电力系统静态无功补偿系统设计与仿真设计.docx

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电力系统静态无功补偿系统设计与仿真设计

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本科生毕业设计（论文）

题目：

电力系统静态无功补偿系统设计与仿真

教学单位电气信息工程学院

年级2010级

专业电气工程及其自动化

职称副教授

2014年3月20日

摘要

文章介绍了电力系统无功功率补偿的原理与应用，其中重点介绍了目前在电力系统中广泛采用的各种静态无功功率补偿装置的原理及功能。

其中主要包括两大类，电容器、电抗器无功补偿的基本原理及静止无功补偿器的基本原理，分析其代表性的并联电容补偿方式。

并简要介绍了晶闸管相控电抗器型（TCR），晶闸管投切电容器型（TSC），TCR+TSC混合型以及可控饱和电抗器的工作原理及应用。

用Matlab对TCR型无功补偿进行仿真实验。

对电力系统中的无功补偿技术发展进行了展望。

关键词:

静止无功补偿装置，TCR，TSC，Matlab

Abstract

Thispaperintroducestheprincipleandapplicationofreactivepowercompensationofpowersystem,theimportanceofwhichistointroducetheprincipleandfunctionofallkindsofstaticreactivepowercompensationdeviseswhicharewidelyappliedinpowersystemandwhichmainlyincludetwocategories,thebasicprincipleofreactivepowercompensationcapacitor,reactorandthebasicprincipleofstaticreactivepowercompensator，analyzesthetypicalparallelcapacitorcompensationmode.BrieflyintroducestheprincipleandapplicationofThyristorcontrolreactor（TCR）,Thyristorswitchedcapacitor（TSC）,theofTCRtypereactorpowercompensationbyMatlabandthefutureofpowersystemismainlyfocusonthereactorpowercompensationtechnique.

Keyword:

StaticVarCompensator,TCR,TSC,Matlab

第一章引言…………………………………………………………………1

1.1无功功率在电网中的作用……………………………………………………………………1

1.2无功功率对电力系统的影响…………………………………………………………………3

1.2.1无功功率对有功功率的影响…………………………………………………………..3

1.2.2无功功率对电压的影响………………………………………………………………..3

1.2.3无功功率对线损的影响………………………………………………………………..4

1.3无功系统无功电源与无功负荷………………………………………………………………4

1.3.1电力系统的无功电源…………………………………………………………………..4

1.3.2电力系统的无功负荷…………………………………………………………………..5

1.4无功功率补偿…………………………………………………………………………………..6

1.4.1无功补偿的作用………………………………………………………………………..6

1.4.2无功补偿装置…………………………………………………………………………...7

第二章静态无功补偿………………………………………………………..8

2.1并联电容器…………………………………………………………………………………….8

2.1.1并联电容器补偿无功功率的原理…………………………………………………….9

2.1.2并联电容器补偿无功功率的方式………………………………………………….....11

2.1.3并联电容器补偿容量的确定…………………………………………………………13

2.2并联电抗器……………………………………………………………………………………15

2.2.1并联电抗器在电力系统中的作用……………………………………………………15

2.2.2并联电抗器装置容量的计算…………………………………………………………16

第三章静止无功补偿器……………………………………………………..18

3.1静止无功补偿器的概念…………………………………………………………….…..……...18

3.2SVC的类型……………………………………………………………………………………..19

3.3晶闸管可控电抗器（TCR）………………………………………………………………......19

3.4晶闸管投切电容器（TSC）…………………………………………………………………...20

3.4.1晶闸管投切电容器的基本原理……………………………………………………….20

3.4.2晶闸管投切电容器的投切时间……………………………………………………….21

3.5可控饱和电抗器……………………………………………………………………………......23

3.5.1可控饱和电抗器的工作状态………………………………………………………….23

3.5.2可控饱和电抗器的补偿原理………………………………………………………….24

3.5.3可控饱和电抗器的优点与缺点……………………………………………………….25

第四章无功补偿装置的仿真………………………………………………..26

4.1仿真的原理………………………………….............................................................................26

4.2仿真图概述…………………………………….........................................................................26

4.3仿真结果及分析……………………………………………………………………………….34

结束语……………………………………………………………………………………………………...36

参考文献……………………………………...............................................................................................37

