无功补偿技术综述大工毕业.docx
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无功补偿技术综述大工毕业
网络高等教育
本科生毕业论文（设计）
题目：
无功补偿技术综述
学习中心：
奥鹏远程教育
层次：
专科起点本科
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2015年春季
学号：
学生：
指导教师：
完成日期：
2015年12月24日
内容摘要
电网中无功功率的影响很大，它不仅使电网电压下降，影响电压的稳定性，还会使输、配电线路上的有功功率和电能损耗增加，造成大量的电能浪费。
因此，该系统的功率补偿，减少无功电流在传输线，使系统的功率平衡问题一直是一个关键的电力行业研究。
随着电子设备的日益增加的需求在功的发展，电力网络分布功越来越复杂，功补偿技术的要求也越来越高，传统的功补偿技术越来越不能满足目前的需要。
本文首先讲述了无功功率补偿技术的研究目的和意义，介绍了无功功率补偿技术的研究现状和发展方向，阐述了无功功率补偿装置中无功算法、控制策略、装置保护等方面的技术要求。
本文重点介绍了静止无功补偿器TVS、静止无功补偿发生器SVG和有源滤波APF，其中SVC常用的有以下几种形式：
固定电容加晶闸管控制电抗器型（FC+TCR）、晶闸管开关电容器型（TSC）、饱和电抗器型（SR）以及混合型（TCR+TSC）作了详细的介绍。
文章的最后还为将来的设计研究提出了展望。
关键词：
无功功率补偿；静止无功补偿发生器；静止无功补偿器；有源滤波器
1绪论
1.1课题的背景及意义
在电力系统中，异步电动机和变压器设备消耗了大量的功。
这些功如果不能及时获得补偿，会对电网的安全、稳定运行产生不利影响:
首先，无功功率的增加会导致电流的增大，这不仅使设备及线路的损耗增加，而且还会威胁到设备的安全运行；另外，电流和视在功率的增大也会导致发电机、变压器及其他电气设备容量的增加，同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大，这使电网的经济运行大打折扣；另外，无功储备的不足会导致电网电压水平的降低。
如果是冲击性的无功功率的负载，还会使电压产生剧烈的波动，例如电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，使电网的供电质量更加恶化。
随着经济的发展，人们对电能质量越来越高的要求，并保持功缘适量是电网安全，稳定，经济运行的重要保障。
在上述的各种危害，如何快速、有效地补偿电力系统中的功，是相关研究人员正在研究和亟待解决的问题。
我国和世界上的发达国家（美国、日本）相比，无论从电网功率因数还是补偿深度来看，都有较大的差距[1]。
目前，美国、日本等发达国家补偿度达0.5以上，电网功率因数接近1.0，而我国补偿度仅为0.45。
我国的电网，特别是广大农村电网，普遍存在功率因数低，电网损耗较大的情况。
因此研究无功功率补偿对电网的安全经济运行有很重要的意义：
a.解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列新的技术问题。
b.促进节能。
无功功率在电网中不断循环，造成很大的浪费。
如果无功功率问题处理得好，不仅节约电能还可以减少系统变压器和输变电设备容量。
c.通过研究无功功率测量，掌握无功功率的经济规律。
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。
d.保证电能质量，促使电力系统安全运行。
1.2无功补偿技术的发展
无功补偿的目的有：
（1）改善电压调整；
（2）提供静态和动态稳定；（3）降低过电压；（4）减少电压闪变；（5）阻尼次同步震荡；（6）减少电压和电流的不平衡。
电力系统中，常见的无功控制方法有同步发电机、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。
1.同步调相机
功补偿装置同步器是早期的代表，它是空载运行的同步电动机等效，过励磁运行，向系统发出功，玩功的作用；在欠励磁运行，它吸收系统感性动力反应的影响，负荷。
