，包括采用同步发电机、同步电动机、同步调相机、并联电容器和静止无功补偿装置等。

由于其技术的成熟性及经济上的原因，这些装置仍在广泛的使用。

考虑到无功功率是由于系统中各种电容和电感所产生，人们最初使用了无源形式的补偿方法。

该方法是将一定容量的电容器或电抗器以并联或串联连接的方式安装在系统的母线中。

例如，并联电容器在高峰负荷下可接入系统以防止电压降低在轻载时,电容器和电抗器的存在，对故障后系统的动态性能也有影响。

通常，在干扰期间，它们都不会投入或切除。

这些补偿措施对系统发生影响是由于它们改变了网络参数，特别是改变了波阻抗、电器长度和系统母线上的输入阻抗。

一般来说，如果要它们纠正短时(0.5S)电压升高和电压下降，则必须把它们迅速地投入和切除，在某些场合下，这种操作要反复进行，使用传统的机械开关装置，实际上是做不到这一点的。

同步调相机又称同步补偿器，是作为并联补偿设计的一种同步机，它属于有源补偿器。

同步调相机同电容器相比，该装置的优点是：在系统电压下降时，靠维持或提高本身的出力，可以给系统提供紧急的电压支持。

从功能上讲，同步调相机只不过是一个被拖动到某一转速并与电力系统同步运行的同步机。

当电机同步运行后，根据需要，人们控制其磁场，使之产生无功功率，或从系统吸收无功功率。

同步调相机具有调相的优点，但动态响应速度慢，发出单位无功功率的有功损耗大，运行维护复杂，不适应各类非线性负载的快速变化。

由晶闸管控制电抗器( ThyristorCon rolledReactor -TCR) , 晶闸管投切电容器Thyristor Switched Capacitor -TSC)和以及二者的混合装置(TCR + TSC)等主要形式组成的静止补偿器(Static Var Compensator -SVC)实际上可看作一个可调节的并联电纳，其性能比固定并联电容器要好得多。

而所谓静止是指没有运动部件，这和同步调相机不一样。

静止补偿器最重要的性质是它能维持其端电压实际上不发生变化，所以它要连续调节与电力系统变换功率，其第二个重要性质是响应速度。

传统静止补偿器对电力系统状况的调整和暂态性能的改善起到了重要的作用，且其控制技术也比较成型，在实际电力系统中也得到了不少的有效应用。

但是它们都是利用可控硅晶闸管进行换相控制，在无功变动时容易发生逆变现象，并且都需要大电感或大电容来产生感性和容性无功，因而人们期待有新的补偿方式改善上述缺陷。

1.2.1 国内情况
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静止无功补偿装置(Static Compensator) 或称SVC- 静止无功系统是相对于调相机而言的一种利用电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿(可提供可变动的容性或感性无功)的装置，简称静补装置(静补)或静止补偿器。

70 年代初武汉钢铁公司 1.7cm 轧机工程进口了比利时的直流励磁饱和电抗器和日本的电容器组成的静补装置后，国内才对可变无功的补偿问题引起了注意。

在国内，补偿无功用的最多的办法是并联电容器。

在低压(10kv 以下)供电网络中大量地和在中压(60kv、35kv)配电网络中少量地装设并联电容器组，以满足调压要求，70 年代初有人提出用大负荷调压变压器改变并联电容器组端电压，以调节无功出力的设想，终因调压变压器的操作开关寿命不能保证而未能实现。

可变无功的补偿问题越来越受到有关部门的重视，电力部有关科研、设计、试验单位对静补装置在电力系统中的作用进行了不少试验研究工作。

从国外引进的静态补偿为枢纽变电站或大型企业所用的大容量静态补偿，对于中小型中低压电网或中小型企业所需的无功，多采用并联电容器组的办法。

这同时也产生了许多新的问题，首先，其不能迅速连续地进行无功功率的调节，其次，许多电容器在夜间产生了过量的无功，使发电机换相运行，并影响系统经济稳定运行，因此，中小企业的功率因数调节也越来越引起重视。

对于偏离规定功率因数较大的企业，电力部门会对其征收惩罚性的累加电费，在城市夜间、节假日期间会有大量剩余无功功率，引起电网电压升高，危害用户。

功率因数低，损耗大，系统不稳定，效益低等问题日益突出，所以把连续可调的无功补偿装置应用到在中小型中低压电网或中小型企业是十分必要的。

1.2.2 国外情况
1967 年，第一批静补装置在英国制成以后，受到世界各国的广泛重视，西德、美国、瑞士、瑞典、比利时、苏联等国竟先研制，大力推广，使得静止补偿装置比调相机具有更大的竞争力，广泛用于电力、冶金、化工、铁道、科研等部门，成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系统过电压，改善运行条件经济而有效的设备。

国际上几个大的电气公司如瑞士的勃朗.鲍威利公司(BBC)，瑞典通用电气公司，美国的通用电气公司(GE)及西屋公司，日本的富士公司等均发展了不同类型的静补技术。

根据提供无功的性质和方式而言，静补装置又分为六种组合方式，固定电容、固定感性、可变容性、可变感性、固定容性+可变感性、可变容性+ 可变感性，通常所指的静补装置是指后两种方式。

