静止无功补偿器SVC的设计与研究.docx

1、静止无功补偿器SVC的设计与研究静止无功补偿器SVC的设计与研究摘 要 功率因数偏低已成为当今电网需要解决的重要问题之一。要想提高功率因素以促进电网质量的提升，能够采取的有效方式之一就是无功补偿，而在无功补偿中静止无功补偿器(SVC)起着十分重要的作用。本文首先介绍了无功功率的产生与影响，阐述了无功补偿的作用与发展，对静止无功补偿器(SVC)、晶闸管控制电抗器（TCR）以及晶闸管投切电容器（TSC）等的结构和基本原理进行了深入分析。最后论文在simulink环境下构建了SVC的仿真模型，并进行了仿真分析。通过仿真得知，静止无功补偿器采用晶闸管控制电抗器加晶闸管投切电容器的方式，能够达到不错的无

2、功补偿效果，使控制目标得以实现。关键词 无功补偿；静止无功补偿器；晶闸管控制电抗器；晶闸管投切电容器。1 引言1.1 无功功率1.1.1 无功功率的产生众所周知，在常见的用电负载中，感性负载占了绝大多数。异步电动机，变压器是感性负载中最经典的两种。因为感性负载需要吸收无功功率才能正常工作，这就使线路电压与线路电流在相位上存在一个角度差，这样就引出了无功功率的概念。无功功率不等于无用功率。它不对外做功，而是转化为其他形式的能量，如热能，化学能等。供用电系统中非线性，冲击性负荷带来的谐波与功率波动问题，使得公用电网的电压发生畸变，功率因数降低，出现电压波动与闪变问题，严重污染电网环境，对电力系统的

3、安全，优质，经济运行构成潜在的威胁，给电力用户的正常生产与生活带来危害。所以，当前急需解决的一个问题就是如何通过提高功率因素而促进电网电压的持续稳定。1.1.2 无功功率的影响无功功率对电力系统的影响：（1）降低有功功率的输出。（2）降低设备的供电能力。无功功率增大会导致电流加大，使供配电负载加大，进而使供配电能力降低。（3）使线路电能损耗和电压损失加大。无功的增加自身不会导致功率被消耗，但无功增加而使得电流加大，进而导致电能传输损耗加大。（4）造成功率因数降低和自身电压下降，设备容量利用较少，降低工业生产效益。1.2 无功补偿1.2.1 无功补偿概念要想提高功率因素使电网电压持续稳定，提供高

4、质量电能，采用无功补偿是一种不错的方式。导致电网中无功功率失去平衡的原因主要有两个：一是供电所电力质量低；二是用电用户的电气性能欠佳。这两种情况都会使无功功率加大。靠发电机提供这些无功功率，而且还要进行远距离传输，这显示不合理，实际上也是不可能做到的。所以，最为科学的方式是哪个地方需要消耗无功功率就在此地形成无功功率，也就是无功功率就地补偿。1.2.2 无功补偿的作用及意义对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下的功能：（1）降低过电压。（2）减少电压闪变。（3）阻尼次同步振荡。（4）减少电压和电流的不平衡。（5）对动态无功负荷的功率因数校正。（6）提高电力系统的静态和动态稳定性，

5、阻尼功率振荡。（7）改善电压调整，提高电网的电压质量。由于无功补偿具有特别重要的作用，所以对于无功补偿技术的研究具有了非常重要以及实际的意义：我国电网长期存在的一个问题就是无功补偿容量不足和配备不合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。近年来，随着经济的发展，一些地区就迅速变成了负荷中心。随着这些大功率负荷的不断增加，电网的无功补偿装置容量越发不足，电压更加难以控制，谐波污染也越发严重，这对电网的供电质量、供电可靠性都造成了重大影响，使用户的正常工作受到了一个比较大的影响。无功调节技术的落后使得电压随运行方式的变化也变得波动很大，导致电网（特别是配电系统）的线损增加、电压