通过自动励磁调节装置，同步器根据电压值平滑输出的局部变化（吸收）功率，电压调节，也有利于提高系统的稳定性。
但是同步调相机是旋转机械，功率损失较大，约1.5%到5%的能力。
小容量同步冷凝器单位产能投资成本较高，适用于大容量同步冷凝器通常集中使用。
由于该设备仍在使用的功补偿领域，并与控制技术，其控制性能的提高。
2.电容器
系统中的并联电容器，提高了容性负载，从系统的电容功吸收，相当于发出感应功，满足电路的感性负载电感的功率需求，达到功。
使用电容器的功率补偿，一次性投资和运行成本相对较低，安装调试简单，损耗低，效率高（0.02%只损失本身的能力），可以集中使用，又可以分散安装。
目前，在电力系统中的功补偿能力的国内外约90%是用来实现并联电容器。
但是并联电容器的电源电压和功率和节点的平方成正比（QC=V2/XC），当节点电压下降，需要增加功率，降低供电系统的反应。
换句话说，补偿效果，改变系统电压，电容器的补偿效果不理想。
3.并联电抗器
并联电抗器是功补偿装置的重要组成部分，用于改善与过量的电感电容功电力系统有功功率平衡，传动功率小，后来轻负荷在电力系统中的早期是非常必要的。
因为在上述两种情况下，传输线的功小，和电容的影响线使传输线产生的电容充电功率大于传输线的电感的功率，以维持系统的电压水平，必须满足系统功率平衡，电压或功率的系统会增加。
为确保安全运行。
4.无功补偿器
静止无功补偿器（SVC）是第二代无功补偿装置，它被广泛用于输电系统波阻补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。
其典型代表是固定电容器+晶闸管控制电抗器（FixedCa-pacitor+ThyristorControlled-Reactor--FC+TCR）、晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchingCapaci-tor--TSC）及晶闸管投切电抗器（ThyristorControlReactor-TCR）。
1.3国内外研究和发展动态
1.3.1国内外无功补偿技术应用概况
传统的无功功率补偿装置装置主要是传统的同步电容器和并联电容器。
同步调相机是早期功补偿装置的典型代表。
同步调相机不仅可以补偿功固定，对功动态补偿的变化可以进行。
由于该设备仍在使用的功补偿领域，并与控制技术，其控制性能的提高。
但它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，技术远远落后。
在大多数的感性负载的实际经验，以低成本为无功补偿装置后，利用并联电容器。
电容补偿系统可以根据所需的无功控制系统的数量，自动切换补偿电容，所以对价格较高的功率补偿方法。
在电力系统中目前采用开关电容器或接触器投切电容器。
开关电容补偿措施，减少缺陷不好，反应慢，切换过程中产生的涌流和过电压问题。
此外，接触器投切电容器开关响应时间较短的切换模式，这种功补偿设备一旦被分配（10kV和380V）市场，尤其是在低压配电网络。
但由于其开关的随意性，并没有解决接触器暂态过程的电弧烧铸造成过电压，寿命短的问题。
同时，接触器补偿装置的响应时间也较大，在一些场合，快速负载变化可能不同，不能达到动态补偿的目的。
因此，从广义上说，的功补偿装置动态接触不分离开关类。
20世纪70年代以来，同步调相机（SC，SynchronousCondenser）开始逐渐被基于半控型器件晶闸管（SCR）的静止型无功补偿装置（SVC）所取代。
虽然在FACTS概念形成以前SVC就己存在，但由于SVC采用的阀元件也是电力电子器件，因此也把SVC归于FACTS控制器。
早期的SVC静止无功补偿装置是饱和电抗器（SR，SaturatedReactor）型的，1967年英国GEC公司制成了世界上第一批该型无功补偿装置。
SR比之SC具有静止、响应速度快等优点；但其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声还是很大，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SVC的主流。