致谢………………………………………………………………………………………………………..38

第一章引言

1.1无功功率在电网中作用

无功功率补偿是保持电力系统高质量运行的一种重要技术手段，同时是电力系统研究面临的重要课题，受到相关人员越来越多的的关注。

无功功率补偿之所以受到广泛关注的原因主要是无功功率在电力系统中的重要作用决定的。

无功功率的主要作用体现在：

（1）由于电压时衡量供电质量的重要指标之一，无功功率平衡可以稳定电网的电压，防止因无功不足引起的电网电压波动。

无功功率与电压的关系[2]可以有如下解释：

如图1.1所示

图1.1无功功率与电压的关系

在环网中串入一附加电势，以表示环网各线路阻抗和，表示纵向

附加电势，相位与电压一致，表示横向附加电势，其相位与电压差

由上式及图1.2的相量图可见，改变无功功率主要是改变电压的大小。

图1.2无功功率与电压相量

（2）减少电网中无功功率的流动可以减少因其而引起的电能损耗。

以一输电线路的等值电路如图1.3为例：

图1.3等值电路

由电力系统知识，电能在阻抗R+jX的损耗，近似为

（1-1）

所以在输送有功功率一定时，减少输送的无功功率Q可以减少电能损耗。

（3）无功功率可以提高功率因数[3]，不仅有上述节能的作用，还可避免增大设备的容量。

无功功率还有很多作用，如保持电网的稳定问题等等，鉴于此很有必要对无功功率补偿进一步的探索。

以下就以无功功率为研究出发点，再较为详细介绍静态无功补偿技术[4]，其中包括并联电容器和并联电抗器，串联电容器，串联电抗器等等，其中串联电抗器由于原理上的缺陷即导致静态稳定极限减小，对电网不利，没有广泛采用，而串联电容器只是在高压输电系统中为提高稳定性，或在中压配电系统中位改善电压质量，有一定的适用范围。

原因在于，为控制潮流而改变串联电容的容抗投切电容器组，而频繁地投切相应的开关电器必然伴随机械磨损，即使不引发事故，也将要求开关电器经常维修，这就限制了串联电容的推广。

因此本文仅介绍了并联电容器和并联电抗器补偿。

至于动态无功补偿技术[5]，作为较为先进的补偿手段目前它们在电力系统中的广泛应用。

主要包括两大类，一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置SR，另一类是晶闸管控制电抗器TCR、晶闸管投切电容器TSC。

这两种装置统称为静止无功补偿器SVC[6]，这是由于它们均使用电力电子开关代替传统的开关接入系统。

可使补偿时无损，快速，平滑的优点，从而成为了无功补偿的主流。

1.2无功功率对电力系统的影响

电力系统中的无功功率主要用于电路内电场和磁场，并用来在电气设备中建立和维持磁场，完成电磁能量的相互转换，不对外做功，为系统提供电压支撑，在电源和负荷之间提供电压降落所需的势能。