6、波动较大，波形不稳定等众多问题。1.2.3 无功补偿的发展随着电力电子技术对电力系统的深刻影响，一种改变输电能力的新技术-灵活交流输电系统（Flexible AC Transmission System，简称FACTS）悄然兴起。FACTS技术就是在输电系统的重要位置，采用具有单独或综合能力的电力电子设备，对交流电的无功（电压）、电抗和相角进行控制，从而能有效提高输电系统的输送功率和潮流计算能力，使交流输电系统具有更好的快速性、灵活性和更大的可控力和传输能力，使输电线路更安全,更稳定,更经济。其发展经历以下几个阶段：（1）同步调相机。与同步电动机非常相似。结构简单。当存在欠励磁时，会产生容性无

7、功；当存在过励磁时，会产生容性无功。旋转电机，运行中损耗和噪音都比较大。不能分相调节。主要装设在枢纽变电所。在很多情况下无法满足快速动态补偿的要求。（2）并联电容器。结构简单，经济方便。只能补偿固定的无功功率。可能发生并联谐振，烧毁电容器，造成巨大事故。（3）静止无功补偿装置（SVC）适合高电压、长距离输电的无功补偿。投资较大。适合大功率、大容量或冲击性负载的无功补偿。对无功功率进行快速连续控制。既可以形成感性无功功率，也可以形成容性无功。稳定可靠而且维护方便，损耗小，成本低。可以对电网、负载需求的无功波动进行实时监督，实现无功功率的自动补偿。（4）静止无功发生器（SVG)。多重化或者PWM控

8、制，减少谐波含量。电抗器和电容元件体积与成本较小。采用全控型器件。1.2.4 无功补偿问题的现状随着电力系统互联的深入发展、“西电东送” 战略规划的进一步实施， 以及大容量超/特高压直流输电的应用和特高压互联电网在我国的逐渐形成，大电网中无功功率的产生、传输和分配对电网电压的质量和系统安全产生了重大影响。电网无功耦合的复杂性，使得无功电压问题成为困扰电网安全、稳定、经济运行的关键问题之一,面向大电网的无功电压调控矛盾突出，电压优化控制难度大”。目前，我国交流电网的无功补偿配置仍以电容器为主，500kV 变电站配备了容量相近的电容器与电抗器，而220kV变电站通常不配备电抗器;较长的500kV线

9、路经校核后配置相应的高压电抗器，但一般无法对其无功容量进行实时调整;新建设的500kV变电站主变压器分接头基本为无载调压，即便采用了有载调压也出于安全考虑而极少进行实时调压;SVC等动态无功补偿在钢厂等特殊用户侧装设较多，但是在电网中配置较少，百兆乏级STATCOM装置开始投入应用，但运行经验还有待积累; AVC系统技术的投人使用，开启了无功电压调控的新阶段，从运行值班人员人工调整、VQC就地控制等传统控制方式转人新的自动闭环控制阶段。由于电网规模大而且特性复杂、发展速度快而不均衡，当前电网的无功电压调控遭遇到诸多困难和挑战：（1）不同地区、不同电压等级电网的负荷特性差别很大，相应地，网络上的

10、无功损耗特性千差万别，而且在负荷峰谷差大的地区，无功容感特性随时间呈现剧烈的变化。这对电网无功电压调节提出了更高要求。（2）无功资源在电网内分布存在不均匀性，当电压等级不同时，无功流动频繁，损耗也大。主要体现在220kV 及以下电网总体无功分层平衡能力不足，而500kV及以上电网无功出线结构性过剩，导致500kV电网需向220kV下送大量无功。（3）由于220kV无功支撑能力不足，加上无功电源与负荷分布不均导致不同区域、不同季节的电压调控难度极大。有载抽头只在高压侧安装，导致中压侧和低压则电压调节被绑定，可能产生电压控制效果的冲突。（4）随着电网负荷增长，外电送人比重逐年上升，大型受端系统本网

11、电源比重持续下降，进一步加重无功损耗，主网电压质量有进一步恶化的趋势。（5）电网电压稳定问题日益突出，在“西电东送”通道的输电线路发生故障时，如直流线路闭锁、交流线路断线等故障，或者是直流落点附近区域发生短路故障，将引起受端电网母线电压下降，在受端感应电动机负荷动态特性和逆变站控制特性的作用下，严重时甚至会出现电压失稳并引发较大面积的停电问题，后果十分严重。协调AVC系统调控与其他紧急控制策略，亟需相应分析工具。（6）有些变电站无功补偿配置欠缺合理性，例如：装置容量、组数、性质等无法欠缺科学性。重载区域对容性无功补偿总量的要求高，轻载区域则要求更多的感性无功补偿，统按照设计规程进行配置，未能充