电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将晶闸管的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台。
1977年美国GE公司首次在实际电力系统中运行了使用基于晶闸管的SVC；1978年，在美国电力研究院支持下，美国西屋公司（WestinghouseElectricCorp）制造的使用基于晶闸管的SVC投入实际运行。
随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。
由于使用基于晶闸管的SVC具有优良胜能，所以十多年来占据了SVC的主导地位。
因此，SVC一般专指使用基于晶闸管的静止无功补偿装置。
SVC是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输电系统的导纳。
按控制对象和控制方式不同，可分为晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）以及两者的混合装置（TCR+TSC），或者TCR与固定电容器（FC）配合使用的静补装置（TCR+FC）等。
1.3.2无功补偿技术发展方向
目前我国广泛使用的是静止补偿器SVC。
其中,能够进行无功功率动态补偿的基于智能控制策略的TSC仍然需要大力推广。
随着大功率电力电子器件技术的高速发展,未来的功率器件容量将逐步提高,应用有源滤波器进行谐波抑制，以及应用柔性交流输电系统技术进行无功功率补偿,必将成为今后电力自动化系统的发展方向。
2基于柔性交流输电系统（FACTS）的无功补偿技术
柔性交流输电系统（FlexibleACTransmissionSystem）是随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的广泛应用而产生的。
目前基于FACTS技术且应用于无功补偿最为广泛的是静止无功补偿器（SVC）。
SVC常用的有以下几种形式:
固定电容加晶闸管控制电抗器型（FC+TCR）、晶闸管开关电容器型（TSC）、饱和电抗器型（SR）以及混合型（TCR+TSC）。
2.1TSC型补偿器
TSC型补偿器是一种断续可调的发出无功功率的动态补偿装置。
其单相原理如图2.1所示。
由一组并联的电容器组成，每台电容器与双向晶闸管串联接入电网。
晶闸管在这里起开关作用以替代机械开关。
运行时根据电网对无功的需求决定投入电容的组数。
图中每组电容串联的小电感用来抑制投切电容时产生的冲击电流。
TSC接入三相电网时一般采用三角形连接。
图2.1TSC型补偿器单相原理图
TSC的关键技术问题是投切电容器的时刻选取。
电容组的最佳投切时间是晶闸管两端电压为零的时刻，也就是电容器两端电压等于电源电压的时刻。
TSC一般采用过零投切，采用过零投切时电路的冲击电流为零。
为了投切效果更好，必须对电容预先充电。
TSC装置的发展已经有了很长历史，根据TSC装置的实际使用效果和反馈，前人在技术上进行了很多的改进和创新。
如何总结已有的经验，选择适合于TSC的技术是本节研究的重点[2]。
TSC的典型装置通常有两部分组成[3]：
一部分为TSC主电路，它包括晶闸管、补偿电容器及阻尼电抗器；另外一部分为TSC控制系统，主要由数据采集和检测、参数运算、投切控制、触发控制4个环节组成[4]。
本节将从无功算法的选择、晶闸管的触发原则、主电路的接线方式和控制策略等9个方面对TSC动态无功补偿有关技术进行比较深入的论述。
2.1.1晶闸管的触发原则
普通晶闸管投入时间总的原则是，此刻的TSC的输入电容，也是晶闸管开通时刻，必须是电源电压和电容器的预充电电压相等的时刻。
因为根据在电容器中的电容器的特性，当电压阶跃变化，会产生冲击电流，很可能破坏晶闸管或不利影响电源的高频振荡[1,2,3]。
如果第一电容器充电电压等于电源电压的峰值在传导，在峰值功率的输入电容，由于在电源电压比点的变化（时间导数）为零，因此，目前IC是零，那么电源电压（即电容电压）将根据改变正弦波电流上升率，即按正弦规律上升。