无功功率不直接作为实际消耗之功，但无功功率的交换将引起发电和输电设备上的电压降和电能损失。

1.2.1无功功率对有功功率的影响

输电线路的主要任务是输送有功功率，而为了实现有功功率的传输和电网无功功率的平衡，一般也需要输送一定量的无功功率。

输送无功功率时需要消耗有功功率。

当有功功率一定时，无功功率越大，则网络中的有功功率损耗就越大。

当电力线路的传输能力一定时，传输无功功率越小，则传输有功功率的能力越大。

1.2.2无功功率对电压的影响

（1）无功功率平衡水平对电压水平的影响[7]。

电力系统中无功功率平衡水平对电压水平有较大影响。

如果发电机有足够的无功功率备用，系统的无功电源比较充足，就能满足较高电压质量下无功功率平衡的需要，系统就有较高质量的运行电压水平。

反之，如果无功功率不足，系统只能在较低质量的电压水平下运行。

另外，电能在电力网中传输时，要损失掉部分有功功率和无功功率。

当无功功率损耗较大时，将引起系统电压大幅度下降，影响系统运行的稳定性、经济性。

（2）无功功率对电压质量的影响。

电力系统是向用户提供电能的网络，因而电能质量是供电部门生产经营活动中的一个重要经济技术指标。

电压时电能质量的主要指标之一，电压质量对电力系统稳定运行，降低线路损耗和保证工农业的安全生产有着重要意义。

在工农业生产和人民生活中使用的各种用电设备都是按照额定电压来设计制造的。

这些设备在额定电压下运行时，才能取得最佳的运行状态。

电压超出所规定的范围时，对用电设备将产生不良的后果。

一般电压的允许变化范围为（+5%～-10%）UN。

电力部门为了确保电力系统正常运行时能够提供优质的电压，确保优质的供电服务，必须确保各输配电线路的母线电压稳定在允许的偏差范围之内。

电力系统正常运行时，应有充足的无功电源。

无功电源的总容量要能满足系统的额定电压下对无功功率的需求。

否则，电压就会偏离额定值。

当电力网有能力向负荷供给足够的无功功率时，负荷的电压就能维持在正常的水平上。

如果无功电源容量不足，负荷的端电压就会降低。

所以，我们要保证电力系统的电压质量，就必须先保证电力系统无功功率的平衡。

1.2.3无功功率对线损的影响

无功电源的分布、无功功率的传输以及无功功率的管理，直接影响线路的损耗和电力系统的经济运行[8]。

当有功功率和无功功率通过网络电阻时，会造成有功功率损耗。

当网络结构已定，输送有功功率一定时，总的功率损耗完全决定于无功功率的大小。

1.3电力系统无功电源与无功负荷

1.3.1电力系统的无功电源

在电力系统中，无功电源主要是同步发电机、同步调相机以及同步电动机。

（1）同步发电机。

同步发电机是唯一的有功电源，同时又是最基本的无功电源装置。

从系统观点来看，它的容量最大，调节也最方便。

电力系统中大部分无功功率需求都是由同步发电机提供的。

同步发电机在过励磁和欠励磁时可以分别发出或吸收无功功率。

即当同步发电机在低功率因数情况下，可以发出无功功率。

但是，发电机应严格地按照有功功率—无功功率（P-Q）极限曲线运行，不得越出曲线范围。

同步发电机供给无功功率的能力，不仅与短路比之值有关，还与同时担负的有功负载大小有关，其最大无功功率出力将受转子温升的条件限制。

同步发电机正常运行时，以滞后功率因数运行为主，即向系统提供无功功率。

但必要时，也可以减小励磁电流，使功率因数超前，即所谓“进相运行”，以吸收系统多余的无功功率。

（2）同步调相机。

同步调相机是一种特制的同步电动机，轴上不带机械负载，专门用于补偿无功功率。

它能在过励磁运行时，向系统供给感性无功功率，起无功电源的作用；在欠励磁运行时，从系统吸取感性无功功率，起无功负荷的作用。

装有自动励磁装置的同步调相机能根据电压平滑地调节输入或输出的无功功率。

同步调相机的定子与转子间的空隙比一般同步电动机小很多，轴的结构较简单，强度要求也比较低。

同步调相机的主要优点是可以无级调节无功功率的数值，但由于它是一种旋转机械，有功功率损耗较大，运行维护复杂，响应速度慢，近来已逐渐退出电网运行，通常只在需要大容量的无功功率补偿设备时才装设同步调相机。

（3）同步电动机。

同步电动机时一种除可将电能转换成机械能外，还能调节其励磁电流产生无功功率的旋转机械，因而也是一种无功电源补偿装置。

同步电动机的优点是：

①可在功率因数超前的方式下运行，输出无功功率；②当电网频率不变时，电动机的转速恒定，且转速与负载情况无功；③如果采用强行励磁，可提高供电系统的稳定性。

但这种电动机的价格较贵，控制设备较复杂，维护也比较麻烦。

1.3.2电力系统的无功负荷

（1）异步电动机。

异步电动机在电力系统运行负荷重占的比重非常大，是电力系统的无功功率消耗大户。

所以系统中无功负荷的电压特性主要是由异步电动机来确定的。

特别是经辐射性网络供电的工业负荷，如果这些负荷主要是大型感应电动机负荷时，甚至可能引起负荷端的电压连续下降，最后可能扩展到整个电力系统的电压崩溃。

出现这种现象的原因在于负荷端无功功率供应不足，系统为满足负荷的无功功率需求而造成电压不稳定。

据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功功率消耗占了60%～70%；而在异步电动机空载时所消耗的无功功率又占到电动机总无功功率消耗的60%～70%。