12、分考虑站点调控实际，可能无法适应各不同区域的调控需求，同时单组无功补偿容量偏大或偏小也影响调控目标的实现。 （7）AVC系统与vQc系统等现场调控手段间的配合有待进步加强。尽管VQC系统在保证电网电压质量方面取得较为丰富的运行经验，但VQC系统无法保证电网全局的电压无功优化和更好地实现节能降耗;AVC系统正在实用化过程中，省地控制目标的不同及电网中无功资源分布不均衡导致协调控制难度大，在两者共存的时期，协调配合机制需进步完善。（8）需进一步完善省地调控间的协调。无功自下而上的平衡和电压自上而下的控制，均需省地间协调优化，确保系统电压调控安全、无功潮流优化分布。 总体上，由于目前电网的无功分布还

13、未能充分实现有条件的就地平衡，在省，地上下级电网及不同地区的同级电网之间，存在很多的调控配合同题为合理解决调控问题实现目标电压控制，需要在无功配置上满足峰谷时段的无功需求，在调控策略上通过，定的策略组合发挥调控能力，在目标控制上实现协调优化满足各个调控主体的需求。如果以上各个配合方面无法得到满足，可能导致电网的实际无功电压调控能力无法满足调控需求，造成同级电网、上下级电网之间无功的不合理流动，极大地影响了电网的无功电压调控水平，给系统的安全稳定带来重大隐患。甚至可能导致电压崩溃的严重事故。1.2.5 无功功率规划原则无功功率规划原则分两种：（1）按电压原则进行补偿。使负载对无功电力的需要能够得

14、到满足，使电压在既定范围内运行，确保电力系统安全可靠，这是并联电容补偿应达到的最基本目标。如果电厂出线电压等于或低于20kV，则通常情况下，母线电压应控制在额定电压的百分之十以内。所以，各级电网送受端可以存在百分之十左右的电压降。输送无功电力大小与线路压降成正比，压降越大，输送无功电力就越多。为充分发挥发电机无功容量的作用，在电压所允许的偏差范围内进行无功补偿，以便使线路能够更多地将无功电力传输给受端。电压原则适用的电力系统是那些无法按经济补偿原则实施，无功补偿量少的系统。基于此原则实施，电网中无功流动频繁，流动距离加大，导致系统有功损耗增多。（2）按经济原则进行补偿。当电力系统配置了足够多的

15、无功补偿设备，管理水平不错的条件下，在并联无功补偿时应按照经济原则进行补偿。经济原则也就是就地分区分层平衡原则，它的主要目标是降低电网有功损耗，实现年度成本最低。可以将500kV变电站看成一个供电区，35 220kV变电站看成一个平衡单位，供电企业看成平衡区，基于经济原则进行补偿以避免变电站之间和地区之间出现无功电力频繁流动的情况。对用户的要求是，在最大有功负载时的功率因素补偿能够达到0.98甚至1.0，并且能够根据无功负载情况适时对补偿容量进行调整，使之达到平衡，不向系统传输无功。1.2.6 无功补偿优化模型基于每个规划年的负载情况， 再经优化计算得到电网每年需要的补偿电容量，制定变压器调压

16、的最优配置方案，以实现下列目标：（1）经济目标。系统所需补偿电容量最小，有功损耗最低，补偿效果最佳。（2）电压质量。各节点电压幅值偏离期望值差之和最小。（3）电压稳定。对电压稳定性进行考虑，使电压稳定裕度得到明显提高。1.3 本文的主要工作为确保电网电压持续稳定，采用无功功率补偿是比较好的方式之一，因此，无功功率补偿也成了当前电力领域的主要研究课题之一。本文主要研究的是TCR+TSC型SVC在电网中的设计及simulink仿真，主要包括以下内容：（1）分析无功功率的来源及影响，无功补偿的发展及现状。（2）对无功功率器的组成、运行原理、优点和不足等进行分析。（3）利用电力系统仿真软件simuli