在这种方式中，目前影响整个投资过程不仅，目前也没有改变。
这就是所谓的理想输入时间。
图2.2以简单的电路原理图和投切时的波形对此作了说明。
图2.2功率补偿说明图
选取合适的触发时刻总的原则是，TSC投入电容时，也就是晶闸管开通的时刻，必须是电源电压与电容器残压的幅值和相位相同。
但是无论投入前电容器充电电压（也称残压）是多少，其往往都是不易测量的，所以必须通过其他一些方法来解决电容器残压测量的难题。
1.过零触发电路
晶闸管电压过零触发电路如图2.3所示。
当电源电压与电容器的残压相等时，晶闸管上电压为零，光电耦合器就会输出一个负脉冲，如果此时投入指令存在，此脉冲就会经过一系列环节，产生脉冲串去触发晶闸管，保证晶闸管的平稳导通。
当TSC投入指令撤销时，晶闸管在电流过零时断开，直到微控制器下次发出投入指令，TSC才会在零电压时重新投入。
图2.3晶闸管电压过零触发电路
2.反压触发
一般来讲，无论电容器残压多高，它总是小于等于电源电压幅值，则在一个周期内，晶闸管总有处于零压或反压的时刻。
利用这一点，在晶闸管承受反压时，触发脉冲序列开始，这样当晶闸管由反向转为正向偏置时就自动进入平稳导通状态。
在两种触发电路中，晶闸管电压过零触发的使用范围最为广泛，无论电容残压出于何种状态，其都适用。
反压触发的成功率和电容器残压密切相关，只适用于电容器残压小于电源峰值的情况。
2.1.2主电路连接方式
TSC的主电路按照晶闸管和电容器的连接方式[5]，大致可以分为4种类型：
星形有中线、星形无中线；角外接法、角内接法。
其中前两者统称为星形接法。
电容器与电网并联，其额定电压应与电网一致。
在三相供电系统中，额定电压与电网电压单相电容分相同时，正常情况下，连接成一个三角形，可以补偿较大的效果。
这是因为：
如果切换到星形连接时，相电压为线电压的倍，因为，所以功输出将是一个1/3次三角形连接的方法。
考虑成本因素，本工程采用三角形接法。
根据晶闸管的位置，三角形接法分为角方法外，角内接法。
1.角外接法
晶闸管处于电容器三角形的外部。
按照电工理论中的“△一Y”变换原理，在电容器总容量相等的情况下，角外接法和星形无中线对外电路所表现的特性都是一样的。
与角内接法相比，体积小，但不易控制，投切时暂态过程较长。
适合于三相平衡负载。
2.角内接法
晶闸管处于电容器三角形的内部。
该接法对系统无污染，相对另外3种接法，晶闸管电流定额电流小，只有相电流的58%，但晶闸管额定电压定额较大。
当有较大不平衡负载时，三角形接法的电容器组也可令各相电容值不等，根据各相负荷大小作分相补偿。
三相不平衡负荷的补偿装置就是使用角内接法的TSC与TCR组合形式。
a.内三角接法b.外三角接法
c.y型连接
图2.4主电路常用接线方式
2.1.3检测点的选择
检测点的选择直接关系到电容器的投切算法，而不同的检测点所能达到补偿效果也大不相同。
目前的TSC无功补偿系统，对于检测点选择主要有两种，如图2.5所示[5]。
检测点A检测补偿以后的无功状况，由于不能直接检测负载的无功功率，不易实现多组电容器的一次快速投切，通常采用逐级渐进的投切方式，较慢地达到对应补偿值，因此仅适用于负载运行较平稳，无大容量冲击负载，不需要快速动态补偿的场合。
检测点B直接检测负载的无功状况，其优点是仅根据负载Q和Iq测得值，决定电容器投入组数，是一种只管投切，不管控制补偿后实际效果的控制方式，其优点是控制方式简单，可一次快速投切多组电容器，缺点是静态补偿的精度较差。
有关专家还提出了兼顾两者优点的闭合控制方式，即检测点设在A处，检测补偿后的无功功率ΔQ，又通过ΔQ求得负载的全部无功功率Q，即完全补偿时所需投入的全部电容器的无功功率，这种设想可通过微机来实现，又因可一次投入应投的全部电容器，获得快速的动态补偿特性，是目前公认的比较理想方案。
图2.5主电路常用接线方式
2.1.4电容器的分组方式
利用TSC补偿装置时，由于输出不能连续调节，电容器分组构成对补偿效果影响显著。
为了延长每个电容器的使用寿命，电容器的开关频率应尽可能降低，并且每个开关时间基本相当。
为了实现更高程度的补偿，同时避免过度补偿，包容量应尽可能小。