对可变感性又可分为直流励磁饱和电抗器(DCMSR) 。

相控阀调节电抗器(TCR) (或相控阀高阻抗变压器) 及自饱和电抗器。

高压可控硅元件问世以来，逐步取代了有SR。

触点开关为实现感性或容性无功的连续可控调节提供了简便、可靠、灵活的技术。

目前国际上几个主要的产品形式有FC2TCR (固定容性+ 可变感性) ,电感的调节也有用可控高阻抗变压器、自饱和电抗器、直流偏磁电抗器的。

在国外，系统的无功补偿主要用静补装置和电容器，并积累了广泛的运行经验，取得了良好的效果。

1.2.3 常见无功补偿装置
无功补偿的需求是和电力系统的发展同步的。

早期大量使用同步调相机作为无功补偿装置，但是调相机作为旋转机械存在很大问题，如响应速度慢、维护工作量大等。

而并联电容、电感则是第一代的静止无功补偿装置，一般使用机械开关投切，但是机械开
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关投切的响应速度以秒计，因此无法跟踪负荷无功电流的变化；随着电力电子技术的发展，晶闸管取代了机械开关，诞生了第二代无功补偿装置。

主要以晶闸管投切电容器(TSC)和晶闸管控制电抗器(TCR)为代表。

这类装置大大提高了无功调解的响应速度，但仍属于阻抗型装置，其补偿功能受系统参数影响，且TCR本身就是谐波源，容易产生谐波振荡放大等严重问题。

从电力系统的诞生开始，无功补偿装置就开始在电力系统中应用，同步发电机可以看作是最早的无功补偿装置。

随着电力系统的发展，各种无功补偿装置不断出现，经历了并联电容器、同步调相机、静止无功补偿器、静止无功发生器[8~11]等阶段。

1.2.3.1 并联电容器
并联电容器具有结构简单、经济、安装维护方便、损耗小等优点。

但是，它只能补偿固定的无功功率，不能跟踪负荷无功需求的变化，实现对无功功率的动态补偿。

在系统中含有谐波时，还有可能发生并联谐振，使谐波放大，电容器因此而烧毁的事故也时有发生。

1.2.3.2 同步调相机
传统的无功功率补偿装置是同步调相机(Synchronous Condenser，简称SC)。

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情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。

由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功控制的要求。

1.2.3.3 静止无功补偿器
早期的静止无功补偿器(Static Var Compensator，简称SVC)是饱和电抗器(Saturated Reactor，简称SR)型的。

饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快；但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。

静止无功补偿器近年来获得了很大发展，已被广泛应用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。

其典型代表是晶闸管控制电抗器＋固定电容器（Thyristor Controlled Reactor + Fixed Capacitor，简称TCR+FC）。

晶闸管投切电容器（Thyristor Switching Capacitor，简称TSC）也获得了广泛的应用。

静止无功补偿器的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率。

这种连续调节是依靠调节TCR中晶闸管的触发角得以实现的。

由于具有连续调节的性能且响应迅速，因此SVC可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变。

1.2.3.4 静止无功发生器
静止无功发生器（Static Var Generator，简称SVG）也是一种电力电子装置。

其最基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流电路，目前使用的主要是电压型。

SVG和SVC 不同，SVC需要大容量的电抗器、电容器等储能元件，而SVG在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可。

SVG属于第三代静止无功补偿技术。

基于电压源型逆变器的补偿装置实现了无功补偿功能质的飞跃。

它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。

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1.2.4 静止无功发生器的优点
综合起来，静止无功发生器与静态无功功率补偿器、同步调相机以及SVC装置相比，具有如下优点：
（1）在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统震荡等方面的性能大大优于传统的同步调相机。

（2）采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量的维护费用；同时，可通过调度中心EMS实现无功功率潮流和电压最优控制，是建设中的数字电力系统（DFS）的组成部分。

（3）控制灵活、调节速度更快、调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节，响应速度可达毫秒级。

（4）静止运行，安全稳定，没有调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机械噪声，将大大提高装置寿命，改善环境影响。

（5）对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容及庞大的切换机构，使SVG装置的体积小、损耗低。

（6）连接电抗小。

SVG接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外起到将电流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量。

如果使用降压变压器将SVG连入电网，则还可以利用降压变压器的漏抗，所需的连接电抗器将进一步减小。

（7）对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，它仍然可以维持最大无功电流，即SVG产生无功电流基本不受系统电压的影响。

（8）谐波量小。

在多种形式的SVC装置中，SVC本身产生一定量的谐波。

如TCR 型的5、7次特征谐波量比较大，占基波值的5%~10%；其他型式如SR、TCT等也产生3、5、7、11等次谐波。

这给SVC系统的滤波设计带来许多困难，而在SVG中则完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、11等次数谐波减小到可以接受的程度。

（9）SVG不需要大容量的电容、电感等储能元件，在网络中普遍使用也不会产生谐波，而使用SVC或固定电容器补偿，如果系统安装台数较多，有可能会导致系统谐振的产生。

（10）SVG的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。

当外部系统容量与补偿装置容量可比时，SVC将会变得不稳定，而SVG仍然可以保持稳定，即输出稳定的系统电压。

（11）运行范围大。

对传统的SVC装置，其所提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随电压的降低而减少。

SVG通过直接调节无功电流实现无功功率补偿，其输出电流不依赖于电压，表现为恒流源特性；SVC通过调节等值阻抗实现无功功率补偿，其输出电流和电压成线性关系。

因此，SVG的电压-无功特性优于SVC，即当系统电压变低时，同容量的SVG可以比SVC提供更大的补偿容量。

（12）SVG比同容量的SVC装置占地面积小、成本低（由于SVC装置为补偿0~100%
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