17、nk，对所建立模型进行分析SVC对负荷进行无功补偿的过程，以验证所设计控制算法及模型的正确性。2 SVC及其数学模型2.1 静止无功补偿器（SVC）2.1.1 SVC概念SVC是静止无功补偿器的英文首字母缩写，它是一种有源补偿器。它是一种专指基于晶闸管的静止型动态无功补偿装置，所谓静止是指没有旋转部件。通过使用静止无功补偿器能够显著提高电力系统的稳定可靠性，使电网系统可控性强，并且能够提高电能质量，实现节能效应。一般情况下，SVC构成包括两类，一类是电容器，另一类是可控的电抗器。与普通并联电容器补偿设备相比，SVC可以对电网和负载需求的无功波动情况进行监测，进而实现对电网和负载的自动无功功率补

18、偿，以提高电网运行的稳定可靠性。FACTS技术的概念提出以后，随着半导体技术的发展、大功率电力电子装置的性能不断提高，新的控制手段的不断出现，使得大量的FACTS装置先后被提出。当前市面上已经有几十种FACTS装置。SVC作为灵活交流输电系统FACTS中的重要一员，是其中一类较早就得到广泛应用的一种FACTS控制器。它也是当前全球电力系统中性能最佳、应用最为广泛的装置之一。2.1.2 SVC的特点SVC的基本特点是响应速度快且灵敏，它可以对端电压的微小变化迅速做出响应。它还具有连续反映无功功率、投资省、损耗小、维护简单、可靠性高等一系列优点。良好的性能使它在世界范围内其市场一直迅速而稳定地增长

19、，已在静止无功补偿装置中占领主导地位。与直流换流器控制比较，使用SVC实现对直流系统的无功补偿，具有以下优势：（1）无功功率控制与有功功率无关。（2）无功功率控制HVDC运行无关。（3）无功功率控制不影响其他换流器。（4）当直流换流器闭锁时，能用SVC来降低过电压。SVC还可以达到以下的目的：（1）提高电力系统的电压调整能力。（2）对系统中枢母线电压给予支撑，使电压波动发生频率减少，使电压质量得到提高。（3）改善系统的静态、暂态电压。（4）降低暂时过电压（包括工频过电压和谐振过电压）。（5）校正电压和电流不平衡（即非对称控制）。（6）降低线损，增加输电线路的输送能力。（7）控制电力系统的功率谐

20、振。（8）阻尼电力系统的次同步谐振。（9）确保端电压与相位相对稳定，降低因电压波动而导致的闪烁或者对其他电压造成影响，导致其他电压产生波动。2.1.3 SVC的应用SVC在电力系统的主要应用分为：（1）用于负荷用户的无功补偿，其作用是:改善功率因数;补偿负载在动态过程中所需的无功;调整电压，减少电压波动和电压闪变;滤除大部分高次谐波，改善电压波形;在不平衡负载处起平衡化作用;提高冲击负载设备及其邻近电气设备的运行安全性。（2）用于电力系统的无功补偿。其作用是:提高输电线路的输送功率;按指定要求调整系统电压;抑制电力系统的次同步谐振;提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性;提供阻尼力矩以抑制电力系

21、统的功率振荡;吸收电力系统中突然涌现的过剩无功，抑制暂时过电压;对直流输电系统的换流站，提供换相无功和实施电压控制;减少系统中的负序电流分量，对连接点的三相电压起平衡作用;对终端变电所、枢纽变电所提供无功功率补偿，以达到灵活调相的目的。工业应用中常常将TCR+TSC支路接在负荷母线，但对输电系统应用常常还要通过降压变压器在10-35kv电压等级接入SVC。SVC的容量，对于工业用户来说常为10-50Mvar，对主要用在输电系统的无功补偿时，一般则达到100-300Mvar。2.2静止无功补偿器的分类一般情况下，SVC存在四种形式，分别是SR、TCR、TCT和TSC。SR是自饱和型电抗器型的英文