两者之间是有矛盾的，提出合理的分组策略是一个重要的研究内容。
电容器组等容分组和不等容分组模式。
所谓的等容分组，指的是电容器的容量等于在每一组中，本实用新型具有易于实现自动控制等优点，缺点是补偿差价，获得薪酬差别较小，必须增加组数，相应的控制设备和占用的空间也需要增加。
所谓不等容分组方式，就是指各分组电容器的容量不相等，其优点是利用较少的分组就可获得较小的补偿级差。
例如150kvar电容，按照8:
4:
2:
1原则进行分组可实现16级组合，各组容量分别是l0kvar、20kvar、40kvar、80kvar，只需4组就可以达到10kvar的补偿级差，若按等分方式，必须分成15组才能达到1Okvar的补偿级差。
本文采用了按照8:
4:
2:
1原则分组的不等容分组方式，虽然软件控制比较复杂，但却大大节省了电容器所占用的空间，也大大节约了电容器投切开关的数量，实现了较高的补偿精度的同时也大大节约了补偿装置的成本。
2.1.5投切死角区间及减小投切死角的策略
由于TSC系统的电容器容量是离散的，是通过非连续的方式调节负载功率因数，所以必然存在负荷在某些工作情况下，无法达到理想的功率因数。
为了说明这个问题，我们取希望补偿到的功率因数区间为0.95-1，当负载的功率因数在这个区间时，就说明负荷符合电网对用户的无功考核要求。
一般工农业用户负载的功率因数处于0.4-0.9之间，这里假设当负载的最大功率为1，其对应的功率因数0.56，此时，如果要把功率因数补偿到1，需要电容器容量：
。
如果电容器按照8:
4:
2:
1分配，则最小的电容器组为1.48/15=0.0986。
当系统有功负荷在0.43-1变化时，当全部的电容器组投入亦不足以使功率因数达到最小的考核要求0.95（欠补）。
例如，当有功是最大值1，功率因数为0.45时，此时即使全部四组电容1.48投入，功率因数也只能达到0.89，显然不在希望的区间。
由于一般电容器配置都是以可能出现的最小功率因数配置，并有一定的裕量，所以这些死角区间在实际系统中不会出现。
当系统有功负荷为在0-0.43变化时，死角区间主要包含两部分：
除了反映全部电容投入亦达不到要求的区间外，还包括投切电容后功率因数要么小于0.95，要么超出1（倒送无功）。
例如当有功功率为0.2时，功率因数为0.92时，此时无功为0.0852，如果投入一组最小的电容0.0986，则0.0986>0.0852电容过补不符要求,不投则功率因数不符要求。
这正说明了当负荷太小时，在某些情况下，会由于找不到合适投切方案而形成“投切振荡”。
所以在轻负荷时，应该闭锁控制器投切电容。
2.1.6串联电抗器的选择
在实际电网中，谐波电流对电容器的破坏影响是不容忽视的。
在负载电路中，谐波主要来自两个方面：
变压器的磁性畸变，可以引起以5次谐波为主的电压；
其次是电网系统中越来越多的非线性负载引起的各次谐波[6]。
假设
为电源侧电抗，
为电容器电抗，
为电源侧5次电抗，
为电容器5次电抗，
为电源侧5次谐波电压值，则
（2.11）
（2.12）
（2.13）
（2.14）
此谐波电流和基波电流相叠加，会引起异常的过电流。
通常工程上采用串联电抗器来抑制过大的谐波电流。
如果令5次谐波电压为2%，电源测电抗为5%的电抗，这时投入阻抗为100%的电容器，5次谐波电流为：
当串入6%的电抗器时，
可见使用电抗器限制谐波电流效果非常明显。
图2-9为串联电抗器前后电流波形的对比。
可见当不串联电抗器时，电流波形畸变非常严重。
当串联6%的电抗器时，电流波形恢复正常。
可见使用电抗器可以限制电流畸变。
图2.6a电源电压波形图2.6b不串联电抗器的电流波形
图2.6c串联电抗器的电流波形
电抗器除了限制谐波电流的作用外，还可以有效抑制电容器投入时的充电电流，起到保护电容器和电流互感器的功能。
在选用电抗器时，电抗器额定电流应稍大于电容器的额定电流。
另外由于串联电抗器的缘故，加在电容器上的工作电压也升高了，因此对电容器的额定电压选择、电容器投入时实际能起到的补偿效果都应做一定的调整和校正[8]。
2.2FC+TCR型补偿器