（2）变压器。

变压器是电力系统的又一无功功率消耗大户。

变压器的无功功率消耗包括励磁消耗和漏抗中的消耗两部分：

励磁消耗基本上等于空载损耗电流的百分值，约为1%～2%；绕组漏抗消耗在变压器满载时基本上等于短路电压的百分值，约为10%。

因此，在从电源到用户需要经过好几级变压的情形，其无功功率消耗的数值时相当可观的。

无论是双绕组还是三绕组变压器，绕组均有两组参数。

电阻和电抗为绕组纵分量，电导与电纳为绕组横分量，而消耗系统无功功率的参数是电抗和电纳。

电抗中的无功功率消耗是感性无功功率，与负荷有关，随负荷随机变化，变化范围很大。

电纳中的无功功率损耗称为励磁损耗，消耗容性无功功率，它与空载电流有关，变动范围很小，对于给定的变压器，励磁损耗是固定不变的。

所以变压器无功功率损耗的变化大小主要由负荷的变化来决定。

（3）电力线路。

电力线路有一定的特殊性。

由于电力线路存在分布电容，能产生无功功率作为无功功率源，又由于自身串联阻抗的作用，消耗无功功率作为无功功率负荷。

无功功率损耗是由电力线路的电抗和电纳造成的。

电力网中对于一定电压等级的电力线路，电力线路越长，电力线路参数值越大，无功功率损耗也就越大，电力线路上电压降也就越大。

一般来说，对于电压等级为35kV及以下的电力线路，其充电功率甚小，电力线路主要消耗无功功率。

但是对于电压等级为110kV及以上的电力线路，其情况就较为复杂。

当电力线路的传输功率较大时，电力线路中电抗消耗的无功功率将大于电纳中产生的无功功率，则电力线路为无功负荷，消耗无功功率；当电力线路的传输功率较小时，电力线路中电纳产生的无功功率，除了抵消电抗中的无功功率损耗以外，还有剩余，电力线路为无功电源，发出无功功率。

（4）整流装置。

近些年来，国民经济各部门大力推广使用各种新型的电力电子整流装置，他们在减少能量损耗的同时，也带来了诸如功率因数下降、电压波动和闪变、三相不平衡以及谐波干扰等问题，严重危及电力系统的安全经济运行。

（5）其它用电设备。

各种用电设备中，除相对很小的白炽灯照明负载只消耗有功功率外，大多数都要消耗无功功率。

因此，无论工业或农业用户都以滞后功率因数运行，其值约为.0.6～0.9，其中较大的数值对应于使用大容量同步电动机的场合。

1.4无功功率补偿

1.4.1无功功率补偿的作用

电力系统网络中不仅大多数负荷要消耗无功功率，而且大多数网络组件也要消耗无功功率。

电力系统中网络组件和负荷需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。

如果这些所需要的无功功率由发电机提供并经过长距离输送，显然是不合理的，通常也是不可能的，如果这些所需要的无功功率不能及时得到补偿，电力系统的安全运行以及用电设备的安全就会受到影响。

因此，无功功率补偿对电力系统有着重要意义，概括起来有：

（1）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。

（2）提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减小功率损耗。

（3）改善系统的稳定性，提高输电能力，并提供一定的系统阻尼。

（4）提高发电机有功输出能力。

（5）减少线路损失，提高电网的有功传输能力。

（6）降低电网的功率损耗，提高变压器的输出功率及运行经济效益。

（7）降低设备发热，延长设备寿命，改善设备的利用率。

（8）高水平平衡三相的有功功率和无功功率。

（9）避免系统电压崩溃和稳定破坏事故，提高运行安全性。

1.4.2无功功率补偿装置

无功功率补偿装置经过数十年的发展，形成了种类繁多的无功功率补偿装置。

根据无功功率补偿装置输出是否跟踪电力系统无功功率变化来分类，分为静态无功功率补偿和动态无功功率补偿。

根据无功功率补偿装置是否拥有运动部件分类，分为运动无功功率补偿和静止无功功率补偿装置。

根据无功功率补偿装置开始使用的时间，可以分为传统无功功率补偿装置和现代无功功率补偿装置。

根据电压等级的不同分为，可以分为低压无功功率补偿装置和高压无功功率补偿装置。

根据装置本身有无自带电源分类，可以分为无源无功功率补偿装置和有源无功功率补偿装置。

运动无功功率补偿装置主要有电力电容器、电力电抗器、静止无功功率补偿器、静止无功功率发生器、统一长流控制器、有源电力滤波器，其中电力电容器和电力电抗器为传统静止无功功率补偿装置，其他静止无功功率补偿装置属于现代静止无功功率补偿装置。