22、单词首字母缩写；TCR、TCT和TSC分别表示晶闸管控制电抗器、晶闸管控制高漏抗变压器和晶闸管投切电容器。2.2.1 SR型SVCSR型SVC原理图如图1所示。图1 SR型SVC的原理图从上图能够看出，SR型SVC主要由并联电容器、斜率校正电容器、柱式自饱和电抗器以及旁路阻尼滤波器四个部分构成。当SR型SVC工作在正常运行范围内时，其输出特性呈现出线性的特点。自饱和电抗器基于电抗器自身特点实现电压稳定，它对无功功率的大小控制主要是通过电抗器铁心的饱和特性来实现的。其动态响应速度非常快，且有和变压器一样的短时超负荷能力。感性范围内其线性输出特性，使SR型SVC即能够稳定电压又能降低短时过电压。S

23、R型SVC的主要优点：（1）工作可靠，易于维护；（2）感性工作范围内具有较强的超负载能力；（3）可以连续快速的进行容性或感性调节；抑制不对称负荷；（4）自身谐波含量低。（5）在交流输电系统中稳定电压，同时降低短时过电压。（6）可以快速抑制电压波动和闪变SR型SVC的主要缺点：（1）不能附加其他控制信号，导致控制灵活性较差；（2）高频磁质伸缩力造成运行噪声大；（3）不能进行分相调节；（4）不能直接与超高压连接；（5）单位容量损耗大；（6）其制造复杂且价格较高而得不到广泛应用。2.2.2 TCR型SVCTCR型SVC的原理图，如图2所示：图2TCR型SVC原理图该装置主要有两个部分组成：两个反并联

24、的晶闸管与一个电抗器。晶闸管基于单相半波交流开关工作，如果想改变电感中的电流以实现补偿容量控制，只需要改变触发角即可。三相接线形式一般为三角形接线，可以使电力系统线电流中的三次谐波成分不流入系统。TCR型SVC优点主要有：（1）能够进行分相调节。（2）吸收谐波能力好。（3）功率损耗相对较小。（4）控制灵活性好。（5）动态响应时间快。缺点主要有：（1）不能直接接于超高压。（2）自身产生谐波。（3）运行维护相对复杂。2.2.3 TSC型SVCTSC型SVC原理如图3示：图3 TSC型SVC的原理图TSC两只晶闸管反并联形成晶闸管投切电容器，进而实现无触点晶闸管电子开关的效果。将它作为电容器的投切元

25、件时，只要在适当时刻对晶闸管的门极加上触发信号，就可以做到电容器两端的电压不突变或突变很小，从而大大减小电容器投人时的涌流，甚至没有涌流。电容器在没有使用时，它的两端电压为0,如果电容器从电路切除不久，它两端就可能保留有残压，残压最大值是电源电压的幅值。由于电容器_般内部都有放电电阻，随着时间推移，残压会逐渐降低，最后会降到零。电源电压瞬时值是按工频变化的正弦波，只要做到当电源电压瞬时值与电容器电压相同时，晶闸管导通打开电子开关，电容器两端的电压就不会发生突变，也就不会产生涌流。在实际使用中，只要检测晶闸管两端的电压，在此电压为0时，触发品闸管使其导通，这样就实现了无涌流投人电容器，即通常所说

26、的过零投人。撤去晶闸管触发极上的触发信号后，品闸管内只要有电流流过它就继续保持导通状态，当交流电流变化到为0时，晶闸管即恢复到关断状态，将电容器从电路切除，即品闸管是电流过零时关断的，即通常所说的过零切除。实际中，由于检测总有些误差。加上线路的些因素，完全到零只是一种理想情况。但将酒流信数限制在信以下是完全可以做到的，采用了过零设切。清流几乎可以计，投切电容的速度频率可以大大加快，动态无功补偿就是这样实现的。三组晶闸管控制方式相对完善，在对速度要求不是特别高的情况下均可以用这种方式。这种方式存在的一个问题是， 三相过零时间并不完全相同，当第一相的晶闸管过零投人以后，三相电容的电压电流相位均发生