TCR型补偿装置有两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联接入电网，其单相原理如图2.7（a）所示。
在三相电网中多接成三角形。
TCR装置相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90°~180°。
当触发角为90°时，晶闸管全导通，导通角为180°。
此时电抗器吸收的无功电流最大。
根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系可知：
增大触发角可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量。
所以通过调整触发角的大小可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。
TCR的响应时间小于半周波，可连续吸收无功功率，但其电流中有谐波，有功率损耗，补偿器的体积大，成本高。
单独的TCR不能发出无功功率，所以可将并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。
FC+TCR型补偿器由若干不可控电容器与TCR并联而成，如图2.2（b）所示，电容器的容量为负载所需的无功总量，电感为可变电感。
通过控制双向晶闸管的导通角，即可向系统输送容性或感性无功功率。
当导通角为零时，晶闸管全导通，电感支路相当一个纯电感，消耗最大的无功功率，补偿器向系统输出最小的无功功率。
增大导通角，电感支路的电流减小，电感吸收的无功功率减小，补偿器输出的无功增大。
当导通角为90°时，电感支路相当于断开，吸收零无功，此时补偿器输出最大无功功率。
由于该补偿器响应时间快（小于半周波），灵活性大，而且可以连续调节无功输出，所以目前在我国的电力系统中应用最为广泛。
但该补偿装置输出的电流中含有较多的高次谐波，而且电抗器体积大，成本也比较高。
（a）TCR型补偿器（b）FC+TCR型补偿器
图2.7TCR型、FC+TCR型补偿器
2.2.1TCR+FC型补偿器基本原理
TCR+FC型SVC的单线简图如图所示。
其中TCR（ThyristorControlledReactor）是晶闸管控制电抗器，FC（FixedCapacitor）是几组固定电容器。
每个单相支路中，补偿电抗器和晶闸管阀配合使用。
TCR+FC型SVC是通过晶闸管阀控制流过电抗器的电流，来达到控制无功功率的目的。
根据负荷无功功率QV的变化情况，来实施改变电抗器的无功功率QTCR（感性无功功率），当负荷无功QV增大时，TCR产生的无功QTCR减少；当负荷无功QV减小时，TCR产生的无功QTCR增加。
即不管负载的无功功率如何变化，总要使二者之和为常数，即QV+QTCR≈常数，这个常数等于谐波滤波器组发出的容性无功功率QC的数值，使取自电网的无功功率QN为常数或为0，即：
QN=QC-（QV+QTCR）=常数（或0），则能实现电网功率因数=常数，电压几乎不波动，从而达到无功补偿的目的，以抑制负载波动所造成的系统电压波动和闪变。
关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流，晶闸管变流装置和控制系统可以实现这个功能，通过采集母线的无功电流值和电压值，合成无功值，和所设定的恒无功值进行比较，计算得到触发角大小，通过晶闸管触发装置，使晶闸管流过所需电流。
2.2.2TCR+FC型补偿器主要接线方式
三相的TCR接线通常采用三角形联结。
这样的电路并联到电网上，就相当于三相交流调功电路。
由于采用三角形联结，故线电流中将不会存在3次及3的倍数次谐波。
在实际工程中还常常将每一相的电抗分成如图2.8所示，分别接在晶闸管对的两端。
这样可以使晶闸管在电抗器损坏时能得到额外的保护。
图2.8TCR的接线方式
2.2.3TCR+FC型补偿器系统组成
2.2.3.1TCR设计
每个TCR支路由一个晶闸管阀和两个分裂电抗器相串联。
晶闸管阀由多个晶闸管对串联以获得10kV额定电压和承
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