传统静止无功功率补偿装置的最大特征是补偿容量不能随负荷无功功率容量的变化而变化，因此又称静态静止无功功率补偿装置，简称静态无功功率补偿装置。

现代静止无功功率补偿装置最大的特征是补偿容量能随负荷无功功率容量的变化而变化，因此又称动态静止无功功率补偿装置。

同步调相机是一种旋转机械，由于其有功功率损耗较大，运行维护复杂、响应速度慢，已逐渐退出电网运行，正在被高性能的静止无功功率补偿装置所取代。

第二章静态无功功率补偿

静态无功补偿指阻抗固定，其补偿容量不能实时跟踪负荷无功功率的变化，主要是用于提供固定无功功率补偿容量的一种无功功率补偿方式。

无功功率补偿装置接入系统的方式有两种：

并联和串联。

以并联方式接入系统的无功功率补偿装置称为并联无功功率补偿，以串联方式接入系统的无功功率补偿装置称为串联无功功率补偿[9]。

并联补偿方式因为接线简单、。

操作方便、对系统可靠性影响小而广泛使用，串联补偿方式因为接线复杂、操作部方便、对系统可靠性影响大而使使用范围受到限制，一般在并联补偿方式不能满足技术要求的情况下才使用。

用于电力系统无功功率补偿[10]的静态无功功率补偿装置有并联电容器、并联电抗器、串联电容器、串联电抗器及其组合。

并联电容器用于补偿感性无功功率，并联电抗器用于补偿容性无功功率。

串联电容器和串联电抗器也常用于电力系统。

单独使用时，串联电容器用于补偿线路等效感抗、降低线路感性无功功率流动和提高受电端的电压，串联电抗器用于限制系统短路电流、补偿线路等效容抗和降低线路容性无功功率流动。

混合使用时，一般是串联电抗器在并联电容器支路中，然后与并联电容器一起接入系统，补偿高频无功功率，起到抑制谐波以及保护并联电容器的作用。

由于串联电容器和传联电抗器不如并联电容器和并联电抗器方便，无功功率补偿效果也不及并联电容器和并联电抗器，因此，静态无功补偿主要采用并联电容器和并联电抗器

2.1并联电容器

并联电容器是指并联在系统的电容器。

电容器是电子工业与电工设备中的基本元件之一。

电容器就是储藏电荷的容器。

电容器通常由两块中间隔以绝缘介质的导电板组成。

两块绝缘板中间的介质可以是气体、液体、固体或者混合体。

电容器的命名方法很多，如按接入系统的方式的不同进行命名，分为并联电容器、串联电容器，按电压级别的不同，分为高压电容器、低压电容器。

不过通常对于具体的电容器来说，一般以绝缘介质的名称来命名电容器，如空气电容器，云母电容器、纸质电容器、薄膜电容器等。

在电路以符号“C”来表示电容器。

并联电容器通过吸收容性无功功率来补偿感性无功功率和增大局部电压。

并联电容器以价格低廉、安装灵活、操作简单、运行稳定、维护方便而受到欢迎，已被用在电力系统中的各点上，为提高输电和配电的效率，保持电力系统无功功率平衡发挥了很大作用。

并联电容器的一个缺点是其无功功率输出与电压平方成正比，结果是在低压时无功功率输出减小，而这时的系统却需要更多无功功率；并联电容器的另一个缺点是电容器提供的无功功率在电压稳定时是不变的，不能随系统无功功率的需求的改变而改变，是一种静态无功功率补偿装置，适用于无功功率需求稳定的场所，但即使这样，也容易造成欠补偿或过补偿。

2.1.1并联电容器补偿无功功率的原理

电力系统中的大部分负荷是电感性的，这些感性负荷要消耗大量的无功功率，例如，感应电动机消耗的无功功率约占其总功率的60%-70%，变压器约占其总功率的20%-25%，而空载运行时，变压器的功率因数只有0.01左右，感应电动机只有0.1-0.2左右。

如果感性负荷所需的无功功率得不到就地补偿的话，势必由发电机供给，即电器设备与电源之间存在大量的功率交换。

大量的无功电流在电源与负荷之间流动，造成电网电能的消耗，降低电源的功率因数。

因此，一般需要增设无功功率补偿装置进行无功功率补偿，以提高系统电源的功率因数。

首先分析一个简单的并联电路。

假设负荷时电阻R和电感L组成的并联电路，对R、L电路进行无功功率补偿，就需要对电路并接电容C，等值电路与向量图如图2.1所