27、了变化，投切元件的控制系统就要重新检测过零点，这就使得检测时间延长，投切的速度受到影响。不管是三角形接线还是星形接线，效果相同。三组晶闸管控制方式如图4：图4三组晶闸管控制方式TSC型SVC主要优点：（1）分组补偿，可以频繁操作，控制灵活；响应快速。（2）自身无谐波；损耗小、噪声小。（3）能够对因非线性负载、周期快速变化、不平衡或者强冲击而导致的电压波动产生抑制作用。（4）可以进行快速深度无功补偿。TSC型SVC主要缺点：（1）动态响应时间较长。（2）无功输出只能是级差的容性无功。（3）谐波吸收能力弱。（4）不能直接接于超高压。（5）限制过电压的能力。（6）运行维护相对复杂。2.2.4 TCT

28、型SVCTCT型SVC原理图如图5：图5 TCT型SVC的原理图该装置是一种高漏抗变压器，算是一种TCR的变形。在该装置中，高阻抗变压器的主要作用是吸收无功功率，属于感性元件。一旦二次侧出现短路，在高漏抗的作用理。变压器不受短路影响。因高漏抗变压器具有很好的线性度，而且难以达到饱和状态，而且它的热容量比单个电抗器要大很多，所以能够吸收更大范围内的过负载。为了能够与并联电容器一起使用，电容器只能与一次侧高压母线相接，这使得成本会增多。具备分相调节的功能。TCT型SVC主要优点有：（1）降低成本；高可靠性。（2）过负荷能力强；可以直接接于超高压。TCT型SVC主要缺点有：（1）损耗大，噪声大。（2

29、）动态响应时间长。2.3 TCR+TSC混合型静止无功补偿器2.3.1 TCR的设计TCR型SVC主要由电抗器、晶闸管组串联构成。它可以对负荷或电网的波动无功进行动态跟踪，并且快速补偿，维持系统电压稳定。SVC在负荷发生波动变化时通过调节晶闸管触发角而调节负荷的无功功率，从而使无功损耗接近于0，达到无功补偿的效果。为改变电抗器电流，使需改变晶闸管触发延迟角a即可，可以实现对电抗器基波无功功率进行连续调节的目的。对于TCR型SVC，其触发延迟角应控制在90到180之间，它的位移因数始终保持为零。触发延迟角加大，则电流中基波分量减少，也就意味着补偿器的等效电纳降低，等效感抗增加，因此，它吸收的无功

30、功率也就减少了。表1 TCR的动作原理触发延迟角9090180180晶闸管导通情况完全导通部分区间导通不导通导通角180小于1800特点吸收的基波电流和无功功率最大对电力系统有部分作用对电力系统不起任何作用因考虑到单独的TCR只有吸收感性无功功率的作用，所以通常将它与电容器并联一起使用。当TCR与电容器并联后，无功功率总值就是TCR所吸收的无功功率与电容器无功功率相抵后的静无功功率。此外，将电容器与小的调谐电抗器串联还能够实现滤波器的功能，对TCR形成的谐波电流进行吸收。2.3.2 TSC的设计原理基本原理：就电容器分组而言，它的分组方式是相当灵活的。通常情况下，能够电容器分组后能够得到的电容

31、值越大越好。但在具体应用中，应系统复杂程度和资金成本等问题，通常采用的方式是二进制式。也就是一个电容器组合由1个大小为C/2的电容和K-1个大小为C的电容构成，此种方法能够得到2k级组合电容值。确定投切时刻：将TSC投入电容的时间就是晶闸管开通的时间，所以投切时刻一定要是电容器电压等于电源电压的时刻。基于电容特性，一旦电容电压出现阶跃变化，应会形成冲击电流，进而对晶闸管造成破坏或者使电源产生高频振荡，这些对系统而言都是不利的。2.3.3 TCR+TSC混合型静止无功补偿器在TCR和TSC的相互配合下，SVC就可以调节容性无功，也可以调节感性无功，能实现对补偿装置无功功率的持续调节，确保补偿点电压持续稳定。在TCR+TSC型SVC中，TCR的容量只要在抵消那组固定电容的容性无功以后可以满足感性无功需求就行，不需要像TCR+ FC型补偿装置那样，必须要在抵消所有并联电容器的容性无功以后满足感性无功需求。此外，在TCR+TSC型SVC中，TCR的容量应该要比电容切换时容性无功变化稍大，不然有可能使伏安特性在切换点存在不连续的情况。在使用TCR+TSC型SVC时应避免频繁切除或增